DE2003393C3

DE2003393C3 - Kühlvorrichtung für ein Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2003393C3
Application number: DE2003393A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus 7141 Aldingen Laing
Original assignee: THERMO-BAUELEMENT AG MURTEN CH
Current assignee: THERMO-BAUELEMENT AG MURTEN CH
Priority date: 1969-02-03
Filing date: 1970-01-26
Publication date: 1981-04-16
Also published as: DE2003393B2; AT310811B; GB1304282A; DE2003393A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Kühlvorrichtung ist aus der deutschen Auslegeschrift 10 54 473 bekannt, bei der ein Selengleichrichter in Paraffin eingebettet ist.

Die Erfindung bezweckt, für die Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art Kühlsubstanzen anzugeben, die bewirken, daß das Halbleiterbauelement im Betrieb sich schnell auf seine optimale Betriebstemperatur erwärmt, und die eine große Wärmekapazität bei dieser Betriebstemperatur haben

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale, z. B.
MgCl₂-OH₂O,
AI(HN₄)2(SO4)2-12H₂O,
Mg(NO₃);--6 H₂O.

Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe ist das Halbleiterbauelement, das mit diesen Stoffen in wärmeleitender Verbindung steht, anfangs praktisch als thermisch isoliert anzusehen und heizt sich auf Grund seiner kleinen Eigenmasse praktisch bis auf seine optimale Betriebstemperatur auf. Diese Betriebstemperatur fällt gemäß der Erfindung mit der Phasenänderungstemperatur des lonenkristalle bildenden Stoffs zusammen, so daß die unmittelbar an das Halbleiterbauelement angrenzende Schicht dieses Stoffs geschmolzen bzw. umkristallisiert wird, wenn das Halbleiterbauelement die Umwandlungstemperatur erreicht

ίο hat während die weiter von dem Halbleiterbauelement entfernten Schichten praktisch noch auf Außentemperatur liegen. In einer Kühlvorrichtung nach der Erfindung erfolgt die Aufnahme von Wärme so langsam, daß in den dem Halbleiterelement benachbarten Bereichen bereits latente Wärme bei Umwandlungstemperatur aufgenommen wird, während ein nur kleiner Wärmestrom langsam die restliche Kühlsubstanz auf die Umwandlungstemperatur aufheizt und Schicht für Schicht dieser Kühlsubstanz umkristallisiert oder geschmolzen wird.

Wenn die die Kühlung bewirkende Substanz bei ihrer Phasenänderung im Bereich der Betriebstemperatur des Halbleiterbauelements schmilzt, kann in Abhängigkeit von der lvlasse der Substanz und der Viskosität der Salzschmelze innerhalb derselben ein Konvektionsslrom auftreten. Sofern dieser zu einem störenden vorzeitigen Wärmeentzug führt, wird die die Kühlung bewirkende Substanz mit einem eindickenden Material, z. B. Siliciumdioxidkristallen oder Magnesiumoxidkristallen versetzt, so daß jeder Wärmetransport durch Konvektion unterbunden wird. Gleichzeitig wird durch diese Materialien verhindert, daß aus dem Behälter einer evtl. beschädigten Kühlvorrichtung korrosionsgefänrdende Flüssigkeiten austreten können.

Als Substanzen eignen sich für Halbleiter auf Germaniumbasis Hydrate der anorganischen Salze von Alkali· oder Erdalkalimetallen, ferner die Eutektika der Leichtmetallchlonde. -nitrate, -acetate oder -ammoniakate. Außer der Schmelzenthalpie läßt sich auch die Umwandlungsenthalpie zwischen zwei kristallinen polymorphen Phasen von Substanzen ausnutzen. Schließlich ist auch die Ausnutzung der Enthaipie einer polymorphen Phasenumwandlung für die Kühlung und der Schmelzenthalpie als Sicherheit gegen Zerstörung des Halbleiterbauelements möglich. So hat beispielsweise NH₄NO₁ einen polymorphen Umwandlungspunkt bei 125'C. Diese Temperatur fällt mit der optimalen Betriebstemperatur fast aller Silicium-Halbleiterbauelemcnte zusammen. Bei 170^cC schmilzt dieses Salz und schützt unter weiterer Aufnahme latenter Wärme das Halbleiterbauelement vor Zerstörung.

Es ist weiterhin vorgesehen, gemischte Systeme /u verwenden, die zwei Umwandlungspunkte aufweisen, oder aber auch zwei Salze unterschiedlicher Schmelztemperatur in getrennten Räumen so anzuordnen, daß die außenliegende Schicht erst dann schmilzt, wenn die darunterliegende bei geringer Temperatur schmelzende Schicht in vollem Umfange in den flüssigen Zustand übergegangen ist.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweiseerläutert.

Fig. 1 zeigt eine gekühlte Diode teilweise im Schnitt und teilweise in Ansicht;

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung nach F i g. 1:

F i g. 3 zeigt eine gekühlte Triode im Schnitt:
Fig.4 zeigt einen mit einer Kühlsubstanz gekühlten Transistor.

Fig. 1 zeigt eine Halbleiterdiode 1 mit einer Kühlvorrichtung, weiche aus zwei ringförmigen Schalen 5 und 6 besteht, die zwischen sich einen ringförmigen Hohlraum 3 freilassen, der mit Kühlsubstanz, z. B. Mg(NC>3)2-6H2O gefüllt ist. Zur Verbesserung der Wärmeübergangsverhältnisse sind spjralig sich entwikkelnde Rippen 4 vorgesehen. Zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche zwischen Kühlkörper und Luft sind vorzugsweise kegelig nach außen gerichiete Kühlbleche 2 vorgesehen.

Fig.2 zoigt eine Draufsicht auf einen Kühlkörper gemäß F i g. 1 bei Verwendung der gleichen Bezugsziffern.

F i g. 3 zeigt eine Triode, bei der das Kühlgehäuse 30 gleichzeitig eine Elektrode bildet, dieüberdie Lasche31 elektrisch leitend mit einem tragenden Konstruktionselement verbunden wird, während die restlichen Pole 32 und 33 aus einem Kunststoffkörper34 herausragen. Das Innere des Körpers 30 ist mit Kuhlsubstanz 35 gefüllt Die Abdeckung 36 läuft in ein Rohr 37 aus, welches ebenfalls mit Kühlsubstanz 35 gefüllt ist und dessen Ende niemals die Haltetemperatur erreicht, so daß dort immer Kristalle verbleiben, die die isomorphe Impfung

ίο der Kühlsubstanz einleiten.

Fig.4 zeigt einen Transistor 51, bei dem die Kappe 50 zusammen mit dem Flansch des Transistors einen Ringraum bildet, der mit Kühlmasse gefüllt ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung für ein Halbleiterbauelement, die einen Kristalle bildenden Stoff als Kühlsubstanz enthält, dessen Phasenumwandlungstemperatur für den Übergang zwischen einem und einem anderen Zustand, von denen mindestens einer ein fester Zustand ist, bei einer Betriebstemperatur des Halbleiterbauelements liegt und der bei Änderung seines Zustands Wärme aufnimmt, bzw. abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle zum überwiegenden Teil Ionenbindung aufweisen, daß die Kationen des die Kühlsubstanz bildenden Stoffes Elemente der Gruppe der Alkali- und/oder Erdalkalimetalle und/oder Ammonium umfassen, daß der Stoff aus dem Hydrat eines Salzes oder Metallhydvoxides besieht, daß die Zustandsänderung des Stoffes bei der optimalen Betriebstemperatur des Halbleiterbauelements liegt, und daß die Zustandsänderungsenthalpie des Stoffes größer als 167,5 J/g ist.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lonenkristalle bildende Stoff mit gerüstbildenden oder quellbaren Stoffen vermischt ist, so daß die die Kühlung des Halbleiterbauelements bewirkende Substanz auch bei höhpren Temperaturen als der Umwandlungstemperatur im festen oder gelförmigen Zustand verbleibt.

3. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei lonenkristalle bildende Substanzen mit unterschiedlichen Umwandluiigstemperaluren Verwendung finden, von denen eine eine Phasenumwandlung bei der optimalen Betriebstemperatur und die andere eine Phasenumwandlung etwas unterhalb der Zerstörungstemperatur des Halbleiterbauelements erfährt.

4. Kühlvorrichtung nach eiiiem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der lonenkristalle bildende Stoff bei der optimalen Betriebstemperatur des Halbleiters eine polymorphe Phasenumwandlung erfährt und kurz unterhalb der Zerstörungstemperatur des Halbleiterbauelements schmilzt.