WO2000074137A1 - Device for cooling semiconductor components - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device for cooling a semiconductor component.
  • Devices for cooling semiconductor components which have a heat sink.
  • This heat sink provided for heat dissipation can be a simple heat sink, a heat sink in the form of a cooling star or a cooling profile.
  • Cooling stars have cooling fins protruding outwards in a star shape.
  • the known cooling profiles are curved cooling plates. By using cooling stars or cooling profiles, the effective cooling surface is increased and thereby an improved heat dissipation of the heat generated in the semiconductor component to the surroundings is achieved.
  • Thermal paste can be used to improve the thermal contact between the semiconductor component and the heat sink.
  • Heat sinks have cooling fins facing away from the semiconductor component to be cooled in order to enlarge the contact area of the heat sink with the surroundings.
  • FIG. 1 An example of a known heat sink is shown in FIG. 1.
  • a heat sink 1 is provided there for dissipating the heat generated in a silicon element 5.
  • the silicon element 5 is connected to a substrate 4 by means of a heat-conducting soldering or adhesive layer 3.
  • the heat sink 1 is attached to the substrate 4 using a heat-conducting solder or adhesive layer 2.
  • the heat sink 1 has a flat contact: - or inner surface 6, which faces the silicon element 5 to be cooled, and an outside 7 facing away from the silicon element to be cooled.
  • the latter is provided with cooling fins protruding vertically outwards, around the contact surface of the heat sink with the surroundings to enlarge and thereby achieve improved heat dissipation.
  • the invention has for its object a device for cooling a
  • the advantages of the invention are that the multi-sided thermal contact between the semiconductor component to be cooled and the heat sink and the resulting increase in surface area result in improved heat dissipation; becomes. This is due to the improved transfer of heat from the semiconductor component to the heat sink, which in turn emits the heat dissipated from the semiconductor component to the environment.
  • FIG. 1 shows a known device for cooling a semiconductor component
  • FIG. 2 shows a device for cooling a semiconductor component according to a first exemplary embodiment for the invention
  • 3 shows a device for cooling a semiconductor component according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a device for cooling a semiconductor component in accordance with a first exemplary embodiment of the invention.
  • the semiconductor component to be cooled has a silicon element 5, which is connected to a substrate 4 via a heat-conducting solder or adhesive layer 3. Due to these components, the semiconductor component has a predetermined external profile.
  • the heat generated in this semiconductor component which is in particular a power semiconductor, is dissipated to the environment via a heat sink 1.
  • This heat sink 1 has an inside 6 facing the semiconductor component to be cooled, which is adapted in a form-fitting manner to the outer profile of the semiconductor component and surrounds it on three sides.
  • a heat-conductive solder or adhesive layer 2 is provided between the heat sink 1 and the semiconductor component. This also surrounds the semiconductor component to be cooled on three sides.
  • the outside 7 of the heat sink 1 is provided with cooling fins protruding outwards, which consequently extend on three sides. This means an increase in the contact area between the heat sink 1 and the surroundings, which further improves compared to the prior art
  • FIG. 3 shows a device for cooling a semiconductor component in accordance with a second exemplary embodiment of the invention.
  • the semiconductor component to be cooled has a silicon element 5, which is connected to a substrate 4 via a heat-conducting solder or adhesive layer 3. Due to these components, the semiconductor component has a predetermined external profile.
  • the heat generated in this semiconductor component which is in particular a power semiconductor, is dissipated to the environment via a heat sink 1.
  • This heat sink 1 has an inside 6 facing the semiconductor component to be cooled, which is adapted in a form-fitting manner to the outer profile of the semiconductor component and surrounds it on four sides. As is apparent from the figure, the heat sink 1 thus has a closed cross-sectional area.
  • the inside 6 of the heat sink 1 is provided with gradations 8 and 9 in order to achieve the above-mentioned form-fitting adaptation to the outer profile of the semiconductor component to be cooled.
  • a heat-conductive solder or adhesive layer 2 is provided between the heat sink and the semiconductor component. This also surrounds the semiconductor component to be cooled on four sides.
  • the outside 7 of the heat sink 1, which surrounds the semiconductor component on four sides, is provided with cooling fins protruding outwards, which consequently extend on four sides.
  • further improved heat dissipation from the semiconductor component to the surroundings is consequently achieved by a further improvement in heat transfer from the semiconductor component to the heat sink and a further improvement in the heat transfer from the heat sink to the surroundings.
  • the semiconductor component to be cooled can also be a silicon carbide chip.

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Abstract

The invention relates to a device for cooling a semiconductor component that has a predetermined outer profile. Said device comprises a cooling body which has an inner side that faces the semiconductor component to be cooled and has an outer side that faces away from the semiconductor component to be cooled. The inner side of the cooling body is adapted in a form-fitting manner to the outer profile of the semiconductor component and encloses the same on several sides.

Description

Beschreibungdescription
Vorrichtung zur Kühlung von HalbieiterbauelementenDevice for cooling semi-conductor components
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Halbleiterbauelementes .The invention relates to a device for cooling a semiconductor component.
Es sind bereits Vorrichtungen zur Kühlung von Halbleiterbauelementen bekannt, die einen Kühlkörper aufweisen. Bei diesem zur Wärmeableitung vorgesehenen Kühlkörper kann es sich um ein einfaches Kühlblech, einen Kühlkörper in Form eines Kühl- sternes oder um ein Kühlprofil handeln. Kühlsterne weisen sternförmig nach außen abstehende Kühlrippen auf. Bei den bekannten Kühlprofilen handelt es sich um gebogene Kühlbleche. Durch die Verwendung von Kühlsternen oder Kühlprofilen wird die wirksame Kühlfläche erhöht und dadurch eine verbesserte Wärmeableitung der im Halbleiterbauelement erzeugten Wärme an die Umgebung erreicht. Zur Verbesserung des thermischen Kontaktes zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Kühlkörper kann Wärmeleitpaste eingesetzt werden. Viele der bekanntenDevices for cooling semiconductor components are known which have a heat sink. This heat sink provided for heat dissipation can be a simple heat sink, a heat sink in the form of a cooling star or a cooling profile. Cooling stars have cooling fins protruding outwards in a star shape. The known cooling profiles are curved cooling plates. By using cooling stars or cooling profiles, the effective cooling surface is increased and thereby an improved heat dissipation of the heat generated in the semiconductor component to the surroundings is achieved. Thermal paste can be used to improve the thermal contact between the semiconductor component and the heat sink. Many of the well-known
Kühlkörper weisen vom zu kühlenden Halbleiterbauelement abgewandte Kühlrippen auf, um die Kontaktfläche des Kühlkörpers mit der Umgebung zu vergrößern.Heat sinks have cooling fins facing away from the semiconductor component to be cooled in order to enlarge the contact area of the heat sink with the surroundings.
Ein Beispiel eines bekannten Kühlkörpers ist in der Figur 1 gezeigt. Dort ist zur Ableitung der in einem Siliziumelement 5 entstehenden Wärme ein Kühlkörper 1 vorgesehen. Das Siliziumelement 5 ist mittels einer wärmeleitenden öt- oder Kle- beschicht 3 mit einem Substrat 4 verbunden. Der Kühlkörper 1 ist unter Verwendung einer wärmeleitenden Löt- oder Klebeschicht 2 am Substrat 4 befestigt;. Der Kühlkörper 1 weist eine eben ausgebildete Kontakt:- bzw. Innenfläche 6, die dem zu kühlenden Siliziumelement 5 zugewandt ist, und eine vom zu kühlenden Siliziumelement abgewandte Außenseite 7 auf. Letz- tere ist mit senkrecht nach außen abstehenden Kühlrippen versehen, um die Kontaktfläche des Kühlkörpers mit der Umgebung zu vergrößern und dadurch eine verbesserte Wärmeableitung zu erreichen.An example of a known heat sink is shown in FIG. 1. A heat sink 1 is provided there for dissipating the heat generated in a silicon element 5. The silicon element 5 is connected to a substrate 4 by means of a heat-conducting soldering or adhesive layer 3. The heat sink 1 is attached to the substrate 4 using a heat-conducting solder or adhesive layer 2. The heat sink 1 has a flat contact: - or inner surface 6, which faces the silicon element 5 to be cooled, and an outside 7 facing away from the silicon element to be cooled. The latter is provided with cooling fins protruding vertically outwards, around the contact surface of the heat sink with the surroundings to enlarge and thereby achieve improved heat dissipation.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kühlung einesBased on this prior art, the invention has for its object a device for cooling a
Halbleiterbauelementes anzugeben, mittels derer eine weiter verbesserte Wärmeableitung erreicht wird.Specify semiconductor device, by means of which a further improved heat dissipation is achieved.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .This object is achieved by a device with the features specified in claim 1. Advantageous refinements and developments of the invention are specified in the dependent claims.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß durch die mehrseitige thermische Kontaktierung zwischen dem zu kühlenden Halbleiterbauelement und dem Kühlkörper und der daraus resultierenden Oberflächenvergrößerung eine verbesserte Ent- wärmung erzielt; wird. Dies ist auf die verbesserte Übertragung der Wärme vom Halbleiterbauelement auf den Kühlkörper, der seinerseits die vom Halbleiterbauelement abgeleitete Wärme an die Umgebung abgibt, zurückzuführen.The advantages of the invention are that the multi-sided thermal contact between the semiconductor component to be cooled and the heat sink and the resulting increase in surface area result in improved heat dissipation; becomes. This is due to the improved transfer of heat from the semiconductor component to the heat sink, which in turn emits the heat dissipated from the semiconductor component to the environment.
Mittels der in den Ansprüchen 2 bis 7 angegebenen Merkmale wird die Ableitung der im Halbleiterbauelement entstehenden Wärme weiter verbessert.The dissipation of the heat generated in the semiconductor component is further improved by means of the features specified in claims 2 to 7.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.Further advantageous properties of the invention result from the explanation of exemplary embodiments with reference to the figures.
Es zeigt :It shows :
FIG 1 eine bekannte Vorrichtung zur Kühlung eines Halbleiterbauelementes , FIG 2 eine Vorrichtung zur Kühlung eins Halbleiterbau- elementes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung und FIG 3 eine Vorrichtung zur Kühlung eines Halbleiterbau- elementes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung.1 shows a known device for cooling a semiconductor component, FIG. 2 shows a device for cooling a semiconductor component according to a first exemplary embodiment for the invention and 3 shows a device for cooling a semiconductor component according to a second exemplary embodiment of the invention.
Die Figur 2 zeigt eine Vorrichtung zur Kühlung eines Halbleiterbauelementes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Das zu kühlende Halbleiterbauelement weist ein Siliziumelement 5 auf, welches über eine wärmeleitende Lötoder Klebeschicht 3 mit einem Substrat 4 verbunden ist. Be- dingt durch diese Bestandteile hat das Halbleiterbauelement ein vorgegebenes Außenprofil .FIG. 2 shows a device for cooling a semiconductor component in accordance with a first exemplary embodiment of the invention. The semiconductor component to be cooled has a silicon element 5, which is connected to a substrate 4 via a heat-conducting solder or adhesive layer 3. Due to these components, the semiconductor component has a predetermined external profile.
Die in diesem Halbleiterbauelement, bei welchem es sich insbesondere um einen Leistungshalbleiter handelt, entstehende Wärme wird über einen Kühlkörper 1 an die Umgebung abgeleitet. Dieser Kühlkörper 1 weist eine dem zu kühlenden Halbleiterbauelement zugewandte Innenseite 6 auf, die formschlüssig an das Außenprofil des Halbleiterbauelementes angepaßt ist und dieses an drei Seiten umschließt. Zur Verbesserung des thermischen Kontaktes zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Kühlkörper ist zwischen dem Kühlkörper 1 und dem Halbleiterbauelement eine wärmeleitende Löt- oder Klebeschicht 2 vorgesehen. Diese umschließt das zu kühlende Halbleiterbauelement ebenfalls von drei Seiten.The heat generated in this semiconductor component, which is in particular a power semiconductor, is dissipated to the environment via a heat sink 1. This heat sink 1 has an inside 6 facing the semiconductor component to be cooled, which is adapted in a form-fitting manner to the outer profile of the semiconductor component and surrounds it on three sides. To improve the thermal contact between the semiconductor component and the heat sink, a heat-conductive solder or adhesive layer 2 is provided between the heat sink 1 and the semiconductor component. This also surrounds the semiconductor component to be cooled on three sides.
Die Außenseite 7 des Kühlkörpers 1 ist mit nach außen abstehenden Kühlrippen versehen, die sich folglich nach drei Seiten hin erstrecken. Dies bedeutet eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen dem Kühlkörper 1 und der Umgebung, was zu einer im Vergleich zum Stand der Technik weiter verbessertenThe outside 7 of the heat sink 1 is provided with cooling fins protruding outwards, which consequently extend on three sides. This means an increase in the contact area between the heat sink 1 and the surroundings, which further improves compared to the prior art
Wärmeableitung dient.Heat dissipation is used.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird folglich durch die verbesserte Wärmeübertragung vom Halbleiterbauelement an den Kühlkörper und die verbesserte Abgabe der Wärme vom Kühlkörper an die Umgebung eine verbesserte Wärmeableitung vom Halbleiterbauelement an die Umgebung erzielt. Die Figur 3 zeigt eine Vorrichtung zur Kühlung eines Halbleiterbauelementes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Das zu kühlende Halbleiterbauelement weist ein Siliziumelement 5 auf, welches über eine wärmeleitende Löt- oder Klebeschicht 3 mit einem Substrat 4 verbunden ist. Bedingt durch diese Bestandteile hat das Halbleiterbauelement ein vorgegebenes Außenprofil .According to this exemplary embodiment, improved heat transfer from the semiconductor component to the surroundings is consequently achieved by the improved heat transfer from the semiconductor component to the heat sink and the improved dissipation of the heat from the heat sink to the surroundings. FIG. 3 shows a device for cooling a semiconductor component in accordance with a second exemplary embodiment of the invention. The semiconductor component to be cooled has a silicon element 5, which is connected to a substrate 4 via a heat-conducting solder or adhesive layer 3. Due to these components, the semiconductor component has a predetermined external profile.
Die in diesem Halbleiterbauelement, bei welchem es sich ins- besondere um einen Leistungshalbleiter handelt, entstehende Wärme wird über einen Kühlkörper 1 an die Umgebung abgeleitet. Dieser Kühlkörper 1 weist eine dem zu kühlenden Halbleiterbauelement zugewandte Innenseite 6 auf, die formschlüssig an das Außenprofil des Halbleiterbauelementes angepaßt ist und dieses an vier Seiten umschließt. Der Kühlkörper 1 weist dadurch, wie aus der Figur hervorgeht, eine geschlossene Querschnittsfläche auf. Die Innenseite 6 des Kühlkörpers 1 ist mit Abstufungen 8 und 9 versehen, um die genannte form- schlüssige Anpassung an das Außenprofil des zu kühlenden Halbleiterbauelementes zu erreichen.The heat generated in this semiconductor component, which is in particular a power semiconductor, is dissipated to the environment via a heat sink 1. This heat sink 1 has an inside 6 facing the semiconductor component to be cooled, which is adapted in a form-fitting manner to the outer profile of the semiconductor component and surrounds it on four sides. As is apparent from the figure, the heat sink 1 thus has a closed cross-sectional area. The inside 6 of the heat sink 1 is provided with gradations 8 and 9 in order to achieve the above-mentioned form-fitting adaptation to the outer profile of the semiconductor component to be cooled.
Zur Verbesserung des thermischen Kontaktes zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Kühlkörper 1 ist zwischen dem Kühlkörper und dem Halbleiterbauelement eine wärmeleitende Löt- oder Klebeschicht 2 vorgesehen. Diese umschließt das zu kühlende Halbleiterbauelement ebenfalls von vier Seiten.To improve the thermal contact between the semiconductor component and the heat sink 1, a heat-conductive solder or adhesive layer 2 is provided between the heat sink and the semiconductor component. This also surrounds the semiconductor component to be cooled on four sides.
Die Außenseite 7 des das Halbleiterbauelement an vier Seiten umschließenden Kühlkörpers 1 ist mit nach außen abstehenden Kühlrippen versehen, die sich folglich nach vier Seiten hin erstrecken. Dies bedeutet im Vergleich zum Stand der Technik und zu dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine weitere Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen dem Kühlkörper 1 und der Umgebung, was zu einer weiter verbesserten Wär- eableitung führt. Gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird folglich durch eine nochmals verbesserte Wärmeübertragung vom Halbleiterbauelement an den Kühlkörper und eine nochmals verbesserte Abgabe der Wärme vom Kühlkörper an die Umgebung eine weiter verbesserte Wärmeableitung vom Halbleiterbauelement an die Umgebung erzielt.The outside 7 of the heat sink 1, which surrounds the semiconductor component on four sides, is provided with cooling fins protruding outwards, which consequently extend on four sides. In comparison to the prior art and the exemplary embodiment shown in FIG. 1, this means a further increase in the contact area between the heat sink 1 and the surroundings, which leads to a further improved heat dissipation. According to this second exemplary embodiment, further improved heat dissipation from the semiconductor component to the surroundings is consequently achieved by a further improvement in heat transfer from the semiconductor component to the heat sink and a further improvement in the heat transfer from the heat sink to the surroundings.
Bei dem zu kühlenden Halbleiterbauelement kann es sich neben einem Siliziumchip auch um einen Siliziumkarbidchip handeln. In addition to a silicon chip, the semiconductor component to be cooled can also be a silicon carbide chip.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Kühlung eines ein vorgegebenes Außenprofil aufweisenden Halbleiterbauelementes , mit einem Kühlkörper, welcher eine dem zu kühlenden Halbleiterbauelement; zugewandte Innenseite und eine vom zu kühlenden Halbleiterbauelement abgewandte Außenseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die dem zu kühlenden Halbleiterbauelement (3, 4, 5) zugewandte Innenseite (6) des Kühlkörpers (1) form- schlüssig an das Außenprofil des Halbleiterbauelementes angepaßt ist und das Halbleiterbauelement an mehreren Seiten umschließt .1. Device for cooling a semiconductor component having a predetermined external profile, with a heat sink which is one of the semiconductor components to be cooled; facing inside and an outside facing away from the semiconductor component to be cooled, characterized in that the inside (6) of the heat sink (1) facing the semiconductor component (3, 4, 5) to be cooled is positively adapted to the outer profile of the semiconductor component and that Semiconductor component encloses on several sides.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Außenseite (7) des Kühlkörpers (1) mit nach außen abstehenden Kühlrippen versehen ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the outside (7) of the heat sink (1) is provided with cooling fins protruding outwards.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) eine geschlossene Querschnittsfläche aufweist und das zu kühlende Halbleiterbauelement an vier Seiten umschließt.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the heat sink (1) has a closed cross-sectional area and encloses the semiconductor component to be cooled on four sides.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper ( 1 ) eine mit Abstufungen (8, 9) versehene Innenseite (6) aufweist .4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sink (1) has a gradation (8, 9) provided inside (6).
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zwischen dem zu kühlenden Halbleiterbauelement und dem Kühlkörper (1) vorgesehene wärmeleitende Löt- oder Klebeschicht (2) aufweist.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it has a heat-conductive solder or adhesive layer (2) provided between the semiconductor component to be cooled and the heat sink (1).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Löt- oder Klebeschicht (2) das zu kühlende Halbleiterbauelement an mehreren Seiten umschließt. 6. The device according to claim 5, characterized in that the solder or adhesive layer (2) encloses the semiconductor component to be cooled on several sides.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Halbleiterbauelement eine Siliziumschicht (5) und eine mit dieser mittels einer Löt- oder Klebeschicht (3) verbundene Substratschicht (4) aufweist.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor component to be cooled has a silicon layer (5) and a substrate layer (4) connected to this by means of a solder or adhesive layer (3).
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Halbleiterbauelement ein Siliziumchip oder ein Silizium- karbidchip ist.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor component to be cooled is a silicon chip or a silicon carbide chip.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Halbleiterbauelement ein Leistungshalbleiter ist. 9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor component to be cooled is a power semiconductor.
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