DE10038178A1 - Kühlschiene für die direkte Fluidkühlung von Schaltungsmodulen, insbesondere Halbleitermodulen, Leistungshalbleitermodulen oder dergleichen - Google Patents
Kühlschiene für die direkte Fluidkühlung von Schaltungsmodulen, insbesondere Halbleitermodulen, Leistungshalbleitermodulen oder dergleichenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Kühlschiene für die direkte Fluidkühlung von Schaltungsmodulen, insbesondere Halbleitermodulen, Leistungshalbleitermodulen oder dergleichen, wobei die Kühlschiene mindestens eine Beruhigungszone (2), mindestens einen Schlitz (3) sowie mindestens eine Kammer (4) aufweist, durch welche das Kühlfluid strömt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Schaltmodul, insbesondere Halbleitermodul, Leistungshalbleitermodul oder dergleichen, welches die obige Kühlschiene aufweist. Durch die erfindungsgemäße Kühlschiene kann die im Modul entstehende Verlustwärme oder Abwärme besonders effektiv abgeführt werden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlschiene gemäss
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie ein Schal
tungsmodul gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.
Schaltungsanordnungen, insbesondere Halbleiterschaltungsan
ordnungen, werden häufig in Form von Schaltungsmodulen,
Halbleitermodulen oder dergleichen aufgebaut. Diese Modul
form hat den besonderen Vorteil der kompakten und räumlich
dicht gedrängten Bauweise, bringt aber hinsichtlich der An
forderungen an das Isolationsverhalten sowie an die Auskopp
lung der in den im Modul angeordneten Bauteilen erzeugten
Verlustwärme Probleme mit sich.
Herkömmliche Schaltungsmodule, insbesondere klassische Leis
tungshalbleitermodule, bestehen üblicherweise aus Silizium
chips, welche auf ein metallisiertes Keramiksubstrat mittels
einer Lötverbindung aufgebracht sind. Die jeweiligen Silizi
umchips auf dem Keramiksubstrat werden mittels sogenannter
Dickbondtechnik verschaltet. Die Keramiksubstrate bewirken
eine elektrische Isolation und damit eine Entkopplung zwi
schen dem elektrischen Schaltkreis und dem Kühlkreis des Mo
duls. Eines bzw. mehrere der Substrate mit entsprechend auf
montierten Siliziumchips werden wiederum auf eine Bodenplat
te, z. B. eine Metallträgerplatte aus Kupfer, beispielsweise
mittels Auflöten befestigt. Danach wird die besagte Boden
platte auf einen geeigneten Kühlkörper aufgeschraubt, so
dass die im Modul entstehende Abwärme, welche von der Schal
tungsanordnung, insbesondere von den Siliziumchips erzeugt
wird, durch entsprechende Lötverbindungsschichten, die Keramiksubstratschicht
und die Bodenplatte auf den Kühlkörper
übertragen und an die Umgebung abgeführt wird.
Die Bodenplatte dient dabei mechanisch als Träger sowie
thermisch als Wärmekapazität und Wärmeleiter zu einem Kühl
körper, auf dem das Modul befestigt ist. Um ein Halbleiter
modul vor Zerstörung durch entstehende Verlustwärme zu
schützen, muss diese in effizienter Weise abgeleitet werden.
Es zeigte sich dabei bisher, dass ein guter wärmeleitfähiger
Kontakt der Bodenplatte, beispielsweise einer Metallträger
platte, zum Kühlkörper gewährleistet werden muss. Dies wird
insbesondere dadurch erreicht, dass zwischen Bodenplatte und
Kühlkörper vorzugsweise eine Wärmeleitungspaste oder -folie
aufgebracht wird. Derartige Wärmeleitungspasten oder -folien
haben außerdem die Funktion die unerwünschten Welligkeiten
und Rauhigkeiten zwischen Bodenplatte und Kühlkörper auszu
gleichen und damit einen guten Kontakt beider Schichten im
Interesse einer optimalen Wärmeableitung herzustellen.
Bei Hochleistungsmodulen mit nahezu ebener Bodenplatte wird,
gemäss dem Stand der Technik, eine gute Wärmeableitung durch
die Nachbearbeitung der Kühlkörper erreicht. Die besagten
Kühlkörper bestehen aus einem Strangpressprofil mit durch
gängigen Bohrungen innerhalb des Profils, durch welche das
Kühlfluid geleitet wird.
Obwohl die gemäss dem Stand der Technik bekannten Kühlkör
per, insbesondere unter Verwendung von Wärmeleitungspasten
oder -folien zwischen Bodenplatte und Kühlkörper, das Prob
lem des unbefriedigenden Kontakts zwischen der Bodenplatte
und dem Kühlkörper durchaus lösen, ist die insgesamt erziel
te Wärmeabfuhr aber unbefriedigend. Auch die Kühlkörper mit
durchgängigen Bohrungen innerhalb des Profils sind hinsicht
lich der erzielbaren Kühlleistung unbefriedigend.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
einen Kühlkörper für ein Schaltungsmodul, insbesondere für
ein Halbleitermodul, Leistungshalbleitermodul oder derglei
chen zu schaffen, mit dem die im Modul entstehende Verlust
wärme oder Abwärme, insbesondere unter Vermeidung von Wärme
leitungspasten oder -folien, besonders effektiv abgeführt
werden kann. Es ist außerdem eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ein Schaltungsmodul, insbesondere ein Halbleiter
modul, Leistungshalbleitermodul oder dergleichen bereitzu
stellen, in welchem die im Modul entstehende Verlustwärme
oder Abwärme, insbesondere unter Vermeidung von Wärmelei
tungspasten oder -folien, besonders effektiv abgeführt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt schließlich die Aufgabe
zugrunde eine kostengünstige und im Hinblick auf das Ferti
gungsverfahren rationelle Kühlkonstruktion für Schaltungsmo
dule, insbesondere Halbleitermodule, Leistungshalbleitermo
dule oder dergleichen bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer gattungsgemä
ßen Kühlschiene für ein Schaltungsmodul, insbesondere Halb
leitermodul, Leistungshalbleitermodul oder dergleichen mit
den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, sowie durch ein
Schaltungsmodul, insbesondere Halbleitermodul oder Leis
tungshalbleitermodul gemäss dem unabhängigen Anspruch 9 ge
löst. Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiter
bildungen sind jeweils in den nachgeordneten abhängigen Pa
tentansprüchen aufgeführt.
Die erfindungsgemäße Kühlschiene ist für die direkte Fluid
kühlung von Schaltungsmodulen, insbesondere Halbleitermodu
len, Leistungshalbleitermodulen oder dergleichen geeignet.
Die erfindungsgemäße Kühlschiene weist mindestens eine, ins
besondere 1 oder 2, Beruhigungszonen, mindestens einen
Schlitz sowie mindestens eine Kammer (Kühlkammer) auf, durch
welche das Kühlfluid strömt. Die Anordnung dieser Merkmale
ist dabei dergestalt, dass das Kühlfluid zuerst in eine Beruhigungszone,
dann über einen Schlitz in eine erste Kammer
strömt, und, sofern weitere Kammern vorgesehen sind, über
jeweils weitere Schlitze in Reihen oder Parallelschaltung
weitere Kammern durchströmt, bis es vorzugsweise über eine
weitere Beruhigungszone abgeführt wird.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die
erfindungsgemäße Kühlschiene mehrere Kammern in Reihen und/
oder Parallelschaltung auf. Dadurch können vorzugsweise
Hochleistungsmodule mit mehreren Halbleitungselementen opti
mal gekühlt werden. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform
weist die erfindungsgemäße Kühlschiene Kammern, insbesondere
drei Kammern, auf.
Die mit der Kühlschiene zu kühlenden Schaltungsmodule weisen
mindestens ein Halbleiterbauelement auf, welches auf einem
wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Substrat, insbe
sondere einem Keramiksubstrat befestigt sind, das wiederum
an seiner unteren Oberfläche auf einer zu kühlenden Boden
platte insbesondere einer Metallträgerplatte befestigt ist.
Die erfindungsgemäße Kühlschiene stellt eine unkomplizierte
Konstruktion dar und kann vergleichsweise kostengünstig,
beispielsweise aus Al-Profilen, mit üblichen Fertigungsmit
teln (Bohren, Sägen, Fräsen) hergestellt werden. Sie hat au
ßerdem den Vorteil ein offenes Kühlsystem darzustellen, wel
ches den konstanten Zustrom von kaltem Kühlfluid direkt an
die heiße Bodenplatte, sowie den Abfluss von erwärmten bzw.
heißem Kühlfluid von der Bodenplatte weg ermöglicht.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weist der Schlitz bzw. die Schlitze der erfin
dungsgemäßen Kühlschiene mindestens die gleiche Breite auf,
wie die zu kühlende Bodenplattenfläche des Hochleistungsmo
duls. Dadurch kann die Durchtrittsgeschwindigkeit bzw.
Durchtrittsmenge des Kühlfluids gesteuert werden und so eine
optimale Wärmeableitung eingestellt werden. Besonders bevor
zugt ist eine Kühlschiene mit einem Schlitz oder mehreren
Schlitzen, welche die gleiche Breite wie die zu kühlende Bo
denplattenfläche des Schaltungsmoduls, z. B. des Hochleis
tungsmoduls, aufweisen.
Zweckmäßigerweise weist die Kammer eine Abdichtungsnut zur
Bodenplattenfläche des Hochleistungsmoduls auf. Damit kann
der Kühlkreislauf vom Abwärme erzeugenden Modul, beispiels
weise mit einem O-Ring, effizient abgedichtet werden.
Die geeignete Ein bzw. Auslassvorrichtung für das Kühlfluid
in bzw. aus der erfindungsgemäßen Kühlschiene hängt von der
Auswahl des entsprechenden Kühlfluids ab und kann vom Fach
mann bereitgestellt werden. Gemäss einer bevorzugten Ausfüh
rungsform weist die erfindungsgemäße Kühlschiene ein An
schlussstück mit einer Ein bzw. Auslassöffnung des Kühlflu
ids in die Beruhigungszone auf.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in
einem Schaltungsmodul, insbesondere einem Halbleitermodul,
Leistungshalbleitermodul oder dergleichen, welches die oben
beschriebenen Kühlschiene aufweist bzw. mit ihr gekühlt
wird. Das erfindungsgemäße Schaltungsmodul insbesondere
Halbleitermodul oder Leistungshalbleitermodul weist dabei
mindestens ein Halbleiterbauelement auf, welches auf einem
wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Substrat, insbe
sondere einem Keramiksubstrat befestigt ist. Das Isoliersub
strat wiederum ist an seiner unteren Oberfläche auf einer
Bodenplatte insbesondere einer Metallträgerplatte befestigt,
von welchem die Verlustwärme mittels Kühlkörper abzuleiten
ist. Das erfindungsgemäße Schaltungsmodul insbesondere Halb
leitermodul oder Leistungshalbleitermodul weist als Kühlkör
per, auf welchem die Bodenplatte befestigt ist, eine Kühl
schiene mit mindestens einer Beruhigungszone, insbesondere 1
oder 2 Beruhigungszonen, mindestens einem Schlitz sowie mindestens
einer Kammer, durch welche das Kühlfluid strömt,
auf.
Während herkömmlich mittels Wärmeübertragungspasten bzw. -
folien jegliche Unebenheit ausgeglichen wird, um einen opti
malen Kontakt zwischen Bodenplatte und dem Kühlkörper herzu
stellen, erlaubt die erfindungsgemäße Kühlschiene die Ver
wendung von zumindest teilweise unebenen, bzw. sogar beab
sichtigt bzw. gezielt strukturierten Bodenplatten. Unter
Strukturierung wird hierbei die Einarbeitung jeglicher Art
von Unebenheit, Rauhigkeit oder geometrische Formen, z. B.
kleine Kühlrippen bzw. pin-fin, in die Bodenplatte, verstan
den. Die erfindungsgemäße Kühlschiene erlaubt gemäss einer
ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ein Schaltungs
modul bereitzustellen, welches eine strukturierte Bodenplat
te, insbesondere Metallträgerplatte, aufweist. Ganz beson
ders bevorzugt sind, die Partien bzw. Flächen der Bodenplat
te, insbesondere einer Metallträgerplatte, welche in die
Kammer(n) eintauchen strukturiert, insbesondere mit winzigen
Kühlrippen bzw. pin-fin. Diese werden im Betrieb mit einem
geeigneten Kühlfluid umspült und führen so in besonders ef
fizienter Weise die Verlustwärme des Moduls ab.
Als Kühlfluid wird typischerweise eine chemisch inerte Flüs
sigkeit mit hoher spezifischen Wärmekapazität, angepasstem
Siedepunkt und/oder hoher Verdampfungsenthalpie, oder ein
Gemisch derartiger Flüssigkeiten eingesetzt. Vorzugsweise
wird als Kühlfluid hochreines Wasser verwendet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von schematischen
Zeichnungen auf der Grundlage mehrerer beispielhafter bevor
zugter Ausführungsbeispiele weiter veranschaulicht. Es
zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Kühlschie
ne, welche insgesamt 3 Kammern aufweist, für ein
Schaltungsmodul, insbesondere ein Halbleitermodul,
Leistungshalbleitermodul oder dergleichen;
Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ei
ne erfindungsgemäße Kühlschiene, welche insgesamt 3
Kammern aufweist;
Fig. 3 zeigt ein beispielhaftes Hochleistungsmodul mit
strukturierter Bodenplatte (pin-fin), welche mit der
erfindungsgemäßen Kühlschiene gekühlt werden kann.
In den nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsfor
men nach der Erfindung sind gleiche oder ähnliche Elemente
mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Kühlschiene mit insgesamt 3
Kühlkammern, wobei das Anschlussstück 1 eine Ein bzw. Aus
lassöffnung 5 für das Kühlfluid aufweist. Über das An
schlussstück 1, welches mit der Kühlschiene verbunden ist,
wird über einen handelsüblichen Schlauch das Kühlfluid, bei
spielsweise hochreines Wasser, in die Beruhigungszone 2 der
Kühlschiene gefördert. Ist die Beruhigungszone 2 mit dem
Kühlfluid gefüllt so strömt sie durch einen Schlitz 3, der
vorzugsweise die gleiche Breite wie die zu kühlende Boden
plattenfläche des Schaltungsmodul, insbesondere Halbleiter
modul, Leistungshalbleitermodul oder dergleichen, aufweist,
in die erste Kammer. Das Kühlfluid umströmt nahezu gleich
förmig die bevorzugt strukturierte Bodenplatte und führt die
Verlustwärme des Moduls von ihr ab. Am Ende der dritten Kam
mer strömt das Kühlfluid in gleicher Weise aus dem An
schlussstück 1 aus, wie es zu Beginn eingeströmt ist.
Die in den Fig. 1 und 2 beispielhaft veranschaulichte Kühl
schiene ist mit insgesamt 3 Kammern ausgestattet und somit
für die Kühlung von 3 Modulen in Reihe besonders gut geeig
net. Dabei strömt das Kühlfluid über die Schlitze 3 sukzes
sive durch alle 3 Kammern, auf welchen sich jeweils ein Mo
dul befindet und kann letztendlich durch einen zweiten
Schlauch abgeführt werden. Die jeweiligen Module sind auf
die erfindungsgemäße Kühlschiene auf die Gewinde 7 aufge
schraubt. Für eine optimale Abdichtung zwischen den Kammern
4 der Kühlschiene sowie der aufgeschraubten Bodenplatte wird
vorzugsweise eine Nut 8 für eine Dichtung, beispielsweise
einen O-Ring, bereitgestellt.
Das in der Fig. 3 dargestellte Hochleistungsmodul weist eine
Bodenplatte auf, welche in der Fläche, die in die Kammer 4
eintauchen soll, eine pin-fin Struktur aufweist. Diese
strukturierte Bodenplattenfläche wird vom Kühlfluid umströmt
und die vom Modul erzeugte Abwärme optimal abgeführt.
Claims (14)
1. Kühlschiene für die direkte Fluidkühlung von Schaltungs
modulen, insbesondere Halbleitermodulen, Leistungshalblei
termodulen oder dergleichen, mit einem Halbleiterbauelement,
welches auf einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden
Substrat, insbesondere einem Keramiksubstrat befestigt ist,
das wiederum an seiner unteren Oberfläche auf einer zu küh
lenden Bodenplatte insbesondere einer Metallträgerplatte be
festigt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühlschiene mindestens eine Beruhigungszone (2),
mindestens einen Schlitz (3) sowie mindestens eine Kammer
(4) aufweist, durch welche das Kühlfluid strömt.
2. Kühlschiene nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie zuerst eine Beruhigungszone (2), dann einen Schlitz
(3) und anschließend eine Kammer (4) aufweist, durch welche
das Kühlfluid strömt.
3. Kühlschiene nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Kammern (4) mit vor bzw. nachgeschalteten
Schlitzen (3) in Reihen und/oder Parallelschaltung vorgese
hen sind.
4. Kühlschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schlitz (3) mindestens die gleiche Breite wie die
zu kühlende Bodenplattenfläche des Hochleistungsmoduls auf
weist.
5. Kühlschiene nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schlitz (3) die gleiche Breite wie die zu kühlende
Bodenplattenfläche des Hochleistungsmoduls aufweist.
6. Kühlschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kammer (4) eine Abdichtungsnut (8) zur Bodenplat
tenfläche des Hochleistungsmoduls aufweist.
7. Kühlschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie ein Anschlussstück (1) mit Ein- bzw. Auslas (5) des
Kühlfluids aufweist.
8. Kühlschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie aus Aluminium besteht.
9. Schaltungsmodul, insbesondere Halbleitermodul, Leistungs
halbleitermodul oder dergleichen, mit mindestens einem Halb
leiterbauelement, welches auf einem wärmeleitenden und e
lektrisch isolierenden Substrat, insbesondere einem Keramik
substrat befestigt ist, das wiederum an seiner unteren Ober
fläche auf einer Bodenplatte insbesondere einer Metallträ
gerplatte befestigt ist, sowie einem Kühlkörper, auf welchem
die Bodenplatte, befestigt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlkörper eine Kühlschiene gemäss einem der An
sprüche 1 bis 8 ist.
10. Schaltungsmodul nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bodenplatte, insbesondere eine Metallträgerplatte,
strukturiert ist.
11. Schaltungsmodul nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bodenplatte wenigstens an der Stelle bzw. Fläche,
welche in die Kammer (4) eintaucht und vom Kühlfluid umspült
wird, strukturiert ist.
12. Schaltungsmodul nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bodenplatte insbesondere mit einer pin-fin Oberflä
che strukturiert ist.
13. Schaltungsmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Kühlfluid eine chemisch inerte Flüssigkeit mit ho
her spezifischen Wärmekapazität, angepasstem Siedepunkt
und/oder hoher Verdampfungsenthalpie, oder ein Gemisch der
artiger Flüssigkeiten vorgesehen ist.
14. Schaltungsmodul nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Kühlfluid hochreines Wasser vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000138178 DE10038178A1 (de) | 2000-08-04 | 2000-08-04 | Kühlschiene für die direkte Fluidkühlung von Schaltungsmodulen, insbesondere Halbleitermodulen, Leistungshalbleitermodulen oder dergleichen |
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ID=7651381
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