SE437199B - Anordning avsedd for vermeavledning vid halvledare innefattande ett enligt termosifonprincipen arbetande vermeavledande organ - Google Patents

Description

.V~, _ f 7806388-0 2 Ett annat ändamål är att åstadkomma en värmeväxlande anordning, som medger relativt snabbt utbyte av de halvledare som.är anslutna till densamma. _ Ännu ett ändamål_med uppfinningen är att åstadkomma en värmeväxlande anordning, vars till densamma anslutna halv- ledare kan göras elektriskt isolerade från varandra och från - kylningsorganen. " Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en värmeväxlande anordning, vilken är så beskaffad, att värmeenergi kan avledas från två varandra motbelägna sidor hos en halvledaranordning men dessa båda sidor likväl är ur elektrisk synpunkt isolerade från varandra.

Det för uppfinningen kännetecknande framgår av kraven.

En enligt uppfinningen utförd värmeväxlande anordning arbetar med ett kylmedel i vätske- och ångfas samt har en kylmedels- reservoar, vilken delvis avgränsas av en platta. Vidare finns isolerande organ för mottagande_av åtminstone en halvledare, som kräver kylning. Halvledarna kan bekvämt utbytas genom bort- tagande av plattan. r Enligt en föredragen utföringsform består de isolerande organen av berylliumoxid (BeO), som har erforderlig hållfasthet och värmeledningsförmåga. Vidare finns en veke, bestående av- filt och metall. Enligt en annan föredragen utföringsform är den av berylliumoxid bestående isolerande delen direkt an- sluten till kylmedelsreservoaren, varvid ingen särskild platta erfordras.

Den yta från vilken kylmedlet förångas kan vara för- storad med hjälp av flänsar.

Några utföringsformer av uppfinningen beskrivs nedan med hänvisning till ritningen.

Fig. l visar en vertikalsektion genom en anordning enligt en första utföringsform. U 7 Fig. 2 visar i större skala en vertikalvy genom en del av en anordning enligt en andra utföringsform.

Fig. 3 visar, likaledes i större skala, en vertikalvy genom en del av en anordning enligt en tredje utföringsform. 4 ßšßï” a å" / 7306388-o 3 I fig. 1 avser beteckningen 10 en modulenhet, vilken innefattar värmeavledande organ ll och en kylmedelsreservoar 12, vilken består av ett värmeledande material. Vidare ingår i enheten åtminstone ett rör 14, vars inre l4a kommunicerar med reservoarens inre l2a via öppningar l2b hos den senare.

Varje rör 14 är tillslutet vid den ände l4b som befinner sig längst bort från reservoaren 12, exempelvis medelst en plugg 15. Då så erfordras, förses rören 14 med kylflänsar 16 och_ värmeavledningen kan ytterligare förbättras genom att luft blåses förbi flänsarna i pilarnas A riktning. Reservoaren 12 är delvis fylldmed ett kylmedel 18, vilket vid mottagande av värmeenergi övergår från flytande form till ånga, som stiger upp genom rören 14 i pilarnas B riktning. När kylmedlet kommer i kontakt med de kalla rörväggarna, avkyls det tillräckligt för att återgå till den vätskeformiga fasen och under tyngd- kraftens inverkan kommer vätskan att rinna tillbaka till reservoaren, såsom markerats med pilarna C.

Den värmeavledande anordningen ll arbetar företrädes- vis utan veke, med utnyttjande av tyngdkraften och termosifon- verkan. Rörens 14 innerväggar kan emellertid vara beklädda med ett vekematerial, som utan tyngdkraftens hjälp på i och för sig känt sätt återför vätskedropparna till reservoaren.

I reservoarens botten l2d finns en öppning l2c, täckt av en platta 20 av ett gott värmeledande material, exempelvis koppar. Plattan är vätsketätt ansluten till reservoarens botten och tätningen kan åstadkommas på flera olika sätt, exempelvis genom lödning, svetsning eller med hjälp av packningar. Tätnings- organen bör emellertid lämpligen vara så beskaffade, att plattan 20 snabbt kan utbytas. Det är därför lämpligt att enligt fig. 2 använda en packningsring 24, införd i spår 25a och 25b i plattans ovansida resp. i reservoarbottnens undersida. Er- 'forderligt tätningstryck åstadkoms där medelst skruvar 26, som går genom hål 20a i plattan och är ingängade i hål 28 i reservoarbottnen.

Den del av plattans 20 ovansida som befinner sig mitt- för öppningen i reservoarbottnen är till största delen täckt av ett organ 30, exempelvis en veke av filt och metall. Or- ganets uppgift är att underlätta värmetransport från plattan ”P .CR QïE-'J..l'š"i .7806388-0 4 till kylmedlet l8. Beteckningen 32 avser en stödtapp mellan organet 30 och reservoarens tak. Denna utövar sin stödande verkan vid tömning av reservoaren, som kan ske genom rören l4 sedan en eller båda av pluggarna 15 borttagits.

En halvledaranordning 40, exempelvis en kiseldiod, har en elektrodplatta 41, exempelvis av koppar, förbunden med en anslutningselektrod 42. Det bör observeras, att _enligt denna utföringsform elektrodens 42 tvärsektionsarea dimensionerats ej endast med utgångspunkt från halvledarens elektriska driftsbetingelser utan också så, att densamma förmår avleda värme som absorberats av elektrodplattan 40. Även diodens andra elektrod 44 består av ett material med hög värmeledande förmåga, exempelvis koppar eller volfram.

Densamma står på sin utsida i förbindelse med en anslut-I ningselektrod 46. Ovanför denna befinner sig en skiva 48, vilken består av ett material som har hög termisk kondukti- vitet men är elektriskt isolerande, exempelvis beryllium- oxid (BeO). Skivans 48 översida är förbunden med plattans 20 undersida. På detta sätt hålls alltså elektroden 44 elektriskt isolerad från plattan 20 och från reservoaren 12 men trots detta skapas en värmetransportkrets med låg termisk impedans från halvledaren 40 via elektroden 44, anslutningen 46, plattan 20 och veken 30 till kylmedlet 18. Konstruktionen gör det alltså möjligt att stelt för- binda en halvledaranordning, exempelvis en effektdiod, med dnvärmeledande anordningen, så att utbyte av halvledare kan ske snabbt och bekvämt. Enhetens värmeavledande del kan nu befinna sig på jordpotential, vilket medför minskad risk för att personalen skall få elektriska stötar utan någon som helst uppoffring vad beträffar kraven på effektiv kylning av halvledaren. Denna utföringsform är speciellt lämplig för halvledare med stora värmeförluster och elektroden 44 bör helst bestå av volfram, så att densamma ådels har tillräcklig mekanisk hållfasthet även när densamma är ansluten till en stor halvledare, dels, vilket är vik- 'tigare, får ungefär samma värmeutvidgningskoefficient som halvledarmaterialet. På detta sätt uppnås att den genom 7806388-0 5 bimetalleffekt uppstående böjningen av elektroden 46a blir mindre när driftstemperaturen stiger. Om halvledar- anordningens diameter är mindre än ca. 13 mm och elektroderna 41, 44 är anslutna genom tennlödning, kan elektroden 44 be- stå av koppar, eftersom det mjuka lodet deformeras i er- forderlig grad för att skydda halvledaren från att brytas sönder när elektroderna värmeutvidgas.

I fig. 2 har samma hänvisningsbeteckningar som i fig. l använts för identiska eller motsvarande detaljer.

Värmeöverföringen från plattan 20 till kylmedlet 18 sker här medelst ett organ 15 med ytförstorande flänsar 51. På det elektriskt isolerande men värmeledande skiktets 48 under- sida är fästa dynor 54a, 54b av ett gott värmeledande material, exempelvis koppar. Vardera av dessa dynor är ansluten till den ena av elektroden hos ett par halvledaranordningen 55a och 55b, exempelvis effekttransistorer eller effektdioder.

En annan elektrod hos varje halvledare, exempelvis anoden hos en effektdiod eller kollektorn hos en effekttransistor, kyls genom att värmet passerar direkt via en av dynorna 54, skiktet 48, plattan 20 och det i kylmedlet 18 nedsänkta organet 51.

Var och en av halvledaranordningarnas återstående elektroder 56' är ansluten till en (icke visad) yttre krets' via anslutningselektorder 57a och 57b, som var och en har sin ena ände förbunden med den ifrågavarande elektroden och som består av ett gott värmeledande material och har till- räcklig tvärsektionsarea för att genom ledning kunna bort- transportera en avsevärd andel av den totala värmeenergi som utvecklas i denna del av halvledaren, belägen längst bort från skiktet 48. På dettas undersida finns ytterligare ett par dynor 59a och 59b, anslutna till var sin av elektro- derna 57 och belägna på avstånd från de övriga dynorna 54.

Trots att alltså värme kan bortföras från halvledarens båda sidor, är tillhörande elektroder elektriskt isolerade från varandra, varigenom temperaturen i gränsskikten blir lägre än hos kända anordningar.

Den i fig. 3 visade anordningen innefattar två rör, av vilka det ena betecknats l2a, vilkas nedre ändar 12' och l2" är ombockade i rät vinkel, så att de kantflänsar l2x' 7806388-o 6 och l2x" som avgränsar tillhörande mvnningar blir belägna i parallella plan. Mellan dessa monteringsflänsar befinner sig en effektmodul 60 i form av en integrerad krets. Till flänsarna är anslutna skivor eller skikt 48a, 48b, bestående av ett material, som har hög termiskfkonduktivitet men är elektriskt isolerande. Dessa skivor 48 bildar alltså vardera en del av begränsningsväggen till en närbelägen kylmedels- reservoar-l8a resp. l8b, som i övrigt avgränsas av rör- väggarna. Dessa består lämpligen av koppar, medan organen 48 kan bestå av berylliumoxid. Förbandet dem emellan kan utföras enligt de metoder som anges i amerikanska patenten 3 911 553 och 3 993 4ll. I varje kylmedelsreservoar finns en veke 30, ansluten till plattan 48.

Effektmodulen 60 kan innehålla två halvledare 62 och 64. På utsidan av den ena, 48a, av de båda skivorna är fäst en dyna 66 av ett material med hög elektrisk och termisk konduktivitet, exempelvis koppar. Den ena elektro- den 62a resp. 64a hos varje halvledare är förbunden med dynan 66, medan halvledarens 62 andra elektrod 62b är förbunden med en ledande dyna 68, som i sin tur är ansluten till den andra isolerande skivan 48b. Éâ motsvarande sätt är halvledarens 64 elektrod 64b ansluten till en annan ledande dyna 70, i sin tur förbunden med samma yta hos skivan 48b som dynan 68. De båda elektroderna 62a, 64a är följaktligen i elektriskt hänseende seriekopplade via dynan 66 men elektriskt isolerade från röret l2', som där-I för kan befinna sig på jordpotential, exempelvis anslutas till en jordförbindelse 75. Elektroderna 62b och 64b är elektriskt isolerade från varandra och från röret l2", som också kan vara jordförbundet, antingen via en separat jordförbindelse 76 eller via ett organ 78, som bildar ett mekaniskt stöd eller fäste för rören 12. Dessa kan natur- ligtvis också befinna sig på vilken som helst önskad lämplig potential,men det är lämpligast att ha dem jordförbundna, 'dels av säkerhetsskäl, dels emedan man då lättare kan under- trycka impulser som alstras av parasitbrus liksom radio- _ frekventa störsignaler. En eller flera av de ledande dynorna _ ÉQQR 7806388-0 7 66, 68 och/eller 70 kan befinna sig på en lämplig elektrisk potential, exempelvis jord, för ytterligare reduktion av kapacitans- och interferensstörningar.

Den senast beskrivna utföringsformen av uppfinningen är särskilt fördelaktig, ej endast emedan berylliumoxiden verkar utjämnande på verkan av att koppar och halvledarens kisel har olika värmeutvidgningskoefficienter utan även av det skälet, att en yttre anordning, exempelvis ett krets- kort 80 med logiska kretsar och drivkretsar av den typ som används tillsammans med halvledande effektmoduler 60, nu kan monteras relativt nära modulen och förbindas med denna via jämförelsevis korta anslutningsledningar 82. Vidare blir den fördelade kapacitansen mellan elektroderna och rören minimal och förmår ej skadligt påverka modulens driftkarakteristik, särskilt då brantheten hos pulsflankerna för de signaler som kopplas till anordningarna 62 och 64, eftersom elektroderna och deras tillhörande monteringsdynor 66, 68 och 70 av be- rylliumoxidskikten 48 är isolerade från den värmeavledande delens konduktiva beståndsdelar. Värmeenergi kan således lika effektivt avledas från båda halvledarna till deras kyl- medel trots att halvledarna är elektriskt isolerade från de värmeavledande organen, så att den fördelade kapacitansen reduceras och risken för oavsiktlig beröring försvinner. Rören i fig. 3 har visserligen förutsatts arbeta enligt termosifon- principen med knäliknande undre ändar och med halvledarmodulen belägen mellan dessa, men andra arrangemang kan användas, exempelvis enligt fig. l. Härvid kan det ena isolerande skiktet eller skivan, exempelvis 48a, vara anslutet till ett vertikalt termosifonrörs undre ände och under detta kan befinna sig ett vertikalt orienterat värmerör, förbundet med det andra isolerande skiktet 48b, varvid erfordras en (icke visad) ytterligare veke av full längd, som förmår transportera kylmedlet uppåt mot verkan av tyngdkraften till en reservoar intill veken 30b, ansluten till det undre isolerande organet.

Claims (8)

vanessa-of Patentkrav

1. Anordning, avsedd för värmeavledning vid halvledare, monterade i modulenheter och innefattande ett enligt termosi- fonprincipen arbetande värmeavledande organ (11) med ett ut- rymme (12, 14) för ett kylmedium (18), vilket utrymme del- vis avgränsas av ett väggparti (12d), som, då detsamma upp- värms av en vid dess utsida befintlig halvledaranordning (40), förångar en del av kylmediet, k ä n n e t e c'k - n a d av en skiva (48), vilken består av ett material, som är elektriskt isolerande men har hög termisk konduktivitet, varvid skivans insida är förbunden med väggpartiet (12d) och dess utsida med åtminstone en (44) av halvledaranordningens (40) elektroder. ,'

2. Anordning enligt krav 1, k_ä n n e t e c k n a d av att väggpartiet (12) har en öppning (12c), täckt av en borttagbar värmeledande platta (20).

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä-n n e t e c k - n a d av att utrymmet (12, 14) innefattar åtminstone en vertikal, rörformad del (14). I "

4. Anordning enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e -f t e c k n a d- av att till skivans (48) utsida är anslutna ett antal dynor (54a, 54b) samverkande med en av flera en- heter (55a, 55b) bestående halvledaranordning, vilka vardera har en (56) av sina elektroder förbunden med en egen dyna, medan övriga elektroder är var och en förbunden med en av de återstående dynorna.

5. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att densamma innefattar två enligt termosifonprincipen arbetande, av värmeledande material bestående enheter (12', 12"), som innehåller ett kylmedium (18a, 18b) och till vart och ett av vilka är ansluten en skiva (48a, 48b) av ett vär- meledande men elektriskt isolerande material, vilka skivor är så anordnade, att då anordningen är i drift en del av kyl- mediet i vartdera röret förångas samt varje skiva på sin ut- \~¿Egf_ïå Sida uppbär åtminstone en elektriskt isolerande monterings- 12905,* ÛÛÛ q: 7806388-0 9 dyna (66, 68), 70), till vilka är anslutna elektroderna hos en mellan skivorna (48a, 48b) belägen halvledaranordning (62, 64).

6. Anordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att mellan de båda skivorna (48a, 48b) befinner sig ett flertal halvledaranordningar, anslutna till dynorna.

7. Anordning enligt krav 5 eller 6, k ä n n e t e c k - n a d av att rören (12', 12") är försedda med kylflän- sar.

8. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n - n e t e c k n a d av att skivorna (48, 48a, 48b) består av beryllium. T,.,_. .g w-fi HK W .nia in ______-...f~n..