SU1029271A1

SU1029271A1 - Apparatus for cooling semiconductor devices

Info

Publication number: SU1029271A1
Application number: SU823381849A
Authority: SU
Inventors: Георгий Павлович Кудриченко; Виктор Николаевич Корнух
Original assignee: Запорожский Проектно-Конструкторский И Технологический Институт
Priority date: 1982-01-08
Filing date: 1982-01-08
Publication date: 1983-07-15

Description

2.Устройство по п. 1, о т л и чающеес тем, мто пазы ориентированы под углом навстречу потоку2. The device according to claim 1, about tl and even so, the slots are oriented at an angle towards the flow

.охлаждающей жидкости в канале.coolant in the channel.

3.Устройство по пп. 1 и 2, отличающеес 3. The device according to paragraphs. 1 and 2, different

тем, что площадь поперечного сечени каждого канала паза пропорциональна разности длин соответствующих смежных витков спивхода канала до эторалей . от го паза.the fact that the cross-sectional area of each channel of the groove is proportional to the difference in the lengths of the corresponding adjacent turns of the channel to the etral. from go groove.

Изобретение относитс к устройствам охлаждени с помощью жидкости полупроводниковых приборов сравнительно больших мощностей и может быть использовано в электротехнической и электронной област х промышленности, а также в производстве средств св зи. The invention relates to cooling devices using semiconductor liquid devices of relatively high power and can be used in the electrical and electronic industries, as well as in the production of communication facilities.

Известны устройства дл охлаждени полупроводниковых приборов, например тиристоров, выполненные в виде контактной пластины, имеющей канал дл охлаждающей жидкости, который может быть выполнен спиральным Cl .Devices for cooling semiconductor devices, such as thyristors, are known in the form of a contact plate having a coolant channel that can be made with spiral Cl.

Основным недостатком указанной конструкции вл етс неравномерность пол температур в пределах поверхности контакта с полупроводниковым прибором из-за повышени температуры охлаждающей жидкости по мере продвижени ее в канале пластины.The main disadvantage of this design is the unevenness of the temperature field within the contact surface with the semiconductor device due to an increase in the temperature of the coolant as it moves in the channel of the plate.

Наиболее близким техническим решениём к предложенному вл етс устройство дл охлаждени полупроводниковых приборов, содержащее контактную пластину с рабочими поверхност ми и с каналом дл охлаждающей жидкости, выполненным в виде двух , спиралей, бифил рно соединенных между собой С2 .The closest technical solution to the proposed is a device for cooling semiconductor devices, comprising a contact plate with working surfaces and with a channel for cooling fluid, made in the form of two spirals, bifilically interconnected C2.

Однако дл наиболее эффективного отбора тепла в подобных конструкци х должно выполн тьс по крайней мере два услови . Первое; дл получени максимальной теп.лопередачи на границе стенка пластины - охлаждающа жидкость скорость течени охлаждающей жи/ кости должна быть строго регламентирована . Второе: дл обеспечени максимальной разницы температур между жидкостью в пограничном слое и нагретой поверхностью, а также увеличе ни теплового потока от пограничного сло должно обеспечиватьс эффективное перемешивание слоев в потоке jHowever, for the most efficient heat extraction in such structures, at least two conditions must be met. The first; In order to obtain maximum heat transfer at the plate wall boundary - cooling fluid, the flow velocity of the cooling stock / bone must be strictly regulated. Second: to ensure the maximum temperature difference between the liquid in the boundary layer and the heated surface, as well as increase the heat flux from the boundary layer, effective mixing of the layers in flow j must be ensured.

лаждающеи жидкости, т.е. высока турбулизаци потока, что может быть достигнуто в известной конструкции увеличением скорости течени охлаждающей жидкости, а это противоречит первому условию. Известно также, что при больших числах Рейнольдса теплопередача на границе стенка пластины охлаждающа жидкость уменьшаетс за счет срывных влений в пограничном слое, уменьшающих площадь теплового контакта пластины с охлаждающей жидкостью . Кроме того, в результате прогрева всёймассы пластины до температуры более высокой, чем температура охлаждающей жидкости, теплообмен между соседними каналами не происходит и выравнивание пол температур определ етс только чередованием каналов с холодной и уже разогретой охлаждающей жидкостью. Таким образом , снижаютс возможности выравнивани пол температур на контактных поверхност х устройства и тем самым ухудшаетс тепловой режим работы полупроводниковых приборов, что приво-о дит к использованию их при значительно мен ьших мощност х.Lubricating fluid, i.e. high flow turbulization, which can be achieved in a known construction by increasing the flow rate of the coolant, and this contradicts the first condition. It is also known that at large Reynolds numbers the heat transfer at the plate wall boundary to the cooling fluid is reduced due to disruptive effects in the boundary layer, reducing the area of thermal contact of the plate with the coolant. In addition, as a result of heating of the whole plate mass to a temperature higher than the coolant temperature, heat exchange between adjacent channels does not occur and leveling of the temperature field is determined only by alternating channels with cold and already heated coolant. Thus, the possibility of leveling the floor of temperatures on the contact surfaces of the device is reduced, and thereby the thermal performance of semiconductor devices is impaired, which leads to their use at much lower powers.

Цель изобретени - повышение эффективности охлаждени путем обеспечени равномерного теплового пол на контактной пластине.The purpose of the invention is to increase the cooling efficiency by providing a uniform heat field on the contact plate.

Поставленна цель достигаетс тем, что в устройстве дл охлаждени полупроводниковых приборов, содержащем контактную пластину с рабочими поверхност ми и с каналом дл охлаждающей жидкости, выполненным в виде двух спиралей, бифил рно соединенных между собой, спирали расположены в одной плоскости, параллельной рабочим поверхност мг, контактной пластины, причем между смежными винтками спиралей канала выполнены сообщающиес с ними пазы, поперечное сечение которых меньше поперечного сечени канала Пазы ориентированы под углом навстречу потоку охлаждающей жидкости в канале. Площадь поперечного сечени каждого паза пропорциональна разности длин соответствующих смежных витков спиралей от входа канала до этого паза. На фиг. 1 показано устройство дл охлаждени полупроводниковых приборов в сечении в плоскости параллельной рабочим поверхност м контактного элемента устройства; на фиг. 2 - то же, сечение А-А на фиг. Т. Устройство содержит контактную пластину 1 из тепло-и электропровод ного материала, выполненную как одно целое с токоподврдом 2 и содержащую канал 3 дл охлаждающей жидкости, представл ющий собой две плоские спирали, соединенные бифил рно между собой и снабженные входным и выход ным 5 отверсти ми. Плоскость располо жени канала дл охлаждающей жидкости параллельна рабочим поверхност м и 7 контактной пластины 1. Между смеж ными витками спиралей Б и В выполнены соедин ющие их пазы 8, сопр женны с этими витками и ориентированные под углом навстречу потоку охлаждающей жидкости, имеющими различные сечени площадь которых пропорциональна разности путей, которые проходит охлаждающа жидкость в смежных витках спи ралей канала 3 от входа k до соедин ющего их паза 8, т.е. площадь попе речного сечени каждого паза пропор циональна разности длин соответствую щих смежных витков. На (. 1 направление втекающего потока жидкости обозначено стрелкой Б, а вытекающего потока - стрелкой В На фиг. 1 видно, что витки плоских спиралей канала 3 чередуютс . Витки спиралей с гор чей и холодной охлаждающей жидкостью расположены попеременно близко один к другому. В олном и том же сечении разность температур между входным витком спирали канала 3 и, например,- левым соседним смежным с ним витком канала 3 меньше , чем между тем же входным витком канала 3 и правым соседним смежным с ним витком канала 3 и пропорциональна разности путей,, пройденных охлаждающей жидкостью в каналах Б и В от входа k до сечени контактной пластины 1, так как температура охлаждающей жидкости возрастает пропорционально пути, пройденному с посто нной скоростью внутри равномерно нагретого тела по каналу 3 посто нного сечени . На фиг. 2 видно, что плоскость расположени охлаждающего .канала 3 параллельна рабочим поверхност м 6 и 7 контактной пластины 1, с которыми контактируют охлаждаемые полупроводниковые приборы (не показаны). Выполнением канала 3 дл охлаждающей жидкости бифил рным достигаетс то, что по расположенным р дом спиральным виткам с противоположным направлением потока проходит холодна и разогрета охлаждающа жидкость. Разность температур между смежными витками спиралей канала 3 неодинакова и зависит от длины пути, .пройденного охлаждающей жидкостью в смежных витках канала 3. Через пазы 8 в стенках между смежными витками канала 3 происходит перетекание охлаждающей жидкости и таким образом, перенос из одного витка канала 3 в другой. Кроме того, поток жидкости из соседнего витка канала 3 через паз В, пересека сь с основным потоком смежного витка канала 3, способствует его турбулизации и улучшению конвективного теплообмена в.нем. При этом сохран ютс оптимальные дл теплопередачи в пограничном слое скорости движени охлаждающей жидкости. Выполнение пазов 8, соедин ющих витки канала Зг позвол ет свести к минимуму возможные неравности температурного пол рабочих поверхностей 7 и 6 контактных пластин 1. Изобретение позвол ет обеспечить повышение эффективности охлаждени и повысить надежность работы оолупроводнйковых приборов.This goal is achieved by the fact that in a device for cooling semiconductor devices containing a contact plate with working surfaces and with a coolant channel made in the form of two spirals bifilically interconnected, the spirals are located in one plane parallel to the working surface mg, the contact plate, and between the adjacent screws of the channel spirals are made communicating with them grooves, the cross section of which is smaller than the cross section of the channel The grooves are oriented at an angle I'm watching the flow of coolant in the channel. The cross-sectional area of each slot is proportional to the difference in lengths of the corresponding adjacent turns of the spirals from the channel entrance to this slot. FIG. 1 shows a device for cooling semiconductor devices in cross section in a plane parallel to the working surfaces of the contact element of the device; in fig. 2 is the same, section A-A in FIG. T. The device contains a contact plate 1 of heat and electrically conductive material, made in one piece with tokodopvrdy 2 and containing a channel 3 for cooling fluid, which consists of two flat spirals, connected bifilically between each other and provided with inlet and outlet 5 holes mi The plane of the coolant channel is parallel to the working surfaces and 7 of the contact plate 1. Between adjacent turns of the spirals B and C there are connecting grooves 8 connecting them, adjacent to these turns and oriented at an angle opposite to the flow of coolant having different sections which is proportional to the difference of the paths that the cooling fluid passes in the adjacent turns of the spirals of the channel 3 from the entrance k to the connecting groove 8, i.e. the cross-sectional area of each groove is proportional to the difference in the lengths of the corresponding adjacent turns. On (. 1 the direction of the inflowing fluid flow is indicated by the arrow B, and the outflowing stream is indicated by the arrow B) In Fig. 1 it is clear that the turns of the flat spirals of the channel 3 alternate. The turns of the spirals are alternately close to each other. the same cross section of temperature difference between the input turn of the spiral channel 3 and, for example, the left adjacent adjacent turn of the channel 3 is smaller than between the same input turn of the channel 3 and the right adjacent adjacent turn of the channel 3 and is proportional to the difference of paths ,, about Coolant fluids in channels B and C from entrance k to the cross section of contact plate 1, as the temperature of the coolant increases in proportion to the path traveled at a constant speed inside a uniformly heated body through channel 3 of a constant cross section. The locations of the cooling channel 3 are parallel to the working surfaces 6 and 7 of the contact plate 1, in contact with the cooled semiconductor devices (not shown). By making the coolant channel 3 bifilar, it is achieved that a cool and heated coolant passes through the spiral coils arranged opposite the flow direction. The temperature difference between adjacent turns of the spirals of channel 3 is not the same and depends on the length of the path traveled by the coolant in adjacent turns of channel 3. Through slots 8 in the walls between adjacent turns of channel 3, coolant flows and, in one way, transfers from one turn of channel 3 to other. In addition, the flow of fluid from the adjacent coil of the channel 3 through the groove B, intersecting with the main flow of the adjacent coil of the channel 3, contributes to its turbulence and to improve the convective heat exchange in n. At the same time, coolant flow rates that are optimal for heat transfer in the boundary layer are maintained. The making of the slots 8 connecting the coils of the channel Zg minimizes the possible inequalities in the temperature field of the working surfaces 7 and 6 of the contact plates 1. The invention improves the cooling efficiency and increases the reliability of the o-conductive devices.

±:±.±: ±.

аг.гag.g

Claims

1. DEVICE FOR COOLING SEMICONDUCTOR DEVICES, comprising a contact plate with working surfaces and with a channel for cooling liquid, made in the form of two spirals, bifilar connected to each other, characterized in that, in order to increase cooling efficiency by ensuring uniform thermal field on the contact plate , spiral channel located in one plane parallel to the working plane contact plastiny.prichem ^g between adjacent turns of the spiral channel formed with grooves communicating them, operechnoe section smaller than the cross-CE. channel reading.

F | F

T * Mi>

2. The device according to p. ^ Characterized in that the grooves are oriented at an angle toward the flow of coolant in the channel.

3. The device according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the cross-sectional area of each channel of the groove is proportional to the difference in lengths of the respective adjacent turns of the spirals. from the entrance 'channel to this groove.