DE10012990A1 - Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente, insbesondere zur Kühlung von Mikroprozessoren, mit mindestens einem passiven wärmeleitenden Kühlelement 18, wobei zumindest ein Teil des passiven Kühlelements 18 von einem nichtmetallischen und flüssigen Wärmeübertragungsmedium 42 umgeben ist, wobei sich das Wärmeübertragungsmedium 42 in einem Behälter 16 aus wärmeleitendem Material befindet und der Behälter 16 mit einem Bodenelement 34 auf dem elektronischen Bauelement 12 aufliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente, insbesondere zur Kühlung von Mikroprozessoren, mit mindestens einem passiven wärmeleiten­ den Kühlelement.

Derartige Kühlvorrichtungen für elektronische Bauelemente sind in einer großen Vielzahl be­ kannt. Dabei werden insbesondere passive wärmeleitende Kühlelemente, insbesondere aus Alu­ minium, auf den Oberflächen der elektronischen Bauelemente angeordnet, und somit in Wirk­ kontakt mit diesen gebracht. Die Befestigung der Kühlelemente erfolgt dabei mittels Klebstoff oder mittels spezieller Halterungen. Den passiven Kühlelementen aufgesetzt oder in die passi­ ven Kühlelemente integriert ist meistens ein zusätzliches aktives Kühlelement in Form eines Lüfters.

Nachteilig an den bekannten Kühlvorrichtungen ist jedoch, daß aufgrund der immer leistungsfä­ higeren elektronischen Bauelemente, insbesondere aufgrund der immer höheren Taktfrequenzen von Mikroprozessoren, die Wärmeentwicklung stark zunimmt. Da derartige elektronische Bau­ elemente aber nur in einem bestimmten Temperaturbereich arbeiten können und bei zu hohen Temperaturen funktionsunfähig werden, werden auch immer höhere Anforderungen an die ent­ sprechenden Kühlvorrichtungen gestellt. Mit den genannten Kühlern gemäß dem Stand der Technik ist die gewünschte und erforderliche Kühlung nicht mehr erreichbar.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente, insbesondere zur Kühlung von Mikroprozessoren, mit mindestens einem passiven wärmeleitenden Kühlelement bereitzustellen, die eine ausreichende Kühlung der elektronischen Bauelemente, auch bei hoher Wärmeentwicklung, gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine gattungsgemäße Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Schutzanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung weist mindestens ein passiv wärmeleitendes Kühlele­ ment auf, welches zumindest teilweise von einem nicht-metallischen und flüssigen Wärmeüber­ tragungsmedium umgeben ist, wobei sich das Wärmeübertragungsmedium in einem Behälter aus wärmeleitendem Material befindet, und der Behälter mit einem Bodenelement auf dem elektronischen Bauelement aufliegt. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung macht sich dabei zur Kühlung der elektronischen Bauelemente ein Prinzip zunutze, welches auf den spezifischen Wärmekapazitäten beim Übergang von fest in flüssig beruht. Dadurch ist es möglich, auch hohe Wärmemengen abzuleiten, da die über den Behälter aufgenommene Wärmemenge an das flüssi­ ge Wärmeübertragungsmedium, und erst dann an das passive Kühlelement abgegeben wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht dabei das passive Kühlelement aus einem Stegelement und senkrecht zum Stegelement angeordneten unteren und oberen Kühlrip­ pen, wobei die unteren Kühlrippen in das Wärmeübertragungsmedium ragen. Eine derartige er­ findungsgemäße Ausgestaltung des passiven Kühlelements fördert eine zusätzliche Wärmeab­ leitung, nicht nur über die unteren Kühlrippen, sondern auch über die oberen Kühlrippen, die nicht von dem Wärmeübertragungsmedium umgeben sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung sind die unteren Kühlrippen dünner ausgebildet als die oberen Kühlrippen. Dadurch ergibt sich eine star­ ke Oberflächenvergrößerung der unteren Kühlrippen, wodurch eine sehr gute Wärmeübertra­ gung vom flüssigen Wärmeübertragungsmedium auf das passive Kühlelement gewährleistet ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wärmeübertragungsmedium ein Phasen-Übergangsmaterial (PCM = Phase Change Material), mit einer im Vergleich zu Wasser vielfach höheren Wärmeaufnahmekapazität, wobei der Siedepunkt des Phasen-Über­ gangsmaterials auf Werte zwischen 55°C und 67°C einstellbar ist. Des weiteren weist das Pha­ sen-Übergangsmaterial vorteilhafterweise im Bereich zwischen 20°C und dem eingestellten Sie­ depunkt eine Volumenzunahme von 1,5 bis 2,5% auf. Dadurch ist es möglich, daß, je nach Art des zu kühlenden elektronischen Bauelementes, eine maximal zulässige Sperrschichttemperatur einstellbar ist. Bei neueren Mikroprozessoren liegt die maximale Sperrschichttemperatur bei cir­ ca 80°C.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Behälter aus Metall oder einer Metallegierung, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Das passive Kühlelement besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Dabei ist durch das Wär­ meübertragungsmedium gewährleistet, daß der höhere thermische Widerstand von Kupfer zu Aluminium über das Wärmeübertragungsmedium über eine größere Oberfläche der unteren, in das Wärmeübertragungsmedium ragenden Kühlrippen kompensiert wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung schließt das passive Kühlelement den das Wärmeübertragungsmedium aufweisenden Behälter dichtend ab. Durch eine derartige Konstruktion ist gewährleistet, daß die Kühlvorrichtung insgesamt eine nur geringe Bauhöhe aufweist und mit wenigen Bauelementen aufgebaut werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist zwi­ schen dem Bodenelement des Behälters und der Auflagefläche des elektronischen Bauelemen­ tes für das Bodenelement eine wärmeleitende Folie angeordnet. Durch eine derartige Anord­ nung einer wärmeleitenden Folie ist eine hervorragende Wärmeübertragung von dem elektroni­ schen Bauelement auf den Behälter gewährleistet.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen Prozessor mit einem Prozessorsockel und mindestens einer auf dem Prozessor angeordneten Kühlvorrichtung, wobei die Kühlvorrichtung mindestens ein passives wärmeleitendes Kühlelement aufweist und zumindest ein Teil des passiven Kühl­ elementes von einem nicht-metallischen und flüssigen Wärmeübertragungsmedium umgeben ist, wobei sich das Wärmeübertragungsmedium in einem Behälter aus wärmeleitendem Material befindet, und der Behälter mit einem Bodenelement auf dem elektronischen Bauelement auf­ liegt.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin die erfindungsgemäße Verwendung eines nicht- metallischen und flüssigen Wärmeübertragungsmediums zur Kühlung von Mikroprozessoren.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus einem in den fol­ genden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kühlvor­ richtung; und

Fig. 2 eine schematisch dargestellte Seitenansicht mehrerer Einzelelemente der erfin­ dungsgemäßen Kühlvorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer Kühlvorrichtung 10 für elektroni­ sche Bauelemente mit einem passiv wärmeleitenden Kühlelement 18 und einem auf dem passi­ ven Kühlelement 18, mittels der in die Ausnehmungen 40 eingreifenden Befestigungs­ vorrichtungen 38, angeordneten Lüfter 20. Man erkennt, daß ein Teil des passiven Kühl­ elementes 18 von einem nicht-metallischen und flüssigen Wärmeübertragungsmedium 42 umgeben ist, wobei sich das Wärmeübertragungsmedium 42 in einem Behälter 16 aus wärmeleitendem Material befindet. Das passive Kühlelement 18 besteht dabei aus einem Stegelement 26 und senkrecht zum Stegelement 26 angeordneten unteren und oberen Kühlrippen 28, 30, wobei die unteren Kühlrippen 28 in das Wärmeübertragungsmedium 42 ragen. Der Behälter 16 liegt mit einem Bodenelement 34 auf dem elektronischen Bauelement 12, nämlich einem Mikroprozessor, auf. Der Mikroprozessor 12 ist in einem Prozessorsockel 14 angeordnet.

Der Behälter 16 besteht in dem Ausführungsbeispiel aus Kupfer. Dabei kann der Behälter aus einem Kupfer-Tiefziehteil oder einem Kupfer-Druckgußteil bestehen. Zwischen dem Bodenele­ ment 34 des Behälters 16 und der Auflagefläche des elektronischen Bauelementes 12 für das Bodenelement 34 ist eine wärmeleitende Folie 24 angeordnet.

Des weiteren erkennt man, daß die unteren Kühlrippen 28 dünner ausgebildet sind als die obe­ ren Kühlrippen 30. Dadurch ergibt sich eine größere Oberfläche dieser in das Wärmeübertra­ gungsmedium 42 ragenden Kühlrippen. Eine derartige Ausgestaltung der unteren Kühlrippen ist möglich, da diese nach dem Einbau keinen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Im übri­ gen kann das Profil des aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden passiven Kühlelementes 18 beliebig den Einbauplatzverhältnissen und thermischen Bedingungen ange­ paßt sein.

Weiterhin erkennt man aus Fig. 1, daß der Behälter 16 von Seitenwänden 36 umgeben ist, die an ihren von dem Bodenelement 34 abgewandten Ende eine formschlüssige Verbindung mit dem passiven Kühlelement 18 eingehen. Eine Dichtverbindung 22 ist zwischen den genannten Enden der Seitenwände 36 und den entsprechenden Ausnehmungen im passiven Kühlelement 18 angeordnet, so daß das passive Kühlelement 18 den Behälter 16 dichtend abschließt.

Im Betrieb führt der wärmeleitende Behälter 16 über die Wärmefolie 24 die Wärme des elektro­ nischen Bauelementes 12 in das Wärmeübertragungsmedium 42. Das Wärmeübertragungsmedi­ um 42 nimmt entsprechend seiner sehr hohen Wärmekapazität, die im Vergleich zu Wasser vielfach höher ist, die zugeführte Wärme auf und hält somit die Temperatur des Bauelementes unterhalb der maximalen Sperrschichttemperatur des Bauelementes. Dabei wird die Menge beziehungsweise das Volumen des verwendeten Wärmeübertragungsmediums 42 auf die jeweils zugeführte maximale Bauelementverlustleistung, insbesondere Prozessorverlustleistung, abgestimmt. Die in das Wärmeübertragungsmedium 42 ragenden unteren Kühlrippen 28 kom­ pensieren durch ihre größere Oberfläche den höheren thermischen Widerstand, im Vergleich zu dem aus Kupfer bestehenden Behälter 16, und führen über die große Kühleroberfläche die Wärme per Strahlung, natürliche und/oder lüfterunterstützte Konvektion an die Umgebung ab.

Fig. 2 zeigt eine schematisch dargestellte Seitenansicht des passiven Kühlelementes 18 und des Behälters 16 der Kühlvorrichtung 10. Man erkennt den Aufbau des Kühlelementes 18 beste­ hend aus dem Steg 26 und die dazu senkrecht angeordneten unteren und oberen Kühlrippen 28, 30. Der Behälter 16 besteht aus dem Bodenelement 34 und entsprechend angeordneten Seitenwänden 36, die an der von dem Bodenelement 34 abgewandten Seite einen Behälterrand 44 aus­ bilden. Im Behälter 16 ist das Wärmeübertragungsmedium 42 angeordnet.

Claims (12)

1. Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente, insbesondere zur Kühlung von Mikro­ prozessoren, mit mindestens einem passiven wärmeleitenden Kühlelement (18), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des passiven Kühlelements (18) von einem nichtmetallischen und flüssigen Wärmeübertragungsmedium (42) umgeben ist, wobei sich das Wärme­ übertragungsmedium (42) in einem Behälter (16) aus wärmeleitendem Material befindet und der Behälter (16) mit einem Bodenelement (34) auf dem elektronischen Bauelement (12) aufliegt.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das passive Kühlelement (18) aus einem Stegelement (26) und senkrecht zum Steg­ element (26) angeordneten unteren und oberen Kühlrippen (28, 30) besteht, wobei die unteren Kühlrippen (28) in das Wärmeübertragungsmedium (42) ragen.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Kühlrippen (28) dünner ausgebildet sind als die oberen Kühlrippen (30).

4. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmedium (42) ein Phasen-Übergangsmaterial (PCM Phase Change Material) mit einer im Vergleich zu Wasser vielfach höheren Wärmeaufnahme­ kapazität ist, wobei der Siedepunkt des Phasen-Übergangsmaterials auf Werte zwischen 55°C und 67°C einstellbar ist.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasen-Übergangsmaterial im Bereich zwischen 20°C und dem eingestellten Siedepunkt eine Volumenzunahme von 1,5-2,5% aufweist.

6. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (16) aus Metall oder einer Metallegierung besteht.

7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (16) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.

8. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das passive Kühlelement (18) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung be­ steht.

9. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das passive Kühlelement (18) dichtend den Behälter (16) abschließt.

10. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Bodenelement (34) des Behälters (16) und der Auflagefläche des elektronischen Bauelements (12) für das Bodenelement (34) eine wärmeleitende Folie (24) angeordnet ist.

11. Prozessor mit einem Prozessorsockel und mindestens einer auf dem Prozessor angeord­ neten Kühlvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (10) mindestens ein passives wärmeleitendes Kühlelement (18) aufweist, und daß zumindest ein Teil des passiven Kühlelements (18) von einem nichtmetallischen und flüssigen Wärmeübertragungsmedium (42) umgeben ist, wobei sich das Wärmeübertragungsmedium (42) in einem Behälter (16) aus wärmeleitendem Material befindet und der Behälter (16) mit einem Bodenelement (34) auf dem elektro­ nischen Bauelement (12) aufliegt.

12. Verwendung eines nichtmetallischen und flüssigen Wärmeübertragungsmediums (42) zur Kühlung von Mikroprozessoren.