DE20208106U1 - Cooling device for semiconductors with multiple cooling cells - Google Patents
Cooling device for semiconductors with multiple cooling cellsInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft ein Kühlgerät, insbesondere für die Flüssigkeitskühlung von Leistungshalbleitern, bei dem das gekühlte Teil auf der Oberseite einer gekühlten Platte angebracht ist, deren Unterseite durch eine Flüssigkeit gekühlt wird, die mit Hilfe eines Verteilerelements an der gekühlten Platte entlang geführt wird, wobei der Flüssigkeitseinlaß und der Flüssigkeitsauslaß des Verteilerelements senkrecht zur gekühlten Platte angebracht sind.The invention relates to a cooling device, in particular for the liquid cooling of power semiconductors, in which the cooled part is mounted on the upper side of a cooled plate, the underside of which is cooled by a liquid which is guided along the cooled plate by means of a distributor element, the liquid inlet and the liquid outlet of the distributor element being mounted perpendicular to the cooled plate.
Halbleiterbauteile erzeugen im Betrieb Wärme, die normalerweise zu einer Verringerung ihrer Leistung führt. Bei Leistungshalbleitern ist im Betrieb eine Kühlung notwendig, um eine akzeptable Leistung aufrechtzuerhalten, und bei Hochleistungshalbleitern wird oft eine Flüssigkeitskühlung angewandt.Semiconductor devices generate heat during operation, which typically results in a reduction in their performance. Power semiconductors require cooling during operation to maintain acceptable performance, and liquid cooling is often used for high-power semiconductors.
US 5 841 634 zeigt ein flüssigkeitsgekühltes Halbleitergerät nach Art der Erfindung. Hier befinden sich die Halbleiter in einem Gehäuse an einer Wand, die gekühlt wird. Das Gerät hat einen Flüssigkeitseinlaß, einen Flüssigkeitsauslaß und einen Einsatz in einer Kammer des Gehäuses. Der Einsatz hat eine Wand, die die Kammer in ein Oberteil und ein Unterteil unterteilt, und Wände, die jedes Teil in Kammern unterteilen. In der Wand zwischen Ober- und Unterteil vorgesehene Löcher bilden eine Flüssigkeitsverbindung zwischen den beiden Teilen. Die Flüssigkeit wird vom Einlaß in eine erste Bodenkammer und von dort durch Löcher in eine erste Oberkammer geleitet. In der Oberkammer wird die Flüssigkeit an der zu kühlenden Wand entlang und dann durch Löcher in eine zweite Bodenkammer geleitet. Aus der zweiten Bodenkammer wird die Flüssigkeit in eine zweite Oberkammer geleitet, wo ein anderer Bereich der zu kühlenden Wand gekühlt wird. Nach Durchlaufen von drei Oberkammern wird die Flüssigkeit über den Flüssigkeitsauslaß aus dem Gerät herausgeleitet. Mithin sind die Kühlkammern des Gerätes in Reihe geschaltet.US 5 841 634 shows a liquid-cooled semiconductor device according to the invention. Here, the semiconductors are located in a housing on a wall that is cooled. The device has a liquid inlet, a liquid outlet and an insert in a chamber of the housing. The insert has a wall that divides the chamber into an upper part and a lower part, and walls that divide each part into chambers. Holes provided in the wall between the upper and lower parts form a liquid connection between the two parts. The liquid is led from the inlet into a first bottom chamber and from there through holes into a first upper chamber. In the upper chamber, the liquid is led along the wall to be cooled and then through holes into a second bottom chamber. From the second bottom chamber, the liquid is led into a second upper chamber, where another area of the wall to be cooled is cooled. After passing through three upper chambers, the liquid is led out of the device via the liquid outlet. The cooling chambers of the device are thus connected in series.
Durch das Kühlen wird die Ausgangstemperatur der Flüssigkeit beim Verlassen der ersten Oberkammer höher als ihre Eingangstemperatur. Wenn die Flüssigkeit dann die zweite Oberkammer erreicht, wird sie weiter erwärmt, und dies führt zu einem Temperaturunterschied in der Wand zwischen dem Flüssigkeitseinlaßende und dem Flüssigkeitsauslaßende. Da Hochleistungshalbleiter gegen-0 über Temperaturschwankungen und auch gegenüber dem Temperaturniveau sehr empfindlich sind, haben gleiche Kühlverhältnisse für alle Halbleiter eines Leistungs-Due to the cooling, the exit temperature of the liquid when it leaves the first upper chamber is higher than its entry temperature. When the liquid then reaches the second upper chamber, it is further heated and this leads to a temperature difference in the wall between the liquid inlet end and the liquid outlet end. Since high-power semiconductors are very sensitive to temperature fluctuations and also to the temperature level, the same cooling conditions for all semiconductors of a power
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halbleitergerätes einen sehr großen Einfluß auf die Lebensdauer des Gerätes.semiconductor device has a very large influence on the service life of the device.
Auch ergibt die Reihenschaltung mehrerer Kühlkammern einen sehr großen Strömungswiderstand, was zu einem hohen Druckabfall oder einer niedrigen Durchflußgeschwindigkeit durch das Kühlgerät führt.The series connection of several cooling chambers also results in a very high flow resistance, which leads to a high pressure drop or a low flow rate through the cooling device.
Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung der Kühlbedingungen eines Halbleitergerätes, so daß eine gleichmäßigere Innentemperatur erreicht wird.The object of the invention is to improve the cooling conditions of a semiconductor device so that a more uniform internal temperature is achieved.
Ferner soll der Strömungswiderstand verringert werden, um eine höhere Durchflußgeschwindigkeit und bessere Kühlleistung zu erreichen.Furthermore, the flow resistance should be reduced in order to achieve a higher flow rate and better cooling performance.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verteilerelement in Zellen unterteilt ist, daß jede Zelle senkrecht zur gekühlten Platte einen Flüssigkeitseinlaß und einen Flüssigkeitsauslaß hat und daß das Verteilerelement für jede gekühlte Platte mindestens zwei Zellen hat. Dadurch fließt die Flüssigkeit mit annähernd gleicher Temperatur in alle Zellen, wobei die Kühlbedingungen für die durch das Gerät gekühlten HaIbleiter verbessert werden und eine gleichmäßigere Innentemperatur im Gerät erreicht wird. Zusätzlich wird der Strömungswiderstand verringert, weil die Flüssigkeit auf ihrem Weg durch das Gerät nur eine Zelle durchlaufen muß.The object is achieved according to the invention in that the distributor element is divided into cells, that each cell has a liquid inlet and a liquid outlet perpendicular to the cooled plate and that the distributor element has at least two cells for each cooled plate. As a result, the liquid flows into all cells at approximately the same temperature, improving the cooling conditions for the semiconductors cooled by the device and achieving a more uniform internal temperature in the device. In addition, the flow resistance is reduced because the liquid only has to pass through one cell on its way through the device.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die der gekühlten Platte abgewandte Seite des Verteilerelements mit Trennwänden versehen, die sie in eine ersteIn a preferred embodiment of the invention, the side of the distributor element facing away from the cooled plate is provided with partition walls which divide it into a first
Kammer und eine zweite Kammer unterteilen, wobei die erste Kammer alle Flüssigkeitseinlässe und die zweite Kammer alle Flüssigkeitsauslässe mit einander verbindet, wenn das Verteilerelement auf einer Bodenplatte montiert ist. Hierdurch wird erreicht, daß die Flüssigkeit durch das Verteilerelement selbst von einer gemeinsamen Einlaßöffnung des Gerätes zu allen Flüssigkeitseinlässen und von allen Flüssigkeitsauslässen zu einer gemeinsamen Auslaßöffnung des Gerätes geleitet wird. Das Bodenteil der Kühleinheit kann dabei die Form eines Plattenelements haben, und die gemeinsame Einlaßöffnung und die gemeinsame Auslaßöffnung können einfach durch ein erstes Loch in der Struktur, das zur ersten Kammer führt, und ein zweites Loch, das zur zweiten Kammer führt, gebildet sein.Chamber and a second chamber, the first chamber connecting all liquid inlets and the second chamber connecting all liquid outlets when the distributor element is mounted on a base plate. This ensures that the liquid is guided through the distributor element itself from a common inlet opening of the device to all liquid inlets and from all liquid outlets to a common outlet opening of the device. The base part of the cooling unit can have the form of a plate element, and the common inlet opening and the common outlet opening can simply be formed by a first hole in the structure leading to the first chamber and a second hole leading to the second chamber.
In einer Ausführung der Erfindung hat das Kühlgerät mehr als ein solches Verteilerelement, wobei jedes Verteilerelement senkrecht zur gekühlten Platte angebracht ist. In diesem Fall ist das Kühlgerät ein Bodenteil, das eine vorbestimmte Anzahl von Verteilerelementen und eine vorbestimmte Anzahl von gekühlten Platten enthalten kann, wobei größere Einheiten in gekühlte Abschnitte für die Montage von gekühlten Bauteilen aufgeteilt sein können.In one embodiment of the invention, the cooling device has more than one such distribution element, each distribution element being mounted perpendicular to the cooled plate. In this case, the cooling device is a base part which can contain a predetermined number of distribution elements and a predetermined number of cooled plates, wherein larger units can be divided into cooled sections for the assembly of cooled components.
In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist die Flüssigkeitsströmung in jeder Zelle entlang der gekühlten Platte turbulent. Dadurch wird die Wärmeübertragung von der gekühlten Platte zur Flüssigkeit verbessert. Die turbulente Flüssigkeitsströmung wird durch eine Verengung der Flussigkeitspassage in jeder Zelle, durch ein Muster von Passagen, die eine Richtungsänderung inIn a specific embodiment of the invention, the liquid flow in each cell along the cooled plate is turbulent. This improves the heat transfer from the cooled plate to the liquid. The turbulent liquid flow is achieved by narrowing the liquid passage in each cell, by a pattern of passages that change direction in
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jeder Zelle verursachen, oder durch eine Kombination von beiden erreicht.each cell, or by a combination of both.
In einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung liegt der Flüssigkeitsauslaß einer Zelle direkt neben dem Flüssigkeitseinlaß einer anderen Zelle. Dadurch wird erreicht, daß die Wirkung einer Erhöhung der Flüssigkeitstemperatur durch die Einspeisung von kalter Flüssigkeit in eine Zelle direkt neben dem Auslaß einer anderen Zelle kompensiert wird.In a further special embodiment of the invention, the liquid outlet of one cell is located directly next to the liquid inlet of another cell. This ensures that the effect of an increase in the liquid temperature by feeding cold liquid into a cell directly next to the outlet of another cell is compensated.
In noch einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung ändert sich die Größe der Bereiche, die jeweils von einer Zelle abgedeckt werden, über das Verteilerelement hinweg. Die Kühlung wird dadurch in den Bereichen des Gerätes verstärkt, in denen die Wärmeerzeugung am stärksten ist, oder in den Bereichen verringert, in denen die Wärmeerzeugung niedrig ist.In yet another specific embodiment of the invention, the size of the areas covered by each cell varies across the distribution element. Cooling is thereby increased in the areas of the device where heat generation is highest or decreased in the areas where heat generation is low.
Vorzugsweise sind die Bereiche, die jeweils von einer Zelle abgedeckt sind, an den Rändern des Verteilerelements größer als in der Mitte des Verteilerelements. Dadurch wird erreicht, daß die Kühlleistung an den Rändern, wo die Anzahl von Halbleitern klein ist, niedrig gehalten wird, wogegen die Kühlung in den Bereichen intensiviert wird, in denen die Anzahl von Halbleitern groß ist.Preferably, the areas each covered by a cell are larger at the edges of the distribution element than in the middle of the distribution element. This ensures that the cooling power is kept low at the edges, where the number of semiconductors is small, whereas the cooling is intensified in the areas where the number of semiconductors is large.
In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist die gekühlte Platte aus einem Material mit niedrigem Wärmeleitwiderstand hergestellt. Dadurch hat die Wärmeübertragung von einer Seite der gekühlten Platte zur anderen nur einen geringen Einfluß auf den gesamten Wärme-In a special embodiment of the invention, the cooled plate is made of a material with low thermal resistance. As a result, the heat transfer from one side of the cooled plate to the other has only a small influence on the overall heat
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übertragungswiderstand, und kleine Temperaturunterschiede auf der dem Verteilerelement zugewandten Seite der gekühlten Platte werden auf der anderen Seite der gekühlten Platte ausgeglichen. Dadurch wird eine noch gleichmäßigere Temperatur der Halbleiter erreicht.transfer resistance, and small temperature differences on the side of the cooled plate facing the distribution element are compensated on the other side of the cooled plate. This results in an even more uniform temperature of the semiconductors.
In einer anderen speziellen Ausführung der Erfindung wird die Kühlplatte durch Substrate gebildet, an denen die Halbleiter befestigt sind. Der Wärmeübertragungswiderstand einer gesonderten Zwischenkühlplatte wird dadurch vermieden, und der gesamte Wärmeübertragungswiderstand wird verringert.In another specific embodiment of the invention, the cooling plate is formed by substrates to which the semiconductors are attached. The heat transfer resistance of a separate intermediate cooling plate is thereby avoided and the overall heat transfer resistance is reduced.
Nach dieser generellen Beschreibung der Erfindung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen detailliert beschrieben. Die Zeichnungen stellen dar:After this general description of the invention, an embodiment of the invention is described in detail below with reference to the drawings. The drawings show:
Fig. 1 eine Explosionsansicht eines Kühlgeräts,Fig. 1 is an exploded view of a cooling device,
Fig. 2 eine perspektivische Draufsicht des Verteilerelements, Fig. 2 is a perspective top view of the distributor element,
Fig. 3 eine Draufsicht des Verteilerelements undFig. 3 a top view of the distributor element and
Fig. 4 eine perspektivische Unteransicht des Verteilerelements .Fig. 4 is a perspective bottom view of the distributor element.
Nach Fig. 1 hat das Kühlgerät 1 ein Bodenteil 13 etwa in der Form einer Badewanne mit einer flachen Bodenplatte 11 und einem Rahmenteil 20. Das Bodenteil 13 hat Löcher 14 und 15 für den Anschluß eines RohrsystemsAccording to Fig. 1, the cooling device 1 has a base part 13 approximately in the shape of a bathtub with a flat base plate 11 and a frame part 20. The base part 13 has holes 14 and 15 for the connection of a pipe system
oder dergleichen, über das die Kühlflüssigkeit zu- beziehungsweise abgeführt wird.or the like, through which the cooling liquid is supplied or drained.
Ein Verteilerelement 4 paßt mit den Innenflächen des Rahmenteils 20 des Bodenteils 13 zusammen. Wenn das Verteilerelement 4 im Bodenteil 13 eingesetzt ist, ist das Bodenteil in eine Oberkammer und eine Bodenkammer unterteilt. Die Bodenkammer ist zwischen der Bodenplatte 11 und dem Verteilerelement 4 gebildet und ist außerdem in zwei Kammern unterteilt, wie noch ausführlicher beschrieben wird. Die Löcher 14 und 15 stehen mit dieser Bodenkammer in Verbindung, und zwischen der Bodenkammer und der Oberkammer wird nur durch Einlasse und Auslässe 6 im Verteilerelement 4 eine Flüssigkeits-Verbindung hergestellt, was noch ausführlich beschrieben wird.A distributor element 4 mates with the inner surfaces of the frame part 20 of the base part 13. When the distributor element 4 is inserted in the base part 13, the base part is divided into an upper chamber and a bottom chamber. The bottom chamber is formed between the base plate 11 and the distributor element 4 and is further divided into two chambers, as will be described in more detail. The holes 14 and 15 communicate with this bottom chamber and fluid communication is established between the bottom chamber and the upper chamber only through inlets and outlets 6 in the distributor element 4, as will be described in more detail.
Die Oberkammer wird durch eine Oberplatte 3 und einen Dichtring 16 abgeschlossen, wenn diese auf dem Bodenteil 13 montiert sind. Der Dichtring 16 paßt in eine Nut 17 des Bodenteils 13 und bewirkt eine Abdichtung zwischen dem Rahmenteil 20 und der Oberplatte 3. Die Oberplatte 3 wird mittels nicht dargestellter Schrauben am Bodenteil 13 befestigt. Die Schrauben werden durch Löcher 19 in der Oberplatte hindurch in Löcher 18 des Bodenteils geschraubt. Die Oberplatte 3 wird im folgenden als gekühlte Platte bezeichnet, weil sie die Platte ist, die durch die durch das Gerät geleitete Flüssigkeit gekühlt wird. Auf der Oberseite der gekühlten Platte 3 sind die Halbleiter in bekannter Weise angebracht, was deshalb nicht näher beschrieben wird.The upper chamber is closed off by a top plate 3 and a sealing ring 16 when these are mounted on the base part 13. The sealing ring 16 fits into a groove 17 in the base part 13 and creates a seal between the frame part 20 and the top plate 3. The top plate 3 is attached to the base part 13 by means of screws (not shown). The screws are screwed through holes 19 in the top plate into holes 18 in the base part. The top plate 3 is referred to below as the cooled plate because it is the plate that is cooled by the liquid passed through the device. The semiconductors are mounted on the top of the cooled plate 3 in a known manner, which is therefore not described in more detail.
Fig. 2 zeigt das Verteilerelement 4 in einer perspektivischen Ansicht, in der es etwas weiter als in Fig. 1 verdreht ist. Die Einlasse 5 und die Auslässe 6 sind jetzt sichtbar, und die Draufsicht des Verteilerelements in Fig. 3 macht die Einlasse 5 und die Auslässe noch besser sichtbar. Die Flüssigkeit wird durch die Einlasse 5 aus der Bodenkammer in die Oberkammer geleitet und von dort zwischen Führungswänden 21 an der Unterseite der gekühlten Platte 3 entlang, wie es durch Pfeile in Fig. 3 angedeutet ist, durch die Auslässe 6 in die Bodenkammer zurück.Fig. 2 shows the distributor element 4 in a perspective view in which it is rotated somewhat further than in Fig. 1. The inlets 5 and the outlets 6 are now visible, and the top view of the distributor element in Fig. 3 makes the inlets 5 and the outlets even more visible. The liquid is guided through the inlets 5 from the bottom chamber into the upper chamber and from there between guide walls 21 along the underside of the cooled plate 3, as indicated by arrows in Fig. 3, back into the bottom chamber through the outlets 6.
Wie es aus Fig. 3 klar hervorgeht, erlauben die Führungswände 21 den Flüssigkeitsdurchtritt an ihrem einen Ende. Einige Wände erstrecken sich dagegen über die gesamte Struktur, wie z.B. die Wände 22 und 23. Diese durchgehenden Wände unterteilen die Oberkammer in Zellen mit jeweils einem Einlaß 5 und einem Auslaß 6.As is clear from Fig. 3, the guide walls 21 allow the passage of liquid at one end. Some walls, however, extend over the entire structure, such as walls 22 and 23. These continuous walls divide the upper chamber into cells, each with an inlet 5 and an outlet 6.
Die Einlasse 5 und die Auslässe 6 sind so angeordnet, daß der Auslaß 6 einer Zelle direkt neben dem Einlaß einer anderen Zelle liegt. Erwärmte Flüssigkeit, die eine Zelle verläßt, fließt dabei in der Nähe einer gekühlten Flüssigkeit, die gerade in eine andere Zelle fließt, so daß der Wärmegradient entlang der gekühlten Platte verringert wird. Der Wärmegradient entlang der gekühlten Platte wird noch weiter dadurch verringert, daß die Größen der von den Zellen bedeckten Bereiche unterschiedlich sind. An den Rändern 12 ist der Bereich jeder Zelle größer als auf der restlichen Fläche, wobei die Kühlung an den Rändern 12 weniger effektiv ist als auf der restlichen Fläche. Da die Dichte der Wärmeerzeugungselemente an den Rändern einer HalbleitereinheitThe inlets 5 and the outlets 6 are arranged so that the outlet 6 of one cell is directly adjacent to the inlet of another cell. Heated liquid leaving one cell flows close to a cooled liquid which is just flowing into another cell, so that the heat gradient along the cooled plate is reduced. The heat gradient along the cooled plate is further reduced by the fact that the sizes of the areas covered by the cells are different. At the edges 12 the area of each cell is larger than on the rest of the surface, whereby the cooling at the edges 12 is less effective than on the rest of the surface. Since the density of heat generating elements at the edges of a semiconductor device
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kleiner ist als auf dem restlichen Gerät, bewirkt eine Verringerung der Kühlwirkung an den Rändern eine Verringerung des Wärmegradienten entlang der gekühlten Platte.
5smaller than on the rest of the device, a reduction in cooling effect at the edges results in a reduction in the thermal gradient along the cooled plate.
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Nachstehend werden die beiden Kammern der Bodenkammer beschrieben. Fig. 4 zeigt eine perspektivische Unteransicht des Verteilerelements 4. Die Wand 10, die sich schlangenartig entlang der Bodenseite erstreckt, liegt an der Bodenplatte 11 des Bodenteils 13 an und bildet im Prinzip eine flüssigkeitsdichte Verbindung. Die Bodenkammer des Verteilerelements 4 wird dadurch in eine Einlaßkammer 8 und eine Auslaßkammer 9 unterteilt, wenn das Verteilerelement im Bodenteil angebracht wird. Alle Einlasse 5 sind mit der Einlaßkammer 8 und alle Auslässe 6 mit der Auslaßkammer 9 verbunden.The two chambers of the bottom chamber are described below. Fig. 4 shows a perspective bottom view of the distributor element 4. The wall 10, which extends like a snake along the bottom side, rests against the bottom plate 11 of the bottom part 13 and in principle forms a liquid-tight connection. The bottom chamber of the distributor element 4 is thereby divided into an inlet chamber 8 and an outlet chamber 9 when the distributor element is mounted in the bottom part. All inlets 5 are connected to the inlet chamber 8 and all outlets 6 to the outlet chamber 9.
Die Zellen der Oberkammer, Fig. 2 und 3, sind somit zwischen dem gemeinsamen Einlaß und dem gemeinsamen Auslaß, Positionen 14 und 15 in Fig. 1, parallel verbunden .The cells of the upper chamber, Fig. 2 and 3, are thus connected in parallel between the common inlet and the common outlet, positions 14 and 15 in Fig. 1.
Bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Substrate, auf denen die Halbleiter befestigt sind, in bekannter Weise auf der Oberseite der gekühlten Platte 3 angebracht. Die gekühlte Platte könnte aber durch das Substrat selbst gebildet und direkt als Deckel des Geräts angebracht sein. Dies ist eine Folge des minimierten Wärmegradienten entlang der gekühlten Platte. Auf eine herkömmliche Wärmeverteilungsplatte, die in Fig. 1 als gekühlte Platte dargestellt ist, könnte dadurch in gewissen Anwendungsfällen verzichtet werden.In the embodiment of the invention shown in the drawings, the substrates on which the semiconductors are mounted are mounted in a known manner on the top of the cooled plate 3. However, the cooled plate could be formed by the substrate itself and mounted directly as a cover of the device. This is a consequence of the minimized heat gradient along the cooled plate. A conventional heat distribution plate, which is shown as a cooled plate in Fig. 1, could thus be dispensed with in certain applications.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält ein einziges Verteilerelement 4 in einem Bodenteil 13. Dies soll jedoch in keiner Weise die Erfindung einschränken, da ein Bodenteil mit Platz für mehrere Verteilerelemente
4 denkbar ist, so daß ein einziges Kühlgerät mehrere Bauteile kühlt und mehr als eine gekühlte Platte oder Kühlplatte aufweist.The illustrated embodiment of the invention contains a single distributor element 4 in a base part 13. However, this should not limit the invention in any way, since a base part with space for several distributor elements
4 is conceivable so that a single cooling device cools several components and has more than one cooled plate or cooling plate.
Claims (9)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20021114 |
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| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20050617 |
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| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20080616 |
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| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20100609 |
|
| R071 | Expiry of right | ||
| R071 | Expiry of right |