DE3611811A1

DE3611811A1 - Vorrichtung zur dampfkuehlung eines halbleiters

Info

Publication number: DE3611811A1
Application number: DE19863611811
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Itahana; Yoshinori Katsuta Usui
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-04-10
Filing date: 1986-04-08
Publication date: 1986-10-16
Also published as: CN1003026B; AU5568686A; CN86102472A; KR860008604A; BR8601580A; JPS61234059A; AU561322B2; DE3611811C2; JPH0363825B2; US4694323A

Description

HITACHI, LTD.

6, Kanda Surugadai 4-chome,

Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

Vorrichtung zur Dampfkühlung eines Halbleiters

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung zur Dampfkühlung eines Halbleiters, die zur Verwendung in einem Zerhacker oder einem Wechselrichter geeignet ist, wie er zur Drehzahlregelung des Hauptmotors eines Eisenbahnzugs eingesetzt wird.

Die Entwicklung auf dem Gebiet der Dampfkühlung von Halbleite relementen hat sich auf die Anwendung der Dampfkühlung bei einem Zerhacker oder Wechselrichter konzentriert, der in einem Eisenbahnzug eingesetzt wird, wobei ein Halbleiterelement großer Leistungsfähigkeit erforderlich ist.

Bekannte Vorrichtungen zur Dampfkühlung von Halbleitern QO umfassen einen Kühlbehälter, der einen Halbleiterstapel sowie ein flüssiges Kältemittel wie Freon 113 enthält, wobei ferner über dem Kühlbehälter ein Kondensator so angeordnet ist, daß er mit dem Kühlbehälter in Verbindung steht. Die gesamte Baugruppe aus Kühlbehälter und Kondengg sator ist gegenüber der Atmosphäre hermetisch dicht, so daß ein hermetischer Behälter vorliegt. Ein typisches Beispiel für eine solche Vorrichtung ist in der JP-Offenlegungsschrift Nr. 68662/1980 angegeben.

Ein Beispiel für einen Halbleiterstapel ist z. B. in der Beschreibung der JP-Offenlegungsschrift Nr. 41734/1980 angegeben. Der Halbleiterstapel umfaßt ein Halbleiterelement, Kühlelemente (wärmeabstrahlende Platten), zwischen denen das Halbleiterelement angeordnet ist, sowie Verdrahtungsleiter, zwischen denen die Kühlelemente und das Halbleiterelement angeordnet sind. Ferner ist dort vorgeschlagen worden, die Oberfläche des Kühlelements porös IQ oder rauh zu machen, um dadurch die Wärmeableitungseigenschaften in bezug auf ein flüssiges Kältemittel zu verbessern, und es sind mehrere Stifte oder Zapfen eingesetzt, um zwischen den Kühlelementen und den Verdrahtungsleitern Zwischenräume zu bilden.

"/ Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten Vorrichtung zur Dampfkühlung eines Halbleiters, wobei die Vorrichtung mit erhöhtem Wirkungsgrad kühlen kann in Anpassung an die erhöhte Wärmemenge, die von einem Halbleiterelement erzeugt wird, da die Wärmemenge mit zunehmender Leistungsfähigkeit der verwendeten Halbleiterelemente und Steuerung der Impulsdauern bei höheren Frequenzen immer größer wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Dampfkühlung eines Halbleiters vor, mit einem Halbleiterelement, einem Kühlelement, das die im Halbleiterelement erzeugte Wärme zu einem flüssigen Kältemittel ableitet, und einem Verdrahtungsleiter, der sich in Kon-

oQ takt mit dem Kühlelement befindet; diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine das Kühlelement kontaktierende Oberfläche des Leiters als diskontinuierliche Kontaktfläche ausgebildet ist, mit der der Leiter das Kühlelement in Horizontalrichtung diskontinuierlich kontaktiert.

Bei einer in Horizontalrichtung diskontinuierlichen Kontaktfläche, wobei der Leiter das Kühlelement diskontinu-

ierlich ζ. Β. aufgrund von geraden parallelen Schlitzen oder Nuten kontaktiert, ist es vorteilhaft, wenn der Winkel zwischen diesen Schlitzen oder Nuten und der Horizontalen wenigstens 45° beträgt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Kühlelement kleine Löcher mit einem Durchmesser zwischen ca. 0,2 mm und 0,5 mm, die das Element in einer Richtung durchsetzen, in der das Halbleiterelement und der Leiter miteinander verbunden werden, während der Leiter Längsschlitze einer Breite von ca. 1,5 mm bis 4 mm und solcher Länge aufweist, daß die Schlitze am oberen und unteren Ende des Kontaktbereichs der Fläche, mit dem der Leiter das Kühlelement kontaktiert, überstehen.

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y) Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Dampfkühlung

von Halbleitern nach der Erfindung;

Fig. 2 eine größere Ansicht eines Teils des Halbleiterstapels der Vorrichtung von Fig. 1;

Fig. 3 eine Perspektivansicht des Verdrahtungsleiters der Vorrichtung von Fig. 1;

Fig. 4 eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Kühleinheit der Vorrichtung von

Fig. 1;

Fig. 5 eine größere Darstellung eines Teils der Kühleinheit von Fig. 4;

Fiq. 6 eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Verdrahtungsleiters; und

Fig. 7 eine Schnittdarstellung entlang der Linie

VII-VII von Fig. 6.

Gemäß Fig. 1 enthält ein Kühlbehälter 1 einen Halbleiterstapel 2 und ein flüssiges Kältemittel 3. Über dem Kühlbehälter 1 ist ein Kondensator 4 so angeordnet, daß er mit dem Kühlbehälter 1 in Verbindung steht. Der Kondensator weist Verteiler 41 und 42 auf, die mit mehreren Kondensatorrohren 43 und 44 verbunden sind. Die Kondensatorrohre IQ 43 und 44 enthalten eine Gruppe Kühlrippen 45. Der Kühlbehälter 1 und der Kondensator 4 sind über ein Verbindungsrohr 5 miteinander verbunden, das als Kanal dient, durch den Kältemitteldampf 31, 32 und 33 nach oben strömt und kondensiertes Kältemittel 34, 35, 36 rückgeführt wird.

Der Halbleiterstapel 2 umfaßt Halbleiterelemente 21 und 22, Kühlelemente (wärmeabstrahlende Platten) 23-26 und Verdrahtungsleiter 27-29, die derart stapeiförmig angeordnet sind, daß sie in den mit Pfeilen bezeichneten Richtungen zusammengedrückt werden.

Fig. 2 ist eine größere Darstellung eines Teils des Halbleiterstapels 2 von Fig. 1, und Fig. 3 ist eine Perspektivansicht des Verdrahtungsleiters 28 des Halbleiterstapels 2. Der Leiter 28 weist eine große Anzahl Längsschlitze 281 einer Länge I₂ auf, die größer als die vertikale Länge 1- eines Bereichs A des Leiters 28, mit dem der Leiter 28 die Kühlelemente 24 oder 25 kontaktiert, ist. D. h., der Bereich A des Leiters 28 mit Ausnahme des

gO Teils, der zu der Gruppe von Schlitzen 281 gehört, befindet sich in Kontakt mit dem Kühlelement 24 oder 25. Die Schlitze 281 des Leiters 28 bringen das flüssige Kältemittel 3 in Kontakt mit der Oberfläche des Kühlelements 24, und das Sieden des Kältemittels wird in diesen Schlit-

gc zen beschleunigt. Der durch das Sieden des Kältemittels erzeugte Kältemitteldampf strömt nach oben entlang den Schlitzen 281, so daß Wärme zum Kondensator 4 übertragen wird. Infolgedessen wird die an einem Wärmeerzeugungsab-

schnitt 211 des Halbleiterelements 21 erzeugte Wärme auf dem kürzesten Weg entlang den Pfeilen d.. und d~ übertragen, was eine starke Verminderung der Wärmebeständigkeit der Kühlelemente 24 und 25 erlaubt.

Beispiele für die Abmessungen der Schlitze sind: Dicke des Leiters 28 = 4 mm und Breite jedes Schlitzes 281 bzw. des Kontaktabschnitts zwischen den Schlitzen = 1_r5 ram bzw. 3 mm.

Gemäß Fig. 2 haben die Kühlelemente 23, 24 und 25 poröse

oder rauhe Oberflächen 23S, 24S und 25S. Bevorzugt ist die Kontaktfläche des Kühlelements, die den Leiter 28 kontaktiert, ebenfalls porös oder rauh. Zu diesem Zweck ist es IQ vom KühlStandpunkt aus zweckmäßig, die gesamte Flache 230, 24 0 und 250 des Kühlelements, die der Kontaktfläche A in Fig. 3 entspricht, anzurauhen.

Fig. 4 ist eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Kühlelemente 23, 24, 25 und 26. Dabei besteht der Siedeabschnitt 240 des Kühlelements 24 aus Kühlelementeinheiten 241, 242 und 243, die stapeiförmig aneinandergefügt sind. Beide Seiten jeder Einheit weisen eine große Anzahl Nuten V₁, V₂ bis V_n und H^, H₂ bis H_n auf, ok die einander im rechten Winkel schneiden.

Wie in Fig. 5 vergrößert gezeigt ist, sind die Tiefen a- und a₂ dieser Nuten größer als die übrigen Dicken b- und b₂. Infolgedessen weist das Kühlelement 24 kleine Öffnun-

gO gen auf, die es in der durch den Pfeil B in Fig. 4 gezeigten Richtung an den Schnittpunkten zwischen den Vertikal- und den Horizontalnuten durchsetzen. Wenn die Dicke der Kühlelementeinheit 1 mm, die Breite und Tiefe jeder Nut 0,25 mm bzw. 0,55 mm und die Breite der ebenen Abschnitte

gc zwischen den Nuten 0,5 mm beträgt, umfaßt das Kühlelement 24 eine Gruppe von viereckigen Durchgangslöchern der Größe 0,25 χ 0,25 mm, die derart vorgesehen sind, daß sie über das Element zwischen dem Halbleiterelement 2 und dem Lei-

ter 28 in Abständen von 0,5 mm in Längs- und Seitenrichtung verteilt sind.

Das so ausgelegte Kühlelement ist aus folgenden Gründen hochwirksam.

Zum wirksamen Sieden des flüssigen Kältemittels 3 ist es erwünscht, Löcher mit kleinem Durchmesser (ca. 0,2-0,5 mm) vorzusehen. Nach dem Sieden und Verdampfen des Kältemit- IQ tels müssen Längskanäle vorgesehen sein, die sechsmal so groß wie diejenigen des Siedeteils sind (zwischen 1,2 mm und 3,0 mm oder mehr), damit der resultierende Dampf aufgrund von Konvektion wirksam zirkulieren kann.

Der Siedeteil 240 des Kühlelements 24 von Fig. 4 und 5 weist eine große Anzahl von in Längs- und seitlicher Richtung verlaufenden kleinen Löchern nahe dem Halbleiterelement 1 auf, was einen guten Siedewirkungsgsrad gewährleistet. Der durch Sieden des flüssigen Kältemittels in diesen kleinen Löchern erzeugte Dampf, der nur durch diese kleinen Löcher mit schlechtem Wirkungsgrad nach oben strömen (duch Konvektion im Kreislauf geführt werden) würde, kann durch die große Anzahl von kleinen Löchern, die das Kühlelement 24 in Richtung der Pfeile B in Fig. 4 durchsetzen, in Richtung des Pfeils d~ von Fig. 2 bewegt werden und damit auf kurzem Weg die Längsschlitze 281 im Leiter 28 erreichen. Dieser Dampf strömt schnell entlang den Schlitzen nach oben, wodurch eine außerordentlich gute Kühlung erzielt wird.

Wenn die Längsschlitze 281, die in Fig. 3 vertikal verlaufend gezeigt sind, unter einem Winkel von wenigstens 45° zur Horizontalen verlaufen, kann die Kühlleistung in Vertikalrichtung auf einem hohen Niveau gehalten werden.

Fig. 6 ist eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Verdrahtungsleiters 28. Dabei weist der Lei-

ter 28 anstelle der Schlitze 281 von Fig. 3, die den Leiter durchsetzen, Nuten 282 auf, die in jede Seite des Leiters eingelassen sind.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, ermöglicht die Erfindung die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Dampfkühlung von Halbleitern, die mit hohem Wirkungsgrad ein Halbleiterelement durch Sieden eines Kältemittels kühlen kann.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Dampfkühlung eines Halbleiters, mit einem Halbleiterstapel (2), der ein Halbleiterelement (21, 22), ein Kühlelement (23-26) und einen Verdrahtungsleiter (27-29) aufweist, sowie mit einem Kühlbehälter (1) zur Aufnahme des Stapels zusammen mit einem flüssigen Kältemittel (3), wobei das Halbleiterelement durch Sieden des flüssigen Kältemittels gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche des Leiters (27-29), die das Kühlelement (2-3-26) kontaktiert, als diskontinuierliche Kontaktfläche ausgebildet ist, mit welcher der Leiter das Kühlelement in Horizontalrichtung diskontinuierlich kontaktiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter in einer dem Kühlelement zugewandten Oberfläche eine große Anzahl parallele Schlitze (281) aufweist, die unter einem Winkel von wenigstens 45° zur Horizontalen angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

81-B608-02-Schö

INSPECTED

daß der Leiter eine große Anzahl lange parallele Nuten

(282) aufweist, die unter einem Winkel von wenigstens zur Horizontalen angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement eine große Anzahl kleine Löcher aufweist, die in Horizontalrichtung eine Verbindung zwischen dem Halbleiterelement und dem Leiter, die zu beiden Seiten des Kühlelements angeordnet sind, herstellen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Kühlelement eine große Anzahl von kleinen Längs- ^κ und seitlichen Löchern aufweist.

6. Vorrichtung zum Dampfkühlen eines Halbleiters, mit einem Halbleiterstapel (2), in dem ein Halbleiterelement (21, 22), ein Kühlelement (23-26) und ein Verdrahtungsleiter (27-29) stapeiförmig zusammengesetzt sind, sowie mit einem Kühlbehälter (1), der den Stapel zusammen mit einem flüssigen Kältemittel (3) enthält, wobei das Halbleiterelement durch Sieden des flüssigen Kältemittels gekühlt wird,

2g dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Kühlelement in Kontakt liegende Oberfläche des Leiters einen Verbindungsabschnitt (5) aufweist, der eine Verbindung in Vertikalrichtung herstellt und am oberen und unteren Rand der Kontaktfläche offen ^ist·

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter in einer dem Kühlelement zugewandten Oberfläche eine große Anzahl parallele Schlitze (281) aufweist, die unter einem Winkel von wenigstens 45° zur Hori zontalen angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter eine große Anzahl lange paralele Nuten

(282) aufweist, die unter einem Winkel von wenigstens 45° zur Horizontalen angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Kühlelement eine große Anzahl kleine Löcher auf- IQ weist, die in Horizontalrichtung eine Verbindung zwischen dem Halbleiterelement und dem Leiter, die zu beiden Seiten des Kühlelements angeordnet sind, herstellen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6,

■jK dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement eine große Anzahl von kleinen Löchern in Längs- und seitlicher Richtung aufweist.

11. Vorrichtung zur Dampfkühlung eines Halbleiters, mit 2Q einem Halbleiterstapel (2), der ein Halbleiterelement (21, 22), ein Kühlelement (23-26) und einen Verdrahtungsleiter (27-29) aufweist, sowie mit einem Kühlbehälter (1) zur Aufnahme des Stapels zusammen mit einem flüssigen Kältemittel (3), wobei das Halbleiterelement durch Sieden des flüssigen Kältemittels gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Kühlelement kontaktierende Oberfläche des Leiters eine große Anzahl Längsnuten (282) solcher Länge aufweist, daß diese am oberen und unteren Rand der Kon-

QQ taktfläche überstehen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Leiter in einer dem Kühlelement zugewandten Obergg fläche eine große Anzahl parallele Schlitze (281) aufweist, die unter einem Winkel von wenigstens 45° zur Horizontalen angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter eine große Anzahl lange parallele Nuten

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

15. Vorrichtung nach Anspruch 11,

je dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement eine große Anzahl von kleinen Löchern in Längs- und seitlicher Richtung aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, 2Q dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der kleinen Löcher 1/6 oder weniger des Durchmessers der Längsnuten beträgt.