Kühlvorrichtung für Halbleiteranordnungen, insbesondere für p-n-Leistungsgleichrichter Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für Halbleiteranordnungen, insbe sondere für p-n-Leistungsgleichrichter. Sie kann jedoch auch bei Halbleiteranordnungen anderer Art verwendet werden.
Halbleitermaterialien, wie z. B. Germanium und Silizium, können in jedem von zwei Leitfähigkeits- typen existieren, was abhängt von der Behandlung des Materials und der Anwesenheit äusserst kleiner Men gen von gewissen Störstellen-Zusätzen. Material vom n-Typ ist durch einen überschuss an Elektronen ge kennzeichnet, und seine Leitfähigkeit ist auf die An wesenheit dieser Elektronen zurückzuführen.
Material vom p-Typ ist durch einen Mangel an Elektronen im Aufbau des Materials gekennzeichnet, der zu so genannten Löchern führt, und die Leitfähigkeit des Materials ist auf eine scheinbare Bewegung dieser Löcher zurückzuführen, welche wie positive Ladun gen wirken.
Wenn ein Halbleiterkörper aneinander grenzende Zonen von Material des n-Typs und des p-Typs aufweist, wirkt der Übergang zwischen den beiden Zonen als eine gleichrichtende Sperre oder Schicht, da sie dem Strom erlaubt, frei vom p-Material zum n-Material zu fliessen, aber dem Stromfluss in der umgekehrten Richtung einen sehr hohen Widerstand entgegenstellt, so dass nur ein äusserst kleiner Sperr strom fliessen kann.
Diese p-n-Übergangsgleichrichter haben sehr er wünschte Eigenschaften, da sie in Vorwärtsrichtung Ströme von hoher Stromdichte führen und in der um gekehrten Richtung verhältnismässig hohen Spannun gen standhalten können. Diese Einrichtungen sind daher sehr geeignet für die Verwendung als Lei stungsgleichrichter; sie können verhältnismässig hohe Leistungswerte steuern, wenn der Übergang mit einer genügend grossen Fläche ausgebildet ist. Damit nun jedoch hohe Leistungswerte erreicht werden, ist es erforderlich, sehr wirksame Mittel für die Abführung der: in der Anordnung erzeugten Wärme vorzusehen.
Die'- Sperrströme sind äusserst klein, und durch den Sperrstrom wird eine sehr geringe Wärmemenge erzeugt, aber der Vorwärtsstrom kann recht hoch sein, und obwohl der Spannungsabfall in Vorwärts richtung verhältnismässig klein ist, ist die in der Anordnung freiwerdende Leistung, welche als Wärme erscheint, recht erheblich. Da diese Wärme in einer Anordnung von sehr geringer räumlicher Grösse konzentriert ist, würde die Temperatur der Anordnung recht hoch werden, wenn keine Mittel für die Abführung der Wärme vorgesehen wären.
Diese Halbleiteranordnungen haben ziemlich genaue Temperaturgrenzen, welche für Germanium bei etwa 65 C und für Silizium in der Grössenordnung von 200 C liegen; wenn man dem Material erlaubt, diese Temperaturen zu überschreiten, nimmt der Sperr strom sehr schnell zu, die Anordnung verliert ihre gleichrichtenden Eigenschaften und erleidet mit grosser Wahrscheinlichkeit durch die sich ergebende über hitzung dauernde Schäden und Zerstörungen. Es ist daher im höchsten Grade erforderlich, eine sehr wirksame Kühlung für Halbleiter-Gleichrichteranord- nungen vorzusehen, damit ohne Überschreitung der zulässigen Höchsttemperaturen hohe Leistungswerte erreicht werden.
Es ist vorgeschlagen worden, die in Halbleiter gleichrichtern erzeugte Wärme durch zirkulierendes Kühlwasser abzuführen, das im Kontakt oder in einer Wärmeaustauschbeziehung mit einer oder beiden Anschlussplatten des Gleichrichters steht. Diese Art der Kühlung kann verhältnismässig wirksam ausge bildet werden, aber sie verhütet nicht eine örtliche Überhitzung an solchen Stellen des Gleichrichters, welche nicht mit dem Kühlmittel in Kontakt sind.
Aus diesem Grunde ist es gewöhnlich erforderlich, grosse Volumina von Wasser zirkulieren zu lassen, so dass eine angemessene Wasserversorgung zur Ver fügung stehen muss; diese Art der Kühlung verlangt ausserdem gewöhnlich dauernde äussere Wasser anschlüsse, welche manchmal unerwünscht sind und die Kosten erhöhen. Ein anderes mögliches Mittel zur Kühlung von Halbleiteranordnungen ist es, die Anordnung in Kontakt mit einer Flüssigkeit mit ge ringem Siedepunkt zu bringen, so dass die Anordnung gekühlt wird durch Verdampfung der Flüssigkeit, welche der Anordnung Wärme entzieht und das Be streben hat, die Temperatur der Anordnung auf den Siedepunkt der Flüssigkeit zu begrenzen.
Diese Art der Kühlung ist jedoch verhältnismässig unwirksam und aus innern Gründen in dem erreichbaren Kühl effekt begrenzt.
Bei der Kühlvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung steht demgegenüber der Gleichrichter in Wärmekontakt mit einer einen geschlossenen Behäl ter nur teilweise ausfüllenden Flüssigkeit, die beim Betrieb des Gleichrichters infolge der in diesem entstehenden Verlustwärme verdampft, und deren Dampf an mit der Umgebung in Wärmekontakt stehenden Flächen im Behälterinnern wieder ver dichtet wird, und dass ausserdem mindestens eine Anschlussplatte des Gleichrichters in Wärmekontakt mit einem Kühlwasserstrom steht.
Die Erfindung ermöglicht eine wirksame Kühlung der Halbleiter anordnung ohne die Nachteile, die bei Anwendung nur einer der beiden Kühlungsarten (Flüssigkeits kühlung oder Verdampfungskühlung) auftreten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 stellt einen Querschnitt durch einen p-n- Übergangsgleichrichter dar.
Die Fig. 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar Fig. 2 teilweise in der An sicht, teilweise im Aufriss und teilweise in einem vertikalen Schnitt, während Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie III-111 von Fig. 2 wiedergibt.
Wie oben angedeutet, ist die Erfindung anwend bar bei Halbleiteranordnungen irgendeines Typs; sie ist jedoch besonders geeignet für p-n-Übergangs- gleichrichter, und in der Zeichnung ist sie in ihrer Anwendung bei einer derartigen Anordnung darge stellt. Ein typischer Leistungsgleichrichter vom p-n- Übergangstyp ist zur Erläuterung in Fig. 1 gezeigt, wobei die Dicken der verschiedenen Teile der An ordnung in der Zeichnung zur Verdeutlichung erheb lich übertrieben sind.
Die Gleichrichteranordnung oder Zelle 1 der Fig. 1 besteht aus einem Körper aus Halbleitermaterial 2, welches entweder Germa nium oder Silizium sein kann und welches vorzugs weise die Form einer dünnen Platte hat. Das Halb leitermaterial 2 ist an einer Metallplatte 3 mit Hilfe einer dünnen Lotschicht 4 befestigt,
welche einen Ohmschen Kontakt zwischen der Platte 3 und dem Halbleitermaterial 2 bildet und den Halbleiter mit einer dauerhaften Verbindung von guter thermischer und elektrischer Leitfähigkeit an der Platte festhält. Das Halbleitermaterial 2 ist vorzugsweise n-Mate- rial, und der gleichrichtende Übergang wird gebildet durch das Auflegen einer Schicht von sogenanntem Akzeptor-Störstellenmaterial 5, welches in der Lage ist, das Halbleitermaterial in p-Material umzuwandeln.
Für diesen Zweck ist Indium ein geeignetes Material, wenn das Halbleitermaterial Germanium ist, während bei Silizium vorzugsweise Aluminium verwendet wird. Das Akzeptormaterial 5 wird auf das Halbleitermate rial 2 aufgelegt; es legiert mit der Oberflächenschicht des Halbleiters und diffundiert in ihn hinein, so dass ein Teil des Materials in p-Material umgewandelt und auf diese Weise ein gleichrichtender Übergang gebildet wird.
Eine metallische Anschlussplatte 6 wird auf das Akzeptormaterial 5 aufgelegt und mit ihr verbunden, so dass eine dauerhafte Verbindung von guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit gebildet wird. Die metallischen Anschlussplatten 3 und 6 dienen zur mechanischen Unterstützung des verhältnismässig zerbrechlichen Halbleitermaterials und zur Schaffung elektrischer Anschlüsse an den Halbleiter; sie bestehen vorzugsweise aus Molybdän, wegen seiner verhältnismässig guten thermischen Leit fähigkeit, und weil seine thermische Ausdehnung der jenigen sowohl des Germaniums wie des Siliziums nahekommt.
Wie oben erläutert, ist eine Gleichrichteranord- nung der in der Fig. 1 dargestellten Art in der Lage, verhältnismässig grosse Leistungen zu steuern; sie muss jedoch wirksam gekühlt werden zur Abführung der in dem kleinen Volumen des Halbleitermaterials erzeugten Wärme, damit verhütet wird, dass die erlaubte Maximaltemperatur überschritten wird. Mit der vorliegenden Kühlvorrichtung wird der Gleich richter durch eine Kombination von Wasser- und Dampfkühlung gekühlt.
Für diesen Zweck ist bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ein Wasserbehälter 7 an eine der Kontaktplatten 3 oder 6 der Gleichrichterzelle 1 angelötet oder auf andere Weise dauerhaft an ihr befestigt. Der Wasser behälter 7 kann, wie dargestellt, ein Hohlkörper aus Kupfer sein, welcher völlig geschlossen ist bis auf die Einlass- und Auslassöffnungen an der Oberseite und am Boden. Ein Wärmeaustauschglied 8 ist in ähn licher Weise an der andern Kontaktplatte der Gleich richterzelle befestigt; es ist vorzugsweise ein Kupfer glied mit einer Mehrzahl von hervorstehenden Rip pen 9, wie in Fig. 3 dargestellt.
Leitungsteile 10 und 11, vorzugsweise aus Kupfer rohr, sind in die Ein- und Auslassöffnungen des Was serbehälters 7 mit wasserdichten Nähten hart oder weich eingelötet, und eine Kupferplatte 12 ist an der obern Leitung 10 befestigt. Ein ähnliches rohrför- miges Leitungsstück 13 ist in irgendeiner geeigneten Weise an dem Wärmeaustauschglied befestigt, wobei vorzugsweise das untere Ende des Rohres 13 abge flacht und an eine der Rippen 9 angelötet ist, wie es bei 14 dargestellt ist. Das Rohr 13 erstreckt sich vertikal durch. einen Schlitz 15 in der Platte 12 nach oben; es hat eine Öffnung 16 oberhalb des Gleich richters.
Die bisher beschriebene Anordnung ist mit Hilfe der Rohre 10, 11 und 13 in einem geschlossenen, hermetisch abgedichteten Behälter 17 befestigt, wel cher vorzugsweise aus Kupfer oder einem andern Material mit guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, und welcher aus einem zylindrischen Körper mit Deck- und Bodenplatten 18 und 19 besteht, die durch Hardötung oder auf andere Weise an den Körper dicht angeschlossen sind. Die Rohre 10 und 13 erstrecken sich durch Öffnungen in der Deckplatte 18 nach aussen, und das Rohr 11 erstreckt sich durch eine Öffnung in der Bodenplatte 19.
Die Öffnungen um die Rohre herum sind abgedichtet, und die Rohre sind gegen den Behälter 17 in irgendeiner Weise iso liert, vorzugsweise mit Hilfe von Glasbuchsen 20, die an innere und äussere Hülsen 21 und 22 angeschmol- zen sind, die ihrerseits aus einer Legierung bestehen, die mit Glas eine dauerhafte luftdichte Abdichtung bilden kann. Die Hülsen 21 und 22 sind an die Rohre bzw. an den Behälter hart oder weich ange lötet.
Die rohrförmigen Leitungen 10 und 11 sind an ein Wasserumlaufsystem angeschlossen, welches eine Pumpe 23 und einen Flüssigkeits-Luft-Wärmeaus- tauscher 24 enthält, welcher von jeder erwünschten Art sein kann. Die Leitungen 10 und 11 sind durch äussere Leitungsstücke 25 bzw. 26 an die Pumpe und an Wärmeaustauscher angeschlossen, und der Wärmeaustauscher 24 ist an den Eingang der Pumpe 23 durch ein Leitungsstück 27 angeschlossen, so dass auf diese Weise ein geschlossenes, mit Wasser ge fülltes System gebildet wird. Die Leitungsteile 25, 26 und 27 können teilweise oder vollständig aus isolie rendem Material bestehen, falls es erwünscht ist.
Wenn die Pumpe arbeitet, wird kontinuierlich Wasser durch den Wasserbehälter 7 getrieben, und die Wärme, die vom Gleichrichter 1 an das Wasser ab gegeben wird, wird im Wärmeaustauscher 24 aus dem Wasser entfernt.
Nachdem das Gerät, wie oben beschrieben, zu sammengebaut ist, wird der Behälter 17 teilweise mit einer verdampfbaren Flüssigkeit 28 bis zu einer Tiefe gefüllt, die ausreicht, den Gleichrichter 1 zu be decken, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Für diesen Zweck kann irgendeine gewünschte Flüssigkeit ver wendet werden, welche einen geeigneten Siedepunkt und gute Isolationseigenschaften hat, so dass ein Kurzschluss der Gleichrichterzelle verhütet wird. Die Flüssigkeit muss ausserdem im wesentlichen frei von Feuchtigkeit sein, da die Eigenschaften des Gleich richters 6 durch eine kleine Menge von Feuchtigkeit nachteilig beeinflusst werden.
Es wurde gefunden, dass die hochfluorierten flüssigen organischen Verbindun gen ohne Wasserstoffgehalt für diesen Zweck er wünscht sind, da sie die notwendigen Eigenschaften haben und chemisch sehr träge sind, so dass sie den gleichrichtenden übergang nicht nachteilig beeinflus sen. So ist z. B. für Germanium-Gleichrichterzellen Trichlortrifluoräthan (im Handel unter dem Namen Freon 113 [eingetragene Marke] erhältlich) sehr ge eignet, welches bei Atmosphärendruck einen Siede punkt von 47 C hat.
Bei Silizium-Gleichrichtern kön nen Stoffe mit einem höheren Siedepunkt verwendet werden; hier haben sich Perfluortributylamin, welches unter Atmosphärendruck bei 177 C siedet, und Per fluoräther mit einem Siedepunkt von 101 C als sehr geeignet erwiesen. Andere Flüssigkeiten könnten jedoch ebenfalls verwendet werden, und ganz allge mein kann irgendeine chemisch träge, isolierende Flüssigkeit mit einem Siedepunkt in dem gewünschten Bereich und mit einer verhältnismässig hohen latenten Verdampfungswärme verwendet werden.
Die Flüssigkeit 28 wird durch das Rohr 13 und die Öffnung 16 in den Behälter 17 eingebracht; der Behälter kann teilweise evakuiert werden zur Ein stellung des Druckes und damit zur Erreichung des gewünschten Siedepunktes der Flüssigkeit 28. Falls erwünscht, kann der Behälter 17 evakuiert und ein chemisch träges Gas mit passendem Druck oberhalb der Flüssigkeit eingeführt werden, damit der er wünschte Siedepunkt erreicht wird. Das Rohr 13 wird dann abgeschlossen, so dass die hermetische Abdich tung des Behälters vollständig ist.
Im Betrieb kann der Gleichrichter mit einem äussern Kreis derart verbunden werden, dass das Rohr 13 als der eine Anschluss und eines der Rohre 10 oder 11 als der andere Anschluss verwendet wird. Mit Hilfe der Pumpe 23 wird durch den Behälter 7 kontinuierlich Wasser getrieben zur Abführung der Wärme von dem Gleichrichter, und wenn die Tempe ratur des Gleichrichters den Siedepunkt der Flüssig keit 28 erreicht, welche in Kontakt mit der Gleich richterzelle selbst und mit dem Wärmeaustauschglied 8 steht, siedet die Flüssigkeit heftig und absorbiert Wärme aus dem Gleichrichter in dem Masse, wie die Flüssigkeit verdampft wird;
dabei besteht die Tendenz, die Temperatur der Gleichrichterzelle 1 auf den Siedepunkt der Flüssigkeit zu begrenzen und eine örtliche Überhitzung irgendeines Teils der Gleich richterzelle zu verhindern. Der Dampf steigt in Bla sen durch die Flüssigkeit auf; beim Bestreichen der Platte 12 wird er kondensiert und kehrt für .die Wiederverdampfung zurück. Auf diese Weise wird der Gleichrichter 1 durch die kombinierten Wirkun gen der Verdampfung der Flüssigkeit und des Wasser umlaufes sehr wirksam gekühlt, wobei eine unmittel bare Wärmeaustauschbeziehung mit einer der An schlussplatten des Gleichrichters besteht.
Es ist nun ersichtlich, dass sehr wirksame Küh lungsmittel geschaffen wurden zur Abführung der in einem Halbleiter-Gleichrichtergerät erzeugten Wärme, so dass sehr hohe Betriebswerte erreicht werden kön nen, ohne dass die erlaubte Höchsttemperatur des Gleichrichters überschritten wird. Die oben beschrie bene Anordnung hat ausserdem viele praktische Vor teile, da sie vollständig in sich abgeschlossen ist und keine äussern Wasseranschlüsse erfordert, so dass sie leicht eingebaut oder sogar tragbar ausgebildet wer- den kann und unabhängig ist von einer äussern Was serzufuhr.
Die Kühlung ist äusserst wirksam, da ein grosser Teil der Wärme durch Verdampfung der Flüs sigkeit 28 entfernt wird, und der Wasserumlauf erhöht die Kühlungswirkung erheblich, ohne dass ein grosses Wasservolumen erforderlich ist. Sehr hohe Ströme können auf diese Weise von dem Gleichrichter ge führt werden. Es versteht sich natürlich, dass die Dampfkühlung allein ausreichend sein kann, wenn verhältnismässig kleine Verbraucher gespeist werden sollen, und dass der Wasserumlauf in Zeiten geringen Verbrauchs abgestellt werden kann.
Es ist ausserdem ersichtlich, dass, wenn eine ausreichende Wasser zufuhr zur Verfügung steht, und wenn Anschlüsse an ein äusseres Wassersystem nicht unerwünscht sind, die Pumpe 23 und der Wärmeaustauscher 24 wegge lassen werden könnten und Wasser aus einer äussern Quelle durch die Leitungen 10 und 11 zirkulieren könnte.
Eine spezifische Verkörperung ist zum Zwecke der Erläuterung dargestellt und beschrieben worden; es ist jedoch ersichtlich, dass verschiedene Abwand lungen möglich sind. So könnte, wie oben angedeutet, jede Quelle einer Wasserzufuhr verwendet werden, und wenn es erwünscht ist, können beide Anschluss platten des Gleichrichters mit Wasserbehältern ver sehen und durch Wasserumlauf zusätzlich zur Dampf kühlung gekühlt werden. Dies würde eine geringe Komplizierung des Wassersystems mit sich bringen infolge der Notwendigkeit, die Gleichrichteranschlüsse gegeneinander zu isolieren.
Es könnte jedoch ein Zuwachs an Ausgangsleistung in der Grössenordnung von 20 "/o auf diese Weise erreicht werden.