DE3825979A1

DE3825979A1 - Anordnung zur kuehlung von verlustleistung abgebenden bauelementen

Info

Publication number: DE3825979A1
Application number: DE3825979A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Ing Manchen; Michael Dipl Ing Mues; Karl-Heinz Bezold
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1988-07-27
Filing date: 1988-07-27
Publication date: 1990-02-01
Also published as: DE3825979C2; IT8921321A0; IT1231307B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kühlung von Leistungs halbleitern, insbesondere Scheibenzellen-Halbleitern, über Kühlkörper, vorzugsweise solchen mit potentialgetrennten Kühlkörpern.

Es ist bekannt, Scheibenzellen-Halbleiter einseitig oder doppelseitig über Kühlkörper zu kühlen. In den meisten Fällen findet Luftkühlung Ver wendung. Ein potentialfreier Aufbau ist durch Verwendung von thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Zwischenlagen, sogenannten Isolier zellen möglich. Die doppelseitige Kühlung ist besser, aber schwieriger zu realisieren, sofern der Aufbau nicht sperrig sein soll. Eine Lösung bietet der Einsatz sogenannter Wärmeleitbügel, bei denen es sich um gut wärme leitende metallische Blöcke aus Aluminium oder Kupfer handelt, mit denen die Wärme von der dem Kühlkörper abgewandten Seite des Scheibenzellen-Halb leiters zum Kühlkörper geleitet wird. Es ist dazu eine besondere L-förmige Gestaltung zur Überbrückung der Höhenunterschiede nötig, ferner der Einsatz thermisch leitender elektrisch isolierender Zwischenlagen (Isolierzellen). Über eine isolierte Spannvorrichtung wird das ganze mit dem Kühlkörper ver bunden. (DE-DS 36 17 611).

Damit ergibt sich bereits eine kompakte Anordnung, deren gute Kühleigen schaft durch die doppelseitige Wärmeabfuhr an sich und durch die mittels des Wärmeleitbügels bewirkte Parallelschaltung der thermischen Innenwider stände gegeben ist.

Als Kühlkörper werden allgemein stranggepreßte Aluminiumprofile verwendet, deren Wärmeleitfähigkeit begrenzt ist. Eine Verlängerung bzw. Vergrößerung des Kühlkörpers trägt deshalb immer weniger zu einer Verbesserung des thermischen Widerstandes bei. Um entfernt liegende Kühlerteile an der Kühlwirkung zu beteiligen, sind zur Verbesserung des Wärmeflusses Kupfer auflagen bzw. Kupfereinlagen möglich. Diese erhöhen das Gewicht und bringen an sich auch nicht sehr viel. Andere Kühlkörpermaterialien mit besseren Eigenschaften als Aluminium, insbesondere Kupfer, sind sehr teuer und oft zu schwer.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbesserung der Kühlung von Leistungs- Halbleitergeräten insbesondere mit isolierten Kühlersystemen, die z. B. auf Massepotential liegen können, bei Luftkühlung zu erreichen. Auch die bei Potentialtrennung zwischen Leistungshalbleiter und Kühlkörper durch wärmeleitende Festkörperisolatoren auftretende Erhöhung des thermischen Widerstandes soll damit kompensiert werden. Die Lösung soll einfach und kostengünstig sein.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichenden Merkmalen des Anspruches 1 er reicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.

Es zeigen bei einseitigem und potentialfreiem Aufbau:

Fig. 1 eine einseitige Kühlung eines Halbleiterelementes,

Fig. 2 eine doppelseitige Kühlung eines Halbleiterelementes,

Fig. 3 eine modifizierte doppelseitige Kühlung eines Halb leiterelementes,

Fig. 4 eine doppelseitige Kühlung bei vollisoliertem Leistungs halbleiter.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Al-Kühlkörper bezeichnet, der durch ein integriertes Wärmerohr 2 isothermisiert ist. Das Wärmerohr bewirkt eine vergleichmäßigte (isothermisierte) Wärmeverteilung im Kühlkörper. Die Integration kann durch z. B. Einschweißen oder einpressen eines herkömmlichen Wärmerohres in eine Bohrung, ein Loch oder eine Nut im Kühlkörper erfolgen. Möglich sind auch Formgebungen, bei denen das Wärmerohr bereits beim Strangpressen des Kühl körpers mit ausgebildet wird. Vorliegend ist eine Wärmerohrfunktion in einem Loch oder einer Bohrung angedeutet. Über eine Spannvorrichtung 3 mit Feder 3 a und einen Isolator 4 ist ein Scheiben zellen-Halbleiter 5 unter Zwischenschaltung einer wärmeleitenden Isolier zelle 6 mit dem Kühlkörper 1 verbunden. Die Wärmeabfuhr erfolgt einseitig über die Isolierzelle 6 zum Kühlkörper 1. Infolge der Vergleichmäßigung der Temperatur im Kühlkörper ist die Wärmeabfuhr bereits verbessert.

Fig. 2 zeigt eine doppelseitige Kühlung des Scheibenzellen-Halbleiters 5. Über einen Wärmeleitbügel bestehend aus Al-Anschluß-Endstücke 7 und 7 a und einem Wärmerohr 8 sowie einem Distanzstück 7 b aus Aluminium oder besser Kupfer wird praktisch ohne Temperaturgefälle die Wärme auch von der oberen Seite des Scheibenzellen-Halbleiters 5 über eine weitere Isolierzelle 6 a zum Kühlkörper 1 a abgeführt. Der Kühlkörper 1 a kann zum Kühlkörper 1 ge hören, kann jedoch auch ein eigenständiger Kühlkörper sein. Dem Kühlkörper 1 a ist zur Isothermisierung ebenfalls ein Wärmerohr 2 a integriert.

Der Scheibenzellen-Halbleiter 5 wird von der Spannvorrichtung 3 mit Feder 3 a über den Isolator 4 und den Wärmeleitbügel sowie die Isolierzelle 6 auf der anderen Seite gegen den Kühlkörper 1 gepreßt. Auf der anderen Seite des Wärmeleitbügels füllt das Distanzstück 7 b das Fehlen eines Scheiben zellenhalbleiters auf dieser Seite aus und überbrückt den Höhenunterschied. Diese Seite des Wärmeleitbügels wird von einer Spannvorrichtung 9/3 a über einen Isolator 4 a, das Distanzstück 7 b und eine Isolierzelle 6 a gegen den Kühlkörper 1 a gepreßt.

Die doppelseitige Kühlung erhöht bereits wesentlich die Leistungsfähigkeit des Halbleiterelementes. Allerdings ist die Wärmeableitung infolge der unterschiedlichen Wege auf beiden Seiten unterschiedlich. Die Isothermisierung des Wärmeleitbügels über das integrierte Wärmerohr 8 ver bessert die thermische Leitfähigkeit.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Scheibenzellen-Halbleiter 5, der zwischen zwei wärmeleitende Isolierzellen 10 und 11 angeordnet ist und damit elek trisch vollisoliert ist. Die Wärmeableitung des Scheibenzellen-Halbleiters 5 zum Kühlkörper 1 erfolgt hier auf beiden Seiten vergleichmäßigt. Einmal direkt mit einer Anschlußfläche über eine wärmeleitende Isolierzelle 6 und einmal indirekt mit der anderen Anschlußfläche über eine Isolierzelle 9 und einen Aluminium-Wärmeleitbügel 12 mit Bohrung und Wärmerohrausstattung 8 (gestrichelt). Der Wärmeleitbügel kann dann unisoliert über einen Ab stützblock 11, z. B. aus Kupfer, auf dem Kühlkörper 1 aufsitzen. Die Ver spannung kann gleichartig der nach Fig. 2 erfolgen.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der wie in Fig. 3 der Scheibenzellen- Halbleiter 5 mit Isolierzellen 6 und 9 eine Säule bildet. Anstelle eines Aluminium-Wärmeleitbügels mit Wärmerohrausstattung findet nunmehr jedoch ein metallisches Originalwärmerohr 10 Verwendung, das abgestuft auch gleich den Höhenunterschied überbrückt. Der Aufbau ist noch einfacher, direkter und wirkungsvoller. Das konfektionierte, vorgefertigte Wärme rohr 10 ist federnd biegsam und gleicht zusätzlich Verspannungen durch die Spannvorrichtungen aus. Der für den Wärmetransport verlustbringende Cu-Abstützblock 11 nach Fig. 3 wird vermieden.

Durch die Erfindung können höhere Wärmetransportleistungen realisiert werden, was höhere Durchgangsleistungen und damit höhere Verlustleistungen gestattet.

Claims

1. Anordnung zur Kühlung von Verlustleistung abgebenden Bauelementen, insbesondere Scheibenzellen-Halbleitern über Kühlkörper, vorzugs weise über potentialgetrennte Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, daß im bzw. in den Kühlkörper(n) (1, 1 a) zur Isothermisierung Wärme rohre (2, 2 a) integriert sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für doppelseitige Kühlung eines Scheibenzellen-Halbleiters (5) unter Verwendung eines Al- oder Cu-Wärmeleitbügels auch dem Wärmeleitbügel ein Wärmerohr (8) zur Isothermisierung integriert ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitbügel eine Längsbohrung aufweist, die als Wärme rohr fungiert und entsprechend ausgestattet ist.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für doppelseitige Kühlung und Potentialtrennung des Scheibenzellen- Halbleiters (5) dieser sich einerseits mit einer Anschlußfläche über eine wärmeleitende Isolierzelle (6) am Kühlkörper (1) und mit der anderen Anschlußfläche über das eine Endstück (7) des Wärmeleitbügels und einen Isolator (4) gegenüber einer Spannvorrichtung (3, 3 a) abstützt, wobei das andere Endstück (7 a) des Wärmeleitbügels ggf. über ein gut wärme leitendes Distanzstück (7 b) und eine weitere wärmeleitende Isolier zelle (6 a) mit dem gleichen (1) oder einem weiteren Kühlkörper (1 a) in Verbindung steht (Fig. 2).

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Anpressen des anderen Endstücks (7 a) des Wärmeleitkörpers an den Kühlkörper (1 a) eine weitere durch einen Isolator (4 a) iso lierte Spannvorrichtung (3 a/9) Verwendung findet.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenzellen-Halbleiter (5) mit beiden Anschlußflächen zwischen zwei wärmeleitende Isolierzellen (6, 9) angeordnet ist und mit diesen eine Säule (5, 6, 9) bildet, die über einen Al-Wärmeleit bügel (12) mit Wärmerohrausstattung (8), der einerseits auf der äußeren wärmeleitenden Isolierzelle (9) und andererseits über einen Cu-Abstützt block (11) auf dem Kühlkörper (1) aufliegt, gegen den Kühlkörper (1) verspannt ist (Fig. 3).

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeleitbügel ein metallisches abgestuft ausgebildetes Wärmerohr (10) Verwendung findet, das mit einem Ende gegen die Säule (5, 6, 9) und mit dem anderen Ende direkt gegen den Kühlkörper (1) verspannt ist. (Fig. 4).