DE2428934A1 - Anordnung einer durch kuehlkoerper gekuehlten leistungshalbleitervorrichtung - Google Patents

Anordnung einer durch kuehlkoerper gekuehlten leistungshalbleitervorrichtung

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DE2428934A1
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James Charles Corman
Michael Herbert Mclaughlin
Gunnar Eric Walmet
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Original Assignee
General Electric Co
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Description

Anordnung einer durch Kühlkörper gekühlten Leistungshalbleitervorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine dünne Anordnung zum Kühlen von Leistungshalbleitervorrichtungen und im einzelnen auf eine solche mit Flüssigmetallabschnitten zwischen der Halbleitervorrichtung und Kühlgliedern, wodurch im Ergebnis das Einschwingverhalten verbessert und der thermische Dauerzustandswiderstand vermindert werden.
Halbleitervorrichtungen der verschiedenen Arten werden ständig für Leistungsanwendungen im Unterschied zu Signalverarbeitungen in größeren Formen ausgebildet. Diese größere Form der Vorrichtung sowie eine größere Strom- und Leistungsrate erfordern eine wirksame Einrichtung zum Abführen der in der Vorrichtung erzeugten Wärme, um deren Betrieb innerhalb ihrer zulässigen Temperaturgrenzen für einen Dauerzustand und einen Einschwingvorgang zu halten. Da unzweifelhaft ein Zukunftstrend zum Vergrößern der Leistungsrate von Halbleitervorrichtungen auch über diejenige der zur Zeit benutzten besteht, ist leicht ersichtlich, daß wirkungsvollere Kühleinrichtungen für derartige Leistungsvorrichtungen erzeugt werden müssen.
Herkömmliche Kühlsysteme für Leistungshalbleitervorrichtungen haben allgemein die Form eines gerippten Kühlgliedes, das die Wärmeleitungsübertragung innerhalb des Kühlkörpers ausnutzt, um die Wärme von der Halbleitervorrichtung abzuführen.
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in o
Später entwickelte Vorrichtungen zum Kühlen von Leistungshalbleitervorrichtungen sind Wärmerohre (heat pipes), die eine Wärmeübertragung durch Verdampfen einer flüssigen Phase eines zweiphasigen Kühlmittels innerhalb einer abgedichteten Kammer oder einem Rohr bewirken, indem die Wärme für eine Verdampfung ausgenutzt bzw. einem Verdampferbereich der Kammer zugeführt wird. Der Verdampfungsbereich des Wärmerohres empfängt so die Wärme von der gekühlten Vorrichtung, und der erwärmte Dampf, der unter einem vergleichsweise höheren Dampfdruck steht, bewegt sich zum Niederdruckbereich im Kondensationsabschnitt der Kammer oder des Rohres. Dies erfolgt in einem weitgehend isothermen Vorgang, bei dem der Dampf kondensiert und das Kondensat zum Verdampfungsbereich zurückkehrt, um erneut verdampft zu werden und so den Wärmeübertragungszyklus zu wiederholen. Der Kondensatorabschnitt des Wärmerohres stellt im wesentlichen einen luftgekühlten Oberflächenkondensator dar, der die Wärme an die Umgebungsluft abführt. Üblicherweise wird ein dochtartiges Material längs weitgehend der gesamten Innenoberfläche des Wärmerohres benutzt, um das Kondensat durch Kapillarwirkung zum Verdampfungsabschnitt des Wärmerohres zu pumpen. Da das Wärmerohr als Wärmeübertragungsvorgang nicht eine Wärmeleitung benutzt (mit Ausnahme der Übertragung der Wärme in das und aus dem Wärmerohr), wird dadurch eine herkömmlich gerippten Kühlgliedern anhaftende Begrenzung infolge der mit vergrößerter Pfadlänge reduzierten Wirksamkeit der Wärmeleitungsübertragung überwunden. Es wird deshalb davon ausgegangen, daß das Wärmerohr eine günstigere Vorrichtung zur Verwendung beim Kühlen von Leistungshalbleitervorrichtungen darstellt. Eine erste Verwendung einer Wärmerohrkühlung von Leistungshalbleitervorri'chtungen ist aus Verkaufsbroschüren der Heat-Pipe Corporation of America of Westfield, New Jersey, zu entnehmen, in denen Wärmerohre beschrieben sind, die für einen Wärmetransport bzw. eine Wärmeabführung von elektrischen Motoren, Halbleitern, Bremsen, Kupplungen und anderen wärmeerzeugenden Vorrichtungen benutzt werden. Eine Publikation von der RCA Corporation at Lancaster, Pa. als endgültiger technischer Bericht unter dem Vertrag DAAKo2-69-C-o6o9 vom Oktober 1972 offenbart Halbleiterthyristorvorrichtungen, die durch mit einem dochtartigen Gebilde versehene Wärme-
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rohre gekühlt werden, wobei sich der Docht in direktem Kontakt mit der Halbleitervorrichtung befindet. Diese Anordnung hat jedoch nicht die nach der Erfindung erzielbare Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Entfernbarkeit der Halbleitervorrichtung; da beim Entfernen bzw. Austauschen der Halbleitervorrichtung auch das Wärmerohr wegen der einteiligen Ausbildung mit dem dochtartigen Gebilde verlorengeht. Auch weist ein derartiges Wärmerohr eine begrenzte Leistungsdichte durch den Docht auf. Ferner ist eine Wärmerohrkühlung von Leistungshalbleitervorrichtungen auch in einer Abhandlung mit dem Titel Application of Heat Pipes to the Cooling of Power Semiconductors von Edward J. Kroliczek der Dynatherm Corporation of Cockeysville, Md. offenbart, die die Befestigung einer Leistungshalbleitervorrichtung mit einer Wärmerohranordnung beschreibt. Bei dieser werden zwei Wärmerohre für eine einseitige Kühlung verwendet/ wobei jedes der Rohre einen kleinen Querschnitt vnd einen flachen-Aufbau aufweist, der den thermischen Widerstand beträchtlich vergrößert. Die Ausrichtung der schmalen Wärmerohre gegenüber den großen Kühlrippen in der Anordnung von Dynatherm führt auch zu einer schlechten Wärmeverteilung, da eine Wärmeleitungsübertragung erforderlich ist, um die Wärme seitlich von den Kanten der Wärmerohre zu den äußeren Bereichen der Rippen zu führen.
Es wurde vorgeschlagen, daß eine Wärmerohrkühlung von Leistungshalbleitervorrichtungen mit dochtfreien Wärmerohren durchzuführen ist, die eine Schwerkraftrückführung aufweisen. Bei derartigen Anwendungen wird jedoch die Halbleitervorrichtung zwischen zwei relativ großen Druckplatten unter hohem Druck zur Erzielung von Druckabschnitten bzw. -grenzflachen eingespannt, die zu einem relativ kleinen thermischen Dauerzustandswiderstand wie auch zu einer Abnahme des Übergang- bzw. Einschwingtemperaturanstieges bei langzeitigen Wärmeüberlastungen führen. Obwohl derartige Vorschläge völlig zufriedenstellend sind, gibt es Anwendungen, bei denen es erwünscht ist, die Halbleitervorrichtung und ihre Stützanordnung als eine dünnere Einheit auszubilden, die keine Hochdurckabschnitte bzw. -grenzflachen erforderlich macht, um das Einschwingverhalten zu verbessern und eine weitere Verminderung
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des thermischen Dauerzustandswiderstandes zu erzielen. Da ferner Klemm- bzw. Spannkräfte im Bereich von 6 bis 8 Tonnen bei Leistungshalbleitervorrichtungen mit einem Durchmesserbereich von loo mm erforderlich sein können/ sind die Kosten und die mechanische Komplexibilität der Spannvorrichtung recht bedeutend.
Flüssigmetallverbindungen sind beispielsweise aus Anwendungen von quecksilberbenetzten Gleit- oder Schleifringen bekannt. Ein US-Patent 3.226.6o8 mit dem Titel 'Liquid Metal Electrical Connection1 bezieht sich auf die Verwendung von flüssigem Metall zum Verbinden von Wolfram- oder Molybdänscheiben eines Siliziumgleichrichters für große Ströme mit einteilig mit dem Inneren des Gleichrichters ausgebildeten Leitern. Jedoch bezieht sich dieses Patent auf innere einteilige und von dem flüssigen Metall gebildete elektrische Verbindungen. Doch wird nach diesem Patent nicht die Verwendung von Flüssigmetallverbindungen zum Anordnen eines entfernbaren Gleichrichter oder einer anderen dünnen zerbrechlichen Einheit vorgeschlagen, um dadurch Hochdruckverbindungen zwischen Wärmeseriken zu eliminieren,
die normalerweise für eine wirkungsvolle Wärmeübertragung (mit niedrigem Wärmewiderstand) notwendig sind. So sind nach der vorliegenden Erfindung die Flüssigmetallgrenzschichten außerhalb der Halbleitervorrichtung vorgesehen, während sich die Grenzschichten nach dem obigen US-Patent im Inneren befinden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Schaffung eines verbesserten Kühlsystems für Leistungshalbleitervorrichtungen zugrunde, das den herkömmlichen Kühlsystemen hinsichtlich des Dauerzustandes und des Einschwing- bzw. Übergangverhaltens überlegen ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist erfindungsgemäß ein verbessertes Kühlsystem für Leistungshalbleitervorrichtungen vorgesehen, das eine einteilige Einheit mit einer zwischen zwei dünnen metallischen Bechergliedern eingeklebten bzw. verlaschten Leistungshalbleitervorrichtung und eine elektrische Isolation längs den Seiten der Anordnung zur Erzielung eines vergrößerten Kriechweges über die Halbleitervorrichtung aufweist. Grenzschichten aus flüs-
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sigem Metall sind zwischen den metallischen Bechergliedern und Wärmesenken vorgesehen, und es ist nur eine kleine Klemm- bzw. Spannkraft erforderlich, um die beiden Kühlglieder und die einteilige Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit sowie die Flüssigmetallgrenzflächen, in einer Anordnung zu halten, in der die einteilige Einheit leicht austauschbar ist. Die Flüssigkeitsgrenzschichten sind dünne Filme eines Metalls, beispielsweise einer niedrigschmelzenden Legierung von Indium, Zinn, Blei, Antimon, Wismut und Kadmium. Die Flüssigmetallabschnitte oder -grenzschichten bilden Verbindungen großer thermischer und elektrischer Leitfähigkeit zwischen den Bechergliedern und den Kühlgliedern. Durch Anwesenheit der FlüssigmetallgrenzflädEn und durch Vermeidung von
duneren
Hochdruckyerbin/(Grenzschichten) wird eine Belastung der dünnen und zerbrechlichen Einheit aus der Halbleitervorrichtung und dem metallischen Becherglied während einer Temperaturänderung vermieden. Die Kühlglieder können herkömmliche luftgekühlte sowie gerippte oder wassergekühlte Kühlglieder sein, ferner beispielsweise Dochtwärmerohre oder dochtfreie Wärmerohre mit einer Schwerkraftrückführung. Im Fall der Verwendung des wirksameren dochtfreien Wärmerohres kann die Verdampfungsoberfläche desselben durch Aufsintern bzw. Aufschmelzen eines dünnen porösen Metallaufbaues vergrößert werden. Alternativ kann auch eine dünne, unregelmäßige und aus einer Anzahl von metallischen Gliedern, wie schmalen Rippen oder Bolzen bzw. Stäben, mit der Verdampfungsoberfläche des Wärmerohres zur Verstärkung derselben verbunden werden. Aufgrund der dünnen Ausbildung der einteiligen Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit, der Flüssigmetallabschnitte und der Vermeidung irgendwelcher trockener Druckgrenzschichten werden der thermische Dauerzustandswiderstand wie auch das Einschwing- bzw. Übergangsverhalten, gemessen vom Körper des Halbleitermaterials zu den Kühlgliedern, beträchtlich verbessert, wodurch sich eine günstigere Kühlung der Halbleitervorrichtung ergibt.
Die Erfindung wird nachfolgend an einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 - eine vergrößerte und teilweise geschnittene Aufsicht einer zusammenhängenden Einheit einer Leistungshalblei-
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tervorrichtung mit metallischen Bechergliedern in einer Anordnung mit einem Teil eines dochtfreien Wärmerohres, das zwei unterschiedliche Arten einer Ver*dampfungsflächenvergrößerungseinrichtung aufweist, und eine-i mit einem Dochtgebilde versehenen Wärmerohr,
Figur 2 - eine teilweise geschnittene Aufsicht eines gegenüber Figur 1 größeren Teils der Anordnung zur Darstellung einer typischen Einrichtung zum Zusammenklemmen der beiden Wärmerohre mit einer niedrigen Spannkraft,
Figur 3 - eine teilweise geschnittene Aufsicht einer zusammenhängenden Einheit aus einer Leistungshalbleitervorrichtung und aus metallischen Bechergliedern in einer Anordnung mit herkömmlichen luftgekühlten, gerippten Kühlgliedern und
Figur 4 - eine Querschnittsansicht längs der Linie 4-4 aus Figur
In Figur 1 sind Details der Erfindung dargestellt, wonach eine Leistungshalbleitervorrichtung Io zwischen zwei dünnen, metallischen, becherähnlichen Gliedern 11 und 12 verbunden bzw. geklebt ist. Die Leistungshalbleitervorrichtung wird hierbei als eine solche bestimmt, die eine thermische Dichte von zumindest 15,5 Watt
pro cm (loo Watt pro sq in) entwickelt. Die Leistungshalbleitervorrichtung Io stellt einen Körper aus Halbleitermaterial mit ersten und zweiten flachen, parallelen Hauptoberflächen loa und lob dar, die zwischen sich den Körper aus Halbleitermaterial begrenzen. Die zerbrechlichen Siliziumübergangszonen des Körpers Io werden üblicherweise gegen thermische und mechanische Belastungen geschützt, indem eine der Hauptoberflächen in Druckkontakt mit einer aus Wolfram oder Molybdän, als zwei typische Metalle, hergestellten Stützplatte gehalten wird, während die zweite Hauptoberfläche mit einer zweiten Stützplatte verlötet oder in anderer Weise verbunden ist, wie es im Fall der beiden obengenannten Patentanmeldungen zutrifft. Eine derartige übliche Anordnung verhindert ein Aufreißen bzw. Aufspalten oder eine andere Zerstörung des Halbleiterkörpers infolge thermischer Ausdehnungsbelastungen, die während eines Übergangs- bzw. Schaltbetriebes durch die Schwankung der Übergangszonentemperatur begründet werden, welche in der
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Größenordnung von 2oo C liegt. Ferner wird die Stützplatten-Halbleiterkörper-Schichtungsvorrichtung gemäß den beiden obigen
Patentanmeldungen unter hohem Druckkontakt zwischen zwei Druckplatten gehalten, die zur Ausübung eines hohen Drucks in der
Größenordnung von I4o>6o kp/cm (2ooo lb/sq in) gleichmäßig gegeneinander und gegen die Leistungshalbleitervorrichtung gepreßt werden. Ein derartig hoher Druck führt zu relativ niedrigen thermischen und elektrischen Widerständen der Druckgrenzflächen in der Größenordnung von o,o97° C cm /Watt (o,ol5 C inch /Watt) und 2o χ lo~ Ohm. Typische Abmessungen des oben beschriebenen Druckflächen- bzw. Druckabschnitteiis von einer Anordnung einer durch Kühlkörper gekühlten Leistungshalbleitervorrichtung sind die folgenden: Der Körper des Halbleitermaterials hat eine Dicke von o,25 mm (Io mils) und einen Durchmesser von 5o,8 mm (2ooo mils) für eine Halbleitervorrichtung mit 7oo Ampere und 12oo Volt, wobei die Stützplatten jeweils I,o2 mm (4o mils) und die Druckplatten jeweils 2,54 mm bis 7,62 mm (loo bis 3oo mils) dick sind. Die Druckplatten haben aufgrund ihrer relativen Größe eine bedeutende Wärmespeicherfähigkeit, und sie begründen eine Dämpfung von gegebenenfalls auftretenden Wärmeübergängen. Jedoch führt die Anwesenheit von Druckabschnitten zwischen den Druckplatten und Stützplatten und zwischen einer der Stützplatten und dem Halbleiterkörper zu einer unteren Begrenzung der im oben beschriebenen Kühlsystem für eine Leistungshalbleitervorrichtung erreichbaren thermischen und elektrischen Widerstände von der Übergangszone zur Umgebung. Die vorliegende Erfindung ist daher auf die Ausschaltung derartiger Druckabschnitte gerichtet.
Im Gegensatz zum oben beschriebenen Druckabschnittsteil einer Anordnung mit einer durch Kühlkörper gekühlten Leistungshalbleitervorrichtung werden derartige Druckabschnitte nach der vorliegenden Erfindung in der folgenden Weise ausgeschaltet. Die Hauptoberflächen loa und lob des Halbleiterkörpers Io sind entsprechend mit den äußeren Bodenflächen von zwei sehr dünnen becherähnlichen Gliedern 11 und 12 verlötet, verschweißt oder in anderer Weise verbunden, wobei die Glieder 11 und 12 aus einem thermisch sowie elektrisch gut leitenden Material großer Festigkeit
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bestehen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient weitgehend demjenigen des Halbleitermaterials entspricht. Im Fall eines Silizium-Halbleiterkörpers Io können die Becherglieder 11, 12 aus Molybdän oder Wolfram bestehen, um zwei typische Metall zu nennen. Für den Fall der oben beschriebenen Halbleitervorrichtung für 7oo Ampere und 12oo Volt liegt die Dicke eines jeden Bechergliedes 11 und 12 im Bereich von o,o25 bis o,152 mm (2 bis 6 mils). Es ist die Kleinheit dieser Abmessung, die den Aufbau von thermischen Expansionsbelastungen an den Halbleiterkörper-Becherglied-Grenzflächen verhindert, weshalb feste Bindungsarten eher als eine Verwendung eines Druckabschnitts benutzt werden können.
Die äußeren Seitenwandungsteile der Becherglieder 11 und 12 bilden eine Stütze für eine Kriechwegverlängerungseinrichtung 13, die aus Gummi, einem Keramikstoff oder einem anderen elektrisch isolierenden Material besteht und über weitgehend die volle Höhe der Seitenwandungen der Becherglieder 11 und 12 zum Vergrößern des Kriechweges über die Halbleitervorrichtung Io geformt ist. Die Kriechwegverlängerungseinrichtung 13 kann eine keramische Zusammensetzung oder eine Silikonkautschukzusammensetzung haben, beispielsweise den von der General Electric Company erzeugten Typ RTV, und ist vorzugsweise mit einer unregelmäßigen Außenoberfläche zur Erzielung eines noch größeren Kriechweges versehen, um einen Überschlag zwischen den Bechergliedern zu verhindern. Im Fall einer Silikonkautschukzusammensetzung füllt diese den Leerraum zwischen den Bechergliedern 11 und 12 vorzugsweise vollständig aus, um dadurch auch eine Schmutzabdichtung um die Leistungshalbleitervorrichtung Io zu bilden. Diese Silikonkautschukzusammensetzung verläuft dann längs der Außenseitenoberflächen der Becherglieder zur Erzielung des vergrößerten Kriechweges zwischen den Bechergliedern und über die Halbleitervorrichtung. Im Fall einer keramischen Zusammensetzung gemäß Figur 1 muß der keramische Stoff nicht den ganzen Raum zwischen den Bechergliedern 11 und 12 ausfüllen. Er kann einen geraden bzw. konstanten Bohrungsinnendurchmesser aufweisen, und der verbleibende Raum 13a zwischen den Bechergliedern wird vorzugsweise mit einem Inertgas wie Stickstoff aufgefüllt, oder er kann auch mit Silikonkautschuk
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gefüllt werden. Die Kriechwegvergrößerungseinrichtung 13, die Becherglieder 11 und 12 und die Lexstungshalbleitervorrichtung Io bilden so einen dünnen einteiligen Aufbau, der nachfolgend als Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit oder auch kurz als Einheit bezeichnet wird. Die Notwendigkeit für die Vergrößerung des Kriechweges zwischen den Bechergliedern 11 und 12 ergibt sich im Hinblick auf die geringe Dicke der einteiligen Einheit, die bei den oben beschriebenen Abmessungen (Becherdicke von jeweils o,o57 mm - 2 mils) und bei einer typischen Halbleitervorrichtung mit Anoden-Kathoden-Potentialen von 12oo Volt so klein wie ο,36 mm (14 mils) sein kann.
Die von der Halbleitervorrichtung Io über die Becherglieder 11 und 12 (bei einer Annahme einer doppelseitigen Kühlung) während des Betriebes der Vorrichtung Io geleitete Wärme erfordert geeignete Wärmesenken zur Erzielung des notwendigen Wärmeaustausches von den Bechergliedern zur Umgebungsluft. Die Kühlglieder können herkömmlich aufgebaut und beispielsweise luftgekühlte, feste und gerippte Kühlglieder gemäß Darstellung in Figuren 3 und 4 sein, oder aber flüssigkeitsgekühlte Kühlglieder darstellen, die einen Wärmeleitungsübergang zum Übertragen bzw. Abführen der Wärme über einen kleinen Abstand von der Halbleitervorrichtung zu einem Kühlkanal oder einer Anzahl von Kühlkanälen und dann zur Umgebung benutzen. Auch kann das Kühlglied ein erst kürzlich entwickeltes Wärmerohr (heat pipe) sein, das einen Dampfphasenwärmeübergang ausnutzt. In jedem Fall sind geeignete Grenzflächen zwischen den inneren Bodenoberflächen der Becherglieder 11, 12 und den Kühlgliedern erforderlich. Im Fall der beiden obengenannten Patentanmeldungen stellen die Grenzflächen in der beschriebenen Weise Hochdruckabschnitte dar. Diese werden jedoch nach der vorliegenden Erfindung durch Verwendung von Flüssigmetallgrenz flächen 14 und 15 zwischen den Bechergliedern 11 und 12 und den Wärmesenken vermieden. Die Flüssigmetallabschnitte 14 und 15 stellen dünne Filme eines Metalls dar, das zumindest bei der Betriebstemperatur der Halbleitervorrichtung flüssig ist und sich außerhalb eines Betriebes in einem flüssigen oder festen Zustand befindet. Das oder die als
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- Io -
Flüssigmetallabschnitte zu benutzenden Metalle müssen eine große thermische Leitfähigkeit für einen wirksamen Wärmeübergang von •den Bechergliedern zum Kühlglied und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, da die elektrischen Verbindungen sum Zuführen der Leistung zur Halbleitervorrichtung außerhalb der einteiligen Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit angebracht werden. Die Flüssigmetallabschnitte können aus einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisenden eutektischen Legierungen verschiedener Kombi* nationen bestimmter Metalle oder aus einem reinen Metall mit niedrigem Schmelzpunkt gebildet sein. Das Metall oder die Metalllegierung muß ferner auch große metallurgische Benetzungseigenschaf ten aufweisen, um eine anfängliche Haftung des Metalls an den Oberflächen der Becherglieder und der Wärmerohrendflachen zu bilden und um ausreichende Kapillarkräfte zu entwickeln, damit das flüssige Metall in der Fuge verbleibt. Das ausgewählte spezielle flüssige Metall oder die Metallegierung muß ferner eine Verträglichkeit mit dem den Halbleiterkörper verkleidenden Metall der Becherglieder und auch mit dem die Wärmesenken bildenden Metall aufweisen. Zwei typische Beispiele für Metalle, die in der eutektischen Legierung verschiedener Kombinationen von Metallen benutzt werden können, sind einerseits Natrium und Kalium (NaK) und andererseits Indium, Zinn, Blei, Antimon, Wismut und Kadmium. Ein verwendbares Reinmetall mit niedrigem Schmelzpunkt und großen metallurgischen Benetzungseigenschaften ist Gallium. Die Dicke des Flüssigmetallabschnitts 14 oder 15 liegt in einem Bereich von o,oo3 bis o,127 mm (l/lo bis 5 mils) und vorzugsweise im Bereich von weniger als o,o25 mm (1 mil).
bindunKen
Die Flüssigmetallver vereinfachen sehr stark die Kühlanordnung der Halbleitervorrichtung, da es die hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit des flüssigen Metalls und die Tatsache, daß die Flüssigkeitsfuge die zerbrechliche Halbleitervorrichtung-Bechergliedanordnung nicht mechanisch belastet, die Kühlung von Halbleitervorrichtungen großen Durchmessers ermöglicht, ohne daß große Kräfte zur Erzielung von Hochdruckverbindungen bzw. -fugen erforderlich sind. Der Vorteil, daß keine großen Klemm- bzw. Preßkräfte benötigt werden, ist besonders dann von Bedeutung,
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wenn es wie hier erwünscht ist, sowohl die einteilige Einheit, als auch die Wärmerohrwandungen so dünn wie möglich zu machen, um den thermischen Widerstand im eingeschwungenen Zustand zu vermindern und das Einschwingverhalten zu verbessern. Da die Flüssig-
Wärme und
metallverbindungen/ Elektrizität übertragen, besteht keine Notwendigkeit für Hochdruckverbindungen. Da die Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit dünn ist und keine trockenen Druckstöße enthält und da die die einteilige Einheit und die Flüssigmetallabschnitte enthaltende Anordnung keinen großen Berührungsdruck erfordert, führt dieses zu einem weitgehend verminderten thermischen Widerstand in unmittelbarer Umgebung des Halbleiterkörpers. Dieser weitgehend verminderte Wärmewiderstand des Halbleiterkörpers führt dazu, daß die thermischen Widerstände sowohl im Dauer- bzw. eingeschwungenen Zustand, als auch im Übergangszustand vermindert werden, so daß beide Eigenschaften der Anordnung hinsichtlich des eingeschwungenen und des Einschwingvorganges verbessert werden. Gemäß Figur 2 ist nur eine sehr kleine Klemmkraft erforderlich, um die beiden Kühlglieder in Berührung mit den Flüssigmetallabschnitten und der einteiligen Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit zu halten. Diese geringe Klemmkraft ermöglicht ferner gegenüber Anwendungen mit großer Klemmkraft die Verwendung einer sehr viel weniger kostspieligen und mechanisch komplexen Klemmvorrichtung.
In Figur 1 sind die Flüssigmetallabschnitte 14 und 15 in Kontakt mit Verdampferbereichsendwandungen 16a und 17a von zwei Wärmerohren dargestellt, welche als Ganzes mit den Hinweiszahlen 16 und 17 belegt sind.
Die detaillierter in Figur 2 dargestellten Wärmerohre 16 und 17 stellen jeweils ein abgedichtetes Rohr bzw. eine abgedichtete Kammer dar, die einen Verdampfungs- oder Verdunstungsabschnitt, der sich in Berührung mit der Wärmequelle (der zu kühlenden Halbleitervorrichtung) befindet, und einen Konderisationsabschnitt enthält, welcher sich am gegenüberliegenden Ende der Kammer befindet und eine Entfernung bis zu mehreren Fuß haben kann. Ein zweiphasiges Kühlmittel befindet sich in den Wärmerohren und be-
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wirkt einen Wärmeübergang durch Verdampfen einer Flüssigkeitsphase des Kühlmittels infolge der Wärmeleitung von der Halbleitervorrichtung Io über die Becherglieder 11, 12 und Flüssigmetallabschnitte 14, 15 zum Verdampferbereich 16a, 17a der Wärmerohre. Der Verdampfefbereich eines jeden Wärmerohres empfängt auf diese Weise die Wärme von der zu kühlenden Vorrichtung, und der sich unter einem relativ hohen Dampfdruck befindliche sowie erwärmte Dampf bewegt sich zu einem Bereich niedrigeren Druckes im Kondensationsabschnitt des Wärmerohres, das als Oberflächenkondensator fungiert. Im Kondensator kondensiert der Dampf, und das Kondensat kehrt zum Verdampferabschnitt zurück, um erneut verdampft zu werden, so daß sich der Wärmeübertragungszyklus wiederholt. Der Kondensationsabschnitt eines jeden Wärmerohres hat aufgrund des großen Oberflächenbereichs eine große thermische Masse und ist vorzugsweise mit einem gerippten Wärmeaustauscher versehen, um dadurch als luftgekühlter Oberflächenkondensator zu arbeiten, der die Wärme an die den Kondensationsabschnitt umgebende Umgebungsluft abscheidet. Für eine wirkungsvollere Abführung der Wärme an die Umgebungsluft wird ein Ventilator oder eine andere Einrichtung benutzt, um eine erzwungene Luftkühlung zu erzielen, indem eine ausreichende Geschwindigkeit der über die Kühlrippen gemäß den Pfeilen in Figur 2 geführten Umgebungsluft entwickelt wird. Herkömmliche Wärmefohre (nämlich Dochtwärmerohre wie das Wärmerohr 17 aus Figur 1) sind allgemein horizontal ausgerichtet, und ein Kapillarpumpaufbau oder ein Docht 17b ist mit der flüssigen Phase des Kühlmittels getränkt bzw. gesättigt und wird dazu verwendet, das Kondensat durch Kapillarwirkung zum Verdampferabschnitt des Wärmerohres zu 'pumpen1.
Jedoch ist ein Docht bzw. ein dochtartiges Gebilde dann bei einem Betrieb eines Wärmerohres unwichtig, wenn dieses wie das Wärmerohr 16 in Figur 1 schwerkraftbetrieben ist. Dabei ist das Wärmerohr unter eineir gewissen Winkel von der Horizontalen ausgerichtet, der nicht den in Figur 2 dargestellten Extremfall von 9o einnehmen muß. Jedes der in den obengenannten Publikationen dargestellten Wärmerohre weist eine horizontale Ausrichtung auf, so daß hierbei der Docht zum Pumpen der Kondensflüssigkeit vom
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Kondensationsbereich zum Verdampferbereich erforderlich ist. Bei dem schwerkraftbetriebenen Wärmerohr gelangt die Kondensflüssigkeit durch Schwerkraft zum Verdampferbereieh. Durch Wegfall des Dochtmaterials längs der verschiedenen Innenflächen des schwerkraftbetriebenen Wärmerohrs ergibt sich ein verminderter thermischer Widerstand, da der Docht eine zusätzliche Wärmewiderstand-Verlustkomponente in das System einführt. Ferner wird durch Verwendung eines Dochtwärmerohres die wirksame Länge des benutzbaren Wärmerohres begrenzt, da die mit dem Docht verbundenen Pumpverluste mit der Länge des Wärmerohres ansteigen. Aus diesen Gründen enthält eine bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden Kühlsystems gemäß Figur 2 Wärmerohre mit einer Schwerkraftrückführung mit dem Ergebnis einer wirksameren Kühlung, während jedoch die Dochtwärmerohre alternativ ebenfalls benutzt werden können, sofern dieses erwünscht ist. Es wird darauf hingewiesen, daß Wärmerohre desselben Typs im allgemeinen für eine doppelseitige Kühlung gemäß Figur 2 verwendet werden, und Figur 1 dient lediglich zur Darstellung des unterschiedlichen Aufbaues der Verdampferbereiche von dochtfreien Wärmerohren 16 und von Dochtwärmerohren 17. '
Da der Verdampferbereich (Siedeoberfläche) der schwerkraftbetriebenen (ohne Docht) Wärmeröhre relativ klein im Vergleich zur großen Oberfläche im Kondensationsbereich ist, ist es erwünscht, diese Siede- bzw. Verdampferoberfläche zu vergrößern und/oder die örtlichen Flüssigkeitsströmungsmuster zu verändern, um eine größere maximale Wärmeabfuhrrate durch die Flüssigmetallabschnitte 14, 15 von den Bechergliedern 11, 12 (und daher auch von der Halbleitervorrichtung lo) zu erzielen. Deshalb ist zum Zwecke einer Vergrößerung der Verdampfungsrate in den dochtfreien Wärmerohren 16 eine 'Siedeflächen1-Vergrößerungseinrichtung längs der Verdampferoberfläche 16a1 eines jeden dochtfreien Wärmerohres 16 ausgebildet. Diese Siedeflächenvergrößerungseinrichtung kann einen Schichtaufbau 18 von allgemein gleichförmiger Dicke im Bereich von o,25 bis 1,27 mm (Io bis 5o mils) darstellen und aus einem porösen metallischen Material wie FOAMETAL, einem Produkt der General Electric Company,bestehen. Dieses Material ist
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Nickel als ein typisches Beispiel mit einer ausgewählten Porosität im Bereich von etwa 5 bis 4o % und ist gesintert oder in anderer Weise mit der Verdampferoberfläche 16a1 des Wärmerohres zum Ändern des Örtlichen Strömungsmusters verbunden. Der Schichtaufbau 18 kann auch aus porösem Kupfer oder Edelstahl bestehen, wobei das letztere bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel nicht benutzt wird. Alternativ ist die Verdampferflächenvergrößerungseinrichtung eine dünne,- unregelmäßige Oberfläche 19, die aus einer Anzahl von schmalen, festen, metallischen Gliedern wie zylindrischen oder quadratischen Bolzen bzw. Stäben oder aus schmalen gerippten Oberflächen (kurz gerippter Aufbau) bestehen, wobei diese Teile geeignet mit der Verdampferoberfläche 16a1 eines jeden schwerkraftbetriebenen Wärmerohres 16 zum Vergrößern der Verdampferoberfläche verbunden sind. Selbstverständlich werden im allgemeinen in beiden Schwerkraftwärmerohren eines doppelseitigen Kühlaufbaus dieselben Verdampferoberflächenvergrößerungseinrichtungen (18 oder 19) benutzt, und die Darstellung der zwei unterschiedlichen Vergrößerungseinrichtungen im Wärmerohr 16 aus Figur 1 dient lediglich zum Aufzeigen der zwei verwendbaren typischen Arten (18 oder 19). Die unregelmäßige Oberfläche 19 in Form der verschiedenartigen vorstehenden Glieder oder kurzen Rippen kann aus denselben Metallen gebildet sein, wie sie bei dem Schichtaufbau 18 benutzt werden, nämlich aus Nickel, Kupfer oder Edelstahl als typische Beispiele, oder aus denselben oder unterschiedlichen Metallen, wie sie bei den Bechergliedern 11,12 verwendet werden. Derartige metallische Glieder zur Bildung einer unregelmäßigen Oberfläche werden im allgemeinen getrennt hergestellt und dann durch Sintern, durch Löten bei niedriger Temperatur oder durch eine Pulvermetallurgietechnik mit den Verdampferoberflächen des Wärmerohres verbunden, um nur drei Beispiele zu nennen. Die unregelmäßige Oberfläche 19 des Verdampferbereichsabschlusses 16a kann auch einteilig hergestellt sein, wobei der Abschluß 16a dann mit den Seitenoberflächen 16b des Wärmerohres verlötet oder in anderer Weise verbunden wird. Als typisches Beispiel der Abmessungen der unregelmäßigen Oberflächenglieder können diese eine Höhe von 3,81 mm (o,15 Zoll),.eine Quadratabmessung von jeweils 2,54 mm (o,lo Zoll) an der äußersten, oberen
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Seite und einen Mittenabstand zwischen angrenzenden Gliedern von 3,81 mm (o,15 Zoll) aufweisen. Sie bedecken im allgemeinen die gesamte Verdampferoberfläche eines jeden schwerkraftbetriebenen Wärmerohres 16. Diese vorstehenden Gliedern (18 oder 19) .ragen von der Verdampferoberfläche 16a1 senkrecht nach außen, und es können selbstverständlich auch Glieder mit zahlreichen anderen Größen und Formen verwendet werden.
Da bei Wärmerohren keine Wärmeleitung als Wärmeübertragungsvorgang benutzt wird (mit Ausnahme der Wärmeübertragung in die und aus den Wärmerohrwandungen) und da die Wärmeübertragung über die Länge eines jeden Wärmerohres ein weitgehend isothermer Prozeß eines Verdampfens und Kondensierens ist, weist der Kondensationsbereich des Wärmerohres weitgehend dieselbe Temperatur wie der Verdampferbereich auf, wenn von einer Verdampfertemperaturänderung abgesehen wird. Dieser Wärmeübertragungsvorgang ist auch als Dampfphasenwärmeübertragung bekannt. Das unterschiedlichste Merkmal eines Wärmerohres gegenüber herkömmlich luftgekühlten, gerippten oder wassergekühlten Kühlgliedern ist seine Fähigkeit, die Wärme weitgehend ohne Temperaturänderung über seine Länge zu führen, wodurch die Kühlfähigkeit des Wärmerohres wesentlich wirkungsvoller als diejenige herkömmlicher .Kühlglieder ist.
Gemäß Figur 2 sind die beiden schwerkraftbetriebenen Wärmerohre 16 jeweils in vertikaler Ausrichtung dargestellt (obwohl in der beschriebenen Weise eine derartige Ausrichtung sehr viel kleiner als 9o gegenüber der Horizontalen sein kann), und die abgedichteten Kammern der Wärmerohre sind von den Seitenwandungen 16b, den Endwandungen 16a des Verdampferbereichs an einem Ende und einem Absperrglied 16c an jedem Kondensationsbereichsende begrenzt. Das Wärmerohr kann bei typischen Beispielen im Querschnitt kreisförmig, quadratisch oder rechteckig sein. Elektrische Leiter 2o und 21 sind mit entsprechenden Seitenoberflächen 16b der Wärmerohre 16 angrenzend an die Verdampferbereichsenden verlötet oder in anderer geeigneter Weise verbunden, um die Halbleitervorrichtung Io elektrisch anschließen zu können. Die Seitenwandung 16b eines jeden Wärmerohres ist aus einem Metall mit einer
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großen thermischen Leitfähigkeit hergestellt, beispielsweise aus Kupfer, und hat eine Dicke in der Größenordnung von I,o2 mm (4o mils). Bei einem typischen Beispiel einer Leistungshalbleitervorrichtung mit einem elektrischen Dauerstrom von 7oo Ampere ist jedes Wärmerohr 2o3,2 mm (8 Zoll) lang und hat eine Querschnitts-
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fläche von 9f68 cm (1,5 Quadratzoll). Das Abschlußglied 16c kann aus einem verträglichen Material wie Kupfer hergestellt sein und ist in geeigneter Weise mit dem Kondensationsbereichsende des Wärmerohres durch Löten oder durch ein anderes bekanntes Metallbindungsverfahren verbunden, das eine abgedichtete Kammer im Wärmerohr sicherstellt. Die Seitenwandungen 16b der Wärmerohre sind mit den Verdampferberexchsendwandungen 16a ebenfalls verlötet oder in anderer Weise verbunden, um eine sichere Abdichtung zu erzielen. Die Seitenwandungen 16b können mit elektrisch isolierenden Kragen I6d in Angrenzung an die Verdampferbereichsenden der Wärmerohre versehen sein, um die gerippten Kondensationsbereiche der Wärmerohre gegenüber den Spannungen zu isolieren, die über die Leiter 2o, 21 sowie die angrenzenden unteren Teile der Wärmerohrseitenwandungen zur Halbleitervorrichtung Io geleitet werden, falls eine solche Isolation erwünscht ist. So wird jede Seitenwandung 16b durch den Isolierkragen 16d in zwei oder mehr Bereiche unterteilt. Im Fall der Verwendung von nicht dargestellten Wärmerohren mit rechteckigem (oder gar quadratischem) Querschnitt ist der in der Verdampferflächenendwandung 16a endende Abschlußteil eines jeden Wärmerohres vorzugsweise kreisförmig im Querschnitt und horizontal ausgerichtet. Dieses kreisförmige Endteil des Wärmerohres wird längs der Kanten einer kreisförmigen öffnung in der größer dimensionierten Seite des Wärmerohres in Angrenzung an das im Querschnitt rechteckige (oder quadratische) Grundteil des Wärmerohres gelötet oder in anderer Weise verbunden.
Der gerippte Wärmeaustauscher längs der Außenfläche des Kondensationsbereichs eines jeden Wärmerohres besteht aus großen Rippen 16e, die vom gefalteten Rippen- oder Plattenrippentyp sein können und aus einem thermisch hochleitfähigen Material wie Kupfer bestehen. Die Rippen erstrecken sich von den Seitenwandungen
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eines jeden Wärmerohres, mit denen sie verbunden sind, nach aussen, und zwar über einen Abstand im Bereich von o,5 bis l,o der Durchmesserabmessung (bei kreisförmigem Querschnitt der Wärmerohre) und von o,5 bis l,o des Abstandes zwischen gegenüberliegenden Wandungen (bei quadratischem oder rechteckigem Querschnitt) Zur Vereinfachung der Herstellung ist das Wärmerohr vielfach im Querschnitt rechteckig, während die Länge der Kühlrippen der langen Seite des Wärmerohrs entspricht und die Kühlrippen mit dieser verbunden sind.
Der flüssige Zustand bzw. die flüssige Phase 16 f des zweiphasigen Kühlmittels im schwerkraftbetriebenen Wärmerohr 16 hat ein geringes Volumen, das lediglich ausreicht, im Verdampferbereich eines jeden Wärmerohres den erwärmten Teil der Siedeflächenvergrößerungseinrichtung 18 (oder 19) vollständig einzutauchen bzw. zu überdecken. Im Fall eines Dochtwärmerohres 17 ist das Volumen der flüssigen Phase des Kühlmittels gewöhnlich bloß zum Sättigen des Dochtmaterials 17b ausreichend. Das Kühlmittel 16f kann in typischer Weise Wasser oder ein Frigenkühlmittel sein. Wenn die Leistungshalbleitervorrichtung vom Dreielektrodentyp ist, ist die dritte Elektrode (allgemein als Gate oder Steuerelektrode bezeichnet) mit einer Verbindung zu einem dritten elektrischen Leiter 3o versehen, der an der Seite der Halbleitervorrichtung Io und durch die Kriechwegvergrößerungseinrichtung 13 nach aussen geführt sein kann.
In Figur 2 ist eine nicht ständige Verbindung der einteiligen Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit (und der Flüssigmetallabschnitte) zwischen den Verdampferbereichsendwandungen der Wärmerohre dargestellt. So sorgt eine Klemmeinrichtung für eine kleine Klemmkraft von etwa 4,54 kp (Io Ib), um die beiden kreisförmigen Endteile der zwei Wärmerohre mit der einteiligen Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit und den Flüssigmetallabschnitten zusammenzuhalten. Diese Klemmkraft wird nicht benötigt, um irgendeinen oder mehrere Druckabschnitte zwischen den zwei Wärmerohren und der Halbleitervorrichtung zu erzeugen, da die Flüssigmetallabschnitte weitgehend druckfrei arbeiten können.
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Die Verdampferbereichsendteile der Wärmerohre tragen an ihren äußeren kreisförmigen Oberflächen zwei ringartig vorstehende Glieder 22, die beispielsweise mit einer Anzahl von metallischen Mutter-Bolzen-Anordnungen leicht zusammengeklemmt sind. So führen Schraubbolzen 23 durch ausgerichtete Öffnungen in den vorstehenden Gliedern 22, und Muttern 24 sind lediglich so weit auf die Bolzenenden aufgeschraubt, daß auf die Anordnung eine geringe Klemmkraft ausgeübt wird. Jeder Schraubbolzen 23 ist mit einer geeigneten elektrisch isolierenden Hülse 25 und Isolierscheiben 26 versehen, um einen elektrischen Kurzschluß zwischen den Wärmerohrenden über die Bolzen zu vermeiden. Wenn es erwünscht ist, können die elektrischen Leitungen 2o und 21 alternativ in geeigneter Weise mit den vorstehenden Gliedern 22 verbunden sein, indem sie beispielsweise mit hieran festgelegten Anschlüssen oder sich auf diesen erstreckenden Streifenteilen verlötet sind. Die Bolzen-Ring-Anordnung ermöglicht somit ein leichtes Entfernen (und Erneuern) der einteiligen Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit zwischen den beiden Wärmerohren.
Die Anwendung der einteiligen Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit und der Flüssigmetallabschnitte führt zu einem thermischen Widerstand zwischen der (Silizium) Zone und der Verdampferoberfläche im Dauerzustand von etwa ofoo6° C/Watt (für Becherglieder aus Molybdän mit einer Dicke von o,15 mm - 6 mils) im Vergleich zu einem thermischen Widerstand von o,o36 C/Watt bei den in den obengenannten Patentanmeldungen beschriebenen Ausführungsformen. Diese starke Verminderung des thermischen Widerstands im Dauerzustand ist das Ergebnis der Ausschaltung von Hochdruckabschnitten und der Verwendung eines sehr viel kleineren Metallvolumens bei der dünnen, einteiligen Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit. Durch die dünne Ausbildung dieser Einheit wird die Verdampferoberfläche des Wärmerohres sehr nahe an der Grenzfläche des Halbleiterkörpers angeordnet, um das zeitliche Einschwingverhalten der Einheit zu vermindern und dadurch ein thermisch schnell ansprechendes System zu schaffen. Natürlich führt die dünne Ausbildung der Einheit im Vergleich zu einem anderen Typ mit gleichermaßen guten Wärmeabschnitten und ausreichen-
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dem Volumen an Wärmespeichermaterial zu einem gewissen Verlust im Hinblick auf kurzzeitige Wärmeübergänge, da die Wärmespeicherkapazität der dünnen Becherglieder 11, 12 begrenzt ist. Jedoch führen die vorliegende dünne, einteilige Einheit und die Flüssigmetallabschnitte im Vergleich zu den in den genannten Patentanmeldungen beschriebenen Einheiten zu einem besseren Verhalten hinsichtlich der Kurzzeit- und Langzeiteinschwingvorgänge wie auch des Dauerzustandes, da die besseren Wärmeabschnitte und das Fehlen.von Druckabschnitten in'der vorliegenden Einheit die begrenzte Wärmespeicherfähigkeit mehr als ausgleichen. Aber im Fall von Bechergliedern aus Molybdän oder Wolfram kann die Dicke derselben nicht mehr als o,l5 mm (6 mils) betragen, da anderenfalls während des Betriebes der Anordnung Wärmeausdehnungsbelastungen auftreten, die eine Zerstörung des Halbleiterkörpers begründen. Jedoch können die Becherglieder zur Erzielung einer größeren Wärmespeicherfähigkeit dicker ausgebildet werden, indem sie aus "weicheren1 Metallen wie Aluminium oder Kupfer hergestellt werden. In einem solchen Fall kann die Becherdicke o,25 mm (Io mils) betragen, ohne daß eine Zerstörung des Halbleiterkörpers infolge von thermischen Ausdehnungsbelastungen begründet wird. Im Fall von Bechergliederη aus Aluminium oder Kupfer kann eine Legierungsbindung oder ein thermisches Kompressionsverfahren erforderlich sein, um die gewünschte Bindung zwischen dem Halbleiterkörper Io und den Bechergliedern 11 und 12 zu erzielen. Ein solches Legierungsbindungs- oder thermisches Kompressionsverfahren kann auch verwendet werden, wenn die Becherglieder aus den 'starreren' Metallen Molybdän oder Wolfram bestehen.
In Figuren 3 und 4 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der die einteilige Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit zwischen einer Anordnung mit zwei herkömmlichen luftgekühlten, gerippten Kühlgliedern 32 und 33 mit den dazwischen befindlichen Flüssigmetallabschnitten 14 und 15 gehalten wird. In Figur 4 ist die dünne einteilige Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit fortgelassen. Jedes Kühlglied 32 und 33 enthält einen festen Mittenbereich 32a und sich radial erstrekkende Rippen 32b, was sich deutlicher aus Figur 4 ergibt. Ferner
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ist jedes Kühlglied aus einem elektrisch und wärmemäßig gut leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, hergestellt. Die beiden Kühlglieder 32, 33 werden mit der einteiligen Einheit und den Flüssigmetallabschnitten durch eine Klemmeinrichtung zusammengehalten, die zwei zwischen entsprechenden Rippen längs gegenüberliegender Seiten der Anordnung verlaufende Stangen 34 enthält, welche längs der zwei äußeren Enden der Anordnung durch Querglieder 35 und 36 miteinander verbunden sind. Die Stangen 34 und Glieder 35, 36 können metallisch (bei höheren Klemmbelastungen) oder nichtmetallisch (bei niedrigeren Klemmbelastungen) und im Fall metallischer Stangen in geeigneter Weise von den Rippen 32b elektrisch isoliert sein, beispielsweise durch eine Gummihülle 34a. Die Stangen 34 sind an ihren durch gewindeartige Öffnungen in den Quergliedern 36 geführten Enden verschraubt. Die Kopfenden 34c der Stangen 34 führen durch Öffnungen im Querglied 35, die mit den Schrauböffnungen im Querglied 36 ausgerichtet sind. Zum elektrischen Isolieren der Stangen (bei metallischer Ausbildung) von der Endoberfläche des Kühlgliedes sind auf den Stangen 34 zwischen dem Kühlglied 33 und dem Querglied 35 Kunststoff- oder andere elektrisch isolierende Glieder 37 befestigt. Das Querglied 36 fungiert ferner als Mutter für jede der Stangen 34 zur Erzielung der erwünschten niedrigen Klemmkraft von 4,54 kp (Io Ib) gegen die einteilige Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit .
Erste und zweite elektrische Leitungsanschlusse 38 und 39 sind mit am Umfang weit entfernten Rippen auf den Kühlgliedern 32 und 33 verlötet oder in anderer Weise verbunden. Die Anschlüsse erstrecken sich vorzugsweise von einem Ende der Anordnung parallel zu den Stangen 34, wobei der sich ferner erstreckende Anschluß (38) von den Rippen des Kühlgliedes 33 mittels einer Gummi- oder Kunststoffhülle 38a elektrisch isoliert ist. Da die Leistungshalbleitervorrichtung bei einem typischen Beispiel für 7oo Ampere und 12oo Volt bemessen ist, haben die Anschlüsse 38 und 39 eine große Querschnittsfläche. Diese Anschlüsse sind beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer hergestellt, und die den Kühlgliedern abgewandten Enden sind in geeigneter Weise mit Leistungsleitern
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4o und 41 verbunden. Ferner erstrecken sich zwei quadratisch geformte Rahmenstützglieder 42 und 43 um die Außenkanten der Kühlglieder 32 und 33, um das Befestigen der Anordnung, bestehend aus den Kühlgliedern und der einteiligen Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit , auf einem Gestell oder einer anderen Vorrichtung zu vereinfachen und der Anordnung eine größere Festigkeit zu geben. Das Rahmenglied 42 ist mit den Außenkanten von vier oder mehr am Umfang weit entfernten Rippen des Kühlgliedes 32 wie auch mit dem Anschluß 38 verlötet oder in anderer Weise verbunden. In ähnlicher Weise ist das Rahmenglied 43 mit Rippen des Kühlgliedes 33 und dem Anschluß 39 verbunden. Die äußeren Oberflächen der Rahmenglieder 42 und 43 sind elektrisch isoliert und vorzugsweise mit einer Beschichtung aus Filz bzw. Pappe oder einem anderen mechanischen Dämpfungsmaterial versehen, das ein Einfügen und Abnehmen der Anordnung von einem Befestigungsgestell ohne ein Aufkratzen oder anderes Verletzen der Oberflächen der Rahmenglieder oder des Gestells ermöglicht.
Die erwünschten Eigenschaften der einteiligen Leistungshalbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit und der Flüssigmetallabschnitte ergeben sich auch bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen mit herkömmlich luftgekühlten sowie gerippten oder wassergekühlten Wärmegliedern, nämlich verbesserte Kühleigenschaften im Dauerzustand und im Einschwingzustand.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die vorliegende Erfindung zu den genannten Zielen führt, indem sie ein Kühlsystem für Leistungshalbleitervorrichtungen vorsieht, welche dem herkömmlich luftgekühlten, gerippten oder wassergekühlten Kühlgliedsystem wie auch dem schwerkraftbetriebenen Wärmerohrsystem entsprechend den zuvor genannten Patentanmeldungen hinsichtlich der Dauerzustandsund Einschwingeigenschaften beträchtlich überlegen ist. Die dünne einteilige Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit und die Flüssigmetallabschnitte führen zur Eliminierung von Druckabschnitten, so daß sich eine Teil- bzw. Unteranordnung mit wesentlich niedrigerem thermischen Dauerzustandswiderstand ergibt, als es bei den oben erwähnten Patentanmeldungen der Fall ist. Insbesondere er-
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gibt sich ein verminderter thermischer Widerstand in unmittelbarer Nähe des Körpers aus Halbleitermaterial. Dieser verminderte thermische Dauerzustandswiderstand führt insbesondere bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform mit schwerkraftbetriebenem. Wärmerohr zu der Fähigkeit, die Wärme mit einer sehr viel größeren Wirksamkeit an die Umgebung abzuführen, als es bei herkömmlichen Kühlgliedern oder bei anderen mit einem Wärmerohr gekühlten Leistungshalbleitervorrichtungsanordnungen der publizierten Art sowie der genannten Patentanmeldungen der Fall ist. Hierdurch wird eine niedrigere Betriebstemperatur der Halbleitervorrichtung erzielt. Da die einteilige Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit die Kriechwegvergrößerungseinrichtung enthält, ergeben sich geringere Kosten, wenn ein Kühlglied erneuert werden muß. Ferner wird der Anordnungsaufbau durch Verwendung der Flüssigmetallfugen vereinfacht, da die große thermische und elektrische Leitfähigkeit des flüssigen Metalls und die Tatsache, daß Flüssigkeitsfugen die zerbrechliche einteilige Leistungshalbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit nicht mechanisch belasten, eine Kühlung von Leistungshalbleitervorrichtungen mit großem Durchmesser ermöglichen, ohne daß die Benutzung von Hochdruckabschnitten bzw. -grenzflachen erforderlich ist. Dieser Vorteil einer Vermeidung großer Klemmkräfte ist besonders bedeutungsvoll im Hinblick auf das Ziel, die einteilige Leistungshalbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit so dünn wie möglich zu machen, um den thermischen Dauerzustandswiderstand zu vermindern und auch das Einschwingverhalten zu verbessern. Schließlich ermöglichen es die elektrisch isolierenden Kragen 16d, daß die durch erzwungene Luftströmung gekühlten Bereiche der Wärmerohranordnung außerhalb eines Gehäuses sein können, in dem die einteilige Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit befestigt sein kann. Die gerippten Bereiche 16e sind so von der dem Halbleiterkörper zugeführten Hochspannung elektrisch isoliert. Auch können die Kühlrippen 16e aufgrund der elektrisch isolierenden Kragen schmutziger Luft ausgesetzt sein, ohne daß die Möglichkeit einer vergrößerten Oberflächenleitung längs des Kriechweges um den Halbleiterkörper besteht, was bei herkömmlich gespritzten bzw. stranggepreßten oder nicht derartig hergestellten, gerippten Kühlgliedern oder Wärmerohren auftritt, die nicht
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derartige Krage aufweisen und in schmutziger Luft betrieben werden.
Nach der Beschreibung der obigen Ausführungsformen einer doppelseitig durch Kühlglieder gekühlten Anordnung mit einer Leistungshalbleitervorrichtung wird darauf hingewiesen, daß im Rahmen der Erfindung zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich sind. So kann die Anordnung durch Entfernen eines der Kühlglieder gut auch als einseitig gekühlte Anordnung verwendet werden.
-Patentansprüche-
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- 24 -

Claims (35)

  1. - 24 Patentansprüche
    Γ 1.)Anordnung einer durch Kühlkörper gekühlten Leistungshalbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch eine dünne einteilige Leistungshalbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit mit einer Leistungshalbleitervorrichtung,bestehend aus einem zwischen ersten und zweiten flachen sowie parallelen.Hauptoberflächen (loa, lob) begrenzten Körper (lo) aus Halbleitermaterial, mit ersten und zweiten dünnen sowie becherähnlichen Gliedern (11, 12), deren äußere Bodenoberflächen entsprechend mit den ersten und zweiten parallelen Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers verbunden sind, wobei die becherähnlichen Glieder aus elektrisch und thermisch gut leitendem Material hergestellt sind, und mit einer Kriechwegverlängerungseinrichtung (13) auf den äußeren Seitenwandungsteilen der becherähnlichen Glieder zum Vergrößern des Kriechweges über der Leistungshalbleitervorrichtung, die zum Entwickeln einer Wärmedichte von zumindest
    2
    15,5 Watt/cm (loo Watt/sq in) der Oberfläche ausgelegt ist, ferner durch ein erstes Kühlglied (16 oder 17) in thermischem Kontakt mit einer inneren Bodenoberfläche des ersten becherähnlichen Gliedes (11 oder 12) zum Abführen der Wärme und durch einen ersten dünnen Film (14 oder 15) taus thermisch und elektrisch gut leitendem Metall zwischen der inneren Bodenoberfläche des ersten becherähnlichen Gliedes sowie dem ersten Kühlglied und in Benetzungskontakt damit, wobei der Film eine*erste dünne Flüssigmetallgrenzfläche ""· während des Betriebes der Halbleitervorrichtung bildet, die- die dünne einteilige Leistungshalbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit nicht mechanisch belastet, während die hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit des flüssigen Metalls eine Kühlung von Halbleitervorrichtungen mit großem Durchmesser ohne Verwendung grosser Klemmkräfte zum Erzielen von Hochdruckstoßstellen zwischen dem Kühlglied und der dünnen einteiligen Leistungshalbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit ermöglicht, wobei es der enge Abstand zwischen dem ersten Kühlglied und der Wärme abgebenden Leistungshalbleitervorrichtung sowie das Fehlen von Druckabschnitten dazwischen und in der einteiligen Leistungshalb-
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    leitervorrichtung-Bechergliedeinheit ermöglichen, den thermischen Dauerzustandswiderstand zu vermindern wie auch das Einschwingverhalten der Anordnung zu verbessern, wodurch eine günstigere einseitige Kühlung der Vorrichtung erzielt wird, ohne daß eine kostspielige und mechanisch komplexe Klemmvorrichtung erforderlich ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch ein zweites Kühlglied (16 oder 17) in thermischem Kontakt mit einer inneren Bodenoberfläche des zweiten becherähniichen Gliedes (Il oder 12) zum Abführen der Wärme und durch einen zweiten dünnen Film (14 oder 15) aus thermisch und elektrisch hochleitendem Metall zwischen der inneren Bodenoberfläche des becherähnlichen Gliedes sowie dem zweiten Kühlglied und in-Benetzungskontakt zur Bildung eines zweiten dünnen Flüssigmetallabschnittes während des Betriebes der Halbleitervorrichtung, wobei der geringe Abstand zwischen den ersten und zweiten Kühlgliedern, wie er durch die geringen Dickenabmessungen der dünnen einteiligen Halbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit und der ersten und zweiten. Flüssigmetallabschnitte gebildet wird, und das Fehlen von dazwischen befindlichen Druckabschnitten den thermischen Dauerzustandswiderstand beträchtlich vermindern wie auch das Einschwingverhalten verbessern, mit dem Ergebnis einer günstigeren doppelseitigen Kühlung der Vorrichtung.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten dünnen Metallfilme (14, 15) jeweils eine Dicke im Bereich von o,oo25 bis o,127 mm (l/lo bis 5 mils) haben.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten dünnen Metallfilme (14, 15) jeweils eine Dicke im Bereich von o,oo25 bis o,o25 mm (l/lo bis 1 mil) haben. -
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  5. 5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten dünnen Metallfilme jeweils aus eutektischen Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt von Kombinationen einzelner Metalle gebildet sind.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Metalle Natrium und Kalium sind.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Metalle Indium, Zinn, Blei, Antimon, Wismut und Kadmium sind.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten dünnen Metallfilme (14, 15) jeweils aus einem reinen Metall mit niedrigem Schmelzpunkt bestehen.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Gallium ist.
  10. 10. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die becherähnlichen Glieder jeweils eine Dicke im Bereich von o,o51bis o,254 mm (2 bis Io mils) haben.
  11. 11. Anordnung nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß die becherähnlichen Glieder (11, 12) aus einem Metall hergestellt sind, das aus der Gruppe bestehend aus Kupfer und Aluminium ausgewählt ist.
  12. 12. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die becherähnlichen Glieder (11, 12) jeweils eine Dicke im Bereich von o,o51 bis o,152 mm (2 bis 6 mils) haben.
  13. 13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die becherähnlichen Glieder (11, 12) aus einem Metall hergestellt sind, das aus der Gruppe bestehend aus Wolfram und Molybdän ausgewählt ist.
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  14. 14. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kriechwegverlängerungseinrichtung (13) eine einheitliche Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material enthält,
    . das längs den äußeren Seitenoberflächen der ersten und.zweiten becherähnlichen Glieder (11, 12) ausgebildet ist.
  15. 15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die einheitliche Schicht aus einer keramischen Zusammensetzung besteht und eine hermetische Abdichtung um die Leistungshalbleitervorrichtung bildet.
  16. 16. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die einheitliche Schicht eine Gummizusammensetzung hat und den gesamten Leerraum zwischen den ersten und zweiten becherähnlichen Gliedern (11, 12) ausfüllt.
  17. 17. Anordnung nach Anspruch 2, ferner gekennzeichnet durch eine Klemmeinrichtung (22, 23, 24; 34, 35, 36) zum Halten der einteiligen Leistungshalbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit zwischen den ersten und zweiten Kühlgliedern (16, 17; 32, 33) in einer einzigen Anordnung, wobei die Klemmeinrichtung nur eine kleine Klemmkraft erzeugt, was dazu führt, daß die Leistungshalbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit nicht wie bei Verwendung von Hochdruckfugen bzw. -stoßstellen belastet wird und eine einfach entfernbare und austauschbare Komponente darstellt.
  18. 18. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kühlglieder jeweils ein dochtfreies Wärmerohr (16) mit Schwerkraftrückführung darstellen.
  19. 19. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kühlglieder jeweils ein Wärmerohr (17) vom Dochttyp darstellen.
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  20. 20. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet/ daß die ersten und zweiten Kühlglieder jeweils ein luftgekühltes, geripptes Kühlglied darstellen, bei dem die Wärmeleitung als Wärmeübertragungsvorgang ausgenutzt wird.
  21. 21. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten dochtfreien Wärmerohre (16) mit Schwerkraftrückführung erste und zweite umschlossene, längliche, hohle Kammern mit Verdampferabschnitten an durch Verdampfungsflächenendwandungen begrenzten ersten Enden und Kondensationsabschnittoi an von den ersten entfernten zweiten Enden aufweisen, ferner ein Zweiphasenkühlmittel in den Kammern, von dem sich ein ausreichendes Volumen im flüssigen Zustand befindet, um ein volles Eintauchen zumindest des erwärmten Teils der Verdampferoberfläche zu begründen,und erste sowie zweite elektrische Leiter, die zum Zuführen elektrischer Leistung zur Leistungshalbleitervorrichtung mit der Anordnung verbunden sind.
  22. 22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein beträchtlicher Teil eines jeden der ersten und zweiten Wärmerohre (16) unter einem Winkel von mehr als ο bezug auf die Horizontale ausgerichtet ist.
  23. 23. Anordnung nach Anspruch 21, ferner gekennzeichnet durch einen dritten elektrischen Leiter, der mit der Leistungshalbleitervorrichtung vom Dreielektrodentyp verbunden ist.
  24. 24. Anordnung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine mit den Verdampfungsoberflächen der ersten und zweiten Wärmerohre verbundene Einrichtung (19) zum Vergrößern der Verdampfungsoberfläche, um die Wärmeübergangsrate von den ersten und zweiten becherähnlichen Gliedern (11, 12) zum flüssigen Kühlmittel zu verstärken.
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  25. 25. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsabschnitte der Kammern längs ihrer Außenoberflächen mit Kühlrippen (16e, 32b) versehen sind, um die Wärmeübertragungsrate zu der die Anordnung umgebenden Umgebungsluft zu vergrößern.
  26. 26. Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsflächenvergrößerungseinrichtung ein Paar poröser, metallischer und auf den Verdampfungsoberflächen der Wärmerohre aufgesinterter Schichtaufbauten darstellt.
  27. 27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen,metallischen Schichtaufbauten jeweils eine weitgehend gleichförmige Dicke im Bereich von o,25 bis 1,27 mm (Io bis 5o mils) haben.
  28. 28. Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen, metallischen Schichtaufbauten jeweils aus einem Metall hergestellt sind, das aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel und Edelstahl ausgewählt ist.
  29. 29. Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampferflächenvergrößerungseinrichtung eine unregelmäßige und mit den Verdampferoberflächen der Wärmerohre verbundene Fläche zum Vergrößern der wirksamen Oberfläche darstellt.
  30. 30. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die unregelmäßige Oberfläche aus schmalen und aus wärmeleitendem Material hergestellten Rippen besteht.
  31. 31. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die unregelmäßige Oberfläche aus einer Anzahl schmaler, fester, metallischer Glieder besteht, die mit den Verdampfungsoberflächen der Wärmerohre verbunden sind.
  32. 32. Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen, festen, metallischen Glieder im Querschnitt kreisförmig sind.
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  33. 33. Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen, festen, metallischen Glieder im Querschnitt quadratisch sind.
  34. 34. Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen, festen, metallischen Glieder jeweils eine Höhe von etwa 3,81 mm (o,15 Zoll) haben.
  35. 35. Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen, festen, metallischen Glieder aus einem Metall hergestellt sind, das aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Edelstahl, Molybdän und Wolfram ausgewählt ist.
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    Leerseite
DE2428934A 1973-06-18 1974-06-15 Anordnung einer durch kuehlkoerper gekuehlten leistungshalbleitervorrichtung Withdrawn DE2428934A1 (de)

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