DE4418611C2 - Halbleiterelementkühlvorrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Halbleiterelementkühlvor
richtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der EP 0 219 657 A2 ist eine Konstruktion von
Kühlkörpern bekannt, die aus runden säulenförmigen tragen
den Elementen und aus seitlich angesetzten Flossenelementen
gebildet sind. Es handelt sich bei den Kühlkörpern um eine
vergleichsweise komplizierte Gestalt, so daß die Herstel
lung dieser Kühlkörper aufwendig und kostspielig ist.
Bei dieser bekannten Konstruktion wechseln sich schrä
ge Auflaufflächen, die in Richtung der Strömung des Kühl
mittels geneigt sind, und Flächen, die entgegen der Rich
tung der Strömung geneigt sind, ab. Diese Flächen sind aber
auch nur an dem vergleichsweise sehr schmalen Außenrand der
Rippen ausgebildet, so daß hier keine wirksame Aufprallflä
che für das Kühlmittel gebildet ist. Diese spezifische An
ordnung und Ausbildung der genannten Flossen eines jeweili
gen Kühlelements in Form eines Trapezes hat eine Verwirbe
lung der Strömung zur Folge, nicht jedoch eine gezielte
Strömungskonzentration auf bestimmte Bereiche des Kühlkör
pers.
Aus der US 4,541,004 ist die Verwendung eines Kühlele
ments in Form eines säulenförmigen Kühlkörpers bekannt. Das
säulenförmige Kühlelement ist jedoch bei dieser bekannten
Konstruktion so angeordnet und ausgebildet, daß eine Ver
wirbelung der Kühlmittelströmung hervorgerufen wird, wobei
angestrebt wird, die Strömung von der zu kühlenden Vorrich
tung weg verlaufen zu lassen.
In letzter Zeit hat die Wärme, die durch das Halblei
terelement erzeugt wird, auf Grund der verbesserten Integra
tionsdichte und der Hochgeschwindigkeitsoperation der
integrierten Schaltung zugenommen. Diese Tendenz ist auf dem
Gebiet von hochintegrierten Schaltungen (LSIs), die in
Computern und dergleichen verwendet werden, besonders
spürbar. Zum Beispiel ist es auf der Chipebene nicht selten,
daß Wärme in der Größenordnung von 10 W pro 1 cm2 erzeugt
wird, und es wird erwartet, daß sich dieser Wert in nächster
Zukunft verdoppelt oder verdreifacht.
Andererseits nimmt die Montagedichte der Halbleiter
elemente innerhalb der elektronischen Einrichtung auch
rapide zu. Demzufolge wird es schwieriger, das Kühlen
innerhalb der elektronischen Einrichtung auszuführen.
Um die Halbleiterelemente stabil zu betreiben, ist es
ferner wesentlich, die Temperatur der Halbleiterelemente
niedrig zu halten, und von der Kühlvorrichtung wird eine
hohe Kühleffektivität gefordert.
Fig. 1 zeigt eine bekannte Halbleiterelementkühlvor
richtung 10. In Fig. 1 sind Halbleiterelemente 11 über eine
Vielzahl von Verbindungsgliedern 13, wie Lot, auf einem
Schaltungssubstrat 12 montiert. Eine Vielzahl von stiftför
migen Rippen 14 ist auf einer oberen Oberfläche 11a des
Halbleiterelements 11 rechtwinklig zu der oberen Oberfläche
11a befestigt.
Das Halbleiterelement 11 wird gekühlt, wenn ein Kühl
mittel (Kühlmedium) 15 parallel zu dem Schaltungssubstrat 12
dahinströmt und die Peripherie des Halbleiterelements 11
passiert. Mit anderen Worten, das Kühlen erfolgt auf Grund
des Wärmeaustauschs zwischen dem Kühlmittel 15 und den
stiftförmigen Rippen 14 und der oberen Oberfläche 11a des
Halbleiterelements 11.
Andererseits zeigt Fig. 2 eine andere bekannte Halblei
terelementkühlvorrichtung 20. In Fig. 2 ist das Halbleiter
element 11 auf dem Schaltungssubstrat 12 montiert, und eine
Düse 21 ist über dem Halbleiterelement 11 rechtwinklig zu
der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 angeord
net.
Eine Hochgeschwindigkeitskühlmittelströmung 22, die aus
der Düse 21 mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird,
trifft auf die obere Oberfläche 11a des Halbleiterelements
11 und bildet danach eine Strahlströmung 23, die sich längs
der oberen Oberfläche 11a radial ausbreitet, um das Halblei
terelement 11 zu kühlen. Solch ein Kühlen unter Verwendung
der Strahlströmung ist vorteilhaft, weil durch Einsatz einer
relativ einfachen Konstruktion eine relativ hohe Kühleffek
tivität erreicht werden kann.
Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Halbleiterelementkühlvor
richtung 10 ist es notwendig, die Länge der stiftförmigen
Rippen 14 zu vergrößern oder die Anzahl der stiftförmigen
Rippen 14 pro Einheitsbereich auf der oberen Oberfläche 11a
des Halbleiterelements 11 zu erhöhen. Das erstere Verfahren
zum Vergrößern der Länge der stiftförmigen Rippen 14 ver
schlechtert jedoch die Rippeneffektivität, und so besteht
eine Grenze beim Verbessern der Kühleffektivität. Anderer
seits vergrößert das letztere Verfahren zum Erhöhen der
Anzahl der stiftförmigen Rippen 14 pro Einheitsbereich den
Strömungswiderstand, und die Kühleffektivität ist nicht so
hoch wie erwartet, da die Strömung des Kühlmittels an den
unteren Teilen der stiftförmigen Rippen 14 und an der oberen
Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 blockiert wird.
Andererseits ist gemäß der in Fig. 2 gezeigten Halblei
terelementkühlvorrichtung 20 auf Grund der Notwendigkeit zum
Anordnen der Düse 21, um der oberen Oberfläche 11a des
Halbleiterelements 11 gegenüberzuliegen, ein Raum mit einer
Höhe A über dem Schaltungssubstrat 12 unbedingt erforder
lich. Als Resultat ist es schwierig, das Schaltungssubstrat
12 innerhalb der elektronischen Einrichtung mit hoher Dichte
durch Anordnen des Schaltungssubstrats 12 bei einem engen
Abstand unterzubringen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht
darin, eine Halbleiterelementkühlvorrichtung der angegebe
nen Gattung zu schaffen, bei der insbesondere in Bereichen
eines hohen Wärmegradienten, wie er insbesondere im Über
gangsbereich zwischen Halbleiterelement und dem jeweiligen
Kühlelemente auftritt, eine wirksamere Wärmeabfuhr erreicht
wird, um insgesamt die Kühlwirkung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführ
ten Merkmale gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil
dungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Weitere Vorteile und Weiterbildungen der vorliegenden
Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung
zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht, die eine bekannte Halb
leiterelementkühlvorrichtung zeigt;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht, die eine andere bekannte
Halbleiterelementkühlvorrichtung zeigt;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht mit einem
weggeschnittenen Teil, die eine erste Ausführungsform einer
Halbleiterelementkühlvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
Fig. 4 ist eine Draufsicht, die ein in Fig. 3 gezeigtes
Halbleiterelement zeigt;
Fig. 5 ist eine Seitenansicht, die einen Teil des in
Fig. 3 gezeigten Halbleiterelements zeigt;
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht zum Erläutern
der Funktionen einer geneigten Säule;
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die eine erste
Abwandlung einer in Fig. 3 gezeigten Säule zeigt;
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht, die eine
zweite Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Säule
zeigt;
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine
dritte Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Säule
zeigt;
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht, die eine
vierte Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Säule
zeigt;
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die eine
fünfte Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Säule
zeigt;
Fig. 12A und 12B sind eine Draufsicht bzw. eine Seiten
ansicht, die die in Fig. 11 gezeigte Säule im
montierten Zustand zeigen;
Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht, die eine
sechste Abwandlung der in Fig. 3 gezeigten Säule
zeigt;
Fig. 14A und 14B sind eine Draufsicht bzw. eine Seiten
ansicht, die die in Fig. 13 gezeigte Säule im
montierten Zustand zeigen;
Fig. 15A und 15B sind eine Draufsicht bzw. eine Seiten
ansicht, die eine erste Abwandlung der Anordnung der geneig
ten Säulen zeigen;
Fig. 16 ist eine Draufsicht, die eine zweite Abwandlung
der Anordnung der geneigten Säulen
zeigen;
Fig. 17 ist eine Seitenansicht, die die Anordnung von
geneigten Säulen mit verschiedenen
Längen zeigt;
Fig. 18 ist eine Seitenansicht, die die Anordnung von
geneigten Säulen mit verschiedenen
Neigungswinkeln zeigt;
Fig. 19 ist eine Seitenansicht, die eine weitere Aus
führungsform der Halbleiterelementkühlvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 20 ist eine Draufsicht, die die in Fig. 19 ge
zeigte weitere Ausführungsform zeigt.
Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Halblei
terelementkühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In einer in Fig. 3 gezeigten Halbleiterelementkühlvorrich
tung 30 sind ein Schaltungssubstrat 12 und ein durchgangsbildendes
Glied 32 innerhalb eines Gehäuses 31 einer elek
tronischen Einrichtung untergebracht. Eine Vielzahl von
Halbleiterelementen 11 ist auf dem Schaltungssubstrat 12
montiert. Das durchgangsbildende Glied 32 ist parallel zu
dem Schaltungssubstrat 12 angeordnet und bedeckt eine obere
Oberfläche des Schaltungssubstrats 12, auf dem die Halblei
terelemente 11 montiert sind. Das durchgangsbildende Glied
32 liegt der oberen Oberfläche des Schaltungssubstrats 12
mit einer dazwischen gebildeten Lücke gegenüber. Ein Durch
gang 33 mit einer Höhe H1 ist zwischen dem Schaltungssub
strat 12 und dem durchgangsbildenden Glied 32 gebildet. Ein
Gebläse 35 ist als Kühlmittelsteuereinheit zum Ausstoßen
eines Kühlmittels (Kühlmediums) mit einem Ende des Durch
gangs 33 über einen Kanal 34 gekoppelt. Andererseits ist an
dem anderen Ende des Durchgangs 33 eine Kühlmitteleinlaßöff
nung 36 vorgesehen.
Wenn das Gebläse 35 betrieben wird, wird Luft 40 von
der Kühlmitteleinlaßöffnung 36 als Kühlmittel hineingezogen.
Daher tritt eine parallele Kühlmittelströmung 43, die zu dem
Schaltungssubstrat 12 parallel ist, innerhalb des Durchgangs
33 auf, wie durch einen Pfeil gekennzeichnet.
Eine Vielzahl von geneigten
Säulen 37 ist, wie in Fig. 4 und 5
gezeigt, auf einer oberen Oberfläche 11a des Halbleiter
elements 11 in einer Matrixanordnung vorgesehen. Die geneig
ten Säulen 37 sind auf der strom
aufwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43
vorgesehen, das heißt, auf der Seite der Kühlmitteleinlaß
öffnung 36. Die geneigten Säulen 37
sind mit einem Neigungswinkel θ bezüglich einer Richtung
befestigt, die zu der oberen Oberfläche 11a des Halbleiter
elements 11 rechtwinklig ist. Die geneigten
Säulen 37 selbst dienen als Mittel zum schrägen
Auftreffen der Luft 40.
Während der Operation der elektronischen Einrichtung
erzeugt das Halbleiterelement 11 Wärme. Der größte Teil der
erzeugten Wärme breitet sich auf Grund von Wärmeleitung hin
zu den geneigten Säulen 37 aus.
Andererseits wird auch das Gebläse 35 betrieben. Daher
absorbiert die erzeugte parallele Kühlmittelströmung 43 die
Wärme von den geneigten Säulen 37 und
der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11, da die
parallele Kühlmittelströmung 43 die Peripherie des Halblei
terelements 11 passiert. Als Resultat wird das Halbleiter
element 11 gekühlt.
Gemäß der Halbleiterelementkühlvorrichtung 30 werden
die folgenden Effekte erhalten, da die geneigten Säulen
37 mit dem Neigungswinkel θ hin zu
der stromaufwärtigen Seite geneigt sind, und die Kühleffek
tivität bezüglich des Halbleiterelements 11 wird verbessert.
- 1. Stimulierte Kühlmittelströmung vom unteren Teil
der Rippen hin zu der oberen Oberfläche des Halbleiter
elements:
Die parallele Kühlmittelströmung 43 an der Peri pherie der geneigten Säulen 37 wird, wie in Fig. 6 gezeigt, längs einer vorderen Oberfläche 38 der geneigten Säulen 37 zu einer abwärts geneigten Strömung 44 gebildet und strömt danach hin zu der stromabwärtigen Seite, indem sie sich in beide Seiten der geneigten Säulen 37 teilt, wie durch einen Pfeil 45 gezeigt. Aus diesem Grund nimmt die Geschwindigkeit der Kühlmittelströmung von dem unteren Teil der geneigten Säulen 37 hin zu einer Rippenbasisperipherie 39 auf der oberen Oberfläche 11a zu, und es ist möglich, das Kühlen an diesem Teil effektiv auszuführen. - 2. Vergrößerter Oberflächenbereich der Säulen:
Bezüglich derselben Höhe L2 der Säulen beträgt die Länge der Säulen L2, wie in Fig. 5 gezeigt, wenn die Säulen nicht geneigt sind, aber beträgt die Länge der Säulen L1, wenn die Säulen um den Neigungswinkel θ geneigt sind. L1 ist gleich L2/cosθ, und somit wird die Länge L1 größer als die Länge L2, so wie der Neigungswinkel θ zunimmt. Da die Höhe der Säulen durch die Höhe H1 des Durchgangs 33 begrenzt ist, ist es möglich, die Länge der Säulen zu vergrößern und auch den Oberflächenbereich der Säulen im Vergleich zu jenen der bekannten Halbleiterelementkühlvorrichtung zu vergrößern, indem die Säulen 37 geneigt werden. Aus diesem Grund wird die Wärmemenge, die von den geneigten Säulen 37 zu der parallelen Kühlmittel strömung 43 übertragen wird, verglichen mit jener der bekannten Halbleiterelementkühlvorrichtung erhöht.
In dieser Ausführungsform ist bezüglich des Neigungs
winkels θ der geneigten Säulen 37 keine
besondere Grenze vorgesehen. Die oben beschriebenen Effekte
können jedoch nicht zu einem befriedigenden Grade erreicht
werden, falls der Neigungswinkel θ zu klein ist. Falls
andererseits der Neigungswinkel θ zu groß ist, ragt das
Endstück der geneigten Säulen 37 weit
nach vorn und behindert das Montieren des benachbarten
Halbleiterelements. Ferner wird die Lücke zwischen den
benachbarten geneigten Säulen 37 klein
und behindert die korrekte Kühlmittelströmung. Mit anderen
Worten, der überlegene Kühleffekt der geneigten Säulen
37 selbst geht verloren, falls der
Neigungswinkel θ zu groß ist. Demzufolge ist es vom prakti
schen Gesichtspunkt aus wünschenswert, daß der Neigungswinkel
θ in einem Bereich zwischen 10° bis 60° liegt.
Die Querschnittsform der geneigten Säulen
37 ist nicht auf die rechteckige Form dieser
Ausführungsform begrenzt. Ähnliche Effekte können durch
Verwenden von geneigten Säulen er
reicht werden, die andere Querschnittsformen wie zum Bei
spiel eine runde Form haben.
Außerdem ist das zu kühlende Halbleiterelement 11 nicht
auf den in Fig. 3 gezeigten Chiptyp begrenzt. Das
Halbleiterelement 11 kann zum Beispiel innerhalb einer
Packung vorgesehen sein oder die Form eines Mehrchipmoduls
annehmen.
Ferner ist das Kühlmittel nicht auf Luft begrenzt, und
andere Gase und Flüssigkeiten können anstelle derer ver
wendet werden. Zum Beispiel kann eine Flüssigkeit wie
Kohlenstofffluorid als Kühlmittel verwendet werden. In
diesem Fall wird anstelle des Gebläses eine Pumpe als
Kühlmittelsteuereinheit verwendet. Außerdem können ein
Behälter zum Zuführen und Ersetzen des Kühlmittels, eine
Rohrleitung und ein Wärmeaustauscher zum Kühlen des Kühl
mittels vorgesehen sein, falls erforderlich. Es ist natür
lich möglich, das Kühlmittel zwischen dem Behälter, der
Pumpe, dem Wärmeaustauscher und dem Durchgang 33 zirkulieren
zu lassen.
Die Oberfläche des durchgangsbildenden Glieds 32, die
dem Schaltungssubstrat 12 gegenüberliegt, kann durch die
Bodenoberfläche eines anderen Schaltungssubstrats gebildet
sein, das zu dem Schaltungssubstrat 12 parallel und benach
bart untergebracht ist. Die Bodenoberfläche dieses anderen
Schaltungssubstrats liegt der Oberfläche gegenüber, auf der
die Halbleiterelemente montiert sind. Außerdem kann die
Oberfläche des durchgangsbildenden Glieds 32, die sich mit
dem Schaltungssubstrat 12 schneidet, durch die Oberfläche
eines anderen Substrats, wie zum Beispiel eine Grundplatine,
die mit dem Schaltungssubstrat 12 verbindet, die Oberfläche
eines Teils, wie zum Beispiel ein Steckverbinder, der auf
dem Schaltungssubstrat 12 vorgesehen ist und der strom
aufwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43
zugewandt ist, und dergleichen gebildet sein.
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung von Abwandlungen
der geneigten Säulen 37 der ersten
Ausführungsform.
Fig. 7 zeigt eine erste Abwandlung der geneigten
Säule. Eine in Fig. 7 gezeigte geneig
te Säule 60 hat einen etwa halbrunden
Querschnitt. Die geneigte Säule 60 ist
so angeordnet, daß eine flache Oberfläche 61 von ihr der
stromaufwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43
zugewandt ist.
Gemäß der Form dieser ersten Abwandlung der geneigten
Säule ist der Widerstand bezüglich der
parallelen Kühlmittelströmung 43 in einer Nähe der vorderen
Oberfläche der geneigten Säule 60
groß. Aus diesem Grund ist es möglich, eine stärkere abwärts
geneigte Strömung 44 als bei der ersten Ausführungsform zu
erzeugen, wodurch zu einer verbesserten Kühleffektivität
beigetragen wird.
Fig. 8 zeigt eine zweite Abwandlung der geneigten
Säule. Eine in Fig. 8 gezeigte geneig
te Säule hat einen sichelmondförmigen
Querschnitt. Die geneigte Säule 65 ist
so angeordnet, daß eine konkave Oberfläche 66 von ihr der
stromaufwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43
zugewandt ist.
Gemäß der Form dieser zweiten Abwandlung der geneigten
Säule ist es möglich, eine stärkere
abwärts geneigte Strömung 44 ähnlich wie bei der ersten
Abwandlung zu erzeugen, wodurch zu der verbesserten Kühleffektivität
beigetragen wird.
Fig. 9 zeigt eine dritte Abwandlung der geneigten
Säule. Eine in Fig. 9 gezeigte geneig
te Säule 70 hat solch eine abgeflachte
zylindrische Form, daß ein Zylinder zu dem Endstück hin mehr
abgeflacht ist. Die geneigte Säule 70
ist so angeordnet, daß eine annähernd kopfstehende dreiecki
ge Oberfläche 71 der stromaufwärtigen Seite der parallelen
Kühlmittelströmung 43 zugewandt ist.
Gemäß der Form dieser dritten Abwandlung der geneigten
Säule wird der Strömungswiderstand an
dem unteren Teil der geneigten Säule
70 bezüglich jenem an dem oberen Teil der geneigten Säule
70 relativ verringert. Als Resultat
wird die Kühlmittelströmung in der Nähe der oberen Ober
fläche 11a des Halbleiterelements 11 stimuliert, wodurch die
Kühleffektivität verbessert wird.
Fig. 10 zeigt eine vierte Abwandlung der geneigten
Säule. Eine in Fig. 10 gezeigte
Säule 75 besteht aus einem Basisteil
75a, der an der oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements
11 vertikal befestigt ist, und einem gekrümmten Teil 75b,
der gekrümmt ist, um sich hin zu der stromaufwärtigen Seite
der parallelen Kühlmittelströmung 43 zu neigen.
Gemäß der Form dieser vierten Abwandlung der geneigten
Säule ist die Endoberfläche eines
Verbindungsteils 76, der an dem Ende des Basisteils 75a
vorgesehen ist, rechtwinklig zu der Richtung, in die sich
der Basisteil 75a erstreckt. Aus diesem Grund ist es extrem
einfach, die Positionen des Verbindungsteils 76 und der
oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 auszurich
ten, wenn die Säule 75 montiert wird,
und die Produktionseffektivität wird verbessert.
Fig. 11 zeigt eine fünfte Abwandlung der geneigten
Säule. Eine in Fig. 11 gezeigte
kammförmige Struktur 80 ist aus einer Vielzahl von geneigten
Säulen 81 und einem Verbindungs
flansch 82, der obere Enden der geneigten Säulen
81 verbindet, integral gebildet.
Fig. 12A zeigt eine Draufsicht auf die kammförmigen
Strukturen 80, und Fig. 12B zeigt eine Seitenansicht der
kammförmigen Strukturen 80. Jede kammförmige Struktur 80
besteht, wie in Fig. 12A und 12B gezeigt, aus den geneigten
Säulen 81, die in einer Richtung
integral angeordnet sind, die im allgemeinen rechtwinklig zu
der parallelen Kühlmittelströmung 43 ist, und hin zu der
stromaufwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43
geneigt sind.
Gemäß dieser fünften Abwandlung der geneigten Säulen
kann eine Vielzahl von geneigten
Säulen 81 in Einheften der
kammförmigen Strukturen 80 montiert werden. Aus diesem Grund
ist der Produktionsprozeß verglichen mit dem Fall, bei dem
die Radiatorrippen immer einzeln befestigt werden müssen,
extrem einfach.
Fig. 13 zeigt eine sechste Abwandlung der geneigten
Säule. Bei dieser sechsten Abwandlung
ist der Verbindungsflansch 92 der in Fig. 11 gezeigten kamm
förmigen Struktur 80 hin zu der stromabwärtigen Seite der
parallelen Kühlmittelströmung 43 gekrümmt. Mit anderen
Worten, eine in Fig. 13 gezeigte kammförmige Struktur 90 ist
etwa in V-Form gekrümmt und aus einer Vielzahl von geneigten
Säulen 91 und einem Verbindungssteg
92, der die oberen Enden der geneigten Säulen
91 verbindet, integral gebildet.
Fig. 14A zeigt eine Draufsicht auf die kammförmigen
Strukturen 90, und Fig. 14B zeigt eine Seitenansicht der
kammförmigen Strukturen. Jede kammförmige Struktur 90 ist
gekrümmt, wie in Fig. 14A und 14B gezeigt, um etwa eine V-
Form zu bilden, die hin zu der stromabwärtigen Seite der
parallelen Kühlmittelströmung 43 weist.
Gemäß dieser sechsten Abwandlung der geneigten Säule
wird die abwärts geneigte Strömung in
einer Nähe der geneigten Säule
91 erzeugt, und die gekrümmte Form der kammförmigen Struktur
90 dient dazu, um die parallele Kühlmittelströmung 43 auf
einen Teil 93 der kammförmigen Struktur 90 zu konzentrieren,
der am weitesten auf der stromabwärtigen Seite angeordnet
ist. Aus diesem Grund ist es möglich, die Menge an Kühl
mittel, die über eine Zone 11b der oberen Oberfläche 11a in
einer Nähe des Teils 93, der am weitesten auf der strom
abwärtigen Seite angeordnet ist, hinwegströmt, verglichen
mit jener an anderen Zonen der oberen Oberfläche 11a zu
erhöhen. Deshalb ist es möglich, die spezifische Zone 11b,
wie zum Beispiel einen Teil des Halbleiterelements 11, bei
dem die erzeugte Wärme hoch ist, effektiver zu kühlen.
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung von Abwandlungen
der Anordnung der geneigten Säulen 37
der ersten Ausführungsform. Die Anordnung der geneigten
Säulen 37 wird nachfolgend einfach als
"Säulenanordnung" bezeichnet.
Fig. 15A und 15B zeigen eine Draufsicht bzw. eine
Seitenansicht einer ersten Abwandlung der Säulenanordnung.
In Fig. 15A und 15B sind die geneigten Säulen
37 in einem Zwischenteil des Halbleiterelements 11
bezüglich der parallelen Kühlmittelströmung 43 mit einem
Abstand P1 angeordnet, und dieser Abstand P1 ist kleiner als
ein Abstand P2 der geneigten Säulen
37, die an anderen Teilen des Halbleiterelements 11 angeord
net sind.
Gemäß dieser ersten Abwandlung der Säulenanordnung ist
es möglich, einen spezifischen Teil des Halbleiterelements
11 effektiv zu kühlen. Daher ist es selbst in einem Fall,
bei dem das Halbleiterelement 11 durch eine Packung 101
gebildet ist, die einen Halbleiterchip 100 enthält, und die
Wärme, die von dem zentralen Teil der Packung 101 erzeugt
wird, groß ist, wie in Fig. 15B gezeigt, möglich, das
Halbleiterelement 11 gleichförmig und effektiv zu kühlen.
Fig. 16 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Abwand
lung der Säulenanordnung. In Fig. 16 sind die geneigten
Säulen 37 in einem Teil 111 auf der
stromabwärtigen Seite des Halbleiterelements 11 bezüglich
der parallelen Kühlmittelströmung 43 mit einem Abstand P4
angeordnet, und dieser Abstand P4 ist kleiner als ein Ab
stand P3 der geneigten Säulen 37, die
in einem Teil 110 auf der stromaufwärtigen Seite des Halb
leiterelements 11 angeordnet sind.
Gemäß dieser zweiten Abwandlung der Säulenanordnung
wird die Kühleffektivität des Halbleiterelements 11 an dem
Teil 111 auf der stromabwärtigen Seite im Vergleich zu dem
Teil 110 auf der stromaufwärtigen Seite verbessert. Anderer
seits wird die parallele Kühlmittelströmung 43 erwärmt und
ihre Temperatur steigt an, wenn sie über das Halbleiter
element 11 hinwegströmt, und die Kühlkapazität des Kühl
mittels selbst nimmt hin zu der stromabwärtigen Seite der
parallelen Kühlmittelströmung 43 allmählich ab. Aus diesem
Grund heben sich die Effekte der beiden auf, so daß das
gesamte Halbleiterelement 11 auf eine etwa gleichförmige
Temperatur gekühlt wird.
Dieses Konzept des Kühlens kann auch auf einen Fall
angewendet werden, bei dem eine Vielzahl von Halbleiter
elementen längs der Richtung der Kühlmittelströmung angeord
net sind. Mit anderen Worten, es ist möglich, jedes dar
Halbleiterelemente auf eine etwa gleichförmige Temperatur zu
kühlen, indem die geneigten Säulen bei
jenen Halbleiterelementen, die sich näher an der stromabwärtigen
Seite der Kühlmittelströmung befinden, mit einem
engeren Abstand angeordnet werden.
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung der Abwandlungen
der Säulenanordnung, bei der verschiedene Arten von geneig
ten Säulen auf einem einzelnen Halb
leiterelement angeordnet sind.
Fig. 17 zeigt eine Säulenanordnung, bei der die Längen
der geneigten Säulen hin zu der
stromabwärtigen Seite der parallelen Kühlmittelströmung 43
länger sind. Mit anderen Worten, die Längen l10, l11, l12 und
l13 der geneigten Säulen 120, 121, 122
und 123 genügen einer Beziehung l10 < l11 < l12 < l13.
Die Kühlkapazität der geneigten Säulen
wird größer, so wie die Länge der geneigten Säulen
länger wird. Daher kompensiert die in
Fig. 17 gezeigte Säulenanordnung die Verringerung der
Kühlkapazität, die durch den Temperaturanstieg der par
allelen Kühlmittelströmung 43 auf dem Halbleiterelement 11
verursacht wird. Als Resultat ist es möglich, das gesamte
Halbleiterelement 11 auf eine etwa gleichförmige Temperatur
zu kühlen.
Fig. 18 zeigt eine Säulenanordnung, bei der die Nei
gungswinkel der geneigten Säulen hin
zu der stromabwärtigen Seite der parallelen Kühlmittel
strömung 43 größer sind. Mit anderen Worten, die Neigungs
winkel θ10, θ11, θ12 und θ13 der geneigten Säulen
125, 126, 127 und 128 genügen einer Beziehung
θ10 < θ11 < θ12 < θ13. Außerdem haben die geneigten Säulen
125 bis 128 etwa dieselbe Höhe. Demzufolge
ist die geneigte Säule mit dem größeren
Neigungswinkel auch länger.
Die Kühlkapazität der geneigten Säule
wird größer, so wie die Länge der geneigten Säule
länger wird, und außerdem wird der
Effekt des Mittels zum schrägen Auftreffen des Kühlmittels
auch größer, so wie der Neigungswinkel der geneigten Säule
größer wird. Aus diesem Grund kom
pensiert die in Fig. 18 gezeigte Säulenanordnung die Ver
ringerung der Kühlkapazität, die durch den Temperaturanstieg
der parallelen Kühlmittelströmung 43 auf dem Halbleiter
element 11 verursacht wird. Als Resultat ist es möglich, das
gesamte Halbleiterelement 11 auf eine etwa gleichförmige
Temperatur zu kühlen.
Da die Höhen der geneigten Säulen
125 bis 128 etwa dieselben sind, trifft ferner die parallele
Kühlmittelströmung 43 auf alle geneigten Säulen
125 bis 128, und die Kühlkapazität des
Kühlmittels wird effektiv genutzt.
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung einer weiteren
Ausführungsform der Halbleiterelementkühlvorrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung.
Fig. 19 und 20 zeigen diese Ausführungsform. In
einer in Fig. 19 und 20 gezeigten Halbleiterelementkühlvor
richtung 200 bilden geneigte Säulen,
die hin zu der stromaufwärtigen Seite der Kühlmittelströ
mung geneigt sind, das Mittel zum schrägen Auftreffen des
Kühlmittels, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform.
Diese vierte Ausführungsform erhält jedoch die Kühlmittel
strömung durch ein Kühlmittel, das aus der Düse ausgestoßen
wird.
In Fig. 19 und 20 ist eine Vielzahl von geneigten
Säulen 201 auf der oberen Oberfläche
11a des Halbleiterelements 11 konzentrisch um eine Mitte des
Halbleiterelements 11 herum angeordnet. Außerdem sind die
geneigten Säulen 201 in einem Winkel θ
hin zu der Mitte des Halbleiterelements 11 geneigt. Die Düse
21 ist über dem Halbleiterelement 11 vorgesehen, um der
oberen Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11 gegenüber
zuliegen.
Die Hochgeschwindigkeitskühlmittelströmung 22, die von
der Düse 21 mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird,
trifft auf die Mitte der oberen Oberfläche 11a des Halblei
terelements 11 und bildet danach die Strahlströmung 23, die
sich längs der oberen Oberfläche 11a radial ausbreitet.
Diese radiale Strahlströmung 23 absorbiert die Wärme von der
oberen Oberfläche 11a und den geneigten Säulen
201 und kühlt das Halbleiterelement 11.
Jede der geneigten Säulen 201 ist
hin zu der stromaufwärtigen Seite der radialen Strahlströ
mung 23 geneigt. Aus diesem Grund wird ähnlich wie bei der
ersten Ausführungsform eine abwärtige Strömung 202 erzeugt,
und sie stimuliert die Kühlmittelströmung an der oberen
Oberfläche 11a des Halbleiterelements 11. Außerdem ist der
Oberflächenbereich der geneigten Säulen
202 vergrößert. Als Resultat ist es möglich, die Kühleffek
tivität bezüglich des Halbleiterelements 11 zu verbessern.
Claims (16)
1. Halbleiterelementkühlvorrichtung, die dafür ausgelegt
ist, um wenigstens ein Halbleiterelement (11) zu kühlen,
das auf einem Schaltungssubstrat (12) montiert ist, wobei
die genannte Halbleiterelementkühlvorrichtung umfaßt:
ein erstes Mittel (32, 34, 35) zum Erzeugen einer Kühlmittelströmung (43) durch Strömen eines Kühlmittels über eine obere Oberfläche (11a) des Halbleiterelements (11); und
ein zweites Mittel (37, 201) zum schrägen Auftreffen des Kühlmittels auf das Halbleiterelement (11) von einer stromaufwärtigen Seite hin zu einer stromabwärtigen Seite der Kühlmittelströmung (43),
dadurch gekennzeichnet, daß das genannte zweite Mittel (37, 201) umfaßt:
eine Vielzahl von geneigten Säulen (37; 201), die auf der Oberfläche (11a) des Halbleiterelements (11) vorgesehen sind und mit einem Neigungswinkel bezüglich einer Richtung befestigt sind, die zu der oberen Oberfläche des Halblei terbauelements rechtwinklig ist und ausschließlich gegen die Kühlmittelströmung geneigt sind; wobei die jeweilige Höhe (L2) der Säulen (37; 201) kleiner ist als die Länge (L1) der jeweiligen geneigten Kühlmittel-Aufprallfläche der Säulen.
ein erstes Mittel (32, 34, 35) zum Erzeugen einer Kühlmittelströmung (43) durch Strömen eines Kühlmittels über eine obere Oberfläche (11a) des Halbleiterelements (11); und
ein zweites Mittel (37, 201) zum schrägen Auftreffen des Kühlmittels auf das Halbleiterelement (11) von einer stromaufwärtigen Seite hin zu einer stromabwärtigen Seite der Kühlmittelströmung (43),
dadurch gekennzeichnet, daß das genannte zweite Mittel (37, 201) umfaßt:
eine Vielzahl von geneigten Säulen (37; 201), die auf der Oberfläche (11a) des Halbleiterelements (11) vorgesehen sind und mit einem Neigungswinkel bezüglich einer Richtung befestigt sind, die zu der oberen Oberfläche des Halblei terbauelements rechtwinklig ist und ausschließlich gegen die Kühlmittelströmung geneigt sind; wobei die jeweilige Höhe (L2) der Säulen (37; 201) kleiner ist als die Länge (L1) der jeweiligen geneigten Kühlmittel-Aufprallfläche der Säulen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die in einer Reihe quer zur Kühlmittelströmung angeord
neten Säulen (37; 201) an ihren oberen freien Endabschnit
ten unter Bildung einer kammförmigen Struktur (80) verbun
den sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Vielzahl der Säulen jeweils einen zur
Kühlmittelströmung senkrecht verlaufenden Abschnitt (75a),
der der oberen Oberfläche (11a) des Halbleiterelements (11)
benachbart ist, und einen zur Kühlmittelströmung geneigten
Abschnitt (75b) aufweisen, der von der oberen Oberfläche
(11a) des Halbleiterelements (11) abgelegen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß jede der Säulen einen im wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß jede der Säulen einen rechteckförmigen Quer
schnitt aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß jede der Säulen einen im wesentlichen halb
kreisförmigen Querschnitt aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß jede der Säulen (66) einen mondsichelförmigen
Querschnitt aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Querschnitt jeder der Säulen (70)
von einem Befestigungsbereich derselben an der oberen Ober
fläche des Halbleiterelements von einer im wesentlichen
kreisförmigen Querschnittsgestalt allmählich in eine kan
tenförmige Querschnittsgestalt am außen liegenden Ende der
jeweiligen Säulen übergeht.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Säulen in we
nigstens einer im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung
verlaufenden Säulenreihe (90) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die wenigstens eine Säulenreihe in einer V-Gestalt ver
laufend angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere quer zur Strömungsrichtung verlaufende Säulen
reihen vorgesehen sind, wobei in wenigstens einer der Säu
lenreihen die Zahl der Säulen verschieden ist von der Zahl
der Säulen in wenigstens einer anderen Säulenreihe.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Positionen der Säulen in einer Säulenreihe gegen
über den Positionen der Säulen in einer anderen Säulenreihe
quer zur Strömungsrichtung versetzt sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilung (P4) der Säulen in wenigstens einer der
Säulenreihen kleiner ist als die Teilung (P3) der Säulen in
wenigstens einer anderen Säulenreihe.
14. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Neigung der geneigten Säulenab
schnitte von Säule zu Säule oder von Säulenreihe zu Säulen
reihe stromabwärts zunimmt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Höhe der in Strömungsrichtung auf
einanderfolgenden Säulen oder Säulenreihen stromabwärts zu
nimmt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die wenigstens eine Säulenreihe kreisförmig um ein
Strömungszentrum (21) herum angeordnet ist.
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