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DE2364773A1 - Einrichtung zum kuehlen von halbleiterbauelementen - Google Patents

Einrichtung zum kuehlen von halbleiterbauelementen

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DE2364773A1
DE2364773A1 DE2364773A DE2364773A DE2364773A1 DE 2364773 A1 DE2364773 A1 DE 2364773A1 DE 2364773 A DE2364773 A DE 2364773A DE 2364773 A DE2364773 A DE 2364773A DE 2364773 A1 DE2364773 A1 DE 2364773A1
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condensation chamber
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yielding
cooling
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Pavel Kafunek
Pavel Dipl Ing Reichel
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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kühlen von Halbleiterbauelementen.
Die Ableitung der beim Betrieb von Leistungs-Halbleiterbauelementen entstehenden Wärme ist ein sehr schwer zu lösendes technisches Problem. Leistungshalbleiter sind gewöhnlich auf massiven Kühlkörpern "aus Werkstoffen mit guter Wärmeleitfähigkeit, z.B. Kupfer bzw. Aluminium, angebracht. Die Kühlkörper, sind mit Kühlrippen versehen, welche eine Vergrößerung der beispielsweise durch einen Luftstrom gekühlten Fläche ermöglichen. Diese Kühlkörper sind oft mit eingelegten Kupferbolzen zum Erzielen eines besseren Wärmeübergangs vom Halbleiterbauelement in die Masse des Kühlkörpers versehen.
. Eine andere Anordnung sieht Kühlkörper vor, die zum Kühlen mittels eines flüssigen Mediums bestimmt sind, welches durch
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einen in diesem Kühlkörper hergestellten Hohlraum strömt.
Nachteilig sind bei diesen Lösungen die großen KUhI-körperabmessungen, der große Materialverbrauch und die damit verbundenen Probleme hinsichtlich der Unterbringung der mit diesen Kühlkörpern ausgerüsteten Halbleiterbauelemente in den Einrichtungen und Anlagen. Bei den flüssigkeitsgekühlten Halbleiterbauelementen kommt dazu noch das Problem des gegenseitigen Abisolierens der durch die Kühlkörper strömenden flüssigen Medien; die erwähnten Kühlkörper sind auf Halbleiterbaueierrient-Elektroden mit oft sehr verschiedenem elektrischen Potential angeordnet.
Einen bedeutenden Fortschritt gegenüber den oben angeführten Konstruktionen stellt die Anwendung von Kühlkörpern vor, deren Grundprinzip ein geschlossener Kühlzyklus ist. in dem Hohlraum eines jeden solchen Kühlkörpers geht eine Verdampfung des Kühlmittels zugleich mit seiner Kondensation vor sich.
Alle diese bekannten Lösungen mit dem letztgenannten Prinzip haben den Nachteil, daß ein poröser Film auf einem überwiegenden Till der.Innenfläche der Kondensat!onskammer angebracht wird. Dieser Umstand hat eine bedeutende Verschlechterung des Wärmeübergangs vom verdampfenden flüssigen Kühlmittel in die die Kondensationskammer umschließende Umgebung zur Folge. Die komplizierte Form der Kondensationskammer ist ebenfalls ein einschränkender Faktor für die Anwendung des geeignetsten porösen Materials.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung des letztgenannten, auf dem Prinzip des geschlossenen Kühlzyklus basierenden Typs so auszubilden, daß der Wärmeübergang vom verdampfenden Kühlmittel in die Umgebung der
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Kondensationskammer verbessert ist und unabhängig von deren Form in jedem Fall das geeignetste Material für den porösen Film verwendet werden kann.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine Einrichtung zum Kühlen von Leistungs,-Halbleiterbauelementen, welche auf dem Prinzip eines die Abdampfwärme einer Kühlflüssigkeit nützenden geschlossenen Wärmekreises arbeitet und eine Kondensationskammer enthält, in deren Innenraum sich ein Glied aus porösem Material befindet, mit dem Kennzeichen, daß die Kondensationskammer an das Halbleiterbauelement durch ihre nachgebende Wand angedrückt ist, welche zugleich von der entgegengesetzten Seite durch ein elastisches Innenglied belastet wird, welches zugleich an die Innenseite der nachgebenden Wand das Glied aus porösem Material andrückt, wobei dieses Glied teilweise im Kühlmedium versenkt ist, welches in der Kondensationskammer unter geeignetem Druck eingeschlossen ist.
Die an der nachgebenden Wand anliegende Fläche des Gliedes aus porösem Material ist zweckmäßig mit Kanälchen bzw. Ritzen versehen.
Der Durchmesser des Gliedes aus' porösem Material ist vorzugsweise größer als der Durchmesser der Berührungsfläche des Halbleiterbauelementes und der nachgebenden Wand der Kondensationskammer. Die Innenflächen der Kondensationskam-
mer mit Ausnahme der nachgebenden Wand sind zweckmäßig mit einer Materialschicht versehen, welche eine Tropfenkondensation des Kühlmediums verursacht.
Zwischen dem Glied aus porösem Material und der nachgebenden Wand ist vorteilhaft eine Materialschicht z. B. eine Metallfolie bzw. Amalgam bzw. Kontaktvaseline angebracht, welche den Wärmeübergang von der nachgebenden Wand
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in das Glied aus porösem Material verbessert.
. Die nachgebende Wand ist an ihrem Umfang zweckmäßig mit einem steifen Glied verbunden, mit dem auch der Mantel der Kondensationskammer verbunden ist, wobei im steifen Glied eine Feder verankert ist, die mit ihrem entgegengesetzten Ende das Glied aus porösem Material an die nachgebende Wand preßt.
Der Mantel der Kondensationskammer bildet vorzugsweise einen Kegel, in dessen Spitze ein Füll- und Schöpfröhrchen angeordnet ist.
Der Mantel der Kondensationskammer ist vorzugsweise mit Kühlrippen versehen.
Am Umfang des steifen Gliedes sowie der nachgebenden Wand· der Kondensationskammer befinden sich zweckmäßig durchgängige öffnungen, durch welche zusammenziehende, vom steifen Glied und der nachgebenden Wand durch Isolationsglieder getrennte Bolzen geführt sind.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:- , _
Fig. 1 das Grundschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung; und
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung im einzelnen.
An das Halbleiterbauelement 1 in Fig. 1 ist die Kondensationskammer 10 durch die Kraft F mit ihrer nachgebenden Wand angedrückt. Im Innenraum der Kondensationskammer 10 befindet sich das wenigstens teilweise in das Kühlmedium 12
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versenkte Glied 3 aus porösem Material, welches durch das elastische Innenglied 16 an die nachgebende Wand 2 der Kondensat!onskaramer 10 angepreßt wird. Der Mantel der Kondensationskammer 10 ist mit Kühlrippen 13 versehen. Das abgebildete Halbleiterbauelement ist vom konventionellen Typ mit einseitiger Kühlung.
In Fig. 2 ist ein doppelseitig gekühltes Halbleiterbauelement 1 in sogenannter Scheibenausführung, welches an die nachgebende Wand 2 der Kondensationskammer 10 angepreßt ist, abgebildet. Diese, nachgebende Wand 2, beispielsweise aus Kupfer, ist an ihrem Umfang mit dem steifen Glied 5, beispielsweise aus Stahl, z.B. durch Hartlöten verbunden.
Mit dem steifen Glied 5 ist der mit Kühlrippen 13 versehene Mantel der Kondensationskammer 10 beispielsweise durch eine vakuumdichte Widerstandsschweißnaht verbunden. Der Mantel der Kondensationskammer 10 ist kegelförmig, in der Spitze des Kegels ist das Füll- und Schöpfröhrchen 11 untergebracht. Im Innenraum der Kondensationskammer 10 befindet sich das wenigstens teilweise in das Kühlmedium 12 versenkte Glied 3 aus porösem Material, beispielsweise Keramik, welches an die nachgebende' Wand 2 durch eine im festen Glied" 5 verankerte Feder 8 angedrückt wird. Zwischen dem Glied 3 aus porösem Material und der nachgebenden Wand 2 kann eine, den Wärmeübergang von der nachgebenden Wand 2 in das Glied 3 aus porösem Material verbessernde Materialschicht 4 angebracht werden. Diese Schicht 4 kann beispielsweise eine Metallfolie bzw. Amalgam oder Kontaktvaseline bilden. Das steife Glied 5 und die nachgebende Wand 2 sind -an ihrem Umfang mit durchgehenden öffnungen versehen, durch welche vom festen Glied 5 und der nachgebenden Wand 2 durch Isoliergiieder 6-, beispielsweise aus Keramik, abgetrennte Klemmbolzen 14 führen. An die- , sen Isoliergliedern 6 können Metallunterlagen 7 angebracht werden. An der nachgebenden Wand 2 können, beispielsweise durch Hartlöten, die elektrischen Anschlüsse 15 des Halbleiter-
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baueleraentes. 1 befestigt'werden. Die Innenflächen der •Kondensationskammer 10_, mit Ausnahme der nachgebenden Wand 2, können mit einer Schicht 9 eines das Kondensieren .des Kühlmediums 12 in Tropfen verursachenden Materials, beispielsweise Teflon, versehen sein.
Während des Betriebes des Halbleiterbauelementes 1 wird das' sich im Innenraum der Kondensationskammer 10 be- , findende flüssige Kühlmedium 12, beispielsweise Wasser, durch die Kapillarkraft von dem Glied aus porösem Material 3 zur Kontaktfläche des Gliedes 3 aus porösem Material und der nachgebenden Wand 2 befördert. Diese nachgebende Wand 2 ist ihrerseits in Kontakt mit der Elektrode des als Wärmequelle wirkenden Halbleiterbauelementes 1. Das flüssige Medium 12 verdampft an dieser Kontaktfläche, und der entstandene Dampf kondensiert dann an den gekühlten Wänden der Kondensationskammer 10. Dieser Prozeß' wird durch Bildung von Kanälen bzw. Ritzen, auf .der sich mit der nachgebenden Wand 2 in Kontakt befindlichen Fläche des Gliedes J5 aus porösem Material erleichtert. Durch Herstellung eines entsprechenden Druckes im Innenraum der Kondensationskammer 10 kann der Siedepunkt des angewandten flüssigen Mediums 12 beeinflußt werden.
Zur Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten kann, wie erwähnt, die Innenfläche der Kondensationskammer 10 mit einer Schicht 9 eines die Tropfenkondensation des Kühlmediums 12 bewirkenden Materials versehen sein.
Das oben beschriebene Halbleiterbauelement 1 kann sowohl ein Plättchen aus Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, mit P-N-Übergängen, als auch ein Halbleitersystem, d.h. ein mit versteifenden Unterlagen, beispielsweise aus Molybdän oder Wolfram, versehenes Halbleiterplättchen, als auch ein in einem entsprechenden Oehäuse eingeschlossenes Halbleiterplättchen bzw. Halbleitersystem bilden.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht die Anwendung ein- oder doppelseitig gekühlter konventioneller Halbleiterbauelemente, sie ermöglicht weiter das Erzeugen eines Druckes auf die Anlagefläche zwischen dem Halbleiterbauelement und der erfindungsgemäßen Einrichtung und somit u. a. die Auseinandernehmbarkeit des Systems Kühleinrichtung - Halbleiterbauelement. Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht ebenfalls die Anwendung .einer beliebigen jeweils günstigsten porösen Masse, denn diese ist unabhängig von der Kühlkammerform geformt, sie ermöglicht weiter die Bildung von Kanälen oder Ritzen an der Kontaktfläche zwischen der am Halbleiterbauelement anliegenden Wand und dem porösen Glied.
Die geeignete Form'der Kondensationskammer ermöglicht ein einfaches Anbringen des Füll- und Schöpfröhrchens zum Einstellen des geeigneten Druckes im Inneren der Kondensationskammer und dadurch das Einstellen eines geeigneten Siedepunktes des angewandten flüssigen Mediums sowie auch das Anfüllen des Innenraumes der Kondensationskammer mit flüssigem Kühlmedium.
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Claims (9)

  1. Patentansprüche
    Einrichtung zum Kühlen von Leistungs-Halbleiterbauelementen, welche auf dem Prinzip eines die Abdampf war·» me einer Kühlflüssigkeit nützenden geschlossenen Wärmekreises arbeitet und eine Köndesationskammer enthält, in deren Innenraum sich ein Glied aus porösem Material befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationskammer (10) an das Halbleiterbauelement (1) durch ihre nachgebende Wand (2) angedrückt ist, welche zugleich von der entgegengesetzten Seite durch ein elastisches Innenglied (16 bzw. j5) belastet wird, welches zugleich an die Innenseite der nachgebenden Wand (2) das Glied (3) aus porösem Material andrückt, wobei dieses Glied teilweise im Kühlmedium (12) versenkt ist, welches in der Kondensationskammer (10) unter geeignetem Druck eingeschlossen ist. v
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (j5) aus porösem Material an seiner an der nachgebenden Wand (2) anliegenden Fläche mit Kanälen bzw. Ritzen versehen ist.
  3. J>. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Gliedes (3) aus porösem Material größer als der Durchmesser der Kontaktfläche des Halbleiterbauelementes (1) mit der nachgebenden Wand (2) der Kondensationskammer (10) ist.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Kondensationskammer (10) mit Ausnahme der nachgebenden Wand. (2) mit einer Schicht (9) eines eine Tropfenkondensation des Kühlmittels (12) verursachenden Materials überzogen ist.
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  5. 5. Einrichtung nach den Ansprüchen l bis j5> dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Glied (3) aus porösem Material und der nachgebenden Wand (2) eine den Wärmeübergang von der nachgebenden Wand (2) in das Glied (3) aus porösem Material verbessernde Materialschicht (4), beispielsweise eine Metallfolie bzw. Amalgam bzw. Kontaktvaseline, angebracht ist.
  6. 6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgebende Wand (2) an ihrem Umfang mit einem steifen Glied (5) verbunden ist, mit dem gleichfalls der Mantel der Kondensationskammer (10) verbunden ist, wobei in dem festen Glied (5) die mit ihrem entgegengesetzten Ende das Glied (3) aus porösem Material an die nachgebende Wand (2) drückende Feder (8) verankert ist.
  7. 7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 4 und 6,. dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel der .Kondensationskammer (10) die Form eines Kegels aufweist, in dessen Spitze ein FUIl- und Schöpfröhrchen (11) untergebracht ist.
  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel der Kondensat!onskammer (10) mit Kühlrippen (I3) versehen ist.
  9. 9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das steife Glied (5) und die nachgebende Wand (2) an ihrem Umfang mit durchgehenden öffnungen versehen sind, durch ' welche vom steifen Glied (5) und der nachgebenden Wand (2) durch Isolierglieder (6) getrennte Klemmbolzen (14) geführt sind.
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DE2364773A 1972-12-28 1973-12-27 Einrichtung zum Kühlen von Leistungs-Halbleiterbauelementen Expired DE2364773C2 (de)

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