DE3221423C2

DE3221423C2 -

Info

Publication number: DE3221423C2
Application number: DE19823221423
Authority: DE
Inventors: Xaver Ennetturgi Aargau Ch Vogel
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1982-05-13
Filing date: 1982-06-07
Publication date: 1992-07-09
Also published as: DE3221423A1; CH659735A5

Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Kühlkörper zur Flüssigkeitskühlung von Leistungshalbleiterelementen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE-OS 24 02 606 bekannt ist. Dort ist eine Flüssigkeitskühleinrichtung für scheibenförmige Halbleiterelemente beschrieben, bei welcher der Kühlkörper, angrenzend an die Halbleiterkontaktfläche, waffelartige Ausnehmungen zur direkten Flüssigkeitskühlung dieser Halbleiterkontaktfläche aufweist. Diese Ausnehmungen bilden Kühlkanäle, welche randseitig außen in einen Ringkanal zur Kühlmittelabfuhr einmünden, von welchem eine Auslaßbohrung nach außen führt. Die Kühlmittelzufuhr erfolgt über eine axiale Bohrung großen Durchmessers und mehrere weitere axiale Bohrungen kleinen Durchmessers. Dabei zirkuliert die Kühlflüssigkeit mit Zwangsumlauf in einem geschlossenen Kreislauf über Zu- und Auslaßbohrung des Kühlkörpers.

Die zwischen den Kühlkanälen befindlichen Abstützungen des Halbleiterelements, über die ein wesentlicher Teil der Verlustwärme des Halbleiterelementes abgeführt wird, werden dabei nicht intensiv gekühlt. Die Abstützungsfläche der Abstützungen muß insbesondere bei druckkontaktierten Halbleiterelementen relativ groß sein, damit die spezifische Flächenpressung auf die Siliziumscheibe des Halbleiterelements nicht unzulässig hoch wird.

Aus der DE-OS 24 15 893 ist ebenfalls eine Kühleinrichtung mit Zwangsumlauf des Kühlmittels bekannt, bei der die an den Halbleiter angrenzende Kühlmittel-Aussparung zylindrisch ausgeführt ist mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Tiefe von 5 mm.

Aus der DE-OS 15 14 679 ist eine Halbleiter-Kühldose bekannt, die den Nachteil hat, daß die Kühlflüssigkeit das Halbleiterelement nicht direkt berührt und somit die Kühlwirkung im Vergleich zu den o. g. Kühlelementen reduziert ist. Der im Querschnitt rechteckförmige Kühlkanal hat die Form einer doppelten Spirale.

In der DE-OS 26 40 000 ist eine Kühldose für flüssigkeitsgekühlte Leistungshalbleiterbauelemente und ein Verfahren zur Herstellung derselben beschrieben. Diese Kühldose hat in ihrem Innenraum senkrecht zu den Dosenböden orientierte und mit diesen Dosenböden stoffschlüssig verbundene Zapfen. Diese Zapfen und die Profile dieser Zapfen beeinflussen die Strömung der Kühlflüssigkeit in der Kühldose und erhöhen somit den Wirkungsgrad der Kühlung der angeschlossenen, druckkontaktierten Leistungshalbleiterbauelemente. Als Kühlmedium wird vor allem Öl verwendet. Die Kühldose hat eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für die Kühlflüssigkeit, sonst ist sie geschlossen. Die Auflagekontaktflächen dieser Kühldose sind also aus vollem Material ausgebildet, und die Kühlflüssigkeit berührt die zu kühlenden Flächen nicht.

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, einen Kühlkörper zur Flüssigkeitskühlung von Leistungshalbbleiterelementen der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß der Kühleffekt der Kühlflüssigkeit verbessert wird, wobei die konstruktive Ausgestaltung möglichst einfach sein soll.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Kühlflüssigkeit nur im Zulauf zwangsmäßig direkt an das Halbleiterelement herangeführt wird, dann aber, nach dem Bestreichen des Halbleiterelements, mit beträchtlicher Geschwindigkeit frei austritt. Dadurch werden die Abstützungen zwischen den Kühlkanälen mit erhöhter Geschwindigkeit umströmt und dementsprechend intensiv gekühlt. Als Kühlflüssigkeit wird z. B. Silikonöl oder Freon verwendet.

Zweckmäßig sind die Kühlschlitze mit dem wenigstens einen Anschlußkanal mittels wenigstens eines Verbindungsschlitzes oder mittels wenigstens einer Verbindungsbohrung verbunden. Durch den Anschlußkanal wird die Kühlflüssigkeit in die einzelnen Kühlschlitze geleitet; sie fließt weiter in den Kühlschlitzen in direktem Kontakt mit der zu kühlenden Fläche, und am Ende der Schlitze fließt sie aus dem Kühlkörper heraus.

Es ist in einigen Fällen zweckmäßig, die Kühlschlitze mit einem sich erweiternden Profil auszubilden. Durch die Veränderung der Profilgröße verändert man auch die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine bezüglich der Ausbildung der Kühlschlitze zum Stand der Technik zählende Form eines Kühlkörpers, wobei in diesem Beispiel parallele Kühlschlitze in einem rechteckig ausgebildeten Kühlkörper hergestellt sind,

Fig. 2 den Schnitt II-II aus Fig. 1,

Fig. 3 den Schnitt III-III aus Fig. 1,

Fig. 4 einen Teilschnitt durch einen Kühlkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Kühlschlitze mit verschiedenen Profilen gezeigt werden und

Fig. 5 einen zylindrischen Kühlkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bei dem in vier Segmenten vier verschiedene Ausbildungsvarianten der Kühlschlitze gezeigt sind.

Gemäß den Fig. 1 bis 3 ist ein Kühlkörper 1 mit zwei Halbleiterauflageflächen 2 versehen. In jeder dieser Halbleiterauflageflächen 2 sind mehrere geradlinige parallele Kühlschlitze 3 ausgeführt, die in diesem Beispiel ein rechteckiges Profil aufweisen; das Profil der Kühlschlitze 3 ist gut in der Fig. 3 sichtbar. Zwischen und seitlich der Kühlschlitze 3 bleibt die freie Halbleiterauflagefläche 2, die selbstverständlich eben ausgebildet ist. Die Kühlschlitze 3 sind mittels zweier Verbindungsschlitze 4 mit einem Anschlußkanal 7 verbunden. Mit der Bezugsziffer 5 ist ein Zentrierloch bezeichnet, eine Bohrung 6 dient für elektrischen Anschluß des Kühlkörpers. In Fig. 2 ist der Verlauf des Anschlußkanals 7 sichtbar, dessen Ende mit einem Gewinde 8 versehen ist. In dieser Fig. 2 ist auch der Anschluß der Verbindungsschlitze 4 an den Anschlußkanal 7 gut sichtbar. Daß die Verbindungsschlitze 4 mit den Kühlschlitzen 3 verbunden sind, ist sowohl aus der Fig. 1 als auch aus der Fig. 3 ersichtlich.

Fig. 4 zeigt beispielsweise Ausfürungsmöglichkeiten der Profile der Kühlschlitze 3. Ein Kühlschlitz 3.1 weist ein rechteckiges Profil, ein Kühlschlitz 3.2 ein dreieckiges Profil und ein Kühlschlitz 3.3 ist mit einem halbrundem Boden ausgebildet. Ein Kühlschlitz 3.4 weist ein trapezförmiges Profil auf. Die Ausgestaltung gemäß der Fig. 4 entspricht jedoch im wesentlichen derjenigen gemäß Fig. 3.

Ein zylindrischer Kühlkörper 1 gemäß Fig. 5 ist schematisch in vier Quadrante aufgeteilt. Die Kühlschlitze 3 sind in zwei Fällen radial und in weiteren zwei Fällen im wesentlichen radial geführt. Sie sind mit dem, in dieser Fig. 5 nicht dargestellten Anschlußkanal 7 mittels Verbindungsbohrungen 9 verbunden. Wie ersichtlich, wird die Flüssigkeit in das Zentrum des Kühlkörpers 1 geführt, wovon sie dann zu dem äußeren Rand des Kühlkörpers 1 fließt. Ein Kühlschlitz 3.6 weist einen sich nach außen erweiternden Querschnitt auf, ein Kühlschlitz 3.7 ist serpentineartig ausgeführt und ein Kühlschlitz 3.8 weist eine Evolventenform auf. Die zwei letztgenannten Kühlschlitze 3.7, 3.8 werden selbstverständlich mit weiteren ähnlich ausgebildeten Kühlschlitzen kombiniert, die regelmäßig über die Halbleiterauflagefläche 2 verteilt sind.

Es können andere Profile und Formen der Kühlschlitze 3 verwendet werden. Der Kühlkörper 1 kann auch nur einseitig mit den Kühlschlitzen 3 versehen sein, wenn es sich um einen Kühlkörper 1 handelt, der nur ein Halbleiterelement kühlen soll. Der Kühlkörper 1 kann auch andere Formen aufweisen, als dargestellt. Als Material für den Kühlkörper 1 kann man z. B. Aluminium, Kupfer oder deren Legierungen verwenden.

Claims

1. Kühlkörper (1) zur Flüssigkeitskühlung von Leistungshalbleiterelementen,

a) wobei der Kühlkörper (1) wenigstens einen Anschlußkanal (7) und
b) wenigstens eine ebene Halbleiterauflagefläche (2) aufweist,
c) in welcher Kühlschlitze (3) ausgebildet sind, die mit dem wenigstens einen Anschlußkanal (7) für die Kühlflüssigkeit verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet,

d) daß die Kühlschlitze (3) voneinander getrennt und nicht parallel zueinander von innen nach außen verlaufen und
e) randseitig außen am Kühlkörper eine freie Flüssigkeitsaustrittsöffnung aufweisen.

2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlschlitze (3) dreieckig (3.2), U-förmig (3.3) oder trapezförmig (3.4) ausgebildet sind.

3. Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlschlitze (3) von innen nach außen serpentine- (3.7) oder evolventenförmig (3.8) verlaufen.

4. Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlschlitze (3) radial (3.5- 3.8) angeordnet sind.

5. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlschlitze (3) ein sich von innen nach außen erweiterndes Profil (3.6) aufweisen.