DE1639047A1 - Durch stroemendes Kuehlmittel rueckgekuehlter Kuehlkoerper fuer Halbleiterbauelemente - Google Patents

Durch stroemendes Kuehlmittel rueckgekuehlter Kuehlkoerper fuer Halbleiterbauelemente

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DE1639047A1
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Description

ViBSTINGHOUSE München 2, 2 5. SER 19f E
Electric Corporation Wittelsbaoherplatz 2
PA 67/8251 Hab/Hob
Durch strömendes Kühlmittel rückgekühlter Kühlkörper für Halbleiterbauelemente
Die Erfindung bezieht sich auf einen durch strömendes Kühlmittel rückgekühlten Kühlkörper für Halbleiterbauelemente.
Als Kühlmittel wird vielfach Luft verwendet und durch die Zwischenräume zwischen mehreren Kühlfahnen des Kühlkörpers mit
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Neue ι Iriterlagen (An 7 s ι Ah-;. ? c- ι <·. ■. ■·, ·■ . >■ · r,. -n .,. v 4.9i 19571
^ Case 58 425
Hilfe eines Gebläses hindurchgedrückt.'Eine bessere Verlustwärmeabfuhr eraicht man allerding mit flüssigen Kühlmitteln. Hierzu legt man die gegebenenfalls mit entsprechenden Kühlfahnen versehenen Kühlkörper in einen Flüssigkeitsstrom, oder befestigt die zu kühlenden Halbleiterbauelemente auf einer von einem Kühlmittel durchströmten Sammelschiene.
Mit diesen bekannten Kühlmethoden läßt sich aber die maximale leistung eines bestimmten Halbleiterkörpers noch nicht erreichen, weil nämlich zwischen dem zu kühlenden Halbleiterkörper und dem strömenden Kühlmittel stehts ein massiver Metallkörper liegt, dessen Temperatur in der Mitte unter dem zu kühlenden Halbleiterkörper wesentlich höher ist als an sänen freien, dem Kühlmittel zugewandten Flächen. Diese Verhältnisse sind in den Figuren 1 und 2 veranschaulicht. Dort ist der zu kühlende Halbleiterkörper mit 10 und der Kühlkörper mit 11 bezeichnet. In letzterem ist gestrichelt die Verteilung der Wärmeflußlinien angedeutet, die sich bei üblicher Kühlung des Kühlkörpers 11 ergibt. Figur 2 zeigt die Konzentration der Wärmeflußlinien in der Schnittebene, entlang linie H-II durch den Kühlkörper nach Figur 1. Die größte Dichte haben diese Wärmeflußlinien unter dem Halbleiterkörper 10, unter dem somit die größte Wärmekonzentration ist.
Im Betrieb darf nun die Temperatur des Halbleiterkörper 10 *n der heißesten Stelle einen bestimmten Grenzwert nioht über-
- 2 - Ba/Hob ,
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a Case 38 425
schreiten. Dadurch, ist die Nennleistung eines bestimmten Halbleiterkörpers begrenzt. Die Erfindung geht nun davon aus, daß diese Nennleistung wesentlich höher liegen könnte, wenn man für eine gleichmäßigere Verteilung der Wärmeflußlinien über die gesamte Fläche des Kühkörpers unterhalb des zu kühlenden Halbleiterkörpers sorgt.
Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Kühlmittelweg zwischen Einlaß und Auslaß unter der zu kühlenden Fläche des Halbleiterkörpers in Serpentinen verläuft.
Diese Serpentinen können in einer zu der zu kühlenden Fläche des Halbleiterbauelementes parallelen Ebene liegen. Zwischen den Umkehrstellen der Serpentinen können dann noch weitere kleinere Serpentinen angeordnet sein.
Eine noch wesentlich bessere Kühlwirkung läßt sich jedoch mit einem bestimmten Kühlkörper dann erreichen, wenn die Serpentinen in einer zu der zu kühlenden Fläche des Halbleiterkörpers senk- · rechten Ebene angeordnet sind. Man kann dann den gesamten unter der zu kühlenden Fläche des Halbleiterkörpers liegenden Bereich des Kühlkörpers mit im gleichen Abstand voneinander angeordneten und parallel zueinander verlaufenden Kühlkanälen versehen, die alle an dem dem Halbleiterkörper zugewandten Ende geschlossen sind und deren Öffnungen alle in ein und derselben, von dem Halbleiterkörper abgewandten Ebene liegen. Ein entsprechendes Aus-
- 3 - Ba/Hob
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/ Case 38 425
führungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 3 dargestellt. Die Kühlkanäle in dem Kühlkörper 11, auf dem der Halbleiterkörper befestigt ist, sind - wie auch in allen folgenden Ausführungsbeispielen - mit 12 bezeichnet.
Den Öffnungen der Kühlkanäle 12 gegenüber liegen die öffnungen von Umkehrkanälen 13> die ebenfalls an einem Ende geschlossen %sind. Die Kühlkanäle und die Umkehrkanäle haben vorzugweise gleiche Form und Abmessungen und sind so gegeneinander versetzt, daß mindestens zwei benachbart liegende Kühlkanäle 12 durch einen Umkehrkanal 13 miteinander in Verbindung stehen. Das durch einen Einlaß 14 und einen Zuflußkanal 15 zugeführte und über einen Abflußkanal 17 und einen Auslaß 16 abgeführte Kühlmittel nimmt dann den durch Pfeile angedeuteten Verlauf. Die Formgebung der Kühl- und Umkehrkanäle sorgt dabei für eine gute Tubulenz, so daß die Bildung von stillstehenden Kühlmittelschichten an den Wänden der Kühlkanäle verhindert oder zumindestens die Dicke solcher Schichten ganz wesentlich herabgesetzt wird.
Die Figuren 4 und 5 zeigen jeweils einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kühlkörper 11 und den Verlauf des Kühlmittels in der zu den Kühlkanälen senkrechten Ebene der Kühlkörper. Dieser Verlauf ist zwischen dem seitlich angeordneten Einlaß 14 und dem ebenfalls seitlich liegenden Auslaß 16 (Figur 4) ebenfalls serpentinenförmig. Die Figuren lassen auch erkennen, wie zwei nebeneinanderliegende Kühlkanäle 12 durch die sie überlappenden Teilflächen 131 und 132 eines Umkehrkanales 13 miteinander in Ver-
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- 4 - Ba/Hob
C" Case 38 425
bindung stehen.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 5 unterscheidet sich von dem nach Figur 4 dadurch, daß der Einlaß 14 in der Mitte des Kühlkörpers liegt und daß das Kühlmittel von. dort aus in zwei serpentinenförmigen Vegen zu zwei Auslässen 161 und 162 fließt.
Dadurch ergibt sich gegenüber der Anordnung nach Figur 4 eine weitere Verbesserung der Kühlung, weil das Kühlmittel der Mitte des Kühlkörpers, also der heißesten STelle, mit der niedrigsten Temperatur, dem höchsten Druck und der höchsten Durchflußgeschwindigkeit zugeführt wird. Nach der Aufspaltung in zwei Wege ist der Druck und die Durchflußmenge in jedem Zweig nur noch halb so groß und die Temperatur bereits höher. Dies stellt jedoch keinen Nachteil dar, weil die in diesen Bereichen pro Zeiteinheit abzuführende Wärmemenge wegen der geringeren Dichte der Wärmeflußlinien niedriger ist als im Zentrum des Kühlkörpers.
Eine noch bessere Kühlung erhält man, wenn man die Kühlkanäle und ihre öffnungen sowie die Umkehrkanäle und deren öffnungen so anordnet, daß sich Teile der öffnung jedes Umkehrkanales (oder Kühlkanales) mit Teilen der Öffnungen von mindestens 3 Kühlkanälen (oder Umkehrkanälen) tiberdecken. Besondere vorteilhaft ist es dabei, die Kühl- und Umkehrkanäle so anzuordnen, daß sie ein System von konzentrischen Sechsecken bilden weil man so am meisten Kanäle auf einer bestimmten Fläche unterbringen kann. Ein Aueführungebeispiel dieser Art ist in den Figuren 6 und 7 dargestellt. Dabei sind wieder die gleichen Bezugszeichen wie
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- 5"- Ba/Hob
L Case 38 425
für funktionsgleiche Teile in den Figuren 1 bis 5 verwendet.
Während der Kühlkörper 11 bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 aus einem einzigen, z.B. gegossenen Stück besteht, ent-hält der Kühlkörper 11 bei dem in Figur ο dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich die Kühlkanäle 12. Die Umkehrkanäle 13 liegen dagegen in einem besonderen Umkehrstück 18, das aus Metall oder auch aus Kunststoff bestehen kann. Es enthält äußer den Umkehrkanälen an der Peripherie gelegene Abflußkanäle 171, 172, und einen zentral liegenden Zuflußkanal 15.
Dieses Zwischenstück ist eingeschlossen in ein Endstück 19 und mit diesem an der von dem Halbleiterkörper IQ abgewandten Fläche des Kühlkörpers 11 befestigt. Das Endstück 19 enthält einen kreisringförmigen Sammelkanal 173» der so angeordnet ist, daß alle Abflußkanäle 171, 172 des Umkehrstückes 18 darein münden. Außerdem ist dieser Sammelkanal mit einem Auslaß ;6 verbunden .Ein Einlaß H im Enfetück 19 liegt gegenüber der Öffnung des Zuflußkanales 15 des Umkehrstückes 18. Der Verlauf des Kühlmittels ist wieder durch Pf^eile angedeutet.
Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch den Kühlkörper 11 entlang der !,.nie VII-VII der Anordnung nach Figur 6. Dieser läßt erkennen, daß die Kühlkanäle und Umkehrkanäle auf den Grenzlinien von konzentrischen Sechsecken um die öffnung des zentralen Zuflußkanales '5 angeordnet sind. Die äußerste, gestrichelt dargestellten Kreise, von denen zwei mit 171 und 172 bezeichnet, sind9 bilden die in den Sammelkanal 173 mündenden Abflußkanäle des Umkehretückee 18
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- 6 - Ba/Hob
/BADORKSiNAL
L Case 38 425
Der über 15' zugeführte Kühlmittelstrom verteilt sich, somit zunächst auf drei Kühlkanäle. Von diesen ist jeder wieder mit zwei Umkehrkanäle in Verbindung. Infolgedessen fließt das Kühlmittel radial nach außen und verzweigt sich dabei. Seine Strömungsgeschwindigkeit und Durchflußmenge nimmt dabei wegen der ständig zunehmenden Verzweigung ab, seine Temperatur zu. Da die Wärmeflußlinie in den äußeren Teilen des Kühlkörpers 11 eine geringere Dichte haben als im Inneren, nimmt daher die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem Kühlkörper ab. Da aber andererseits die Kontaktfläche zwisdien dem Kühlköper und dem Kühlmittel vom Zentrum des Kühlkörpers nach außen hin zunimmt, wird eine maximale Wärmemenge abgeführt.
Bei den Ausführungsbeispielen nach Figur 3, 6 und 7 ist der zu kühlende Halbleiterkörper 10 unmittelbar auf dem mit den Kühlkanälen 12 versehenen Kühlkörper 1' befestigt. Das bedeutet,daß dieser Kühlkörper 1. Teil des den Halbleiterkörper 10 umschließenden Gehäuse ist, wie dies in den Ausführungsbeispielen nach Figur 8 und 9 dargestellt ist. Das gesamte Halbleiterbauelement, bestehend aus Halbleiterkörper 10 und Gehäuse mit Kühlkörper 11 ist dort mit 101 bezeichnet.
Bei der Anordnung nach Figur 8 weist der Kühlkörper 11 einen zentralen Bolzen 111 mit Gewinde und Mutter 112 auf, mit dessen Hilfe das Halbleiterbauelement 101 an dem Umkehrstück 18 und dem Endstück 19 mit Sammelkanal 173, Einlaß 14 und Auslaß 16 befestigt werden kann. Der Zuflußkanal 15 ist dabei als den Bolzen 111 koaxial umschließender Ringkanal ausgebildet.
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- 7 - Ba/Hob
BAD OBlGlNAL
Sf Case 38 425
Eine einfachere Ausführung ergibt sich jedoch wenn man sich wie in Figur 9 gezeigt - einer exzentrischen Befestigung der einzelnen Teile bedient.
In Figur 10 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem ein komplettes Halbleiterbauelement 101 mit Bodenplatte auf einem erfindungsgemäßen Kühlkörper 11 befestigt ist. Der thermische Widerstand zwischen Halbleiterkörper und dem Kühlmittel ist hierbei um o,036° C Watt größer als bei der Anordnung nach Figur 9, im übrigen gleiche Verhältnisse vorausgesetzt.
In den Figuren 11 und 12 ist schließlich noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das sich von dem nach Figuren 6 und 7 im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß das Kühlmittel durch einen zentralen Abflußkanal 17 und durch an der Peripherie liegende Abflußkanäle 171, 172 abgeführt und durch zahlreiche, dazwischen liegende Suflußkanäle 15'i, 152 zugeführt wird. Die Zuflußkanäle, die um den zentralen Abflußkanal 117 herumliegen, sind an einen gemeinsamen Verteiler-kanal 20 angeschlossen. Der sich dabei ergehende Kühlmittelfluß ist durch Pfeile angedeutet.
Figur 12 zeigt einen Querschnitt durch den Kühlkörper 11 nach Figur 11 entlang der Linie XII-XII. Man erkennt daraus, daß die Form und Anordnung der Kühlkanäle 12 und der Umkehrkanäle 13 ebenso ist, wei bei dem Ausführungsbeispiel nach Figuren 6 und Die öxi'nungen der Zuführkanäle 151» 152 liegen hier jedoch ebenfalls auf den Seitenlinien eines konzenitisch zu dem Abflußkanal
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- 8 - Ba/Hob
BAD ORIGtNAL
j Case 38 425
liegenden Sechseckes.
Ein weiterer Unterschied dieses Ausführungsbeispieles gegenüber dem nach Figur 6 besteht darin, daß das Umkehrstück 18 auch den Sammelkanal 173 und den Zufluß und den Abfluß enthält.
Wenn die Kühlanordnung - wie in den Figuren 6 bis 12 dargestellt aus mehreren Teilen, nämlich dem Kühlkörper mit den Kühlkanälen 12 und einem Umkehrteil 18 besteht, müssen die Berührungsflächen zwischen diesen Teilen so bearbeitet sein, daß sich ein dichter Abschluß ergibt, oder es müssen entsprechende Dichtungen dazwischen gelegt werden.
Das Umkehrstück 18 kann allein ohne zusammen mit dem Kühlkörper Teil einer Sammelschiene sein, durch die mehrere Halbleiterbauelemente zu einer Stromrichterschaltung zusammengefaßt sind.
15 Patentansprüche
12 Figuren
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Claims (1)

  1. Case 38 425
    Patent an sprüche
    1. Durch strömendes Kühlmittel rüolcgekühlter Kühlkörper für Halbleiterbauelemente, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelweg zwischen Einlaß und Auslaß unter der zu kühlenden Fläche in Serpentinen verläuft.
    2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Serpentinen in einer zu der zu kühlenden Fläche des Halbleiterbauelementes senkrechten Ebene liegen.
    3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Serpentinen in einer zu der zu kühlenden Fläche des Halbleiterbauelementes parallelen Ebene liegen.
    4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Umkehrstellen der Serpentinen zahlreiche kleinere Serpentinen liegen.
    5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Serpentinen aus nebeneinanderliegenden Kühlkanälen (12) und darunterliegenden, nebeneinander angeordneten Umkehrkanälen (13) bestöien, und daß diese Kanäle nur an einem Ende eine solche öffnung haben und so angeordnet
    -"■■■■- 10■ - Ba/Hob
    009884/0561
    Case 38 425
    sind, daß der öffnung jedes Umkehrkanale (13) Teile der Öffnung von mindestens zwei Kühlkanälen (12) unmittelbar gegenüber liegen.
    6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl- und TJmkehrkanäle ein System von konzentrischen Sechsecken bilden.
    7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der Kühlkanäle (12) in der dem zu kühlenden Halbleiterbauelement (10) abgewandten Fläche des Kühlkörpers (11) liegen und daß ein Umkehrstück (18) mit Umkehrkanälen (13) vorgesehen ist,' deren Öffnungen alle in derselben Fläche liegen, und daß das Umkehrstück (18) mit dieser Fläche an der dem zu kühlenden Halbleiterbauelement (10) abgewandten Fläche des Kühlkörpers (11) aufliegt und daran befestigt ist.
    8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Umkehrstück (18) mindestens einen Zufluß- (15;151»152) und mindestens einen Abflußkanal (17;171;172) hat.
    9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Umkehrstück (18) mindestens einen Sammelkanal (173)
    - 11 - Ba/Hob
    00988A/0561
    BADORIGINAt.
    Jf £ Case 38 4-25
    und / oder einen Verteilerkanal (20) hat.
    10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Umkehrstück (18) zwischen dem Kühlkörper (11) und einem Endstück (19) mit einem Einlaß (H) und mindestens einem Auslaß liegt.
    11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Sammel und / oder. Verteilerkanal bzw. - Kanäle in dem Endstück (19) liegen.
    12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelkanal (173) mit den Kühlkanälen (12) in der Peripherie des Kühlkörpers (11) in Verbindung steht.
    13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuflußkanal (15) im Zentrum des Kühlkörpers (11) mündet.
    H. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß c.er Auslaß (16) mit dem Sammelkanal (173) und mit einem ^entralliegenden Abflußkanal (17) verbunden ist, und daß zwischen beiden ein mit dem Einlaß und mit «ahlreichen Kühlkanälen (12) verbundener Verteilerkanal (20) liegt.
    - 12 - Ba/Hob
    00988A/Q561
    BAD ORIGINAL
    Case 38 425
    15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (12) Teil des den Halbleiterkörper (10) umschließenden Gehäuse ist.
    - 13 - Ba/Hob
    00988 4/056
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