DE3937130A1 - Box-type cooler - for power semiconductor modules insulated by layer of specified plastic material - Google Patents

Box-type cooler - for power semiconductor modules insulated by layer of specified plastic material

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Abstract

The heat loss of power semiconductors is carried away by box-type cooling units (1), made of conductive material (Cu, Al) with a fluid inlet (2) and outlet (3) and several cooling channels (5) separated by webs (4). The cooling box is electrically insulated by a 1-3 mm thick layer (6) made of unsaturated polyester and/or epoxy resin and/or modified polyestyrene such as STYCAST (RTM). The outer part (7) is made of copper. ADVANTAGE - This insulating material combines an effective electrical separation with a good heat conductivity and ensures that the unit has a high cooling capacity.

Description

Technisches GebietTechnical field

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Dosenkühl­ vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention is based on a can cooling Device according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE-A1 15 14 551 bekannt ist. Um von einem scheibenförmigen Leistungshalbleiter Verlustwärme von mehr als 1,5 kW abzuführen, ist dieser dort in ein Verdampfungssystem eingebettet, wobei ein Kühlkörper bzw. eine Kühldose als Verdampfer für ein Kühlmittel, z.B. Difluordichlormethan (CF2Cl2), ausgebil­ det ist. Für mehrere Kühldosen ist ein gemeinsamer Samm­ ler für die Kühlflüssigkeit vorgesehen. Die Leistungs­ halbleiter sind von den Kühldosen durch ein gut wärmelei­ tendes, jedoch elektrisch isolierendes Mate­ rial, vorzugsweise einem keramischen Körper, insbesondere Berylliumoxid, getrennt. With the preamble, the invention relates to a prior art, as is known from DE-A1 15 14 551. In order to dissipate heat loss of more than 1.5 kW from a disk-shaped power semiconductor, it is embedded there in an evaporation system, a heat sink or a cooling socket being used as an evaporator for a coolant, for example difluorodichloromethane (CF 2 Cl 2 ). A common collector for the cooling liquid is provided for several cooling boxes. The power semiconductors are separated from the cooling boxes by a good heat-conducting, but electrically insulating material, preferably a ceramic body, in particular beryllium oxide.

Eine solche Kühlung ist relativ aufwendig und erfordert eine spezielle Kühlflüssigkeit, die insbesondere unter­ halb -30°C verdampft.Such cooling is relatively complex and requires a special coolant, especially under evaporated at half -30 ° C.

Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf die DE-A1 26 40 000 verwiesen, aus der eine Kühldose für flüssigkeits-, insbesondere ölgekühlte Leistungshalblei­ terbauelemente bekannt ist, die im Innenraum, im Strö­ mungsweg der Kühlflüssigkeit, senkrecht zu den Dosenböden orientierte und mit diesen stoffschlüssig verbundene Zap­ fen mit quadratischem Querschnitt aufweisen. Diese Zapfen stehen mit einer Diagonale quer zur Strömungsrichtung.The relevant state of the art is also based on referred to DE-A1 26 40 000, from which a cooling box for liquid, especially oil-cooled, semi-power Terbauelemente is known in the interior, in the stream path of the coolant, perpendicular to the can bottoms oriented and cohesively connected Zap fen with square cross section. These cones stand with a diagonal across the flow direction.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Dosenkühlvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß mit einfa­ cheren Mitteln eine hohe Kühlleistung bei guter elektri­ scher Isolierung erreicht werden kann.The invention as defined in claim 1 solves the task of a can cooler of the beginning mentioned type to develop such that with simp cheren means a high cooling capacity with good electri insulation can be achieved.

Ein Vorteil der Erfindung besteht in einer sehr kosten­ günstigen Herstellung der Dosenkühlvorrichtung infolge ihres einfachen Aufbaus. Elektrischer Teil und Kühlung sind effizient getrennt, so daß eine einfache Wasserküh­ lung möglich ist. Das leicht zu beschaffende Wasser braucht nicht entionisiert zu sein. Für kühle Einsatztem­ peraturen genügt die Zugabe eines üblichen Frostschutz­ mittels. Es besteht keine Umweltgefährdung durch das Kühlmittel. Die kompakte Blockbauweise ermöglicht einen einfachen und schnellen Austausch insbesondere bei Strom­ richterblöcken mit herkömmlichen Kühl- und Rückkühlein­ richtungen. An advantage of the invention is a very cost favorable production of the can cooling device as a result of their simple structure. Electrical part and cooling are separated efficiently, so that an easy water cooling is possible. The easy to get water need not be deionized. For cool applications temperatures, it is sufficient to add a normal frost protection by means of. There is no environmental hazard from the Coolant. The compact block design allows you to simple and quick replacement, especially with electricity judge blocks with conventional cooling and recooling directions.  

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated below with reference to embodiments play explained. Show it:

Fig. 1 eine Dosenkühlvorrichtung im Querschnitt mit Fluidein- und -auslaß auf der gleichen Seite, Fig. 1 is a doses cooling device in cross section having fluid inlet and outlet on the same side,

Fig. 2 einen bezüglich Fig. 1 senkrechten Schnitt der Dosenkühlvorrichtung und Fig. 2 is a vertical section with respect to Fig. 1 of the can cooling device and

Fig. 3 eine Kühldose mit Fluidein- und -auslaß auf gegenüberliegenden Seiten. Fig. 3 shows a cooling can with fluid inlet and outlet on opposite sides.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

In Fig. 1 ist mit (1) eine Kühldose aus einem elektrisch gut leitenden Metall, wie z.B. Kupfer oder Aluminium, be­ zeichnet, die auf derselben Seite einen Fluideinlaß (2) und einen Fluidauslaß (3) für ein Kühlfluid und im Inne­ ren mehrere durch Kanalwände bzw. Stege (4) begrenzte Kühlkanäle (5) aufweist, durch welche das Kühlfluid vom Fluideinlaß (2) zum Fluidauslaß (3) strömen kann. Als Kühlfluid wird einfaches, nicht entionisiertes Wasser, vorzugsweise mit einem Zusatz eines handelsüblichen Frostschutzmittels verwendet, falls die Kühldose (1), z.B. für einen Einsatz in der Traktion, tiefen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein kann. Die Fluidein­ und -auslässe sind zum Anschluß von Kühlwasserschläuchen geeignet.In Fig. 1 with ( 1 ) a cooling box made of an electrically highly conductive metal, such as copper or aluminum, be characterized, the fluid inlet ( 2 ) and a fluid outlet ( 3 ) on the same side for a cooling fluid and several inside Ren has cooling channels ( 5 ) delimited by channel walls or webs ( 4 ), through which the cooling fluid can flow from the fluid inlet ( 2 ) to the fluid outlet ( 3 ). Simple, non-deionized water, preferably with the addition of a commercially available antifreeze, is used as the cooling fluid if the cooling box ( 1 ) can be exposed to low ambient temperatures, for example for use in traction. The fluid inlets and outlets are suitable for connecting cooling water hoses.

Die Kühldose (1) ist, außer von der Seite des Fluidein­ und -auslasses (2, 3) her, von einer 1 mm-3 mm dünnen Isolierschicht (6) umgeben, die aus Verguß- und/oder La­ minierharz aus ungesättigten Polyester- und/oder Epoxid­ harzen und/oder aus modifiziertem Polystyrol besteht, wie es unter der Warenbezeichnung Stycast im Handel erhält­ lich ist. Dieses Isoliermaterial weist bei wirksamer elektrischer Trennung eine gute Wärmeleitfähigkeit auf.The cooling box ( 1 ), apart from the side of the fluid inlet and outlet ( 2, 3 ), is surrounded by a 1 mm-3 mm thin insulating layer ( 6 ) made of potting and / or laminating resin from unsaturated polyester and / or epoxy resins and / or consists of modified polystyrene, as is commercially available under the trade name Stycast. With effective electrical separation, this insulating material has good thermal conductivity.

Die Isolierschicht (6) ist außen von einer elektrisch gut leitenden Kontaktdose (7), z.B. aus Kupfer, umgeben, die rechteckförmige Außenflächen zur elektrischen Kon­ taktierung aufweist. Der obere Teil der Kontaktdose (7) ist ein Überschußsammler (10) für Isoliermaterial (6), der längs einer Trennlinie (11) vom unteren Teil der Kon­ taktdose (7) abnehmbar ist, um die Kühldose (1) einschie­ ben zu können. Vor dem Einschieben der Kühldose (1) wird erwärmtes und damit fließfähiges Isoliermaterial (6) in die oben offene Kontaktdose (7) eingefüllt. Beim Einset­ zen der Kühldose (1) hochgedrücktes Isoliermaterial (6) wird in einer randseitigen, oben offenen Rille des Über­ schußsammlers (10) aufgefangen, so daß die Oberfläche der Isolierschicht (6) im Anschlußbereich an die Kühl­ dose (1) mit dieser bündig ist. Dadurch wird im Außen­ bzw. Luftbereich ein hoher Übergangswiderstand gewährlei­ stet.The insulating layer ( 6 ) is surrounded on the outside by an electrically conductive contact socket ( 7 ), for example made of copper, which has rectangular outer surfaces for electrical contacting. The upper part of the contact box ( 7 ) is an excess collector ( 10 ) for insulating material ( 6 ), which can be removed along a dividing line ( 11 ) from the lower part of the contact box ( 7 ) in order to insert the cooling box ( 1 ). Before inserting the cooling box ( 1 ), heated and thus flowable insulating material ( 6 ) is poured into the contact box ( 7 ), which is open at the top. When inserting the cooling box ( 1 ), the insulating material ( 6 ) is caught in an edge-side, open groove of the excess collector ( 10 ), so that the surface of the insulating layer ( 6 ) in the connection area to the cooling box ( 1 ) is flush with it is. As a result, a high contact resistance is guaranteed in the outside or air area.

Mit (12) ist eine Jochplatte bezeichnet, die vier Löcher (13) aufweist, durch welche Zugstäbe einer nicht darge­ stellten Spannvorrichtung für mehrere hintereinander an­ geordnete Halbleiter und Kühlelemente bzw. Dosenkühlvor­ richtungen gesteckt werden können.With ( 12 ) a yoke plate is designated, which has four holes ( 13 ) through which tension rods of a tensioning device, not shown, for several consecutively arranged semiconductors and cooling elements or can cooling devices can be inserted.

Fig. 2 zeigt die dreiteilige Dosenkühlvorrichtung gemäß Fig. 1 in einem dazu senkrechten Querschnitt, jedoch ohne Kühlkanäle. Mit (8) und (9) sind ebene, einander gegen­ überliegende Bauelementauflageflächen der Kontaktdose (7) für Halbleiterbauelemente bezeichnet. FIG. 2 shows the three-part can cooling device according to FIG. 1 in a cross section perpendicular thereto, but without cooling channels. With ( 8 ) and ( 9 ) are flat, mutually opposite component support surfaces of the contact socket ( 7 ) for semiconductor components.

Fig. 3 zeigt eine Kühldose (14), die der Kühldose (1) von Fig. 1 entspricht, jedoch den Fluidauslaß (3) auf der be­ züglich des Fluideinlasses (2) gegenüberliegenden Seite hat. Diese Kühldosenausführung gewährleistet eine gleichmäßigere Kühlung über die gesamte Kühlfläche der Kühldose (14) und somit eine effizientere Kühlung der Halbleiter. Fig. 3 shows a cooling box ( 14 ) which corresponds to the cooling box ( 1 ) of Fig. 1, but has the fluid outlet ( 3 ) on the opposite side with respect to the fluid inlet ( 2 ). This cooling box design ensures more uniform cooling over the entire cooling surface of the cooling box ( 14 ) and thus more efficient cooling of the semiconductors.

Es versteht sich, daß die Kühlkanäle (5) der Kühldose zu der Kühldose (1, 14) am Austrittsende einen breiteren Querschnitt als am Eintritt haben können. Sie können auch einen spiral- oder doppelspiralförmigen Verlauf aufwei­ sen. Statt paralleler Stege (4) können auch zapfenförmi­ gen Verwirbelungsstifte oder dgl. im Innern der Kühldose (1) vorgesehen sein.It goes without saying that the cooling channels ( 5 ) of the cooling box to the cooling box ( 1 , 14 ) can have a wider cross section at the outlet end than at the inlet. You can also have a spiral or double spiral course. Instead of parallel webs ( 4 ), zapfen-shaped swirl pins or the like can also be provided in the interior of the cooling box ( 1 ).

Wichtig ist, daß das zwischen zwei Halbleitern beste­ hende elektrische Potential nicht unerwünscht an einen anderen Punkt verschleppt wird und daß die Verlustwarme der Halbleiter gut an das Kühlfluid übertragen wird. We­ gen der hohen Wärmekapazität ist Wasser als Kühlfluid be­ sonders geeignet; es ist chemisch stabil, nicht brennbar, technisch leicht handhabbar und schafft keine Entsor­ gungsprobleme.It is important that the best between two semiconductors Electrical potential not undesirable to one another point is dragged away and that the heat loss the semiconductor is well transferred to the cooling fluid. We Due to the high heat capacity, water is a cooling fluid particularly suitable; it’s chemically stable, not flammable, technically easy to handle and creates no disposal problems.

Claims (7)

1. Dosenkühlvorrichtung zur Kühlung von elektrischen Bau­ elementen, insbesondere von druckkontaktierten Leistungs­ halbleitern,
  • a) mit einer scheibenförmigen, gut wärmeleitenden Kühl­ dose (1, 14),
  • b) die mindestens einen Fluideinlaß (2) aufweist, der über mindestens einen Kühlkanal (5) oder ein Kühlla­ byrinth mit mindestens einem Fluidauslaß (3) für ein Kühlfluid in Verbindung steht,
1. Can cooling device for cooling electrical components, in particular of pressure-contacted power semiconductors,
  • a) with a disc-shaped, good heat-conducting cooling box ( 1 , 14 ),
  • b) which has at least one fluid inlet ( 2 ), which is connected to at least one fluid outlet ( 3 ) for a cooling fluid via at least one cooling channel ( 5 ) or a cooling la byrinth,
dadurch gekennzeichnet,characterized,
  • c) daß die Kühldose (1, 14) außen von mindestens ei­ ner elektrisch isolierenden Schicht bzw. Isolier­ schicht (6) umgeben ist.c) that the cooling box ( 1 , 14 ) is surrounded on the outside by at least one electrical insulating layer or insulating layer ( 6 ).
2. Dosenkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Isolierschicht (6) gut wärmeleitend ist.2. Can cooling device according to claim 1, characterized in that the insulating layer ( 6 ) is a good heat conductor. 3. Dosenkühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Isolierschicht (6) Verguß- und/oder Laminierharze aus ungesättigten Polyester- und/oder Epoxidharzen und/oder Polysterol enthält.3. Can cooling device according to claim 2, characterized in that the insulating layer ( 6 ) contains casting and / or laminating resins made of unsaturated polyester and / or epoxy resins and / or polysterol. 4. Dosenkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (6) von einer elektrisch leitenden Kontaktdose (7, 10) umgeben ist, die einander gegenüberliegende Bauelementauflageflä­ chen (8, 9) aufweist.4. Can cooling device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the insulating layer ( 6 ) is surrounded by an electrically conductive contact socket ( 7 , 10 ) having opposing component support surfaces ( 8 , 9 ). 5. Dosenkühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontaktdose (7, 10) im Bereich des Fluidein- und -auslasses (2, 3) mindestens einen Über­ schußsammler (10) für Material der Isolierschicht (6) aufweist, dessen Oberfläche im Anschlußbereich an die Kühldose (1, 14) mit dieser bündig ist.5. Can cooling device according to claim 4, characterized in that the contact socket ( 7 , 10 ) in the region of the fluid inlet and outlet ( 2, 3 ) has at least one excess collector ( 10 ) for material of the insulating layer ( 6 ), the surface thereof in the connection area to the cooling box ( 1 , 14 ) is flush with this. 6. Dosenkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß das Kühlfluid Wasser,
  • b) insbesondere mit Zusatz eines Frostschutzmittels ist.
6. Can cooling device according to one of claims 1 to 5, characterized in
  • a) that the cooling fluid is water,
  • b) is in particular with the addition of an antifreeze.
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