DE3719637A1 - Siedekuehleinrichtung fuer halbleiterelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Siedekühleinrichtung für Halbleiterelemente, wobei zu beiden Seiten eines Halbleiters eine Kühldose (Heatpipe) angeordnet ist, wobei die Kühldose aus einem Verdampferbehälter mit ei­ ner Siedefläche zur Aufnahme einer beim Betrieb des Halbleiterelementes verdampfenden Flüssigkeit und aus einem Kondensator besteht, in dem infolge der Kühlung von außen der entstandene Dampf kondensiert, wobei das Kondensat in den unterhalb des Kondensators angeordneten Verdampferbehälter fließt.

Bei diesen Siedekühleinrichtungen wird die Wärmeenergie an einer heißen Wand durch Stoffsieden abgenommen, mit­ tels des entstandenen Dampfes transportiert und an einer kalten Wand durch Kondensation wieder abgegeben. Da alle drei Vorgänge, besonders beim Einsatz von Wasser, sehr wirkungsvoll sind, stellen derartige Siedekühleinrich­ tungen sehr wirksame Kühleinrichtungen dar, da die Wär­ meübergänge beim Sieden besser sind als bei einer Kon­ vektion und der Temperaturgradient des Dampfes ist auch über lange Strecken klein. Diese Siedekühleinrichtungen werden bei der Kühlung von Halbleitern eingesetzt.

Den Siedekühleinrichtungen ist gemeinsam, daß sie aus Metall bestehen und an der Spannung des Halbleiterele­ mentes liegen. Das schränkt ihren Einsatz ein, da für die Kondensationszone elektrische Spannungslosigkeit gewünscht wird. Dies ist erforderlich, da bei Kühlung mit Luft die Kondensationszone verschmutzt und daher gereinigt werden muß, was nur nach Abschalten der Span­ nung gefahrlos möglich ist. Es sind deshalb Wartungsar­ beiten an derartigen Vorrichtungen nur mit einer erfor­ derlichen Sorgfalt möglich, die den Vorteil, den der Einsatz der Elektronik bietet, mindert. Da die Kondensa­ tionszone meistens der Berührung durch Menschen ausge­ setzt ist, sei es im Betrieb oder nur bei Inspektionen, ist der Einsatz von derartigen Siedekühleinrichtungen mit großen Gefahren verbunden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Siedekühleinrichtung für Halbleiterelemente im Leistungsbereich zu schaffen, bei der einerseits die Vorteile von Wasser als Siede­ flüssigkeit und andererseits die elektrische Spannungs­ losigkeit der Kondensationszone ermöglicht wird.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als Siedeflüssigkeit chemisch reines Wasser benutzt wird, zwischen Siedefläche und Kondensationszone eine elektrische Isolierstrecke vorgesehen wird und die Kondensationszone auf Erdpotential gelegt wird. Bei che­ misch reinem Wasser ist der elektrische Leitwert sehr klein und der seines Dampfes noch bedeutend geringer. Die Isolierstrecke zwischen Siede- und Kondensationszone macht es möglich, die Kondensationszone auf Erdpotential zu legen, so daß diese spannungslos ist bei minimalem elektrischen Verlust.

Damit die günstigen Widerstandswerte des Dampfes voll ausgenutzt werden können, darf kein geschlossener Kon­ densatfilm zwischen Kondensations- und Siedezone vorhan­ den sein. Es wird daher nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der Wasserspiegel soweit abgesenkt, daß zwi­ schen ihm und der Isolierstrecke nur eine Dampfzone be­ steht. Bei dieser Bauweise ist die Siedefläche nur teil­ weise von Wasser benetzt. Einen Leistungsverlust durch nur teilweise Benetzung kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch einen einfachen Kapillarbelag ver­ mieden werden.

Das Isolierrohr kann im Innenraum so ausgebildet sein, daß Tropfkanten den Kondensatfilm zusätzlich noch auf­ reißen.

Es besteht weiter die Möglichkeit, das Siegegefäß mit Ausnahme der Siedezone nach einem weiteren Merkmal der Erfindung aus Kunststoff herzustellen. Es muß jedoch darauf geachtet werden, daß die Verbindungsstellen gas­ dicht sind. Dies kann z. B. mittels geeigneter Kleber oder auch durch Lötungen erfolgen, wenn zuvor die Verbin­ dungsstellen der Kunststoffteile metallisiert wurden.

Auch für die rein metallischen und Metallkeramikverbin­ dungen ist eine Gasdichtheit erforderlich. Um die Siede­ kühleinrichtung als Halbleiterkühler einsetzen zu kön­ nen, muß der Dampfdruck des Wassers dauerhaft soweit abgesenkt bleiben, daß das Sieden bei ca. 60°C einsetzt. Dies macht es erforderlich, die Siedekühleinrichtung als geschlossenes fabrikfertiges Modul herzustellen und zu verkaufen.

Üblicherweise wird bei der Siedekühleinrichtung die Wär­ me direkt von der Kondensationszone an die Luft abgegeben. Es sind aber auch Fälle möglich, bei denen die Wärme nicht direkt an die Luft abgegeben werden kann. In solchen Fällen wird in die Kondensationszone ein Wärmetauscher eingebracht und die Wärme mittels Was­ ser als Transportmedium an einen anderen Ort transpor­ tiert, an der sie ohne Schwierigkeiten abgeführt werden kann.

Die Ausführung der Siedekühleinrichtung beschränkt sich nicht darauf, daß bei einer Kondensationszone auch nur eine einzige Siedezone vorhanden ist. Zu einer Kondensa­ tionszone können mehrere Siedezonen gehören. Es können z. B. drei Siedezonen sein, die für Stromrichterschaltun­ gen interessant sind. Die Siedezonen sind dann gegenein­ ander zu isolieren, z. B. wählt man einen Kunststoff-Sie­ debehälter.

Die Ausführung der vorgeschlagenen Siedekühleinrichtung beschränkt sich nicht darauf, daß Siedefläche und Dampf­ strömung parallel zueinander verlaufen. Beide können auch einen Winkel einschließen, beispielsweise einen rechten von 90°. Es kann aber auch ein negativer Winkel bis maximal minus 90° benutzt werden, wobei jedoch die Effizienz der Kühlung sehr verringert wird.

Anhand der Fig. 1 bis 5a soll die Erfindung erläutert werden. Die Figuren zeigen schematische Ausführungsfor­ men der Erfindung.

Fig. 1 stellt ein Ausschnitt aus einer Halblei­ teranordnung mit einer Kühldose dar, wobei die Kühldose im Schnitt dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt die Ausführung nach Fig. 1 mit einem abweichend gestalteten Isolator.

Fig. 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform, bei der in der Kondensationszone ein Wärmetauscher zur Abführung der Wärme mittels Wasser vorgesehen ist.

Fig. 5 und 5a zeigen eine Ausführungsform der Erfin­ dung, bei der der Siedebehälter aus Kunststoff hergestellt ist.

In Fig. 1 ist ein Kühlkörper 1, eine sogenannte Heatpi­ pe, dargestellt, die elektrisch und thermisch mit einem Halbleiterelement 2 verbunden ist. Beide Teile werden durch eine Spanneinrichtung mittels Bolzen 3 und eine weitere nicht dargestellte Kühldose bzw. bei einseitiger Kühlung des Halbleiters über eine Kontaktplatte gegenein­ ander verspannt. Eine Trennwand 4 ermöglicht einen sau­ beren Raum 5 gegenüber dem Kühlluftbereich 6. Die Trenn­ wand 4 braucht im Gegensatz zur bekannten Technik nicht aus Kunststoff zu sein, sie soll als Berührungsschutz sogar aus Metall und geerdet sein.

Die Kühldose 1 besteht aus einer Kupferplatte 10, die eine Kontaktfläche 11 und eine Siedefläche 12, die pro­ filiert sein kann, zur Vergrößerung der Siedefläche, ent­ hält. Die Siedefläche 12 ist zusätzlich mit einem Kapil­ larbelag 13 versehen. Am Bund 14 der Kupferplatte 10 kann in hier nicht dargestellter Weise der elektrische Anschluß angebracht sein. Ein zylindrischer Teil 15 der Kupferplatte 10 ist zur gasdichten Verlötung 16 mit der Bohrung 17 des Dosenghäuses 18 vorhanden. Der elektri­ sche Anschluß kann auch an dem Dosengefäß 18 angebracht sein.

Das Gehäuse 18 hat oben einen Stutzen 19, in dessen Boh­ rung 20 ein Isolationsrohr 21 aus lötfähiger Keramik zur elektrischen Isolierung des Gehäuses 18 gegenüber dem Kondensator 27 eingesetzt ist. Das Isolierrohr 21 ist mittels einer gasdichten Lötung 22 über seine Zylinder­ außenfläche 23 mit dem Gehäuse 18 verbunden. Die Rippen 24 dienen zur Verlängerung des äußeren Kriechweges. Durch eine Bohrung 25 kann der Dampf 32 von der Siedezo­ ne zur Kondensationszone strömen und das Kondensat kann durch diese Bohrung entsprechend dem Pfeil 33 zurück­ fließen.

An einem zylindrischen Bund 26 des Isolationsrohres 21 ist ein Kondensator 27 durch Lötung 28 angeschlossen. Die Kühlrippen 29 verbessern die Wärmeabgabe an die Luft. Der Kondensator muß nicht, wie dargestellt, aus einem einzigen Rohr bestehen. Es können auch mehrere sein. Auch kann es ein kastenförmiger Behälter sein, von dem dann Kühlrippen tragende Rohre abzweigen. Nicht dar­ gestellt ist in dieser Figur der Erdungsanschluß sowie der Füll- und Pumpstutzen. Dieser Stutzen ist in Fig. 3 enthalten. Über den Pumpstutzen (46 in Fig. 3) wird vor der Druckabsenkung Wasser 30 eingebracht, bis ein Niveau 31 erreicht ist. Durch den Kapillarbelag 13 wird dann sichergestellt, daß auch der oberhalb des Niveaus 31 liegende Teil der Siedefläche 12 benetzt wird. Nach der Druckabsenkung wird der Stutzen durch Abquetschen, d. h. durch Kaltverschweißung verschlossen.

Wird über die Kontaktfläche 11 Wärme zugeführt, so wird an der Siedefläche 12 Dampf 32 erzeugt, sobald die Siede­ fläche auf eine um einige Kelvin höhere Temperatur als die durch Druckabsenkung eingestellte Siedetemperatur von 60° erwärmt wird. Durch die Temperaturdifferenz zwi­ schen Siede- und Kondensationszone entsteht auch eine Druckdifferenz, die den Dampf 32 in den Kondensator 27 strömen läßt, um dort durch Kondensation seine Wärme abzugeben. Das Kondensat 33 fließt dann an den Wandungen des rohrförmigen Kondensators 27 und des Isolators 21 zurück und tropft an der Bohrung 25 in die Flüssigkeit 30. Die elektrische Isolierung zwischen Siede- und Kon­ densationszone durch das Isolationsrohr 21 wird durch Reihenschaltung von Dampf- und Kondensatstrecken erheb­ lich verbessert. Der Dampfstrom ist durch den Pfeil 34 angedeutet.

In der Fig. 2 ist der Wasserstand 35 so hoch gewählt, daß die Siedefläche 12 voll von Flüssigkeit bedeckt ist, so daß ein Kapillarbelag nicht erforderlich ist. Zwi­ schen der Unterkante des Isolationsrohres 36 und dem Wasser besteht hier nur eine geringe Dampfstrecke. Des­ halb ist das Innere 37 des Isolationsrohres 36 mit hin­ terschnittenen Rillen 38 versehen, die mit ihrem Auslauf 39 Tropfkanten bilden. Hierdurch wird in dem Innern 37 des Isolationsrohres 36 ein geschlossener Kondensatfilm verhindert und die Dampfstrecke vergrößert.

Die Fig. 3 und 4 zeigen, wie statt der Wärmeabfuhr am Kondensator 21 durch Luft die Wärme mittels einer Flüs­ sigkeit, z. B. Wasser, abgeführt wird. An dem Isolator­ rohr 40 ist jetzt ein Behälter, z. B. ein Rohr 41, mit einem Deckel 42 verschlossen, angelötet. In dem Behälter ist ein Rohr 43 mäanderförmig angeordnet und besitzt im Deckel 42 eingelötete Zu- und Abläufe 44 und 45. Eben­ falls in den Deckel ist der Pump- und Füllstutzen 46 eingelötet.

In Fig. 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der der Siedebehälter weitgehend aus Kunststoff hergestellt ist. Dies macht es nötig, auch für die Wärmeleitplatte einen anderen Aufbau zu wählen. Die Kupferplatte 50 muß jetzt auch die Kräfte für die Kontaktierung zur Spann­ einrichtung weiterleiten. Fig. 5a zeigt ein um 45° zur Schnittebene liegendes Detail.

An der Kupferplatte 50, deren Kontaktfläche 51 dem hier nicht dargestellten Halbleiter zugewandt ist, und der Siedefläche 52, die der Flüssigkeit zugewandt ist, sind an dem Bund 53 vier Befestigungsaugen 54 angebracht. Entsprechende Befestigungsaugen 66 befinden sich am Ge­ häuse 58. In diese Befestigungsaugen sind die Spannstäbe 55 eingesteckt und mittels Muttern 67 befestigt.

Zur gasdichten Verbindung zwischen Kupferplatte 50 und dem Gehäuse 58 ist ein Zylinder 56 vorgesehen, der durch eine Rippe 57 der Kupferplatte 50 gebildet wird. Das Gehäuse 58 aus Kunststoff weist eine korrespondierende Bohrung 59 auf, so daß eine stoffschlüssige Verbindung 60 hergestellt werden kann. Nach oben ist an dem Kunst­ stoffbehälter 58 ein Stutzen 61 angebracht, dessen Au­ ßenwandung 62 der gasdichten Verbindung 63 mit dem Kon­ densator 64 dient. Die Bohrung 65 des Stutzens 61 weist Tropfkanten 68 zur Unterbrechung des Kondensatfilmes auf.

Claims (12)

1. Siedekühleinrichtung für Halbleiterelemente, wobei die beiden Seiten eines Halbleiterelementes eine Kühldose (Heatpipe) angeordnet ist, wobei die Kühldose aus einem Verdampferbehälter mit einer Siedefläche zur Aufnahme einer beim Betrieb des Halbleiterelementes verdampfenden Flüssigkeit und aus einem Kondensator be­ steht, der von außen gekühlt wird, so daß der entstande­ ne Dampf kondensiert und das Kondensat in dem unterhalb des Kondensators angeordneten Verdampferbehälter fließt, dadurch gekennzeichnet, daß als Siedeflüssigkeit (30) chemisch reines Wasser benutzt wird, zwischen Siedeflä­ che (12) und Kondensationszone (21) eine elektrische Iso­ lierstrecke (21) vorgesehen ist und die Kondensationszo­ ne (27) auf Erdpotential gelegt ist.

2. Siedekühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserinhalt (30, 31) derart be­ messen wird, daß zwischen dem Wasserspiegel (31) und der Isolationsstrecke (21) eine Dampfzone (32) vorhanden ist.

3. Siedekühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Siedefläche (12) mit einem Ka­ pillarbelag (13) versehen ist, wenn der Wasserspiegel (31) unterhalb des oberen Randes der Siedefläche (12) liegt.

4. Siedekühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Isolierzone (21, 36, 61) Tropfkanten (39, 66) vorgesehen sind, die den Kondensatfilm unterbrechen.

5. Siedekühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Siedefläche (50) aus Metall (z. B. Kupfer) und der Verdampfer-Behälter (58) aus elektrisch isolierendem Kunststoff hergestellt ist und die Verbindungsstellen (60) gasdicht miteinander verbunden sind.

6. Siedekühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte Verbindung (60) mit­ tels Kleber hergestellt ist.

7. Siedekühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte Verbindung (60) mittels Lötung der metallisierten Verbindungsstellen herge­ stellt wird.

8. Siedekühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck innerhalb der Kühldose (32) derart abgesenkt ist, daß das Sieden des Wassers bei 60°C eintritt.

9. Siedekühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kondensations­ zone (27) ein Wärmetauscher (43) angeordnet ist, wobei die erwärmte Flüssigkeit einem entfernteren Ort zur Küh­ lung zugeführt wird.

10. Siedekühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Siedebehälter (1) zwei gegenüberliegende oder mehrere Siedeflächen (50) angeordnet sind, die gegeneinander isoliert in ei­ nem Kunststoff-Siedebehälter (58) angeordnet ist.

11. Siedekühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Siedefläche (12, 52) und die Dampfströmung parallel zueinander ver­ laufen.

12. Siedekühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Siedefläche (12, 52) und die Dampfströmung einen Winkel miteinander einschließen.