DE1514511C3

DE1514511C3 - Anordnung mit elektrisch zwangsgekühlten Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE1514511C3
Application number: DE1965S0098331
Authority: DE
Inventors: Friedrich 8000 Muenchen Scherbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-07-21
Filing date: 1965-07-21
Publication date: 1979-03-22
Also published as: DE1514511A1; DE1514511B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit elektrisch zwangsgekühlten Halbleiterbauelementen, wobei die einzelnen Halbleiterbauelemente in einer Reihenanordnung mit einer Tragschiene verbunden sind, in der von einer ihrer Oberflächen aus benachbart dem Sitz der in mindestens einer räumlichen Reihenanordnung befestigten Halbleiterbauelemente eine oder mehrere Aussparungen eingearbeitet sind, welche den Verbindungsstellen zwischen den Halbleiterbauelementen und der Tragschiene möglichst nahe benachbart liegen, und mit Kühlmittelführungsrohren, die in die Aussparungen eingelegt sind.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE-PS 9 67 450 bekannt. Hierbei wird in Aussparungen eines metallischen Kühlkörpers zur Verhinderung der Korrosion ein Schlauch eingelegt, der der Führung des Kühlmittels dient. Damit wird die Korrosion des Kühlkörpers durch das Kühlmittel unterbunden, allerdings um den Preis eines schlechten Wärmeübergangs zwischen Kühlkörper und Kühlmittel. In einer weiteren Ausführungsform wird das Kühlmittel direkt in Aussparungen des Kühlkörpers geleitet, wobei allerdings die Kühlkanäle einen Schutzbelag aus einem korrosionsfesten Material tragen. Damit ist wohl der Wärmeübergang verbessert, jedoch ist die Auftragung des Schutzüberzuges sehr aufwendig. Ferner treten Dichtungsprobleme bei der Abdeckung der durch die Aussparungen gebildeten Kanäle auf.

Ferner sind aus der US-PS 30 18 424 und dem DE-GM 17 88 551 wassergekühlte Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen das Kühlmittel in Kanälen eines als Tragelement dienenden Kühlkörpers geführt ist. Die Kanäle werden durch die Abdeckung von durchgehen

den Aussparungen in den Kühlkörpers gebildet. Auch

hierbei treten Dichtungs- und Korrosionsprobleme auf.

.v. In der US-PS 29 92 372 ist eine flüssigkeitsgekühlte Halbleiteranordnung beschrieben, bei der einschraubbare Halbleiterbauelemente in einer Reihe auf einer Stromschiene angeordnet sind, wobei die Stromschiene zu beiden Seiten der Halbleiterbauelemente zur Führung des Kühlmittels röhrenförmige aufgeweitet ist.

Diese Lösung ist wenig raumökonomisch. Ferner

ίο besteht in den röhrenförmigen Aufweitungen der Stromschiene eine beträchtliche Korrosionsgefahr.

Der Prinzip, wärmekontaktschlüssige Verbindungen durch Druck und Materialverformung herzustellen, ist aus der FR-PS 13 37 484 und der FR-PS 12 44 077 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß mit geringem fertigungstechnischen Aufwand eine hochwertige Kühlung erreichbar ist, ohne daß Dichtungs- und Korrosionsprobleme auftreten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühlmittelführungsrohre durch Verformung ihrer Außenmantelfläche in den Aussparungen der r> Tragschiene wärmekontaktschlüssig befestigt sind. ,

Durch die Verformung der Kühlmittelführungsrohre wird ein enger thermischer Kontakt zwischen diesen und der Tragschiene gewährleistet, so daß eine wirksame Kühlung der auf der Tragschiene befestigten Halbleiterbauelemente gesichert ist. Gleichzeitig wird bei hoher Fertigungsfreundlichkeit ein kompakter Aufbau der Anordnung ermöglicht. Durch geeignete Werkstoffwahl für die Kühlmittelführungsrohre sind Korrosionsschäden leicht auszuschließen. Auch Dichtungsprobleme treten bei einer derartigen Anordnung nicht mehr auf.

Durch einen solchen Aufbeu gelingt es, eine nach wie vor auch unter mechanischen Gesichtspunkten stabile Tragschiene und Stromschiene zu schaffen, die ausreichende Querschnitte als elektrische Sammelschiene aufweist, an welcher aber nunmehr gleichzeitig die Kühlmittelführungsrohre diejenige Verlustwärme, die von den Halbleiterbauelementen auf die Tragschiene übergegangen ist, bereits nach einem relativ kurzen Weg in der Tragschiene übernehmen und an das sie „

durchströmende Kühlmittel abgeben. *vJ

Es ist vorteilhaft, wenn die Jochform der Aussparungen in der Tragschiene der Umfangsform des einzusetzenden Kühlmittelführungsrohres angepaßt ist. Dadurch wird eine möglichst großflächige Kontaktfläehe zwischen Kühlmittelführungsrohr und Aussparung ermöglicht.

Es ist vorteilhaft, wenn nach dem Einsetzen der Kühlmittelführungsrohre in die Aussparungen jeweils ein Abschlußstück für jede Aussparung in diese eingebracht und gegen das zugehörige Kühlmittelführungsrohr festgespannt ist. Damit bleiben die Kühlmittelführungsrohre zuverlässig — auch bei Auftreten von Schock- oder Rüttelbelastungen — in ihrer Ruhelage, so daß auch unter schwierigen Einsatzbedingungen eine hohe Lebensdauer der Anordnung sichergestellt ist.

Es liegt im Rahmen der-Erfindung, in die Tragschiene von einer Oberfläche oder den über die Dicke der Schiene einander gegenüberliegenden Oberflächen aus Halbleiterbauelementen an der Tragschiene zu befestigen. An der gleichen Fläche der Tragschiene können dabei erfindungsgemäß auch mehrere parallel zueinander liegende Reihen von Halbleiterbauelementen vorgesehen sein, die dabei gegebenenfalls in verschiede-

nen dieser Reihen in der Längsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sein können. Das durch die Kühlmittelführungsrohre für die Zwangskühlung hindurchgeschickte strömende Mittel kann dabei ein flüssiges oder ein gasförmiges Mittel sein. Als flüssige Kühlmittel kommen z. B. in Frage Wasser, Transformatorenöl, Silikonöl oder Chlorhexabutadien, welches auch unter dem Handelsnamen Tripen bekannt geworden ist, als gasförmige Mittel z. B. Wasserstoff oder Schwefelhexafluorid. ι ο

Zur näheren Erläuterung der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels wird nunmehr auf die F i g. 1 und 2 der Zeichnung Bezug genommen, die einander entsprechende Risse darstellen.

In diesen bezeichnet 1 eine Tragschiene, die z. B. aus Kupfer besteht Diese ist symmetrisch zu ihren Längskanten mit einer Reihe von Gewindebohrungen 2 versehen, in welche jeweils je eines der Halbleiterbauelemente 3, also z. B. eine Siliziumhalbleiterdiode mit ihrem Gewindezapfen 4 eingeschraubt ist Die metallisehe Tragschiene 1 ist außerdem benachbart dieser Reihenanordnung mit je einer der Aussparungen 5 bzw. 6 versehen, welche von derjenigen Fläche aus in die Tragschiene eingearbeitet sind, die derjenigen Fläche der Tragschiene 1 gegenüberliegt, von welcher aus die Halbleiterbauelemente 3 eingeschraubt sind. Diese einzelne Längsaussparung 5 bzw. 6 ist in ihrer Querschnittsform derart gestaltet, daß sie der Umfangsform des jeweiligen Kühlmittelführungsrohres 7 bzw. 8 an ihrer Bodenfläche angepaßt ist. Nachdem das Kühlmittelführungsrohr 7 bzw. 8 in die entsprechende Aussparung 5 bzw. 6 eingepreßt worden ist, wird in jede der Längsaussparungen 5 bzw. 6 noch ein Körper 9 bzw. 10 eingebracht und gegebenenfalls mit den Seitenwänden der jeweiligen Längsaussparungen 5 bzw. 6 mechanisch verstemmt, so daß auf diese Weise ein sicherer Sitz für die Kühlmittelführungsrohre in diesen Längsaussparungen der Schiene 1 gewährleistet ist. In der Zeichnung ist außerdem angedeutet, wie in den eventuell noch verbleibenden freien Räumen zwischen 1, 7 und 9 bzw. 1, 10 und 8 noch zusätzlich Lot für die Herstellung der gegenseitigen Verlötung der Teile vorgesehen sein kann, damit der Wärmeübergang von der Tragschiene 1 zu den Kühlmittelführungsrohren 7,8 noch weiter verbesser wird.

Die Kühlmittelführungsrohre 7 und 8 brauchen nicht für sich selbständige Stücke zu sein, sondern sie können auch bereits einer Einheit angehören, also z. B. einem entsprechenden U-förmigen Rohr, welches sich dann mit seinen Schenkeln in die Längsaussparungen 5 bzw. 6 an der Tragschiene 1 einlegen läßt. Bei einer solchen Anordnung ist dann wieder gewährleistet, daß das durch die Kühlmittelführungsrohre hindurchgeschickte Kühlmittel auf der einen Seite der Reihenanordnung der Halbleiterbauelemente in der einen Richtung der Tragschiene verläuft und auf der entgegengesetzten Seite einen Strömungsweg in umgekehrter Richtung zurücklegt. Durch die einzelnen Halbleiterbauelemente ergibt sich dabei auch eine entsprechende anteilig gleichmäßige Kühlung, wie ohne weiteres aus einer entsprechenden Überlegung über die Wirksamkeit der Kühlmittelführungsrohre mit ihrem Kühlmittel für die Kühlung der Halbleiterbauelemente sich ergibt

Bei dem Ausführungsbeispiel könnte in die vorgesehenen Gewindebohrungen 2 auch von beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen der Tragschiene 1 aus je ein Halbleiterbauelement mit seinem Gewindezapfen eingeschraubt sein.

Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt daß nur beiderseits der Reihenanordnung der Halbleiterbauelemente je ein solches Kühlmittelführungsrohr benutzt wird, sondern es könnten ebensogut mehrere solche Kühlmittelführungsrohre auf jeder Seite der Reihenanordnung der Halbleiterbauelemente vorgesehen werden.

Es brauchten auch die Kühlmittelführungsrohre nicht nur in der Längsrichtung an der Tragschiene zu verlaufen, sondern es könnten auch ein oder mehrere solche Kühlmittelführungsrohre in der Reihenanordnung der Halbleiterbauelemente in dem Raum zwischen je zwei oder mehreren in der Reihenanordnung aufeinanderfolgenden Halbleiterbauelementen anteilig verlegt werden. In diesem Sinne würde es auch im Rahmen der Erfindung liegen, wenn gegebenenfalls ein Kühlmittelführungsrohr von z. B. mäanderförmiger Gestalt benutzt werden würde, welches in eine entsprechende Aussparung der Tragschiene eingelegt und in dieser befestigt wird, so daß ζ. Β. jedes der Halbleiterbauelemente bzw. dessen Befestigungsstelle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schenkeln der Mäanderform liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung mit elektrisch zwangsgekühlten Halbleitereiementen, wobei die einzelnen Halbleiterbauelemente in einer Reihenanordnung mit einer Tragschiene verbunden sind, in der von einer ihrer Oberflächen aus benachbart dem Sitz der in mindestens einer räumlichen Reihenanordnung befestigten Halbleiterbauelemente eine oder mehrere Aussparungen eingearbeitet sind, welche den Verbindungsstellen zwischen den Halbleiterbauelementen und der Tragschiene möglichst nahe benachbart liegen, und mit Kühlmittelführungsrohren, die in die Aussparungen eingelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelführungsrohre (7, 8) durch Verformung ihrer Außenmantelfläche in den Aussparungen (5, 6) der Tragschiene (1) wärmekontaktschlüssig befestigt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Jochform der Aussparungen (5,6) in der Tragschiene (t) der Umgangsform des einzusetzenden Kühlmittelführungsrohres (7, 8) angepaßt ist.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einsetzen der Kühlmittelführungsrohre (7,8) in die Aussparungen (5, 6) jeweils ein Abschlußstück (9, 10) für jede Aussparung (5,6) in diese eingebracht und gegen das zugehörige Kühlmittelführungsrohr (7, 8) festgespannt ist.