DE3611811C2 - - Google Patents

Description

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

Die Entwicklung auf dem Gebiet der Siedekühlung von Halb­ leiterelementen hat sich auf die Anwendung der Siedekühlung bei einem Zerhacker oder Wechselrichter konzentriert, der in einem Eisenbahnzug eingesetzt wird, wobei ein Halb­ leiterelement großer Leistungsfähigkeit erforderlich ist.

Bekannte Vorrichtungen zur Siedekühlung von Halbleitern 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 Konden­ sator ist gegenüber der Atmosphäre hermetisch dicht, so daß ein hermetischer Behälter vorliegt. Ein typisches Beispiel für eine solche Vorrichtung ist in der JP-A­ 68 662/1980 angegeben.

Ein Beispiel für einen Halbleiterstapel ist z. B. in der JP-A-4 734/1980 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 oder rauh zu machen, um dadurch die Wärmeableitungs­ eigenschaften in bezug auf ein flüssiges Kältemittel zu verbessern, und es sind mehrere Stifte oder Zapfen einge­ setzt, um zwischen den Kühlelementen und den Verdrahtungs­ leitern Zwischenräume zu bilden.

In der EP-A-00 15 578 ist eine an sich herkömmliche siede­ gekühlte Halbleiteranordnung aus einem Stapel von scheiben­ förmigen Halbleiter-Bauelementen und Verdampfern in einem mit verdampfbarem Medium gefüllten Kühlmittelbehälter, in dem das eine Ende des Stapels auf einer Abschlußplatte aufliegt, beschrieben. Diese Abschlußplatte weist eine Öffnung zur Durchführung des Stapelendes auf, das über ein Wellrohr mit der Abschlußplatte mechanisch gasdicht verbunden ist. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß das Volumen des Kühlmittelbehälters und somit die Halb­ leiteranordnung kleiner als bei bekannten Anordnungen wird.

Die DE-A-24 40 917 betrifft eine Halbleiteranordnung, die in eine inaktive Kühlungsflüssigkeit eintaucht, die durch Einkerbungen in den Elektrodenplatten fließen kann und so die Wärmeabgabe gewährleistet.

Die AT-C-2 50 511 betrifft eine Halbleiterstromrichteranlage mit Luftkühlung, in der die Halbleiterelemente in einen Kühl­ körper mit Kühlrippen eingesetzt werden, dessen Achse schräg ist, so daß die Luft ungehindert nach außen strömen kann. Die Achse des Kühlkörpers wird schräg horizontal angeordnet, da bei einer Abweichung von über 45° von der Horizontalen das ungehinderte Vorbeiströmen der Luft nicht mehr gewährleistet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereit­ stellung einer Vorrichtung zur Siedekühlung eines Halbleiters mit möglichst großem Wirkungsgrad.

Diese Aufgabe wird gemäß Hauptanspruch gelöst. Die Unteran­ sprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfin­ dung.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat das Kühlelement kleine Löcher mit einer Breite zwi­ schen 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 auf­ weist.

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

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer Ausfüh­ rungsform der Vorrichtung zur Siedekühlung von Halbleitern nach der Erfindung;

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

Fig. 3 eine Perspektivansicht des Verdrahtungs­ leiters der Vorrichtung von Fig. 1;

Fig. 4 eine Perspektivansicht einer weiteren Aus­ führungsform der Kühleinheit der Vorrichtung von Fig. 1;

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

Fig. 6 eine Perspektivansicht einer weiteren Aus­ führungsform des Verdrahtungsleiters; und

Fig. 7 eine Schnittdarstellung entlang der Linie VII-VII von Fig. 6.

Gemäß Fig. 1 enthält ein Kühlbehälter 1 einen Halbleiter­ stapel 2 und ein flüssiges Kältemittel 3. Über dem Kühl­ behälter 1 ist ein Kondensator 4 so angeordnet, daß er mit dem Kühlbehälter 1 in Verbindung steht. Der Kondensator 4 weist Verteiler 41 und 42 auf, die mit mehreren Konden­ satorrohren 43 und 44 verbunden sind. Die Kondensatorrohre 43 und 44 enthalten eine Gruppe Kühlrippen 45. Der Kühl­ behälter 1 und der Kondensator 4 sind über ein Verbin­ dungsrohr 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 stapelförmig ange­ ordnet sind, daß sie in den mit Pfeilen bezeichneten Rich­ tungen zusammengedrückt werden.

Fig. 2 ist eine größere Darstellung eines Teils des Halb­ leiterstapels 2 von Fig. 1, und Fig. 3 ist eine Perspek­ tivansicht des Verdrahtungsleiters 28 des Halbleitersta­ pels 2. Der Leiter 28 weist eine große Anzahl Längsschlit­ ze 281 einer Länge 1 ₂ auf, die größer als die vertikale Länge 1 ₁ eines Bereichs A des Leiters 28, mit dem der Lei­ ter 28 die Kühlelemente 24 oder 25 kontaktiert, ist. D.h., der Bereich A des Leiters 28 mit Ausnahme des Teils, der zu der Gruppe von Schlitzen 281 gehört, befin­ det sich in Kontakt mit dem Kühlelement 24 oder 25. Die Schlitze 281 des Leiters 28 bringen das flüssige Kälte­ mittel 3 in Kontakt mit der Oberfläche des Kühlelements 24, und das Sieden des Kältemittels wird in diesen Schlit­ 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 ₁ und d ₂ übertra­ gen, 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=1,5 mm bzw. 3 mm.

Gemäß Fig. 2 haben die Kühlelemente 23, 24 und 25 poröse oder rauhe Oberflächen 23 S, 24 S und 25 S. Bevorzugt ist die Kontaktfläche des Kühlelements, die den Leiter 28 kontak­ tiert, ebenfalls porös oder rauh. Zu diesem Zweck ist es vom Kühlstandpunkt aus zweckmäßig, die gesamte Fläche 230, 240 und 250 des Kühlelements, die der Kontaktfläche A in Fig. 3 entspricht, anzurauhen.

Fig. 4 ist eine Perspektivansicht einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Kühlelemente 23, 24, 25 und 26. Dabei be­ steht der Siedeabschnitt 240 des Kühlelements 24 aus Kühl­ elementeinheiten 241, 242 und 243, die stapelförmig anein­ andergefügt sind. Beide Seiten jeder Einheit weisen eine große Anzahl Nuten V ₁, V ₂ bis V _n und H ₁, H ₂ bis H _n auf, die einander im rechten Winkel schneiden.

Wie in Fig. 5 vergrößert gezeigt ist, sind die Tiefen a ₁ und a ₂ dieser Nuten größer als die übrigen Dicken b ₁ und b ₂. Infolgedessen weist das Kühlelement 24 kleine Öffnun­ gen auf, die es in der durch den Pfeil B in Fig. 4 gezeig­ ten 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 zwischen den Nuten 0,5 mm beträgt, umfaßt das Kühlelement 24 eine Gruppe von viereckigen Durchgangslöchern der Größe 0,25 x 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 Seitenrich­ tung verteilt sind.

Das so ausgelegte Kühlelement ist aus folgenden Gründen hochwirksam.

Zum wirksamen Sieden des flüssigen Kältemittels 3 ist es erwünscht, Löcher mit kleiner Breite (ca. 0,2-0,5 mm) vorzusehen. Nach dem Sieden und Verdampfen des Kältemit­ 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 auf­ grund 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 Rich­ tung verlaufenden kleinen Löchern nahe dem Halbleiterele­ ment 1 auf, was einen guten Siedewirkungsgsrad gewährlei­ stet. Der durch Sieden des flüssigen Kältemittels in die­ sen 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 ₂ 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 ver­ laufend 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 Ausfüh­ rungsform des Verdrahtungsleiters 28. Dabei weist der Lei­ ter 26 anstelle der Schlitze 281 von Fig. 3, die den Lei­ ter durchsetzen, Längsnuten 282 auf, die in jede Seite des Lei­ ters eingelassen sind.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, ermöglicht die Erfindung die Bereitstellung einer Vorrich­ tung zur Siedekühlung von Halbleitern, die mit hohem Wir­ kungsgrad ein Halbleiterelement durch Sieden eines Kälte­ mittels kühlen kann.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Siedekühlung eines Halbleiters, mit einem Halbleiterstapel, der mindestens ein Halbleiter­ element, als Verdampfer wirkende Kühlelemente und Ver­ drahtungsleiter aufweist, sowie mit einem Behälter zur Aufnahme des Stapels zusammen mit einem flüssigen Kältemittel, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (23-26) von einer großen Anzahl kleiner Löcher in horizontaler Richtung durchsetzt ist und die mit dem Kühlelement (23-26) in Kontakt stehende Fläche des Verdrahtungsleiters (27-29) eine große Anzahl paralleler vertikaler Ausnehmungen (281, 282) aufweist, die unter einem Winkel von mindestens 45° zur Horizontalen angeordnet sind, wobei diese Ausnehmungen (281, 282) am oberen und unteren Rand der Kontaktfläche überstehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen Längsschlitze (281) sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen Längsnuten (282) sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der kleinen Löcher 1/6 oder weniger der Breite der Ausnehmungen (281, 282) beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (23-26) zusätzlich kleine Längs­ und seitliche Löcher aufweist.