DE19932441A1 - Vorrichtung zur Entwärmung von Halbleiterbauelementen beim Auftreten von Belastungsspitzen - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Erwärmung eines Halbleiterbauelementes, welche ein Halbleiterbauelement und einen ersten mit diesem kontaktierten Kühlkörper aufweist, ist der erste Kühlkörper mit einem Medium mit niedrigem Schmelzpunkt versehen. Dieses schmilzt bei einer Erhöhung der Temperatur, wobei während des Schmelzvorganges keine weitere Temperaturerhöhung stattfindet. Dadurch wird die Zeit bis zum Erreichen der thermischen Zerstörgrenze des Halbleiterelementes verlängert. Dies ist insbesondere in der Motoranlaufphase von Vorteil, wenn das Halbleiterelement als Motorschaltelement dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes, welche ein Halbleiterbauelement und einen ersten, mit dem Halbleiterbauelement kontaktierten Kühlkörper aufweist.

Beim Schalten eines Elektromotors treten für die verwendeten Schaltorgane, bei denen es sich um elektromechanische oder Halbleiterbauelemente handeln kann, je nach Betriebszustand unterschiedliche Belastungszustände auf. Während des Motoran­ laufes kann der Motorstrom denjenigen Strom, der bei Nennbe­ trieb fließt, um ein Vielfaches überschreiten. Je nach Motor­ typ, -leistungsklasse und -betriebsart liegt der Anlaufstrom um das etwa Vier- bis Zwölffache über dem Dauernennstrom. Die Zeitdauer der Anlaufphase kann im Bereich von circa einer Se­ kunde bis zu 30 Sekunden betragen. Weitere kurzzeitige Bela­ stungsspitzen können auch während des normalen Betriebes auf­ treten. Diese erhöhten Strombelastungen führen zu einer er­ höhten Wärmeentwicklung innerhalb der Schaltorgane.

Bei elektromechanischen Schalt- bzw. Überlasterfassungsele­ menten wird dem beschriebenen Umstand durch eine geeignete Dimensionierung und technische Ausgestaltung der betroffenen Geräteelemente Rechnung getragen. In diesem Zusammenhang kön­ nen beispielsweise Bimetall-Überlastauslöser verwendet wer­ den, die den Anforderungen für die Betriebsart "Class 10" oder "Class 20" gerecht werden. Dabei wird der Effekt der thermischen Trägheit genutzt. Es entsteht zwar während des Anlaufvorganges ein erhöhter Strom und dadurch bedingt auch eine kurzzeitige Erwärmung der Bauteile, doch werden diese nicht zerstört. Bei Nennbetrieb kühlen die Bauteile wieder ab.

Bei elektronischen Schaltelementen, beispielsweise Thyristo­ ren, liegen die thermischen Betriebsgrenzen enger zusammen. Hier ist es schwer, die Betriebsanforderungen "Class 10" oder gar "Class 20" zu realisieren, da ein kurzzeitig erhöhter Stromfluß schnell zu einer starken, die Halbleiterschicht zerstörenden Erwärmung führt. Um dennoch brauchbare Geräte­ funktionsgrenzen erreichen zu können, nutzt man die Wärmeka­ pazität eines verwendeten Kühlkörpers aus. Dabei werden beim Motoranlauf durch den erhöhten Strom die im Halbleiterbau­ element entstehenden Wärmespitzen an einen zunächst kalten Kühlkörper abgegeben, bei dem es sich um einen Metallblock oder um einen mit Kühlrippen versehenen Kühlkörper handeln kann.

Dies ist in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht, die den Stand der Technik zeigen.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Entwärmung eines Halblei­ terbauelementes, welche ein Halbleiterbauelement 1 und einen mit diesem kontaktierten Kühlkörper 2 aufweist, der als Me­ tallblock realisiert ist. Das Halbleiterbauelement 1 weist ein Chipgehäuse 1b auf, in welchem beispielsweise ein Thyri­ stor enthalten ist. Aus dem Chipgehäuse 1b ragen nach unten Stromanschlüsse 1a heraus. Die Rückseite des Halbleiterbau­ elements 1 wird von einem Metallplättchen 1c gebildet, wel­ ches zur verbesserten Wärmeableitung aus dem Chipgehäuse 1b an den mit dem Metallplättchen 1c kontaktierten Kühlkörper 2 dient. Zur sicheren Kontaktierung von Halbleiterbauelement 1 und Kühlkörper 2 ist das Halbleiterbauelement mittels einer nicht gezeichneten Schraube, die durch eine Schraubenbohrung 1d im Metallplättchen 1c geführt ist, am Kühlkörper 2 befe­ stigt.

Die Fig. 2 zeigt eine weitere bekannte Vorrichtung zur Ent­ wärmung eines Halbleiterbauelementes. Diese unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung lediglich durch die Ausgestaltung des verwendeten Kühlkörpers. Der in der Fig. 2 dargestellte Kühlkörper 3 ist auf seiner vom Halblei­ terbauelement 1 abgewandten Seite mit Kühlrippen 3a versehen. Aufgrund dieser Kühlrippen ist die Kontaktfläche zwischen dem Kühlkörper 3 und der Umgebung vergrößert, so daß die im Halb­ leiterbauelement entstehende Wärme besser an die Umgebung ab­ geführt werden kann.

Beim Auftreten hoher Stromspitzen und damit schnell steigen­ der Erwärmung des Halbleiterbauelementes arbeiten die in den Fig. 1 und 2 gezeigten bekannten Vorrichtungen allerdings relativ träge. Das Halbleiterbauelement wird unzulässig schnell heiß, da die entstehende Wärmemenge nicht schnell ge­ nug abgeführt und an die Umgebung weitergeleitet werden kann. Weiterhin ist die vom Kühlkörper aufnehmbare Wärmemenge durch die Kühlkörpermasse und -gestaltung begrenzt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes anzugeben, bei der die Entwärmung beim Auftreten von Belastungsspitzen verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen An­ sprüchen angegeben.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß der zeitlich begrenzt auftretende hohe Wärmestrom aus dem Halbleiter zunächst zur Aufschmelzung eines Mediums mit nied­ rigem Schmelzpunkt verwendet wird, welches direkt oder indi­ rekt mit dem zu kühlenden Halbleiterbauelement kontaktiert ist. Während dieses Aufschmelzvorganges steigt die Temperatur der Schmelze nicht weiter an, da die zugeführte Wärme zu­ nächst lediglich zum Aufschmelzen weiterer Materialbereiche des genannten Mediums verwendet wird. Die Wärmemenge wird in Schmelzwärme umgesetzt. Dieser Effekt hält solange an, bis das gesamte Medium aufgeschmolzen ist. Erst danach steigt die Temperatur im Halbleiterelement weiter an. Bis zu diesem Zeitpunkt, der wesentlich später auftritt als bei bekannten Vorrichtungen, muß die erhöhte Wärmezufuhr im Halbleiter be­ endet sein, um dessen Zerstörung zu verhindern.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Fi­ guren.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erste bekannte Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes,

Fig. 2 eine zweite bekannte Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes,

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung,

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung,

Fig. 6 eine Skizze zur Veranschaulichung der Vorrichtung ge­ mäß der Fig. 5, und

Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Die Fig. 3 zeigte ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung. Die dargestellte Vorrichtung weist ein zu ent­ wärmendes Halbleiterbauelement 1 auf. Dieses ist mit einem Chipgehäuse 1b versehen, aus dessen Unterseite Stromanschlüs­ se 1a herausgeführt sind. Die Rückseite des Halbleiterbauele­ mentes wird von einem Metallplättchen 1c gebildet, welches zur verbesserten Wärmeableitung aus dem Chipgehäuse 1b an den mit dem Metallplättchen 1c kontaktierten Kühlkörper 5 dient. Das Halbleiterbauelement 1 ist mittels einer Schraube 4 am Kühlkörper 5 befestigt, welcher beispielsweise aus Aluminium besteht und ein metallisches Gehäuse bildet. Dieses weist in seinem Innenbereich einen Hohlraum auf, in welchen ein Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt eingebracht ist. Der genannte Schmelzpunkt liegt vorzugsweise im Bereich von 50°C bis 130°C. Beim Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt kann es sich beispielsweise um Woodsches Metall, welches einen Schmelz­ punkt von 60°C besitzt, um Rosesches Metall, welches einen Schmelzpunkt von 94°C aufweist, um ein Wachs oder um ein Salz handeln.

Das Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt kann in Form von Platten, Stangen oder Kugeln in den Kühlkörper 5 eingebracht sein.

Die vom Halbleiterbauelement 1 abgelegene Seite des Kühlkör­ pers 5 ist mit einem weiteren Kühlkörper 7 kontaktiert, der an seiner Rückseite mit Kühlrippen 7a versehen ist.

Das Halbleiterbauelement 1 ist beispielsweise ein Thyristor, der als Schaltelement zum Schalten eines Elektromotors vorge­ sehen ist. Während des Motoranlaufes treten für einen be­ grenzten Zeitraum hohe Anlaufströme auf, die den im Nennbe­ trieb des Motors fließenden Strom weit übersteigen. Dies führt zur einer Erwärmung des Thyristors, die ohne geeignete Gegenmaßnahmen zu einer Zerstörung des Thyristors führen würde.

Die Entwärmung des Thyristors geschieht wie folgt:
Die im Thyristor entstehende Wärme wird über das Metallplätt­ chen 1c an den ersten Kühlkörper 5 weitergegeben, in welchem das Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt eingebracht ist. Er­ reicht die entstehende Temperatur den Schmelzpunkt des Medi­ ums, dann beginnt dieses aufzuschmelzen. Während dieses Auf­ schmelzvorganges steigt die Temperatur der Schmelze und bei hinreichend guter thermischer Kopplung auch die des Halblei­ ters nicht weiter an. Die zugeführte Wärme führt lediglich zum Aufschmelzen weiterer Materialbereiche, wobei die vor­ handene Wärmemenge in Schmelzwärme umgesetzt wird. Erst wenn das gesamte Material aufgeschmolzen ist, steigt die Tempera­ tur weiter an. Die gebildete Wärme wird über die Rückseite des ersten Kühlkörpers 5 dem weiteren Kühlkörper 7 zugeführt und über dessen Kühlrippen 7a an die Umgebung abgegeben.

Der wesentliche Vorteil einer derartigen Vorrichtung besteht darin, daß die Zeit bis zum Erreichen der thermischen Zer­ störgrenze des Halbleiterbauelements 1 verlängert ist. In vielen Anwendungsfällen ist der Anlauf des Motors bereits vor dem Ablauf dieser Zeit beendet, so daß eine Zerstörung des Halbleiterbauelements vermieden wird.

Beim Abkühlen der Schmelze wird die zugeführte Energie wieder frei. Um zu verhindern, daß die freiwerdende Energie in Rich­ tung zum Halbleiterbauelement geführt wird, kann der Wärme­ strom durch unterschiedlich große Flächen für die Wärmeein­ leitung und Wärmeabgabe in Richtung des Kühlkörpers 7 abge­ leitet werden.

Die Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung. Die in der Fig. 4 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von der in der Fig. 3 gezeigten Vorrich­ tung lediglich durch die Ausgestaltung des zwischen dem Halb­ leiterbauelement 1 und dem weiteren Kühlkörper 7 angeordneten Kühlkörpers 8, der das Medium mit niedrigem Schmelzpunkt auf­ weist.

Bei diesem Kühlkörper 8 handelt es sich um einen porösen Trä­ gerblock, der beispielsweise aus geschäumtem Aluminium oder Sintermaterial besteht.

In die Zwischenräume bzw. Poren dieses Trägerblockes ist das Medium mit niedrigem Schmelzpunkt eingebracht, welches bei diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein Wachs oder ein Salz ist und in Form von kleinen Kugeln vorliegt.

Die grundsätzliche Funktionsweise der in der Fig. 4 gezeig­ ten Vorrichtung stimmt mit der Funktionsweise der in der Fig. 3 gezeigten Vorrichtung überein. Auch hier wird aufgrund des Umstandes, daß während des Aufschmelzvorganges die Tempe­ ratur der Schmelze nicht weiter ansteigt, der Zeitraum bis zum Erreichen der thermischen Zerstörgrenze verlängert. Da­ durch ist in vielen Fällen die Anlaufphase des Motors oder eine andere zeitbegrenzte Belastungsspitze bereits beendet, bevor es zu einer Zerstörung des Halbleiterbauelementes ge­ kommen ist.

Die Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung. Die in der Fig. 5 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von der in der Fig. 3 gezeigten Vorrich­ tung lediglich dadurch, daß sie ein Wärmeleitblech 9 auf­ weist, welches die Wärmeübertragung zwischen dem Halbleiter­ bauelement 1 und dem Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt ver­ bessert. Dieses Wärmeleitblech 9 ist mit dem die Rückseite des Halbleiterbauelementes bildenden Metallplättchen kontak­ tiert und umschließt das Halbleiterbauelement 1 an mehreren Seiten. Dadurch ist die Wärmeübergangsfläche zum Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt vergrößert und eine verbesserte Wärme­ übertragung möglich.

Die Fig. 6 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Vor­ richtung gemäß der Fig. 5, wobei die einzelnen Bauteile der Vorrichtung in einer Art Explosionsdarstellung gezeigt sind.

Die Fig. 7 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wir­ kung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. In diesem Dia­ gramm ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Temperatur ϑ aufgetragen. Die parallel zur Abszisse ver­ laufende gepunktete Linie bezeichnet den Temperaturwert 61, welcher der thermischen Zerstörgrenze des Halbleiterbauele­ ments entspricht. Die durchgezogene, parabelförmig verlau­ fende Kurve ist dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 zugeordnet. Dabei führt die Erwärmung des Halbleiter­ bauelements bereits nach Ablauf der Zeit t1 zum Erreichen der thermischen Zerstörgrenze des Halbleiterbauelements. Aus der gestrichelt gezeichneten Kurve, die den Vorrichtungen gemäß der Erfindung zugeordnet ist, ist ersichtlich, daß die ther­ mische Zerstörgrenze des Halbleiterbauelements erst nach Ab­ lauf der Zeit t2 erreicht wird, wobei t2 wesentlich größer als t1 ist. Im mittleren Teil dieser Kurve ist zu sehen, daß die Temperatur während des Aufschmelzens des Mediums mit niedrigem Schmelzpunkt nicht ansteigt, was die bereits ange­ sprochene erwünschte Verlängerung der Zeit bis zum Erreichen der thermischen Zerstörgrenze des Halbleiterbauelements ver­ ursacht.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes mit einem Halbleiterbauelement und einem ersten, mit dem Halbleiterbauelement kontaktierten Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kühlkörper (5, 8) ein Medium mit niedrigem Schmelzpunkt aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schmelzpunkt im Bereich von 50°C bis 130°C liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Medium Woodsches Metall, Rosesches Metall, ein Wachs oder ein Salz ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit niedrigem Schmelzpunkt in ein metallisches Gehäuse (5) ein­ gebracht ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Medium mit niedrigem Schmelzpunkt in Form von Platten, Stangen oder Kugeln vorliegt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit niedrigem Schmelz­ punkt in die Zwischenräume eines porösen Trägers (8) einge­ bracht ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der poröse Träger geschäumtes Aluminium oder Sintermaterial ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kühlkörper (5, 8) auf seiner vom Halbleiterbauelement (1) abgewandten Seite mit einem zweiten Kühlkörper (7) kontaktiert ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Kühlkörper (7) auf seiner vom ersten Kühlkörper (5, 8) abgewandten Seite mit Kühlrippen (7a) versehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Wärmeleit­ blech (9) aufweist, welches zur Wärmeübertragung vom Halblei­ terbauelement (1) zum Medium mit niedrigem Schmelzpunkt dient.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbau­ element ein Schaltelement ist, welches zum Schalten eines Elektromotors vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schaltelement ein Thyristor ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie zur Entwärmung des Halbleiter­ bauelements während des Motoranlaufes dient.