[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

WO2001004950A1 - Device for heat dissipation of semiconductor components in case of load peaks - Google Patents

Device for heat dissipation of semiconductor components in case of load peaks Download PDF

Info

Publication number
WO2001004950A1
WO2001004950A1 PCT/DE2000/002074 DE0002074W WO0104950A1 WO 2001004950 A1 WO2001004950 A1 WO 2001004950A1 DE 0002074 W DE0002074 W DE 0002074W WO 0104950 A1 WO0104950 A1 WO 0104950A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductor component
heat sink
medium
heat
melting point
Prior art date
Application number
PCT/DE2000/002074
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rainer Kreutzer
Robert Jung
Erich Zerbian
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2001004950A1 publication Critical patent/WO2001004950A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • H01L23/4275—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes by melting or evaporation of solids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a device for heat removal from a semiconductor component, which has a semiconductor component and a first heat sink that is in contact with the semiconductor component.
  • the switching elements used which may be electromechanical or semiconductor components, depending on the operating state.
  • the motor current can exceed the current that flows during rated operation by a multiple.
  • the starting current is about four to twelve times the continuous rated current.
  • the duration of the start-up phase can range from approximately one second to 30 seconds. Further short-term load peaks can also occur during normal operation. These increased current loads lead to increased heat development within the switching elements.
  • the increased current causes the heat peaks in the semiconductor component to be released to an initially cold heat sink, which can be a metal block or a heat sink provided with cooling fins.
  • FIG. 1 shows a device for heat removal from a semiconductor component, which has a semiconductor component 1 and a heat sink 2 which is in contact with it and which is implemented as a metal block.
  • the semiconductor component 1 has a chip housing 1b, in which, for example, a thyristor is contained. Power connections la protrude downward from the chip housing 1b.
  • the rear side of the semiconductor component 1 is formed by a metal plate 1c, which is used for improved heat dissipation from the chip housing 1b to the heat sink 2 contacted with the metal plate 1c.
  • the semiconductor component is fastened to the heat sink 2 by means of a screw, not shown, which is guided through a screw hole 1d in the metal plate 1c.
  • FIG. 2 shows another known device for cooling a semiconductor component. This differs from the device shown in FIG. 1 only in the design of the heat sink used.
  • the one in the fi The heat sink 3 shown in FIG. 2 is provided on its side facing away from the semiconductor component 1 with cooling fins 3a. Because of these cooling fins, the contact area between the heat sink 3 and the surroundings is increased, so that the heat generated in the semiconductor component can be better dissipated to the surroundings.
  • the invention is based on the object of specifying a device for heat removal from a semiconductor component, in which the heat removal is improved when stress peaks occur.
  • the advantages of the invention consist in particular in that the temporarily occurring high heat flow from the semiconductor is initially used to melt a medium with a low melting point, which is in direct or indirect contact with the semiconductor component to be cooled. During this melting process, the temperature of the melt does not rise further, since the heat supplied is initially only used to melt further material areas of the medium mentioned. The amount of heat is converted into heat of fusion. This effect continues until the entire medium has melted. Only then does it rise Temperature continues in the semiconductor element. By this time, which occurs much later than in known devices, the increased heat supply in the semiconductor must be stopped in order to prevent its destruction.
  • 1 shows a first known device for warming a
  • FIG. 3 shows a first embodiment for a device for heat removal from a semiconductor component according to the
  • FIG 4 shows a second embodiment of a device for heat removal from a semiconductor device according to
  • FIG 5 shows a third embodiment for a device for heat removal from a semiconductor device according to
  • FIG. 6 shows a sketch to illustrate the device according to FIG. 5
  • FIG. 7 shows a diagram to illustrate the effect of a
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of a
  • the device shown has a semiconductor component 1 to be cooled. This is provided with a chip housing 1b, from the underside of which current connections la are led out.
  • the back of the semiconductor component is formed by a metal plate lc, which for improved heat dissipation from the chip housing lb to the is used with the metal plate lc contacted heat sink 5.
  • the semiconductor component 1 is fastened by means of a screw 4 to the heat sink 5, which consists, for example, of aluminum and forms a metallic housing. In its interior, this has a cavity in which a medium 6 with a low melting point is introduced.
  • the melting point mentioned is preferably in the range from 50 ° C. to 130 ° C.
  • the medium 6 with a low melting point can, for example, be Wood's metal, which has a melting point of 60 ° C, Rose's metal, which has a melting point of 94 ° C, a wax or a salt.
  • the medium 6 with a low melting point can be introduced into the heat sink 5 in the form of plates, rods or balls
  • the side of the heat sink 5 remote from the semiconductor component 1 is contacted with a further heat sink 7, which is provided on its rear side with cooling fins 7a.
  • the semiconductor component 1 is, for example, a thyristor, which is provided as a switching element for switching an electric motor.
  • a thyristor which is provided as a switching element for switching an electric motor.
  • high starting currents occur for a limited period of time, which far exceed the current flowing during the nominal operation of the motor. This leads to heating of the thyristor, which would lead to destruction of the thyristor without suitable countermeasures.
  • the thyristor is de-warmed as follows:
  • the heat generated in the thyristor is passed on via the metal plate 1c to the first heat sink 5, in which the medium 6 with a low melting point is introduced. When the resulting temperature reaches the melting point of the medium, it begins to melt. During this The melting process increases the temperature of the melt and, if the thermal coupling is sufficiently good, that of the semiconductor also no longer increases.
  • the heat supplied only leads to the melting of further material areas, the amount of heat present being converted into heat of fusion. Only when all the material has melted will the temperature continue to rise.
  • the heat generated is fed to the further heat sink 7 via the rear side of the first heat sink 5 and is released to the surroundings via its cooling fins 7a.
  • the main advantage of such a device is that the time until the thermal destruction limit of the semiconductor component 1 is extended. In many applications, the motor starts up before this time has elapsed, so that destruction of the semiconductor component is avoided.
  • the melt cools down, the energy supplied is released again.
  • the heat flow can be dissipated in the direction of the heat sink 7 through surfaces of different sizes for the introduction and dissipation of heat.
  • Figure 4 shows a second embodiment of a
  • the device shown in FIG. 4 differs from the device shown in FIG. 3 only in the configuration of the heat sink 8, which has the medium with a low melting point and is arranged between the semiconductor component 1 and the further heat sink 7.
  • This heat sink 8 is a porous support block, which consists for example of foamed aluminum or sintered material.
  • the medium with a low melting point is introduced into the interstices or pores of this support block, which medium is preferably a wax or a salt in this exemplary embodiment and is in the form of small balls.
  • the basic mode of operation of the device shown in FIG. 4 corresponds to the mode of operation of the device shown in FIG. 3.
  • the period until the thermal destruction limit is reached is extended. In many cases, this means that the start-up phase of the motor or another time-limited load peak has already ended before the semiconductor component has been destroyed.
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of a device for dewarming a semiconductor component according to the invention.
  • the device shown in FIG. 5 differs from the device shown in FIG. 3 only in that it has a heat conducting plate 9, which improves the heat transfer between the semiconductor component 1 and the medium 6 with a low melting point.
  • This heat-conducting sheet 9 is in contact with the metal plate forming the back of the semiconductor component and surrounds the semiconductor component 1 on several sides. As a result, the heat transfer area to the medium 6 with a low melting point is increased and improved heat transfer is possible.
  • FIG. 6 shows a sketch to illustrate the device according to FIG. 5, the individual components of the device being shown in a kind of exploded view.
  • FIG. 7 shows a diagram to illustrate the effect of a device according to the invention.
  • time t is on the abscissa and ordinate is on the ordinate the temperature ⁇ plotted.
  • the dotted line running parallel to the abscissa denotes the temperature value ⁇ l, which corresponds to the thermal destruction limit of the semiconductor component.
  • the solid, parabolic curve is assigned to the prior art according to FIG. 1 or FIG. 2. In this case, the heating of the semiconductor component leads to the thermal destruction limit of the semiconductor component being reached after the time t1 has elapsed.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

The invention concerns a device for heat dissipation of a semiconductor component and comprising a semiconductor component and a first cooling body in contact with the semiconductor component and provided with a medium having a low melting point. Said medium melts when the temperature rises, but the fusion does not raise the temperature further. The time interval required to reach thermal destruction of the semiconductor component is thus prolonged, which is particularly advantageous in an engine starting phase when the semiconductor component acts as a control element of the engine.

Description

Beschreibungdescription
Vorrichtung zur Entwarmung von Halbleiterbauelementen beim Auftreten von BelastungsspitzenDevice for heat removal from semiconductor devices when stress peaks occur
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entwarmung eines Halbleiterbauelementes, welche ein Halbleiterbauelement und einen ersten, mit dem Halbleiterbauelement kontaktierten Kühlkörper aufweist.The invention relates to a device for heat removal from a semiconductor component, which has a semiconductor component and a first heat sink that is in contact with the semiconductor component.
Beim Schalten eines Elektromotors treten für die verwendeten Schaltorgane, bei denen es sich um elektromechanische oder Halbleiterbauelemente handeln kann, je nach Betriebszustand unterschiedliche Belastungszustände auf. Während des Motoran- laufes kann der Motorstrom denjenigen Strom, der bei Nennbetrieb fließt, um ein Vielfaches überschreiten. Je nach Motortyp, -leistungsklasse und -betriebsart liegt der Anlaufstrom um das etwa Vier- bis Zwölffache über dem Dauernennstrom. Die Zeitdauer der Anlaufphase kann im Bereich von circa einer Se- künde bis zu 30 Sekunden betragen. Weitere kurzzeitige Belastungsspitzen können auch während des normalen Betriebes auftreten. Diese erhöhten Strombelastungen führen zu einer erhöhten Wärmeentwicklung innerhalb der Schaltorgane .When an electric motor is switched, different switching conditions occur for the switching elements used, which may be electromechanical or semiconductor components, depending on the operating state. When the motor starts up, the motor current can exceed the current that flows during rated operation by a multiple. Depending on the motor type, performance class and operating mode, the starting current is about four to twelve times the continuous rated current. The duration of the start-up phase can range from approximately one second to 30 seconds. Further short-term load peaks can also occur during normal operation. These increased current loads lead to increased heat development within the switching elements.
Bei elektromechanischen Schalt- bzw. Überlasterfassungsele- menten wird dem beschriebenen Umstand durch eine geeignete Dimensionierung und technische Ausgestaltung der betroffenen Geräteelemente Rechnung getragen. In diesem Zusammenhang können beispielsweise Bimetall-Überlastauslöser verwendet wer- den, die den Anforderungen für die Betriebsart „Class 10" oder „Class 20" gerecht werden. Dabei wird der Effekt der thermischen Trägheit genutzt. Es entsteht zwar während des Anlaufvorganges ein erhöhter Strom und dadurch bedingt auch eine kurzzeitige Erwärmung der Bauteile, doch werden diese nicht zerstört. Bei Nennbetrieb kühlen die Bauteile wieder ab. Bei elektronischen Schaltelementen, beispielsweise Thyristoren, liegen die thermischen Betriebsgrenzen enger zusammen. Hier ist es schwer, die Betriebsanforderungen „Class 10" oder gar „Class 20" zu realisieren, da ein kurzzeitig erhöhter Stromfluß schnell zu einer starken, die Halbleiterschicht zerstörenden Erwärmung führt. Um dennoch brauchbare Gerätefunktionsgrenzen erreichen zu können, nutzt man die Wärmekapazität eines verwendeten Kühlkörpers aus. Dabei werden beim Motoranlauf durch den erhöhten Strom die im Halbleiterbau- element entstehenden Wärmespitzen an einen zunächst kalten Kühlkörper abgegeben, bei dem es sich um einen Metallblock oder um einen mit Kühlrippen versehenen Kühlkörper handeln kann.In the case of electromechanical switching or overload detection elements, the fact described is taken into account by suitable dimensioning and technical design of the device elements concerned. In this context, for example, bimetal overload releases can be used that meet the requirements for the "Class 10" or "Class 20" operating mode. The effect of thermal inertia is used. Although there is an increased current during the start-up process and this also causes the components to heat up briefly, they are not destroyed. The components cool down again during nominal operation. In the case of electronic switching elements, for example thyristors, the thermal operating limits are closer together. It is difficult to meet the "Class 10" or even "Class 20" operating requirements here, since a briefly increased current flow quickly leads to strong heating which destroys the semiconductor layer. In order to be able to reach usable device function limits, one uses the heat capacity of a heat sink used. When the motor starts up, the increased current causes the heat peaks in the semiconductor component to be released to an initially cold heat sink, which can be a metal block or a heat sink provided with cooling fins.
Dies ist in den Figuren 1 und 2 veranschaulicht, die den Stand der Technik zeigen.This is illustrated in Figures 1 and 2, which show the prior art.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Entwarmung eines Halbleiterbauelementes, welche ein Halbleiterbauelement 1 und einen mit diesem kontaktierten Kühlkörper 2 aufweist, der als Metallblock realisiert ist. Das Halbleiterbauelement 1 weist ein Chipgehäuse lb auf, in welchem beispielsweise ein Thyristor enthalten ist. Aus dem Chipgehäuse lb ragen nach unten Stromanschlüsse la heraus. Die Rückseite des Halbleiterbau- elements 1 wird von einem Metallplättchen lc gebildet, welches zur verbesserten Wärmeableitung aus dem Chipgehäuse lb an den mit dem Metallplättchen lc kontaktierten Kühlkörper 2 dient. Zur sicheren Kontaktierung von Halbleiterbauelement 1 und Kühlkörper 2 ist das Halbleiterbauelement mittels einer nicht gezeichneten Schraube, die durch eine Schraubenbohrung ld im Metallplättchen lc geführt ist, am Kühlkörper 2 befestigt .FIG. 1 shows a device for heat removal from a semiconductor component, which has a semiconductor component 1 and a heat sink 2 which is in contact with it and which is implemented as a metal block. The semiconductor component 1 has a chip housing 1b, in which, for example, a thyristor is contained. Power connections la protrude downward from the chip housing 1b. The rear side of the semiconductor component 1 is formed by a metal plate 1c, which is used for improved heat dissipation from the chip housing 1b to the heat sink 2 contacted with the metal plate 1c. For reliable contacting of the semiconductor component 1 and the heat sink 2, the semiconductor component is fastened to the heat sink 2 by means of a screw, not shown, which is guided through a screw hole 1d in the metal plate 1c.
Die Figur 2 zeigt eine weitere bekannte Vorrichtung zur Ent- wärmung eines Halbleiterbauelementes . Diese unterscheidet sich von der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung lediglich durch die Ausgestaltung des verwendeten Kühlkörpers. Der in der Fi- gur 2 dargestellte Kühlkörper 3 ist auf seiner vom Halbleiterbauelement 1 abgewandten Seite mit Kühlrippen 3a versehen. Aufgrund dieser Kühlrippen ist die Kontaktfläche zwischen dem Kühlkörper 3 und der Umgebung vergrößert, so daß die im Halb- leiterbauelement entstehende Wärme besser an die Umgebung abgeführt werden kann.FIG. 2 shows another known device for cooling a semiconductor component. This differs from the device shown in FIG. 1 only in the design of the heat sink used. The one in the fi The heat sink 3 shown in FIG. 2 is provided on its side facing away from the semiconductor component 1 with cooling fins 3a. Because of these cooling fins, the contact area between the heat sink 3 and the surroundings is increased, so that the heat generated in the semiconductor component can be better dissipated to the surroundings.
Beim Auftreten hoher Stromspitzen und damit schnell steigender Erwärmung des Halbleiterbauelementes arbeiten die in den Figuren 1 und 2 gezeigten bekannten Vorrichtungen allerdings relativ träge. Das Halbleiterbauelement wird unzulässig schnell heiß, da die entstehende Wärmemenge nicht schnell genug abgeführt und an die Umgebung weitergeleitet werden kann. Weiterhin ist die vom Kühlkörper aufnehmbare Wärmemenge durch die Kühlkörpermasse und -gestaltung begrenzt.In the event of high current peaks and thus rapidly increasing heating of the semiconductor component, the known devices shown in FIGS. 1 and 2 work relatively slowly. The semiconductor component heats up impermissibly quickly, since the amount of heat generated cannot be dissipated quickly enough and passed on to the environment. Furthermore, the amount of heat that can be absorbed by the heat sink is limited by the heat sink mass and design.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Entwarmung eines Halbleiterbauelementes anzugeben, bei der die Entwarmung beim Auftreten von Belastungsspitzen verbessert ist.Proceeding from this prior art, the invention is based on the object of specifying a device for heat removal from a semiconductor component, in which the heat removal is improved when stress peaks occur.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen An- Sprüchen angegeben .This object is achieved by a device with the features specified in claim 1. Advantageous refinements and developments of the invention are specified in the dependent claims.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß der zeitlich begrenzt auftretende hohe Wärmestrom aus dem Halbleiter zunächst zur AufSchmelzung eines Mediums mit nied- rigem Schmelzpunkt verwendet wird, welches direkt oder indirekt mit dem zu kühlenden Halbleiterbauelement kontaktiert ist. Während dieses AufSchmelzvorganges steigt die Temperatur der Schmelze nicht weiter an, da die zugeführte Wärme zunächst lediglich zum Aufschmelzen weiterer Materialbereiche des genannten Mediums verwendet wird. Die Wärmemenge wird in Schmelzwärme umgesetzt. Dieser Effekt hält solange an, bis das gesamte Medium aufgeschmolzen ist. Erst danach steigt die Temperatur im Halbleiterelement weiter an. Bis zu diesem Zeitpunkt, der wesentlich später auftritt als bei bekannten Vorrichtungen, muß die erhöhte Wärmezufuhr im Halbleiter beendet sein, um dessen Zerstörung zu verhindern.The advantages of the invention consist in particular in that the temporarily occurring high heat flow from the semiconductor is initially used to melt a medium with a low melting point, which is in direct or indirect contact with the semiconductor component to be cooled. During this melting process, the temperature of the melt does not rise further, since the heat supplied is initially only used to melt further material areas of the medium mentioned. The amount of heat is converted into heat of fusion. This effect continues until the entire medium has melted. Only then does it rise Temperature continues in the semiconductor element. By this time, which occurs much later than in known devices, the increased heat supply in the semiconductor must be stopped in order to prevent its destruction.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren .Further advantageous properties of the invention result from the explanation of exemplary embodiments with reference to the figures.
Es zeigt:It shows:
FIG 1 eine erste bekannte Vorrichtung zur Entwarmung eines1 shows a first known device for warming a
Halbleiterbauelementes , FIG 2 eine zweite bekannte Vorrichtung zur Entwarmung eines Halbleiterbauelementes,2 shows a second known device for dewarming a semiconductor device,
FIG 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Entwarmung eines Halbleiterbauelementes gemäß der3 shows a first embodiment for a device for heat removal from a semiconductor component according to the
Erfindung, FIG 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Entwarmung eines Halbleiterbauelementes gemäß derInvention, FIG 4 shows a second embodiment of a device for heat removal from a semiconductor device according to
Erfindung, FIG 5 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Entwarmung eines Halbleiterbauelementes gemäß derInvention, FIG 5 shows a third embodiment for a device for heat removal from a semiconductor device according to
Erfindung, FIG 6 eine Skizze zur Veranschaulichung der Vorrichtung gemäß der FIG 5 , und FIG 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung einerInvention, FIG. 6 shows a sketch to illustrate the device according to FIG. 5, and FIG. 7 shows a diagram to illustrate the effect of a
Vorrichtung gemäß der Erfindung.Device according to the invention.
Die Figur 3 zeigte ein erstes Ausführungsbeispiel für eineFIG. 3 shows a first exemplary embodiment of a
Vorrichtung zur Entwarmung eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung. Die dargestellte Vorrichtung weist ein zu entwärmendes Halbleiterbauelement 1 auf. Dieses ist mit einem Chipgehäuse lb versehen, aus dessen Unterseite Stromanschlüs- se la herausgeführt sind. Die Rückseite des Halbleiterbauelementes wird von einem Metallplättchen lc gebildet, welches zur verbesserten Wärmeableitung aus dem Chipgehäuse lb an den mit dem Metallplättchen lc kontaktierten Kühlkörper 5 dient. Das Halbleiterbauelement 1 ist mittels einer Schraube 4 am Kühlkörper 5 befestigt, welcher beispielsweise aus Aluminium besteht und ein metallisches Gehäuse bildet. Dieses weist in seinem Innenbereich einen Hohlraum auf, in welchen ein Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt eingebracht ist. Der genannte Schmelzpunkt liegt vorzugsweise im Bereich von 50 °C bis 130 °C. Beim Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt kann es sich beispielsweise um Woodsches Metall, welches einen Schmelz- punkt von 60 °C besitzt, um Rosesches Metall, welches einen Schmelzpunkt von 94 °C aufweist, um ein Wachs oder um ein Salz handeln.Device for cooling a semiconductor component according to the invention. The device shown has a semiconductor component 1 to be cooled. This is provided with a chip housing 1b, from the underside of which current connections la are led out. The back of the semiconductor component is formed by a metal plate lc, which for improved heat dissipation from the chip housing lb to the is used with the metal plate lc contacted heat sink 5. The semiconductor component 1 is fastened by means of a screw 4 to the heat sink 5, which consists, for example, of aluminum and forms a metallic housing. In its interior, this has a cavity in which a medium 6 with a low melting point is introduced. The melting point mentioned is preferably in the range from 50 ° C. to 130 ° C. The medium 6 with a low melting point can, for example, be Wood's metal, which has a melting point of 60 ° C, Rose's metal, which has a melting point of 94 ° C, a wax or a salt.
Das Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt kann in Form von Platten, Stangen oder Kugeln in den Kühlkörper 5 eingebracht seinThe medium 6 with a low melting point can be introduced into the heat sink 5 in the form of plates, rods or balls
Die vom Halbleiterbauelement 1 abgelegene Seite des Kühlkörpers 5 ist mit einem weiteren Kühlkörper 7 kontaktiert, der an seiner Rückseite mit Kühlrippen 7a versehen ist.The side of the heat sink 5 remote from the semiconductor component 1 is contacted with a further heat sink 7, which is provided on its rear side with cooling fins 7a.
Das Halbleiterbauelement 1 ist beispielsweise ein Thyristor, der als Schaltelement zum Schalten eines Elektromotors vorgesehen ist. Während des Motoranlaufes treten für einen be- grenzten Zeitraum hohe Anlaufströme auf, die den im Nennbetrieb des Motors fließenden Strom weit übersteigen. Dies führt zur einer Erwärmung des Thyristors, die ohne geeignete Gegenmaßnahmen zu einer Zerstörung des Thyristors führen würde .The semiconductor component 1 is, for example, a thyristor, which is provided as a switching element for switching an electric motor. During the motor start-up, high starting currents occur for a limited period of time, which far exceed the current flowing during the nominal operation of the motor. This leads to heating of the thyristor, which would lead to destruction of the thyristor without suitable countermeasures.
Die Entwarmung des Thyristors geschieht wie folgt:The thyristor is de-warmed as follows:
Die im Thyristor entstehende Wärme wird über das Metallplättchen lc an den ersten Kühlkörper 5 weitergegeben, in welchem das Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt eingebracht ist. Erreicht die entstehende Temperatur den Schmelzpunkt des Mediums, dann beginnt dieses aufzuschmelzen. Während dieses Auf- Schmelzvorganges steigt die Temperatur der Schmelze und bei hinreichend guter thermischer Kopplung auch die des Halbleiters nicht weiter an. Die zugeführte Wärme führt lediglich zum Aufschmelzen weiterer Materialbereiche, wobei die vorhandene Wärmemenge in Schmelzwärme umgesetzt wird. Erst wenn das gesamte Material aufgeschmolzen ist, steigt die Temperatur weiter an. Die gebildete Wärme wird über die Rückseite des ersten Kühlkörpers 5 dem weiteren Kühlkörper 7 zugeführt und über dessen Kühlrippen 7a an die Umgebung abgegeben.The heat generated in the thyristor is passed on via the metal plate 1c to the first heat sink 5, in which the medium 6 with a low melting point is introduced. When the resulting temperature reaches the melting point of the medium, it begins to melt. During this The melting process increases the temperature of the melt and, if the thermal coupling is sufficiently good, that of the semiconductor also no longer increases. The heat supplied only leads to the melting of further material areas, the amount of heat present being converted into heat of fusion. Only when all the material has melted will the temperature continue to rise. The heat generated is fed to the further heat sink 7 via the rear side of the first heat sink 5 and is released to the surroundings via its cooling fins 7a.
Der wesentliche Vorteil einer derartigen Vorrichtung besteht darin, daß die Zeit bis zum Erreichen der thermischen Zerstörgrenze des Halbleiterbauelements 1 verlängert ist. In vielen Anwendungsfällen ist der Anlauf des Motors bereits vor dem Ablauf dieser Zeit beendet, so daß eine Zerstörung des Halbleiterbauelements vermieden wird.The main advantage of such a device is that the time until the thermal destruction limit of the semiconductor component 1 is extended. In many applications, the motor starts up before this time has elapsed, so that destruction of the semiconductor component is avoided.
Beim Abkühlen der Schmelze wird die zugeführte Energie wieder frei. Um zu verhindern, daß die freiwerdende Energie in Rich- tung zum Halbleiterbauelement geführt wird, kann der Wärmestrom durch unterschiedlich große Flächen für die Wärmeeinleitung und Wärmeabgabe in Richtung des Kühlkörpers 7 abgeleitet werden.When the melt cools down, the energy supplied is released again. In order to prevent the energy released from being conducted in the direction of the semiconductor component, the heat flow can be dissipated in the direction of the heat sink 7 through surfaces of different sizes for the introduction and dissipation of heat.
Die Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eineFigure 4 shows a second embodiment of a
Vorrichtung zur Entwarmung eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung. Die in der Figur 4 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von der in der Figur 3 gezeigten Vorrichtung lediglich durch die Ausgestaltung des zwischen dem Halb- leiterbauelement 1 und dem weiteren Kühlkörper 7 angeordneten Kühlkörpers 8, der das Medium mit niedrigem Schmelzpunkt aufweist.Device for cooling a semiconductor component according to the invention. The device shown in FIG. 4 differs from the device shown in FIG. 3 only in the configuration of the heat sink 8, which has the medium with a low melting point and is arranged between the semiconductor component 1 and the further heat sink 7.
Bei diesem Kühlkörper 8 handelt es sich um einen porösen Trä- gerblock, der beispielsweise aus geschäumtem Aluminium oder Sintermaterial besteht. In die Zwischenräume bzw. Poren dieses Trägerblockes ist das Medium mit niedrigem Schmelzpunkt eingebracht, welches bei diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein Wachs oder ein Salz ist und in Form von kleinen Kugeln vorliegt.This heat sink 8 is a porous support block, which consists for example of foamed aluminum or sintered material. The medium with a low melting point is introduced into the interstices or pores of this support block, which medium is preferably a wax or a salt in this exemplary embodiment and is in the form of small balls.
Die grundsätzliche Funktionsweise der in der Figur 4 gezeigten Vorrichtung stimmt mit der Funktionsweise der in der Figur 3 gezeigten Vorrichtung überein. Auch hier wird aufgrund des Umstandes, daß während des Aufschmelzvorganges die Tempe- ratur der Schmelze nicht weiter ansteigt, der Zeitraum bis zum Erreichen der thermischen Zerstörgrenze verlängert. Dadurch ist in vielen Fällen die Anlaufphase des Motors oder eine andere zeitbegrenzte Belastungsspitze bereits beendet, bevor es zu einer Zerstörung des Halbleiterbauelementes ge- kommen ist.The basic mode of operation of the device shown in FIG. 4 corresponds to the mode of operation of the device shown in FIG. 3. Here too, due to the fact that the temperature of the melt does not continue to rise during the melting process, the period until the thermal destruction limit is reached is extended. In many cases, this means that the start-up phase of the motor or another time-limited load peak has already ended before the semiconductor component has been destroyed.
Die Figur 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Entwarmung eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung. Die in der Figur 5 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von der in der Figur 3 gezeigten Vorrichtung lediglich dadurch, daß sie ein Wärmeleitblech 9 aufweist, welches die Wärmeübertragung zwischen dem Halbleiterbauelement 1 und dem Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt verbessert. Dieses Wärmeleitblech 9 ist mit dem die Rückseite des Halbleiterbauelementes bildenden Metallplättchen kontaktiert und umschließt das Halbleiterbauelement 1 an mehreren Seiten. Dadurch ist die Wärmeübergangsfläche zum Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt vergrößert und eine verbesserte Wärmeübertragung möglich.FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of a device for dewarming a semiconductor component according to the invention. The device shown in FIG. 5 differs from the device shown in FIG. 3 only in that it has a heat conducting plate 9, which improves the heat transfer between the semiconductor component 1 and the medium 6 with a low melting point. This heat-conducting sheet 9 is in contact with the metal plate forming the back of the semiconductor component and surrounds the semiconductor component 1 on several sides. As a result, the heat transfer area to the medium 6 with a low melting point is increased and improved heat transfer is possible.
Die Figur 6 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Vorrichtung gemäß der Figur 5 , wobei die einzelnen Bauteile der Vorrichtung in einer Art Explosionsdarstellung gezeigt sind.FIG. 6 shows a sketch to illustrate the device according to FIG. 5, the individual components of the device being shown in a kind of exploded view.
Die Figur 7 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. In diesem Diagramm ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Temperatur ϋ aufgetragen. Die parallel zur Abszisse verlaufende gepunktete Linie bezeichnet den Temperaturwert ύl , welcher der thermischen Zerstörgrenze des Halbleiterbauelements entspricht. Die durchgezogene, parabelförmig verlau- fende Kurve ist dem Stand der Technik gemäß Figur 1 oder Figur 2 zugeordnet. Dabei führt die Erwärmung des Halbleiter- bauelements bereits nach Ablauf der Zeit tl zum Erreichen der thermischen Zerstörgrenze des Halbleiterbauelements. Aus der gestrichelt gezeichneten Kurve, die den Vorrichtungen gemäß der Erfindung zugeordnet ist, ist ersichtlich, daß die thermische Zerstörgrenze des Halbleiterbauelements erst nach Ablauf der Zeit t2 erreicht wird, wobei t2 wesentlich größer als tl ist. Im mittleren Teil dieser Kurve ist zu sehen, daß die Temperatur während des Aufschmelzens des Mediums mit niedrigem Schmelzpunkt nicht ansteigt, was die bereits angesprochene erwünschte Verlängerung der Zeit bis zum Erreichen der thermischen Zerstörgrenze des Halbleiterbauelements verursacht . FIG. 7 shows a diagram to illustrate the effect of a device according to the invention. In this diagram, time t is on the abscissa and ordinate is on the ordinate the temperature ϋ plotted. The dotted line running parallel to the abscissa denotes the temperature value ύl, which corresponds to the thermal destruction limit of the semiconductor component. The solid, parabolic curve is assigned to the prior art according to FIG. 1 or FIG. 2. In this case, the heating of the semiconductor component leads to the thermal destruction limit of the semiconductor component being reached after the time t1 has elapsed. From the curve drawn in dashed lines, which is assigned to the devices according to the invention, it can be seen that the thermal destruction limit of the semiconductor component is only reached after the time t2 has passed, t2 being substantially greater than tl. In the middle part of this curve it can be seen that the temperature does not rise during the melting of the medium with a low melting point, which causes the above-mentioned desired extension of the time until the thermal destruction limit of the semiconductor component is reached.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Entwarmung eines Halbleiterbauelementes mit einem Halbleiterbauelement und einem ersten, mit dem Halbleiterbauelement kontaktierten Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kühlkörper (5, 8) ein Medium mit niedrigem Schmelzpunkt aufweist.1. Device for dewarming a semiconductor component with a semiconductor component and a first, with the semiconductor component contacted heat sink, characterized in that the first heat sink (5, 8) has a medium with a low melting point.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Schmelzpunkt im Bereich von 50 °C bis 130 °C liegt.2. Device according to claim 1, characterized in that the melting point is in the range from 50 ° C to 130 ° C.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium Woodsches Metall, Rosesches Metall, ein Wachs oder ein Salz ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the medium is Wood's metal, Rose's metal, a wax or a salt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit niedrigem Schmelzpunkt in ein metallisches Gehäuse (5) ein- gebracht ist.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the medium with a low melting point is introduced into a metallic housing (5).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Medium mit niedrigem Schmelzpunkt in Form von Platten, Stangen oder Kugeln vorliegt.5. The device according to claim 4, characterized in that the medium with a low melting point is in the form of plates, rods or balls.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit niedrigem Schmelzpunkt in die Zwischenräume eines porösen Trägers (8) eingebracht ist.6. Device according to one of claims 1-3, characterized in that the medium with a low melting point is introduced into the spaces between a porous support (8).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Träger geschäumtes Aluminium oder Sintermaterial ist.7. The device according to claim 6, characterized in that the porous carrier is foamed aluminum or sintered material.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kühlkörper (5, 8) auf seiner vom Halbleiterbauelement (1) abgewandten Seite mit einem zweiten Kühlkörper (7) kontaktiert ist.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first heat sink (5, 8) is contacted on its side facing away from the semiconductor component (1) with a second heat sink (7).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- zeichnet, daß der zweite Kühlkörper (7) auf seiner vom ersten Kühlkörper (5, 8) abgewandten Seite mit Kühlrippen (7a) versehen ist.9. The device according to claim 8, characterized in that the second heat sink (7) on its side facing away from the first heat sink (5, 8) is provided with cooling fins (7a).
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Wärmeleitblech (9) aufweist, welches zur Wärmeübertragung vom Halbleiterbauelement (1) zum Medium mit niedrigem Schmelzpunkt dient.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it has a heat conducting plate (9) which serves for heat transfer from the semiconductor component (1) to the medium with a low melting point.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement ein Schaltelement ist, welches zum Schalten eines Elektromotors vorgesehen ist.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor component is a switching element which is provided for switching an electric motor.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement ein Thyristor ist.12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the switching element is a thyristor.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Entwarmung des Halbleiter- bauelements während des Motoranlaufes dient . 13. The apparatus of claim 11 or 12, characterized in that it is used for heat removal of the semiconductor device during motor start-up.
PCT/DE2000/002074 1999-07-12 2000-06-26 Device for heat dissipation of semiconductor components in case of load peaks WO2001004950A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19932441.7 1999-07-12
DE1999132441 DE19932441A1 (en) 1999-07-12 1999-07-12 Device for cooling semiconductor components when load peaks occur

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2001004950A1 true WO2001004950A1 (en) 2001-01-18

Family

ID=7914437

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2000/002074 WO2001004950A1 (en) 1999-07-12 2000-06-26 Device for heat dissipation of semiconductor components in case of load peaks

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE19932441A1 (en)
WO (1) WO2001004950A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023126586A1 (en) 2022-09-30 2024-04-04 Bernd WILDPANNER Semiconductor component

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10112264A1 (en) * 2001-03-14 2002-10-02 Siemens Ag Electric unit for measuring temperature in a heat sink screwed onto a power semiconductor has an electric component linked to the heat sink and a temperature sensor.
EP1284503A1 (en) * 2001-08-13 2003-02-19 Abb Research Ltd. Semiconductor power module
DE10250604A1 (en) * 2002-10-30 2004-05-19 Tyco Electronics Amp Gmbh Integrated circuit system with latent heat storage module
DE10324156A1 (en) * 2003-05-22 2004-12-16 Siemens Ag Method and arrangement for thermal protection of electronic units in an electronic device
DE10347518A1 (en) * 2003-10-13 2005-05-25 Siemens Ag Electronic component, circuit carrier assembly and electronic unit with heat accumulator
DE102005034546A1 (en) * 2005-07-23 2007-01-25 Conti Temic Microelectronic Gmbh Module with cooling device, has melt-body retained in number of cooling chambers
WO2009027038A1 (en) * 2007-08-25 2009-03-05 Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg Electrical device, method and use
DE102008004053A1 (en) * 2008-01-11 2009-07-23 Airbus Deutschland Gmbh Peak load cooling of electronic components through phase change materials
DE202008000949U1 (en) * 2008-01-22 2009-03-12 Steca Elektronik Gmbh Device consisting of an electronic circuit and a cooling unit
DE102010062914A1 (en) * 2010-12-13 2012-06-14 Robert Bosch Gmbh Semiconductor i.e. power semiconductor, for use in direct current power semiconductor of electronic commutated electromotor of motor car, has ceramic layer comprises pores that are filled with thermal conductive medium e.g. adhesive
US20120206880A1 (en) * 2011-02-14 2012-08-16 Hamilton Sundstrand Corporation Thermal spreader with phase change thermal capacitor for electrical cooling
US9136202B2 (en) * 2012-04-17 2015-09-15 Qualcomm Incorporated Enhanced package thermal management using external and internal capacitive thermal material
DE102013206868A1 (en) * 2013-04-16 2014-05-08 E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH Method for cooling power semiconductor switch e.g. rectifier, involves thermally connecting semiconductor device to phase-change material that is arranged in container or reservoir
DE102016203125B4 (en) 2016-02-26 2019-03-28 Audi Ag Electrical system for a motor vehicle with an electromechanical switching device and a holding device and motor vehicle with it

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5007478A (en) * 1989-05-26 1991-04-16 University Of Miami Microencapsulated phase change material slurry heat sinks
JPH05218250A (en) * 1992-02-06 1993-08-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Heat dissipating apparatus with variable heat transfer rate
EP0732743A2 (en) * 1995-03-17 1996-09-18 Texas Instruments Incorporated Heat sinks
US5831831A (en) * 1997-03-27 1998-11-03 Ford Motor Company Bonding material and phase change material system for heat burst dissipation
JPH11111898A (en) * 1997-10-06 1999-04-23 Zojirushi Vacuum Bottle Co Cooler for semiconductor element

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH546480A (en) * 1972-06-08 1974-02-28 Bbc Brown Boveri & Cie DEVICE FOR THE ABSORPTION OF THERMAL IMPULSES.
DE4019091A1 (en) * 1990-06-15 1991-12-19 Battelle Institut E V HEAT DISCHARGE DEVICE FOR SEMICONDUCTOR COMPONENTS AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
DE19805930A1 (en) * 1997-02-13 1998-08-20 Furukawa Electric Co Ltd Cooling arrangement for electrical component with heat convection line

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5007478A (en) * 1989-05-26 1991-04-16 University Of Miami Microencapsulated phase change material slurry heat sinks
JPH05218250A (en) * 1992-02-06 1993-08-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Heat dissipating apparatus with variable heat transfer rate
EP0732743A2 (en) * 1995-03-17 1996-09-18 Texas Instruments Incorporated Heat sinks
US5831831A (en) * 1997-03-27 1998-11-03 Ford Motor Company Bonding material and phase change material system for heat burst dissipation
JPH11111898A (en) * 1997-10-06 1999-04-23 Zojirushi Vacuum Bottle Co Cooler for semiconductor element

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"MELTING WAX COOLS HOT COMPONENTS", MACHINE DESIGN,US,PENTON,INC. CLEVELAND, VOL. 57, NR. 23, PAGE(S) 48, ISSN: 0024-9114, XP000579938 *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 017, no. 657 (E - 1470) 6 December 1993 (1993-12-06) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1999, no. 09 30 July 1999 (1999-07-30) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023126586A1 (en) 2022-09-30 2024-04-04 Bernd WILDPANNER Semiconductor component

Also Published As

Publication number Publication date
DE19932441A1 (en) 2001-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2647758C3 (en) Cooling module for electrical components
WO2001004950A1 (en) Device for heat dissipation of semiconductor components in case of load peaks
EP0662209B1 (en) Thermoelectric heating or cooling device
EP3433904B1 (en) A connector equipped with a thermal element
DE112005001431B4 (en) Thermoelectric module, method for its production and system with the thermoelectric module
EP2567424B1 (en) Electrical energy store with cooling device
DE68923779T2 (en) Mounting and cooling system for power semiconductor arrangements.
EP2304371B1 (en) Device and method for cooling components by means of magnetizable phase change material
EP1961281B1 (en) Appliance, series of appliances, device comprising housing parts, method, use of an air cooler, and use of a liquid cooler
WO2003046982A1 (en) Optimised application of pcms in chillers
EP1390219A2 (en) Electric heating system for a motor vehicle
DE3933956C2 (en) Tension bandage for a converter
DE112017007994T5 (en) Electrical power conversion device
DE2428934A1 (en) ARRANGEMENT OF A POWER SEMICONDUCTOR DEVICE COOLED BY HEAT SINK
WO2022189215A1 (en) Device for the cooling of a battery module
WO2012160059A1 (en) Printed circuit board for electric components, and printed circuit board system
DE112016006331B4 (en) Semiconductor device
DE10022341A1 (en) Electronic power module
DD301817B5 (en) SELF-CONTROLLING ELECTRIC HEATING DEVICE WITH PTC HEATING ELEMENTS
DE1489985B1 (en) Heat exchanger for the solid medium of an optical transmitter or amplifier
EP3545549B1 (en) Cooling plate
EP3758130A1 (en) Holder device for holding and cooling of push-in modules
DE102023206084B3 (en) Electronic arrangement and high-voltage box with an electronic arrangement
DE2711931A1 (en) Semiconductor component with two liq. cooled pressure plates - has heat sink with coolant flow channel in closure compression contact with plates
DE10360573B4 (en) The power semiconductor module

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): CA US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
122 Ep: pct application non-entry in european phase
DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)