CN86102472A - 半导体汽化冷却装置 - Google Patents

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Abstract

半导体堆由层叠和紧固在一起的GTO可控硅，冷却件和导体构成。半导体堆配置在冷却器内，该冷却器充满了氟利昂液。冷凝器配置在冷却器的上面，通过连通管与冷却器连接，构成一种冷却装置。每个冷却件在GTO可控硅和导体之间有许多小孔，在小孔之间配置了冷却件。氟利昂液在小孔内被GTO可控硅上产生的热量汽化变成氟利昂汽化物趋向导体。每个导体在它与冷却器接触的表面上有许多纵向槽。氟利昂汽化物流沿着槽向上流动，提高了氟利昂致冷剂的冷却循环效率。

Description

本发明涉及一种汽化冷却的半导体的装置，它适用于用以控制铁路列车的主电动机的速度的断续器或交直流变换器。
用以汽化冷却半导体元件的技术的发展主要表现在断续器或交直流变换器的应用上，这种断续器或交直流变换器用于铁路列车，而且要求有大容量的半导体元件。
已有的半导体汽化冷却装置包括一个装有半导体堆的冷却器和一种诸如氟利昂113的液态致冷剂以及一个设置在冷却器上的冷凝器，其设置方式允许冷凝器与冷却器连通。整个冷却器和冷凝器与大气隔绝密封，构成一个密封容器。这种装置的典型范例揭示在日本专利公开号68662/1980的说明书中。
又例如，半导体堆又一个实例揭示在日本专利公开号41734/1980的说明书中。这种半导体堆包括一个半导体元件，冷却件（热辐射板）（在冷却件之间配置半导体元件）和布线导体（在布线导体之间配置冷却件和半导体元件）。（在上述日本专利公开号41734/1980中）进一步提出要把冷却件的表面做成多孔或粗糙的，以便增加液态致冷剂的散热特性，以及插入许多管脚，以便冷却件和导体之间提供许多孔隙。
近来由于使用半导体元件的容量变得越来越大，而且由于要求在较高频率下对脉冲宽度加以控制，因此半导体元件产生的热量也随之变得越来越大，为了克服半导体元件所产生的大量热量，本发明为此目的提供了一种汽化冷却半导体用的改进装置，它能够提高冷却效率。
为此目的，本发明提供了一种汽化冷却半导体用的装置，它包括一个半导体元件，一个把半导体元件产生的热量散失到液态致冷剂中去的冷却件，以及一个冷却件接触的布线导体。其中本装置的特征在于与冷却件接触的布线导体表面形成一种非连续的接触面，导体通过此面以水平方向非连续地接触冷却件。
在导线借助诸如线性平行缝槽或凹槽非连续地接触冷却件的水平方向的非连续接触面中，最好是这些缝槽或凹槽和水平方向之间的角至少是45°。
在本发明的一个最佳实施例中，冷却件有一些直径大约为0.2mm到0.5mm的小孔，这些小孔以连接半导体和导体的方向穿过冷却件，而导体包括宽约1.5mm到4mm的纵向缝槽，该缝槽长度能使这些缝槽从导体接触冷却件的表面接触区的上端和下端伸出。
图1是根据本发明提供的半导体汽化冷却装置的一个实施例的截面侧视图。
图2是图1所示装置的半导体堆的局部放大图。
图3是图1所示装置的布线导体的透视图。
图4是图1所示装置的冷却件的另一个实施例的透视图。
图5是图4所示冷却件的局部放大图。
图6是布线导体的另一个实施例的透视图。
图7是沿着图6的Ⅶ-Ⅶ线取得的截面。
以下结合附图来叙述本发明的实施例。
首先参阅图1，冷却器1包含有半导体堆2和液态致冷剂3。冷凝器4装配在冷却器1上面，并借此方式使冷凝器4与冷却器1连通。冷凝器4包括端板41和42，它们是借助许多冷凝管道43和44连接的。冷凝管道43和44有一组冷却散热片45。冷却器1和冷凝器4借助连通管5相连接，连通管5起着通路的作用，致冷剂汽化物31，32和33通过连通管5向上流动，而冷凝的致冷剂34，35和36又返回下来。
半导体堆2包含有半导体元件21和22，冷却件（热辐射板）23到26，以及布线导体27到29，它们按图上箭头所示的方向紧压，以这样的方式层叠在一起。
图2是图1所示半导体堆2的局部放大图，而图3是半导体堆2的布线导体28的透视图。布线导体28具有许多长L2的纵向缝槽281，这L2的长度比区域A的垂直长度L1长，布线导体28借助这些缝槽接触冷却件24或25。换句话说，布线导体28的A区域（不包括构成缝槽281的槽组部分）是与冷却件24或25接触的。布线导体28的缝槽281造成液态致冷剂与冷却件24的表面接触，并在这些缝槽中加速致冷剂的汽化，致冷剂汽化产生的汽化物沿着缝槽281向上流动，以致把热转移到冷凝器4。其结果是，在半导体元件21的热产生部分211产生的热沿着箭头d1和d2的方向通过最短的路程进行转移，由此能够显著降低冷却件24和25的热阻。
对缝槽大小的举例，导体28的厚度是4mm，而每个缝槽281的宽度和缝槽之间的接触部分的宽度分别是1.5mm和3mm。
在图2中，冷却件23，24和25分别有孔状或粗糙的表面23s、24s、和25s。最好是接触到布线导体28的冷却件的接触面也是孔状的或粗糙的。为了达到此目的，从冷却着眼，把对应于图3所示的A接触面的冷却件的整个表面230、240和250制成粗糙的表面，这是极方便的。
图4是冷却件23、24、25和26的另一个实施例的透视图。在这实施例中，冷却件24的汽化部分240，是由冷却件的单元241，242和243构成的，它们层叠在一起。每个单元的两侧有许多凹槽V1、V2到Vn和H1、H2，到Hn，它们垂直地相互交叉。
如图5放大部分所示，这些凹槽的深度a1和a2比剩下的厚度b1和b2大，因此，冷却件24在垂直的和水平的凹槽交叉间按图4箭头B所示方向上有许多通过冷却件的小孔。假定冷却件单元的厚度为1mm，则每个凹槽的宽度和深度分别为0.25mm和0.55mm，而凹槽之间的平面部分的宽度是0.5mm，因此冷却件24就具有大小为0.25×0.25mm的一组方的通过孔，这些孔是以这样方式设置的，按照此种方式把这些孔纵向和横向散布在间距为0.5mm的半导体2和导体28之间的冷却件上。
从下列着眼点出发，上述结构的冷却件是很有效的。
为了有效地汽化液态致冷剂3，最好要求小孔的直径是小的（大约为0.2mm到0.5mm）。在致冷剂汽化和挥发出以后，有必要设置大小是汽化部分（在1.2mm和3.0mm之间，或以上）的6倍的纵向通路，以便有效地对流循环生成的汽化物。
图4和图5所示冷却件24的汽化部分240在半导体元件1附近有许多纵向和横向的小孔，这可以保证有效的汽化。不向上流动（对流循环）而仅有效地通过这些小孔，在小孔中汽化液态致冷剂而产生的汽化物能够以图2箭头d2所示方向移动，通过以图4箭头B所示方向贯穿冷却件24的许多小孔，以很短的路程到达导体的纵向缝槽281。这个汽化物沿着缝槽迅速上流，由此达到极有效的冷却。
如果图3垂直方向所示的纵向缝槽281是以与水平方向至少成45°而设置的话，那么沿垂直方向的冷却性能将保持高效。
图6是布线导体28的另一个实施例的透视图。在此实施例中，导体28具有穿过导体代替图2所示缝槽281的凹槽282，凹槽282凹入导体的每个侧内。
上述清楚地表明，本发明能够提供一种通过液态致冷剂的汽化而有效地冷却半导体元件的半导体汽化冷却装置。

Claims (6)

1、一种汽化冷却半导体的装置包括具有半导体元件的半导体堆，冷却件和布线导体以及一起容纳上述叠式存储器与液态致冷剂的冷却器，上述半导体元件是通过上述液态致冷剂的汽化来进行冷却的，本发明的特征在于与所述的冷却件按触的所述导体的表面制成一种非连续的接触面，上述导体借助该非连续接触面在水平方向上非连续地接触上述冷却件。
2、根据权利要求1所述的一种汽化冷却半导体的装置，其特征在于所述的导体表面上有许多平行的缝槽面对上述的冷却件，该缝槽是与水平方向至少成45°角而设置的。
3、根据权利要求1所述的一种汽化冷却半导体的装置，其特征在于所述的导体具有许多长的平行凹槽，该凹槽是与水平方向至少成45°角而设置的。
4、根据权利要求1所述的一种汽化冷却半导体的装置，其特征在于所述的冷却件具有许多小孔，这些小孔提供给配置在上述半导体元件的任何一个侧面上的上述半导体元件和上述导体之间以水平方向的连通。
5、根据权利要求1所述的一种汽化冷却半导体的装置，其特征在于所述的冷却件具有许多纵向的和横向的小孔。
6、根据权利要求4或5所述的一种汽化冷却半导体的装置，其特征在于所述的小孔的直径是所述长凹槽的1/6或小于长凹槽的1/6。
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