CH659735A5

CH659735A5 - HEAT SINK FOR LIQUID COOLING OF PERFORMANCE SEMICONDUCTOR ELEMENTS.

Info

Publication number: CH659735A5
Application number: CH297582A
Authority: CH
Inventors: Xaver Vogel
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1982-05-13
Filing date: 1982-05-13
Publication date: 1987-02-13
Also published as: DE3221423C2; DE3221423A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkörper zur Flüssigkeitskühlung von Leistungshalbleiterelementen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Kühlkörpern Bezug, wie er in der DE-OS 2 402 606 beschrieben ist. In der DE-OS 2 640 000 ist eine Kühldose für flüssigkeitsge-kühlte Leistungshalbleiterbauelemente und ein Verfahren zur Herstellung derselben beschrieben. Die Kühldose gemäss dieser DE-OS hat in ihrem Innenraum senkrecht zu den Dosenböden orientierte und mit diesen Dosenböden stoffschlüssig verbundene Zapfen. Diese Zapfen und die Profile dieser Zapfen beeinflussen die Strömung der Kühlflüssigkeit in der Kühldose und erhöhen somit den Wirkungsgrad der Kühlung der angeschlossenen druckkontaktierten Leistungshalbleiterbauelemente. Als Kühlmedium wird vor allem Öl verwendet. Die Kühldose hat eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für die Kühlflüssigkeit, sonst ist sie geschlossen. Die Auflagekontaktflächen dieser Kühldose sind also aus vollem Material ausgebildet und die Kühlflüssigkeit berührt die zu kühlenden Flächen der Halbleiterelemente nicht. The present invention relates to a heat sink for liquid cooling of power semiconductor elements according to the preamble of claim 1. With this preamble, the invention relates to a prior art of heat sinks as described in DE-OS 2 402 606. DE-OS 2 640 000 describes a cooling box for liquid-cooled power semiconductor components and a method for producing the same. The cooling box according to this DE-OS has in its interior perpendicular to the can bottoms oriented and integrally connected to these can bottoms pins. These pegs and the profiles of these pegs influence the flow of the coolant in the cooling box and thus increase the efficiency of the cooling of the connected pressure-contacted power semiconductor components. Oil is primarily used as the cooling medium. The cooling box has an inlet opening and an outlet opening for the coolant, otherwise it is closed. The contact surfaces of this cooling box are therefore made of solid material and the cooling liquid does not touch the surfaces of the semiconductor elements to be cooled.

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, The invention as defined in claim 1

löst die Aufgabe einen Kühlkörper so auszubilden, dass der Kühleffekt der Kühlflüssigkeit wesentlich verbessert wird, wobei die konstruktive Ausgestaltung möglichst einfach sein soll. solves the task of designing a heat sink in such a way that the cooling effect of the cooling liquid is significantly improved, the structural design being intended to be as simple as possible.

Ein Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass die Kühlflüssigkeit, z.B. Silikonöl oder Freon, welche die zu kühlenden Flächen der Halbleiterelemente direkt berührt, Verlustwärme besser übernehmen kann. Gemäss einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind die Kühlschlitze mit einem von der rechteckigen Form abweichenden Profil ausgebildet, z.B. dreieckig, mit halbrundem Boden oder trapezförmig. An advantage of the invention is in particular that the cooling liquid, e.g. Silicone oil or freon, which directly touches the surfaces of the semiconductor elements to be cooled, can better absorb heat loss. According to a development of the subject matter of the invention, the cooling slots are formed with a profile that deviates from the rectangular shape, e.g. triangular, with a semicircular base or trapezoidal.

Das Profil der Kühlschlitze kann also praktisch beliebig den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. The profile of the cooling slots can therefore be adapted practically as required to the respective requirements.

Die Kühlschlitze können geradlinig sein, sie können jedoch auch andere Formen aufweisen, z.B. eine Serpentine- oder Evolventenform. The cooling slots can be straight, but they can also have other shapes, e.g. a serpentine or involute shape.

Die Serpentine- oder Evolventenform ist insbesondere dann zweckmässig, wenn die Kühlschlitze von der parallelen gegenseitigen Lage abweichen, z.B. radial angeordnet sind. Die radiale Anordnung der Kühlschlitze ist für eine zylindrische Form des Kühlkörpers geeignet, wobei selbstverständlich der Durchmesser des zylindrischen Kühlkörpers dem Durchmesser der zu kühlenden Fläche angepasst ist. The serpentine or involute shape is particularly useful when the cooling slots deviate from the parallel mutual position, e.g. are arranged radially. The radial arrangement of the cooling slots is suitable for a cylindrical shape of the heat sink, the diameter of the cylindrical heat sink naturally being adapted to the diameter of the surface to be cooled.

Für normale Funktionsweise reicht ein konstantes Profil der Kühlschlitze aus. Es ist in einigen Fällen zweckmässig, die Kühlschlitze mit einem sich erweiternden Profil auszubilden. Durch die Veränderung der Profilgrösse verändert man auch die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit. A constant profile of the cooling slots is sufficient for normal operation. In some cases, it is advisable to design the cooling slots with an expanding profile. Changing the profile size also changes the flow rate of the coolant.

Die Erfindung wird anhand einiger schematisch dargestellter Beispiele näher erläutert. The invention is explained in more detail with the aid of some schematically illustrated examples.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 eine zum Stand der Technik zählende Ausführungsform eines Kühlkörpers, wobei in diesem Beispiel parallele Kühlschlitze in einem rechteckig ausgebildeten Kühlkörpers hergestellt sind, 1 shows an embodiment of a heat sink which is part of the prior art, parallel cooling slots being produced in a rectangular heat sink in this example,

Fig. 2 den Schnitt II-II aus Fig. 1, 2 shows the section II-II from FIG. 1,

Fig. 3 den Schnitt III-III aus Fig. 1, 3 shows the section III-III from FIG. 1,

Fig. 4 einen Teilschnitt durch einen Kühlkörper gemäss der Erfindung, wobei die Kühlschlitze mit verschiedenen Profilen gezeigt werden und Fig. 4 is a partial section through a heat sink according to the invention, the cooling slots are shown with different profiles and

Fig. 5 einen erfindungsgemässen zylindrischen Kühlkörper, bei dem in vier Segmenten vier verschiedene Ausbildungsvarianten der Kühlschlitze gezeigt sind. 5 shows a cylindrical heat sink according to the invention, in which four different design variants of the cooling slots are shown in four segments.

Gemäss den Figuren 1 bis 3 ist ein Kühlkörper 1 mit zwei Halbleiterauflageflächen 2 versehen. In jeder dieser Halbleiterauflageflächen 2 sind mehrere geradlinige parallele Kühlschlitze 3 ausgeführt, die in diesem Beispiel ein rechteckiges Profil aufweisen; das Profil der Kühlschlitze 3 ist gut in der Fig. 3 sichtbar. Zwischen und seitlich der Kühlschlitze 3 bleibt die freie Halbleiterauflagefläche 2, die selbstverständlich eben ausgebildet ist. Die Kühlschlitze 3 sind mittels zweier Verbindungsschlitze 4 mit einem Anschlusskanal 7 verbunden. Mit der Bezugsziffer 5 ist ein Zentrierloch bezeichnet, eine Bohrung 6 dient für elektrischen Anschluss des Kühlkörpers. In Fig. 2 ist der Verlauf des Anschlusskanals 7 sichtbar, dessen Ende mit einem Gewinde 8 versehen ist. In dieser Fig. 2 ist auch der Anschluss der Verbindungsschlitze 4 an den Anschlusskanal 7 gut sichtbar. Dass die Verbindungsschlitze 4 mit den Kühlschlitzen 3 verbunden sind, ist sowohl aus der Fig. 1 als auch aus der Fig. 3 ersichtlich. According to FIGS. 1 to 3, a heat sink 1 is provided with two semiconductor contact surfaces 2. In each of these semiconductor contact surfaces 2, a plurality of rectilinear, parallel cooling slots 3 are implemented, which in this example have a rectangular profile; the profile of the cooling slots 3 is clearly visible in FIG. 3. Between and to the side of the cooling slots 3 there remains the free semiconductor contact surface 2, which of course is flat. The cooling slots 3 are connected to a connection channel 7 by means of two connecting slots 4. The reference number 5 denotes a centering hole, and a bore 6 serves for the electrical connection of the heat sink. 2 shows the course of the connecting channel 7, the end of which is provided with a thread 8. The connection of the connecting slots 4 to the connecting duct 7 is also clearly visible in this FIG. 2. It can be seen from both FIG. 1 and FIG. 3 that the connecting slots 4 are connected to the cooling slots 3.

Fig. 4 zeigt beispielsweise Ausführungsmöglichkeiten der Profile der Kühlschlitze 3. Ein Kühlschlitz 3.1 weist ein rechteckiges Profil, ein Kühlschlitz 3.2 ein dreieckiges Profil und ein Kühlschlitz 3.3 ist mit einem halbrundem Boden ausgebildet. Ein Kühlschlitz 3.4 weist ein trapezförmiges Profil auf. Die Ausgestaltung gemäss der Fig. 4 entspricht jedoch im wesentlichen derjenigen gemäss Fig. 3. 4 shows, for example, design options for the profiles of the cooling slots 3. A cooling slot 3.1 has a rectangular profile, a cooling slot 3.2 has a triangular profile and a cooling slot 3.3 is designed with a semicircular base. A cooling slot 3.4 has a trapezoidal profile. However, the configuration according to FIG. 4 essentially corresponds to that according to FIG. 3.

Ein zylindrischer Kühlkörper 1 gemäss Fig. 5 ist schematisch in vier Quadrante aufgeteilt. Die Kühlschlitze 3 sind in zwei Fällen radial und in weiteren zwei Fällen im wesentlichen radial geführt. Sie sind mit dem, in dieser Fig. 5 nicht dargestellten Anschlusskanal 7 mittels Verbindungsbohrungen 9 verbunden. Wie ersichtlich, wird die Flüssigkeit in das Zentrum des Kühlkörpers 1 geführt, wovon sie dann zu dem äusseren Rand des Kühlkörpers 1 fliesst. Ein Kühlschlitz 3.5 ist geradlinig ausgebildet, ein weiterer Kühlschlitz 3.6 weist einen sich nach aussen erweiternden Querschnitt auf, ein Kühlschlitz 3.7 ist serpentineartig ausgeführt und ein Kühlschlitz 3.8 weist eine Evolventenform auf. Die zwei letztgenannten Kühlschlitze 3.7, 3.8 werden selbstverständlich mit weiteren ähnlich ausgebildeten Kühlschlitzen kombiniert, die regelmässig über die Halbleiterauflagefläche 2 verteilt sind. A cylindrical heat sink 1 according to FIG. 5 is schematically divided into four quadrants. The cooling slots 3 are guided radially in two cases and essentially radially in a further two cases. They are connected to the connecting duct 7, not shown in this FIG. 5, by means of connecting bores 9. As can be seen, the liquid is guided into the center of the heat sink 1, from which it then flows to the outer edge of the heat sink 1. A cooling slot 3.5 is linear, a further cooling slot 3.6 has an outwardly widening cross section, a cooling slot 3.7 is designed in a serpentine manner and a cooling slot 3.8 has an involute shape. The two latter cooling slots 3.7, 3.8 are of course combined with other similarly shaped cooling slots, which are regularly distributed over the semiconductor contact surface 2.

Es sind selbstverständlich, dass der Erfindungsgegen- It goes without saying that the object of the invention

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

stand auf das in den Zeichnungen Dargestellte nicht beschränkt ist. was not limited to what is shown in the drawings.

Es können andere Profile und Formen der Kühlschlitze 3 verwendet werden. Der Kühlkörper 1 kann auch nur einseitig mit den Kühlschlitzen 3 versehen sein, wenn es sich um einen s Other profiles and shapes of the cooling slots 3 can be used. The heat sink 1 can also be provided on one side with the cooling slots 3 if it is a s

659 735 659 735

Kühlkörper 1 handelt, der nur ein Halbleiterelement kühlen soll. Der Kühlkörper 1 kann auch andere Formen aufweisen, als dargestellt. Als Material für den Kühlkörper 1 kann man z.B. Aluminium, Kupfer oder deren Legierungen verwenden. Heat sink 1 acts, which is intended to cool only a semiconductor element. The heat sink 1 can also have other shapes than shown. The material for the heat sink 1 can be e.g. Use aluminum, copper or their alloys.

v v

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. heat sink (1) for liquid cooling of power semiconductor elements, wherein the heat sink (1) has at least one connection channel (7) and is provided with at least one flat semiconductor support surface (2), cooling slots (3) being formed in the at least one semiconductor support surface (2) are, which are connected to the at least one connection channel (7) for the cooling liquid, characterized in that the cooling slots (3) deviate from the parallel mutual position.

2. A heat sink according to claim 1, characterized in that the cooling slots (3) are formed with a profile which differs from the rectangular shape (3.1), e.g. triangular (3.2), with semicircular base (3.3) or trapezoidal (3.4).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Heatsink according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling slots (3) have a shape deviating from the straight line, e.g. a serpentine (3.7) or involute (3.8) shape.

4. Heat sink according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling slots (3) are arranged radially (3.5 to 3.8).

5. Heat sink according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cooling slots (3) have an expanding profile (3.6).