DE3908996A1 - Fluessigkeitskuehlkoerper und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitskühl­ körper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf Verfahren zu seiner Herstellung. Die Erfindung kann vor­ zugsweise bei leistungsstarken Stromrichtergeräten zur Kühlung der Halbleiterbauelemente verwendet werden.

Ein solcher Flüssigkeitskühlkörper ist beispielsweise aus der DE-OS 36 01 140 bekannt.

Es sind allgemein Kühleinrichtungen bekannt, bei denen elektrisch und thermisch gut leitende Kühlplatten, soge­ nannte Kühldosen, mit Kühlkanälen, die vom Kühlmittel durchströmt werden, zwischen Halbleiterbauelementen an­ geordnet sind. Hierbei wird ein ausreichend elektrisch isolierendes Kühlmittel, z.B. Öl, verwendet. Wird Wasser als Kühlmittel angewendet, müssen üblicherweise im Kühl­ mittelkreislauf Vorrichtungen zur Entionisierung vorge­ sehen werden, um einen ausreichend hohen spezifischen elektrischen Widerstand des Wassers sicherzustellen.

Falls zur Vereinfachung der Anordnung nichtentionisier­ tes Wasser zur Anwendung kommen soll, muß zwischen dem zu kühlenden Halbleiterbauelement und dem Wasserkreis­ lauf eine elektrische Isolation vorgesehen werden. Es sind Ausführungen bekannt, bei denen entweder die Kühl­ kanäle in metallischen Kühldosen mit einer Isolier­ schicht versehen sind (siehe DE-OS 36 01 140) oder bei denen zwischen den metallischen Kühldosen und den zu kühlenden Halbleiterbauelementen Zwischenlagen aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet sind (siehe DE-OS 37 40 233).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssig­ keitskühlkörper der eingangs genannten Art anzugeben, der sehr einfach aufgebaut ist, ein gutes thermisches Übergangsverhalten und eine gute elektrische Isolations­ fähigkeit aufweist und für den Betrieb mit einer elek­ trisch nicht isolierenden Flüssigkeit geeignet ist. Des­ weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung der Flüssigkeitskühlkörper angegeben werden.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Kühlkörpers in Verbin­ dung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ange­ gebenen Merkmale gelöst.

Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens alternativ durch die in den Ansprüchen 13 und 14 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß vorzugsweise unbehandeltes Wasser als Kühlmittel einsetzbar ist, obwohl ein konstruktiv sehr einfach aufgebauter Flüssigkeitskühlkörper vorliegt. Die Kühlkanäle oder der Kühlkörper selbst müssen nicht zusätzlich in aufwendiger Art und Weise isoliert werden, da der Flüssigkeitskühlkörper selbst aus einem elek­ trisch isolierenden Material besteht. Vorzugsweise wird ein keramischer Werkstoff, insbesondere Aluminiumnitrid, verwendet. Durch geeignete Anschlußstutzen, die mit den Kühlkanälen verbunden werden, ist eine sichere Abdich­ tung erzielbar und es wird ein Austreten von Kühlmittel sicher verhindert. Dabei müssen die Anschlußstutzen vor­ teilhaft nicht isolierend ausgebildet sein. Das Verfah­ ren zur Herstellung eines Flüssigkeitskühlkörpers nimmt vorteilhaft auf die speziellen Verarbeitungsprobleme bei keramischen Werkstoffen Rücksicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines elektrisch isolierenden Flüssigkeits­ kühlkörpers für Halbleiterbauelemente,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungs­ form eines Flüssigkeitskühlkörpers,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Anschlußstutzens,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungs­ form eines Anschlußstutzens,

Fig. 5 einen Ausschnitt aus einer aus Flüssigkeits­ kühlkörpern und Halbleiterbauelementen beste­ henden Baugruppe,

Fig. 6 einen aus zwei Hälften zusammengesetzten Flüs­ sigkeitskühlkörper.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine erste Ausführungs­ form eines elektrisch isolierenden Flüssigkeitskühlkör­ pers für Halbleiterbauelemente dargestellt. Es handelt sich um einen quaderförmigen Kühlkörper 1, in dessen In­ neren eine Vielzahl von Kühlkanälen, im Ausführungsbei­ spiel sechs Kühlkanäle 2 bis 7, verlaufen. Der Kühlkör­ per besteht aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, vorzugsweise aus Kunststoff oder Keramik, insbesondere aus Aluminium­ nitrid (AlN) oder Berylliumoxid (BeO). Die Kühlkanäle 2 bis 7 können beispielsweise durch Bohren eines massiven plattenförmigen, keramischen Körpers im Grünzustand her­ gestellt werden. Anschließend wird der Kühlkörper gesin­ tert.

An jedem Ende 8 bzw. 9 eines jeden Kühlkanals 2 bis 7 ist ein Anschlußstutzen 10 eingesteckt. An diese An­ schlußstutzen 10 können externe Anschlußleitungen zur Kühlmittelzufuhr und -abfuhr angeschlossen werden. Als Kühlmittel wird vorzugsweise unbehandeltes Wasser ver­ wendet, wobei vorteilhaft keine Vorrichtungen zur Entio­ nisierung vorgesehen werden müssen, um einen ausreichend hohen spezifischen elektrischen Widerstand des Wassers sicherzustellen.

Die Kühlkanal-Anschlußflächen, in die die Enden 8 bzw. 9 der Kühlkanäle 2 bis 7 münden, sind mit 11 bzw. 12 be­ zeichnet. Die externen Anschlußleitungen können in ver­ schiedenen Varianten mit den Anschlußstutzen 10 verbun­ den werden. Es ist z.B. möglich, alle Anschlußstutzen 10 der Anschlußfläche 11 mit einer gemeinsamen Kühlmittel­ zufuhrleitung sowie alle Anschlußstutzen 10 der An­ schlußfläche 12 mit einer gemeinsamen Kühlmittelabfuhr­ leitung zu verbinden. Bei dieser Variante werden alle Kühlkanäle 2 bis 7 parallel vom Kühlmittel durchströmt.

Es ist desweiteren möglich, die Kühlkanäle 2 und 3, 4 und 5, 6 und 7 jeweils mittels an der Anschlußfläche 12 angeordneter externer Anschlußbögen miteinander zu ver­ binden. Desweiteren werden die Kühlkanäle 3 und 4, 5 und 6 mittels an der Anschlußfläche 11 angeordneter, exter­ ner Anschlußbögen miteinander verbunden. An den freien Anschlußstutzen 10 des Kühlkanals 2 werden eine Kühlmit­ telzufuhrleitung und an den freien Anschlußstutzen 10 des Kühlkanals 7 eine Kühlmittelabfuhrleitung ange­ schlossen. Bei dieser Variante werden jeweils benach­ barte Kühlmittelkanäle 2 bis 7 antiparallel vom Kühl­ mittel durchströmt.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine zweite Ausführungs­ form eines Flüssigkeitskühlkörpers dargestellt. Es han­ delt sich um einen quaderförmigen Kühlkörper 13 mit nur einem einzigen Kühlkanal 14, dessen eines Ende 15 in der Anschlußfläche 17 und dessen weiteres Ende 16 in der Anschlußfläche 18 mündet. Der Kühlkanal 14 spaltet sich im Inneren des Kühlkörpers am Ende 15 T- oder Y-förmig in zwei parallelliegende interne Kanäle auf, die jeweils S-förmig das Innere des Kühlkörpers durchlaufen und sich am weiteren Ende 16 vereinen. In die Enden 15, 16 sind wiederum Anschlußstutzen 10 eingesteckt.

Die externe Kühlmittelzufuhrleitung wird beispielsweise an den Anschlußstutzen 10 der Anschlußfläche 17 und die externe Kühlmittelabfuhrleitung an den Anschlußstutzen 10 der Anschlußfläche 18 angeschlossen. Die internen Kanäle des Kühlkörpers 13 werden teilweise parallel und teilweise antiparallel vom Kühlmittel durchströmt.

Bei der Ausführungsform eines Kühlkörpers gemäß Fig. 2 aus einem keramischen Werkstoff ist es besonders vor­ teilhaft, den Kühlkörper 13 aus zwei spiegelsymmetrisch aufgebauten Kühlkörperhälften 13 a, 13 b mit einer Teilung entsprechend der Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 herzu­ stellen, wobei die beiden, die internen Kanäle enthal­ tenden Kühlkörperhälften 13 a, 13 b im Grünzustand zusam­ mengesetzt und danach gesintert werden.

In Fig. 6 ist ein derartiger, aus zwei Kühlkörperhälften 13 a, 13 b zusammengesetzter Flüssigkeitskühlkörper ge­ zeigt. Die Trennungslinie zwischen beiden Hälften 13 a, 13 b ist gestrichelt dargestellt. Es sind die Kühlkanal- Anschlußflächen 17, 18 sowie zwei sich gegenüberliegende thermische Kontaktflächen 38, 39 zur Kontaktierung druckkontaktierter Halbleiterbauelemente zu erkennen.

In Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine erste Ausführungs­ form eines Anschlußstutzens dargestellt. Es ist ein Ende 8, 9, 15, 16 eines Kühlkanals 2 bis 7, 14 mit einem An­ schlußstutzen 103 zu erkennen. Der Anschlußstutzen 103 ist als dünnwandiges Rohr ausgebildet und besteht bei­ spielsweise aus Kupfer oder einem anderen lötbaren Me­ tall. Das Ende 8, 9, 15, 16 ist mit einer lötfähigen Metallisierung 19 beschichtet. Der sich zwischen Außen­ wandung des Anschlußstutzens 103 und Innenwandung des Kühlkanalendes ergebende Spalt 20 wird während des Löt­ prozesses durch Lot 21 ausgefüllt. Zur Erleichterung des Lötprozesses ist die Mündung des Kühlkanalendes mit ei­ ner Anfasung 22 versehen.

Alternativ zur vorstehend ausgeführten Möglichkeit des Einlötens des Anschlußstutzens 103 ist es auch möglich, den Anschlußstutzen direkt in das Ende 8, 9, 15, 16 der Kühlkanäle 2 bis 7, 14 einzukleben, wobei der Spalt 20 mit abdichtendem Klebstoff ausgefüllt wird.

In Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine zweite Ausführungs­ form eines Anschlußstutzens dargestellt. Es ist wiederum ein Ende 8, 9, 15, 16 eines Kühlkanals 2 bis 7, 14 zu erkennen. Der in das Ende eingesteckte, röhrenförmige Anschlußstutzen 104 besteht vorzugsweise aus Kunststoff oder Metall und weist einen an der Kühlkanal-Anschluß­ fläche des Kühlkörpers aufsitzenden Bund 23 auf. Das in das Kühlkanalende einzuführende Teilstück des Anschluß­ stutzens 104 weist zwei Nuten 24, 25 auf, in die jeweils O-Ringe 26, 27 aus Gummi eingelegt sind. Zur Verbesse­ rung der Dichtwirkung kann der Zwischenraum 28 zwischen Außenwandung des Anschlußstutzens 104 und Innenwandung des Kühlkanalendes sowie insbesondere zwischen den O-Ringen 26, 27 mit einer Fettfüllung versehen sein. Zur Erleichterung des Einführens des mit O-Ringen versehenen Anschlußstutzens 104 ist die Mündung des Kühlkanales kegelförmig abgeschrägt.

In Fig. 5 ist ein Ausschnitt aus einer aus Flüssigkeits­ kühlkörpern und Halbleiterbauelementen bestehenden Bau­ gruppe dargestellt. Es ist ein druckkontaktiertes Halb­ leiterbauelement zu erkennen, das mit seinen Hauptan­ schlußflächen zwischen zwei Kühlkörpern 131, 132 einge­ spannt ist. Da die Hauptanschlußflächen auch bezüglich des elektrischen und nicht nur bezüglich des thermischen Anschlusses zu kontaktieren sind, sind zur Stromführung geeignete, elektrisch und thermisch gut leitende An­ schlußlaschen 30 bzw. 31 zwischen Kühlkörper 131 und Halbleiterbauelement 29 bzw. zwischen Halbleiterbauele­ ment 29 und Kühlkörper 132 vorgesehen. Die Anschlußla­ schen 30, 31 bestehen vorzugsweise aus Kupfer.

Die Kühlmittelzufuhr erfolgt beispielsweise über den Anschlußstutzen der Kühlkanal-Anschlußflächen 181 des Kühlkörpers 131, während die Kühlmittelabfuhrleitung mit dem Anschlußstutzen der Kühlkanal-Anschlußfläche 182 des Kühlkörpers 132 verbunden ist. Die Anschlußstutzen der Anschlußfläche 171 des Kühlkörpers 131 sowie der An­ schlußfläche 172 des Kühlkörpers 132 sind über ein Ver­ bindungsstück 32 miteinander verbunden.

Zur Druckbelastung bzw. Verspannung dient eine aus Spannstäben 33, 34, Druckplatten 35, 36 und Spannmuttern 37 bestehende Spannvorrichtung, wobei vorauszusetzen ist, daß weitere, nicht dargestellte Halbleiterbauele­ mente und Kühlkörper zu einer Säule gestapelt sind. Die Spannstäbe 33, 34 können durch geeignete Bohrungen oder Öffnungen in den Kühlkörpern geführt sein, wodurch sich eine exakte Ausrichtung der einzuspannenden Säule er­ gibt. Zweckmäßig sind Federelemente, z.B. Tellerfedern, in der Spannvorrichtung bzw. der zu spannenden Säule enthalten, um thermische Ausgleichsvorgänge während des Betriebes auszugleichen.

Claims (14)

1. Flüssigkeitskühlkörper zur Kühlung eines elek­ trischen Bauelementes, insbesondere eines Halbleiterbau­ elementes, das den Kühlkörper thermisch gut leitend kon­ taktiert, wobei der Kühlkörper mindestens einen mit An­ schlußstutzen versehenen Kühlkanal aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1, 13, 131, 132) aus einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leiten­ den Werkstoff in massiver Weise aufgebaut ist.

2. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1, 13, 131, 132) aus einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leiten­ den keramischen Werkstoff besteht.

3. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff Aluminium­ nitrid ist.

4. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff Beryllium­ oxid ist.

5. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1, 13, 131, 132) aus einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leiten­ den Kunststoff besteht.

6. Flüssigkeitskühlkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühl­ körper nur einen Kühlkanal (14) mit jeweils einem An­ schlußstutzen (10, 103, 104) für die Zu- bzw. Abführung des Kühlmittels aufweist, wobei der Kühlmittel-Volumen­ strom im Kühlkörper selbst aufgeteilt wird und die internen Kanäle in einer Kombination von Parallel- und Reihenschaltung angeordnet sind.

7. Flüssigkeitskühlkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (8, 9, 15, 16) der Kühlkanäle (2 bis 7, 14) mit einer löt­ fähigen Metallisierung beschichtet sind.

8. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstutzen (103) als mit den Enden (8, 9, 15, 16) der Kühlkanäle (2 bis 7, 14) ver­ lötbare, dünnwandige, metallene Rohre ausgebildet sind.

9. Flüssigkeitskühlkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ schlußstutzen (10) in die Enden (8, 9, 15, 16) der Kühlka­ näle (2 bis 7, 14) einklebbar sind.

10. Flüssigkeitskühlkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstutzen (104) mit einem Bund (23) und die in die Enden (8, 9, 15, 16) der Kühlkanäle (2 bis 7, 14) einführ­ baren Teilstücke mit mindestens einer, zur Aufnahme eines O-Ringes (26, 27) geeigneten Nut (24, 25) versehen sind.

11. Flüssigkeitskühlkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen der Kühlkanäle (2 bis 7, 14) kegelförmig abge­ schrägt sind.

12. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anschlußstutzen (104) zwei jeweils zur Aufnahme eines O-Ringes (26, 27) geeignete Nuten (24, 25) aufweisen und der Zwischenraum (28) zwi­ schen den O-Ringen mit einer Fettfüllung versehen ist.

13. Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeits­ kühlkörpers mit mindestens einem Kühlkanal, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kühlkörper (13) aus zwei aus einem keramischen Werkstoff bestehenden, spiegelsymmetrisch aufgebauten, interne Kanäle enthaltenden Kühlkörperhälf­ ten (13 a, 13 b) im Grünzustand zusammengesetzt und danach gesintert wird.

14. Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeits­ kühlkörpers mit mindestens einem Kühlkanal, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kühlkanal (2 bis 7) durch Bohren eines massiven, plattenförmen keramischen Kühlkörpers (1) im Grünzustand hergestellt und der Kühlkörper danach gesintert wird.