FR2500215A1 - Heat sink for encapsulated power semiconductor device - has finned high thermal conductivity base plate with cover, channels and deflector for coolant circulation - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D'UN COMPOSANT ELECTRONIQUE
DE PUISSANCE, ET COMPOSANT ENCAPSULE DANS UN BOITIER
MUNI D'UN TEL DISPOSITIF
La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d'un composant électronique, et plus particulièrement de refroidissement par un liquide d'un ou plusieurs composants semiconducteurs de puissance encapsulés dans un même boitier.DEVICE FOR COOLING AN ELECTRONIC COMPONENT
POWER, AND ENCAPSULATED COMPONENT IN A HOUSING
PROVIDED WITH SUCH A DEVICE
The present invention relates to a device for cooling an electronic component, and more particularly for cooling with a liquid one or more semiconductor power components encapsulated in the same package.
Les composants semiconducteurs de puissance concernés par l'invention sont ceux dont le fonctionnement électrique dégage de la chaleur, c'est à dire essentiellement les transistors, thyristors, triacs, et diodes, mais d'autres composants, dont il est nécessaire de contrôler l'élévation de température, sont susceptibles d'être montés sur le dispositif selon l'invention. The power semiconductor components concerned by the invention are those whose electrical operation gives off heat, that is to say essentially the transistors, thyristors, triacs, and diodes, but other components, the control of which is necessary. 'temperature rise, are likely to be mounted on the device according to the invention.
La fréquence de fonctionnement du composant de puissance n'intervient pas dans l'efficacité du dispositif de refroidissement selon l'inven tion ; toutefois, celui-ci est particulièrement intéressant lorsqu'il est appliqué à des composants de puissance fonctionnant aux hautes fréquences, pour lesquelles la longueur des liaisons entre le composant actif et le reste du circuit électronique prend de l'importance. En effet, le dispositif de refroidissement selon l'invention permet de refroidir le composant actif, à sa place dans le circuit, sans qu'il soit nécessaire de le déplacer jusqu'à une partie du système qui permette de le refroidir par l'air. The operating frequency of the power component does not affect the efficiency of the cooling device according to the invention; however, this is particularly advantageous when applied to power components operating at high frequencies, for which the length of the links between the active component and the rest of the electronic circuit becomes important. In fact, the cooling device according to the invention makes it possible to cool the active component, in its place in the circuit, without it being necessary to move it to a part of the system which allows it to be cooled by air. .
Aux composants semiconducteurs de puissance sont liés deux types de problèmes thermiques. Two types of thermal problems are linked to power semiconductor components.
En premier lieu, la pastille, ou plus exactement les jonctions des semiconducteurs, doit fonctionner en-dessous d'une température limite maximale, de l'ordre de 1750C, ce qui ne pose pas de problème majeur pour les composants de signal, mais en pose pour les composants de puissance. Dans la majorité des dispositifs actuellement connus, l'évacuation des calories dégagées au niveau des jonctions dans les semiconducteurs se fait par le substrat du semiconducteur vers le boitier. First, the wafer, or more precisely the semiconductor junctions, must operate below a maximum temperature limit, of the order of 1750C, which does not pose a major problem for the signal components, but in poses for power components. In the majority of currently known devices, the evacuation of the calories released at the junctions in the semiconductors is done by the substrate of the semiconductor towards the package.
En second lieu, l'augmentation de puissance à laquelle on accède actuellement avec le perfectionnement des technologies, conduit à des difficultés de réalisation et à un encombrement des systèmes d'évacuation des calories qui peuvent devenir excessifs. Secondly, the increase in power which is currently being accessed with the improvement of technologies, leads to production difficulties and to congestion of the heat removal systems which can become excessive.
En effet pour les fortes puissances et de grandes surfaces des pastilles semiconductrices, il devient de plus en plus difficile d'assurer un bon contact thermique entre la ou les pastilles semiconductrices, l'isolant intermédiaire en oxyde de bérylium par exemple, une semelle de cuivre de répartition des calories et le radiateur: selon le moyen de fixation utilisé, la semelle et le radiateur se déforment d'une façon ou d'une autre, ce qui diminue le contact thermique et donc augmente la résistance thermique du boitier, et "in fine" limite la puissance dissipée. Indeed for the high powers and large surfaces of the semiconductor wafers, it becomes increasingly difficult to ensure good thermal contact between the semiconductor wafer (s), the intermediate insulator made of berylium oxide for example, a copper soleplate. distribution of calories and the radiator: depending on the fixing means used, the soleplate and the radiator deform in one way or another, which decreases the thermal contact and therefore increases the thermal resistance of the case, and "in fine "limits the power dissipated.
La limitation en puissance des semiconducteurs actuels est donc en grande partie liée à l'évacuation des calories, plutôt qu'à une limite atteinte dans la technologie des semiconducteurs. Dans les dispositifs actuellement connus, la limitation en puissance est dûe au fait que sont utilisés comme fluides caloporteurs soit l'air ambiant, par convection naturelle ou forcée, soit un liquide, généralement de l'eau, dont la circulation dans le dissipateur n'est pas contrôlée. The power limitation of current semiconductors is therefore largely linked to the evacuation of calories, rather than to a limit reached in semiconductor technology. In currently known devices, the power limitation is due to the fact that, as heat transfer fluids, either ambient air, by natural or forced convection, or a liquid, generally water, the circulation of which in the dissipator is used. is not controlled.
Dans le dispositif de refroidissement selon l'invention, le fluide caloporteur est choisi parmi les liquides à capacité calorifique élevée, de façon à disposer d'un pouvoir élevé d'évacuation des calories dégagées par le semiconducteur; l'eau ou les liquides organiques sont particulièrement efficaces. Mais en outre, la circulation de ce liquide caloporteur au contact de la semelle du boitier à refroidir est soigneusement contrôlée, et le liquide circule à très grande vitesse entre des ailettes métalliques qui sont directement usinées dans le métal constituant la semelle du boitier. La circulation du liquide au contact de la semelle est obligée par un couvercle de fermeture de cavité, lequel couvercle vient en contact parfait avec l'extrémité des ailettes métalliques usinées dans la semelle du boitier. In the cooling device according to the invention, the heat transfer fluid is chosen from liquids with high calorific capacity, so as to have a high power of evacuation of the calories released by the semiconductor; water or body fluids are particularly effective. But in addition, the circulation of this heat transfer liquid in contact with the sole of the case to be cooled is carefully controlled, and the liquid circulates at very high speed between metal fins which are directly machined in the metal constituting the sole of the case. The circulation of the liquid in contact with the sole is forced by a cavity closure cover, which cover comes into perfect contact with the end of the metal fins machined in the sole of the case.
De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de refroidissement d'un composant électronique de puissance, monté dans un boitier dont la semelle est réalisée dans un matériau métallique bon conducteur de la chaleur, caractérisé en ce que la semelle du boitier comporte une série d'ailettes de dissipation de la chaleur dégagée par le composant, parallèles entre elles et perpendiculaires au plan de la semelle, et en ce qu'un liquide caloporteur est soumis à une circulation forcée entre les ailettes, au contact direct de la semelle, ce liquide étant contenu dans une cavité formée par la semelle du boitier et par un couvercle, muni de deux orifices de circulation du liquide et d'un déflecteur placé entre les deux orifices de circulation et perpendiculairement aux ailettes, ledit déflecteur ayant au contact des ailettes des dimensions latérales égales aux dimensions latérales de la série d'ailettes, obligeant le liquide caloporteur à circuler entre les ailettes sur toute leur longueur. More specifically, the invention relates to a device for cooling an electronic power component, mounted in a housing, the sole of which is made of a metallic material which is a good conductor of heat, characterized in that the sole of the housing comprises a series of fins for dissipating the heat released by the component, mutually parallel and perpendicular to the plane of the sole, and in that a heat-transfer liquid is subjected to forced circulation between the fins, in direct contact with the sole, this liquid being contained in a cavity formed by the sole of the case and by a cover, provided with two orifices for circulation of the liquid and with a deflector placed between the two orifices for circulation and perpendicular to the fins, said deflector having in contact with the fins lateral dimensions equal to the lateral dimensions of the series of fins, forcing the coolant to circulate between the fins over their entire lo drunk.
L'invention sera mieux comprise par la description qui suit d'un exemple d'application de dispositifs de refroidissement à circulation forcée, lequel s'appuie sur les figures annexes qui représentent
- figure 1 : un dispositif de refroidissement par l'air d'un semiconducteur de puissance, selon l'art connu;
- figure 2 : un dispositif de refroidissement par l'eau d'un semiconducteur de puissance selon l'art connu;
- figure 3: un premier moyen de fixation d'un semiconducteur sur son radiateur;
- figure 4: un second moyen de fixation d'un semiconducteur sur son radiateur;
- figure S: schéma de fonctionnement du dispositif de refroidissement selon l'invention;
- figure 6: vue du dispositif de refroidissement selon l'invention ouvert pour en montrer l'intérieur
- figure 7: vue de la partie interne du couvercle de circulation du fluide;
- figure 8 : schéma de la circulation contrôlée du fluide de refroidissement
- figure 9: schéma de montage de deux boitiers refroidis dans un système électronique.The invention will be better understood from the following description of an example of application of forced circulation cooling devices, which is based on the appended figures which represent
- Figure 1: an air cooling device of a power semiconductor, according to the prior art;
- Figure 2: a water cooling device of a power semiconductor according to the known art;
- Figure 3: a first means of fixing a semiconductor on its radiator;
- Figure 4: a second means of fixing a semiconductor on its radiator;
- Figure S: operating diagram of the cooling device according to the invention;
- Figure 6: view of the cooling device according to the invention open to show the interior
- Figure 7: view of the internal part of the fluid circulation cover;
- Figure 8: diagram of the controlled circulation of the cooling fluid
- Figure 9: assembly diagram of two cooled boxes in an electronic system.
La figure 1 représente un dispositif de refroidissement à l'air d'un semiconducteur de puissance, selon l'art connu. Figure 1 shows an air cooling device of a power semiconductor, according to the known art.
Un boitier de semiconducteur de puissance 1 est fixé de façon
mécanique sur un radiateur 2 constitué d'un bloc métallique massif et sans cavité interne, muni d'ailettes de refroidissement. Ce radiateur est fréquemment constitué d'aluminium ou de tout autre métal bon conducteur de la chaleur et est souvent peint en noir de façon à mieux dissiper les calories dans l'air ambiant.A power semiconductor package 1 is fixed so
mechanical on a radiator 2 consisting of a massive metal block and without internal cavity, provided with cooling fins. This radiator is often made of aluminum or any other metal that conducts heat well and is often painted black so as to better dissipate calories in the ambient air.
Ce genre de dispositif de refroidissement est très connu et le principal intérêt de cette figure est d'attirer l'attention sur les limitations en puissance d'un tel dispositif. On peut, avec ce genre de radiateur à ailettes, dissiper des puissances de 100 à 200 Watts en convection naturelle, et on atteint 800 Watts en convection forcée, l'air étant propulsé contre les ailettes de refroidissement au moyen d'un ventilateur. Mais, pour de telles puissances, c'est à dire 800 Watts, les dimensions du refroidisseur du ou des semiconducteurs de puissance atteignent 40 cm de côté.Outre l'inconvénient que cela représente dans l'encombrement, de telles dimensions obligent à disposer les semiconducteurs de puissance sur l'arrière ou sur les côtés du matériel dans lequel ces semiconducteurs entrent, et par conséquent à avoir des liaisons relativement longues entre le circuit à proprement parler et les semiconducteurs de puissance. This type of cooling device is very well known and the main advantage of this figure is to draw attention to the power limitations of such a device. We can, with this kind of finned radiator, dissipate powers from 100 to 200 Watts in natural convection, and we reach 800 Watts in forced convection, the air being propelled against the cooling fins by means of a fan. But, for such powers, i.e. 800 Watts, the dimensions of the cooler of the power semiconductor (s) reach 40 cm on the side. In addition to the disadvantage that this represents in the space requirement, such dimensions require that the power semiconductors on the back or sides of the material in which these semiconductors enter, and therefore have relatively long links between the circuit itself and the power semiconductors.
La figure 2 représente un autre dispositif de refroidissement par l'eau, ou par un liquide, de semiconducteurs de puissance, selon l'art connu. FIG. 2 represents another device for cooling, by water, or by a liquid, power semiconductors, according to the known art.
Sur cette figure, ont été représentés plusieurs semiconducteurs de puissance 3 fixés par des moyens mécaniques sur un bloc métallique 4 généralement de forme allongée, à l'intérieur duquel a été percée une double tubulure 5, dans laquelle circule un fluide caloporteur. Ce genre de dispositif de refroidissement par de l'eau, ou par liquide, est plus efficace et de plus petites dimensions que le précédent dispositif de refroidissement à l'air. In this figure, several power semiconductors 3 are shown fixed by mechanical means on a metal block 4 generally of elongated shape, inside which a double pipe 5 has been pierced, in which a heat transfer fluid circulates. This kind of water or liquid cooling device is more efficient and of smaller dimensions than the previous air cooling device.
Cependant, il faut remarquer que le liquide de refroidissement circule à l'intérieur d'un bloc métallique sans que sa circulation soit contrôlée de façon précise et il existe une résistance thermique relativement importante dans la chaine allant de la pastille de semiconducteur vers le support de son boitier d'encapsulation puis vers le bloc métallique jusqu'à l'eau qui circule dans la tubulure. Par conséquent, la puissance dissipée dans un tel dispositif de refroidissement par liquide est encore relativement limitée. However, it should be noted that the coolant circulates inside a metal block without its circulation being controlled precisely and there is a relatively high thermal resistance in the chain going from the semiconductor wafer to the support of its encapsulation box then towards the metal block until the water which circulates in the tubing. Consequently, the power dissipated in such a liquid cooling device is still relatively limited.
Les figures 3 et 4 représentent des moyens de fixation des pastilles de semiconducteurs sur un radiateur. Ces deux figures ont pour but de mettre en évidence les difficultés qu'il y a à dissiper une grande quantité de chaleur lorsque la puissance des semiconducteurs augmente, ce qui nécessite donc un bon contact mécanique pour obtenir une faible résistance thermique boi tier/radiateur. Figures 3 and 4 show means for fixing the semiconductor wafers on a radiator. The purpose of these two figures is to highlight the difficulties involved in dissipating a large amount of heat when the power of the semiconductors increases, which therefore requires good mechanical contact in order to obtain a low thermal resistance of the housing / radiator.
Dans le cas de la figure 3 une unique pastille de semi-conducteur 6 est fixée au moyen d'un isolant 7, qui est classiquement une lamelle d'oxyde de beryllium, sur une embase métallique 8, fixée sur un radiateur 9 au moyen d'une tige centrale filetée. Pour obtenir un bon contact thermique, et par conséquent une faible résistance entre le boitier 8 et le radiateur 9, il est nécessaire d'opérer un serrage vigoureux du boitier ou plus exactement de son embase 8 sur le radiateur 9. Si le semi-conducteur de puissance est composé par une pastille d'assez grandes dimensions, il arrive fréquemment qu'au cours du serrage de l'embase le métal flue et qu'il y ait une retreinte dans la région centrale, ce qui cause une cassure en 10 de l'isolant 7 en oxyde de beryllium et de la pastille 6. In the case of FIG. 3, a single semiconductor wafer 6 is fixed by means of an insulator 7, which is conventionally a beryllium oxide strip, on a metal base 8, fixed on a radiator 9 by means of '' a central threaded rod. To obtain a good thermal contact, and consequently a low resistance between the box 8 and the radiator 9, it is necessary to operate a vigorous tightening of the box or more exactly of its base 8 on the radiator 9. If the semiconductor of power is composed by a fairly large pellet, it frequently happens that during the tightening of the base the metal flows and that there is a shrinkage in the central region, which causes a break in 10 of the insulator 7 in beryllium oxide and the pellet 6.
Dans le cas de la figure 4, ont été représentées plusieurs pastilles de semi-conducteurs 6 montées côte à côte sur une plaque isolante 7, laquelle est fixée sur la semelle 8 d'un boitier de plus grandes dimensions que dans le cas de la figure 3. La semelle 8 du boitier est fixée sur le radiateur par des moyens mécaniques situés sur le pourtour de la semelle, mais les dimensions relativement grandes nécessitent un serrage vigoureux de façon à obtenir un bon contact thermique sur toute la surface inférieure de la semelle du boitier, et il est fréquent que ce serrage crée un bombage de la semelle, avec, comme conséquence, un vide il entre la semelle et le radiateur 9 et par conséquent un mauvais contact thermique. Plus le boitier est grand, plus il y a de difficultés à diminuer la résistance thermique boitier/radiateur. In the case of FIG. 4, several semiconductor wafers 6 have been shown mounted side by side on an insulating plate 7, which is fixed to the sole 8 of a case of larger dimensions than in the case of the figure 3. The sole 8 of the housing is fixed to the radiator by mechanical means located around the periphery of the sole, but the relatively large dimensions require vigorous tightening so as to obtain good thermal contact over the entire lower surface of the sole of the case, and it is frequent that this tightening creates a bending of the sole, with, as a consequence, a vacuum there between the sole and the radiator 9 and consequently poor thermal contact. The larger the box, the more difficult it is to decrease the thermal resistance of the box / radiator.
La figure 5 représente une vue en coupe du dispositif de refroidissement selon l'invention. Figure 5 shows a sectional view of the cooling device according to the invention.
Sur cette figure sont représentées, à titre non limitatif, deux pastilles 6 de semi-conducteurs de puissance, fixées par l'intermédiaire de plaquettes isolantes 7 dans l'embase 12 d'un boitier modifié selon l'invention. Les contacts de sortie sur les pastilles semi-conductrices sont prises par l'intermédiaire de poteaux métalliques 13 soudés perpendiculairement par rapport au plan des pastilles, ces contacts faisant l'objet d'un brevet déposé par la demanderesse. In this figure are shown, without limitation, two pads 6 of power semiconductors, fixed by means of insulating plates 7 in the base 12 of a modified housing according to the invention. The output contacts on the semiconductor wafers are taken by means of metal posts 13 welded perpendicularly to the plane of the wafers, these contacts being the subject of a patent filed by the applicant.
L'originalité du boitier 12 adapté au dispositif de refroidissement selon l'invention est qu'il comporte sur sa face postérieure, c'est à dire sur sa face principale opposée à la face d'accès par des connexions 13 aux pastilles de semi-conducteur, une série d'ailettes 14 qui sont soit usinées directement dans le même bloc de métal que celui dans lequel a été taillé le boitier, soit rapportées sous forme d'une structure lamellaire ou en nid d'abeilles, sur le fond plan du boitier, et fixées par exemple par brasure. Les ailettes sont usinées parallèles entre elles, et perperndiculaires au plan de la semelle du boitier. The originality of the housing 12 adapted to the cooling device according to the invention is that it comprises on its rear face, that is to say on its main face opposite to the access face by connections 13 to the semiconductor pads. conductor, a series of fins 14 which are either machined directly from the same block of metal as that in which the case was cut, or attached in the form of a lamellar or honeycomb structure, on the bottom plane of the case, and fixed for example by soldering. The fins are machined parallel to each other, and perpendicular to the plane of the sole of the case.
Le côté de la semelle du boitier 12 qui comporte les ailettes 14 est recouvert par un couvercle 15, réalisé en tôle ou injecté en matière plastique, à l'intérieur duquel circule le fluide caloporteur de refroidissement. La forme de ce couvercle 15 n'est pas limitée à celle qui est représentée sur la figure 5 : les points importants du couvercle 15 sont qu'il comporte deux orifices 16 destinés au raccord avec les tubulures d'arrivée et d'évacuation du fluide caloporteur. il comporte en outre un déflecteur central 17 qui assume une double fonction: obliger le fluide caloporteur qui entre par un raccord 16 à circuler entre les ailettes 14 avant de sortir par l'autre raccord 16; ensuite la largeur de ce déflecteur 17 fait qu'il constitue une sorte de patin qui vient en contact intime avec le sommet des ailettes 14, ce qui fait que le fluide caloporteur est obligé de circuler entre les ailettes sur toute leur longueur. Ce détail de réalisation sera plus facilement exposé à l'occasion d'une figure suivante. The side of the sole of the housing 12 which comprises the fins 14 is covered by a cover 15, made of sheet metal or injected in plastic material, inside which circulates the coolant coolant. The shape of this cover 15 is not limited to that which is represented in FIG. 5: the important points of the cover 15 are that it has two orifices 16 intended for connection with the pipes for the arrival and discharge of the fluid. coolant. it further comprises a central deflector 17 which has a double function: forcing the heat transfer fluid which enters via a connector 16 to circulate between the fins 14 before exiting through the other connector 16; then the width of this deflector 17 means that it constitutes a sort of shoe which comes into intimate contact with the top of the fins 14, which means that the heat transfer fluid is forced to circulate between the fins over their entire length. This detail of realization will be more easily exposed on the occasion of a following figure.
La figure 6 représente une vue en éclaté du dispositif de refroidissement selon l'invention. FIG. 6 represents an exploded view of the cooling device according to the invention.
Sur cette figure sont représentées les trois principales parties constituantes du dispositif de refroidissement selon l'invention, vu, par rapport au boitier d'encapsulation des semi-conducteurs de puissance, du côté des ailettes de refroidissement. In this figure are shown the three main constituent parts of the cooling device according to the invention, seen, relative to the encapsulation box of the power semiconductors, on the side of the cooling fins.
La première pièce constituante est le boitier 12 dans le matériau duquel ont été taillées des ailettes de refroidissement 14. The first component part is the housing 12 in the material from which the cooling fins 14 have been cut.
La seconde pièce est constituée par le couvercle 15, représenté retourné de façon à montrer la constitution de l'intérieur de ce couvercle 15. Chaque tubulure 16 d'accès du fluide de refroidissement est prolongée selon son axe par une cavité qui permet au fluide de refroidissement d'atteindre la totalité des ailettes du boitier. Entre ces deux cavités se trouve le déflecteur 17, dont le niveau inférieur se trouve à une distance 18 du niveau inférieur du couvercle 15, cette distance 18 étant égale à la hauteur des ailettes 14 taillées dans l'embase 12, de telle façon que le déflecteur 17 vienne au contact de toutes les ailettes. The second part is constituted by the cover 15, shown turned over so as to show the constitution of the interior of this cover 15. Each tube 16 for access to the cooling fluid is extended along its axis by a cavity which allows the fluid to cooling to reach all of the fins of the housing. Between these two cavities is the deflector 17, the lower level of which is at a distance 18 from the lower level of the cover 15, this distance 18 being equal to the height of the fins 14 cut in the base 12, so that the deflector 17 comes into contact with all the fins.
La troisième pièce constituante du dispositif de refroidissement selon l'invention est un joint 19 qui est posé sur les ailettes 14 avant que le couvercle 15 ne soit mis en place. Ce joint a pour fonction de répartir le fluide de refroidissement de façon régulière entre les différentes ailettes, pour tenir compte des pertes de charges. Sur cette figure 6, il a été représenté, sans que ceci soit limitatif, muni de deux orifices qui ont une extrémité 20 étroite et une extrémité 21 plus large. Ces deux orifices sont distants entre eux d'une longueur légèrement supérieure à la longueur des ailettes 14, et la partie étroite 20 se monte du cOté de l'arrivée du fluide par une tubulure 16, c'est à dire du côté où la perte de charge est la moins élevée.Cependant, d'autres formes de joint 19 sont concevables, telles que par exemple une forme de trapèze, selon laquelle les deux languettes 22 qui bordent les fentes d'égalisation de distribution sont supprimées. The third component part of the cooling device according to the invention is a seal 19 which is placed on the fins 14 before the cover 15 is put in place. The function of this seal is to distribute the coolant evenly between the different fins, to take account of pressure losses. In this FIG. 6, it has been shown, without this being limiting, provided with two orifices which have a narrow end 20 and a wider end 21. These two orifices are distant from each other by a length slightly greater than the length of the fins 14, and the narrow part 20 is mounted on the side of the arrival of the fluid by a tube 16, that is to say on the side where the loss load is the lowest. However, other forms of seal 19 are conceivable, such as for example a trapezoid shape, in which the two tabs 22 which border the distribution equalization slots are eliminated.
Cette figure permet de mieux voir les ailettes 14. Les dimensions des ailettes sont importantes dans l'optimisation du dispositif de refroidissement selon l'invention. Ainsi, il a été trouvé que les ailettes 14 doivent être séparées entre elles par des rainures 23 dont la largeur est égale à la moitié de l'épaisseur d'une ailette 14 pour que le refroidissement soit optimum. This figure makes it easier to see the fins 14. The dimensions of the fins are important in optimizing the cooling device according to the invention. Thus, it has been found that the fins 14 must be separated from one another by grooves 23 whose width is equal to half the thickness of a fin 14 so that cooling is optimum.
La figure 7 représente le couvercle de circulation de fluide vu par sa partie inférieure, c'est à dire celle qui entre en contact avec la semelle du boitier d'encapsulation 12. FIG. 7 represents the fluid circulation cover seen from its lower part, that is to say that which comes into contact with the sole of the encapsulation box 12.
Cette vue met en évidence que, dans le bloc de matière qui constitue le couvercle 15, sont percés deux orifices d'accès du fluide 16 et que ces deux orifices sont prolongés par une cavité 24 d'un côté du bloc et 25 de l'autre côté du bloc. Entre les cavités 24 et 25 se trouve le déflecteur 17 dont il a été déjà fait mention, ce déflecteur 17 ayant une épaisseur égale à la longueur des ailettes 14 de telle façon que le fluide qui pénètre à l'intérieur du boitier 15 par l'orifice et la cavité 24 est obligé de ressortir par la cavité 25 après avoir léché sur toute leur longueur les ailettes 14. This view shows that, in the block of material which constitutes the cover 15, are pierced two orifices for access to the fluid 16 and that these two orifices are extended by a cavity 24 on one side of the block and 25 of the other side of the block. Between the cavities 24 and 25 is the deflector 17 which has already been mentioned, this deflector 17 having a thickness equal to the length of the fins 14 so that the fluid which penetrates inside the housing 15 by the orifice and the cavity 24 is forced to come out through the cavity 25 after having licked the fins 14 over their entire length.
La figure 8 représente le schéma de la circulation contrôlée du fluide de refroidissement dans le dispositif selon l'invention. FIG. 8 represents the diagram of the controlled circulation of the cooling fluid in the device according to the invention.
La figure 8 correspond à la même vue que la figure 5, mais selon un axe de la coupe qui est perpendiculaire à l'axe de la figure 5, et en outre le haut et le bas des deux figures étant inversés. Figure 8 corresponds to the same view as Figure 5, but along an axis of the section which is perpendicular to the axis of Figure 5, and further the top and bottom of the two figures being reversed.
On voit sur la figure 8 que le couvercle 15 assure par contact avec l'embase de boitier 12 un volume à l'intérieur duquel le fluide de refroidissement pénètre par un orifice 16, se rapproche des ailettes grâce à une cavité 24 et circule le long des ailettes 14 avant de ressortir par une cavité 25 et le second orifice 16. We see in Figure 8 that the cover 15 provides by contact with the housing base 12 a volume inside which the cooling fluid enters through an orifice 16, approaches the fins through a cavity 24 and flows along fins 14 before coming out through a cavity 25 and the second orifice 16.
Le joint 19 qui est mis en place entre le couvercle 15 et l'embase 12 présente deux orifices 20 dont la largeur évolue en fonction de la perte de charge le long du système de refroidissement. Etant don#né la coupe que représente la figure 8, une seule ailette 14 est visible; elle cache toutes les autres ailettes qui sont derrière elle. The seal 19 which is placed between the cover 15 and the base 12 has two orifices 20, the width of which changes as a function of the pressure drop along the cooling system. Being don # born the section shown in Figure 8, a single fin 14 is visible; it hides all the other fins which are behind it.
Cette même figure 8 permet de préciser le montage du capot et du dispositif de refroidissement sur l'embase 12, ce montage étant effectué, après avoir mis en place le joint 19, par collage du capot sur l'embase du boitier, ou par soudure. This same FIG. 8 makes it possible to specify the mounting of the cover and of the cooling device on the base 12, this mounting being carried out, after having put in place the seal 19, by bonding the cover to the base of the case, or by welding. .
A titre d'exemple non limitatif le dispositif de refroidissement selon l'invention a donné les résultats suivants, l'eau étant le liquide de refroidissement: pour une surface d'échange composée de 20 canaux de 0,4 mm de largeur, sur une profondeur de 2,5 mm et une longueur de 15 mm, répartis sur une distance de 25 mm, le matériau dans lequel ont été usinés les canaux et les ailettes étant le cuivre, et pour un débit de 200 litres d'eau par heure et une perte de charge de 0,3 bar, la résistance thermique moyenne entre l'eau et le boitier a été trouvée égale à 0,02 C par Watt.Ces résultats signifient que par comparaison avec des systèmes connus tels que le radiateur à ailettes refroidi à l'air, il est actuellement possible de dissiper une puissance de 1K Watt au moyen d'un boitier dans lequel sont montées une ou plusieurs pastilles de semi-conducteur de puissance, sous la seule condition que la semelle de ce boitier soit équipée du dispositif de refroidissement selon l'invention, comportant notamment des ailettes sur une surface aussi petite que 25 mm X 15 mm, ce qui est à comparer avec les 40 cm de côté pour un radiateur à ailettes. By way of nonlimiting example, the cooling device according to the invention has given the following results, water being the cooling liquid: for an exchange surface composed of 20 channels of 0.4 mm wide, on a 2.5 mm deep and 15 mm long, distributed over a distance of 25 mm, the material in which the channels and fins were machined being copper, and for a flow rate of 200 liters of water per hour and a pressure drop of 0.3 bar, the average thermal resistance between the water and the housing has been found equal to 0.02 C per Watt. These results mean that in comparison with known systems such as the cooled fin radiator in air, it is currently possible to dissipate a power of 1K Watt by means of a box in which one or more wafers of power semiconductor are mounted, under the sole condition that the sole of this box is equipped with the cooling device according to the invention, compor both notably fins on an area as small as 25 mm X 15 mm, which is to be compared with the 40 cm side for a fin radiator.
La figure 9 représente un schéma de montage de deux boîtiers refroidis selon l'invention, dans un système électronique. Elle met en évidence l'avantage qui résulte de l'adoption de ce dispositif de refroidissement, en particulier pour des systèmes électroniques fonctionnant à haute fréquence. FIG. 9 represents a diagram of assembly of two cooled boxes according to the invention, in an electronic system. It highlights the advantage which results from the adoption of this cooling device, in particular for electronic systems operating at high frequency.
Soit 26 un premier circuit imprimé comportant outre les composants classiques, un premier boitier 12 refroidi par un dispositif de refroidissement selon l'invention 15. Ce premier boitier est fixé sur le premier circuit imprimé au moyen de vis de fixation et les connexions 13 des semiconducteurs de puissance sont soudées par une pluralité de points de soudure 27. Soient 26', 12' et 15' un second circuit imprimé, un second boitier de semi-conducteur de puissance et un second dispositif de refroidissement comparable au précédent.La figure 9 met en évidence le fait que, en raison des très petites dimensions du boitier par rapport à une puissance dissipée de l'ordre du kilowatt, il devient possible de maintenir, et en particulier dans un système fonctionnant en hyperfréquence, les éléments semi-conducteurs à leur place d'implantation sur le circuit imprimé, sans avoir à les déporter jusqu'à l'arrière de l'appareil, ou de façon plus générale dans une position où ils pourront être refroidis par l'air ambiant ou forcé. Le fait de maintenir les semi-conducteurs dans leur position d'implantation est d'autant plus important qu'aux hyperfréquences la longueur des liaisons joue un rôle non négligeable. Let 26 be a first printed circuit comprising, in addition to the conventional components, a first box 12 cooled by a cooling device according to the invention 15. This first box is fixed to the first printed circuit by means of fixing screws and the connections 13 of the semiconductors power are soldered by a plurality of solder points 27. Let 26 ', 12' and 15 'a second printed circuit, a second power semiconductor case and a second cooling device comparable to the previous one. Figure 9 puts highlight the fact that, due to the very small dimensions of the case compared to a dissipated power of the order of kilowatt, it becomes possible to maintain, and in particular in a microwave operating system, the semiconductor elements at their location on the printed circuit, without having to move them to the rear of the device, or more generally in a position where they can be cooled by ambient or forced air. Keeping the semiconductors in their implantation position is all the more important that at microwave frequencies the length of the links plays a non-negligible role.
Le dispositif de refroidissement selon l'invention tel qu'il a été représenté sur les figures 5, 6 et 9 en particulier, est décrit comme ayant une entrée et une sortie du fluide de refroidissement situées d'un même côté du capot 15, celui-ci ayant une forme de parallélépipède scié selon une diagonale. Cependant, appartient au domaine de l'invention le cas où le capot serait un parallélépipède muni sur deux faces opposées d'une entrée et d'une sortie de fluide. L'adoption de l'un de ces types de capot, ou de tout autre type de capot est essentiellement fonction de l'implantation des composants à refroidir par rapport au matériel dans la réalisation desquels ils entrent. The cooling device according to the invention as shown in FIGS. 5, 6 and 9 in particular, is described as having an inlet and an outlet for the cooling fluid situated on the same side of the cover 15, that -this having the shape of a parallelepiped sawed along a diagonal. However, belongs to the field of the invention the case where the cover is a parallelepiped provided on two opposite faces with an inlet and an outlet for fluid. The adoption of one of these types of cover, or of any other type of cover is essentially a function of the location of the components to be cooled with respect to the material in which they are used.
C'est ainsi qu'en pr#atique il est plus facile de réaliser un matériel dans lequel le tube souple qui amène l'eau de refroidissement est situé d'un même côté d'un circuit imprimé que le tube souple qui évacue cette eau de refroidissement. This is how, in practice, it is easier to produce a material in which the flexible tube which brings the cooling water is located on the same side of a printed circuit as the flexible tube which discharges this water. cooling.
Entrent dans le domaine de l'invention les modifications ou adaptations évidentes pour l'homme de l'art, qui concernent le dispositif de refroidissement selon l'invention, précisé par les revendications ci-après. The field of the invention includes modifications or adaptations obvious to a person skilled in the art, which relate to the cooling device according to the invention, specified by the claims below.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8102862A FR2500215A1 (en) | 1981-02-13 | 1981-02-13 | Heat sink for encapsulated power semiconductor device - has finned high thermal conductivity base plate with cover, channels and deflector for coolant circulation |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| FR8102862A FR2500215A1 (en) | 1981-02-13 | 1981-02-13 | Heat sink for encapsulated power semiconductor device - has finned high thermal conductivity base plate with cover, channels and deflector for coolant circulation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| FR2500215B1 FR2500215B1 (en) | 1985-01-25 |
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| FR8102862A Granted FR2500215A1 (en) | 1981-02-13 | 1981-02-13 | Heat sink for encapsulated power semiconductor device - has finned high thermal conductivity base plate with cover, channels and deflector for coolant circulation |
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