DE10041829B4

DE10041829B4 - cooler

Info

Publication number: DE10041829B4
Application number: DE2000141829
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr. Hofmann
Original assignee: NFT Nanofiltertechnik GmbH
Current assignee: NFT Nanofiltertechnik GmbH
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2020-08-26
Also published as: DE10041829A1

Abstract

Kühlvorrichtung mit einem Substrat (1), das eine Wärmeeinleitungsfläche, die in thermischen Kontakt zu einem zu kühlenden Gegenstand (6) bringbar ist, und eine Wärmeabgabefläche aufweist, wobei die Wärmeabgabefläche aufgrund einer vorgegebenen Strukturierung in Form von Kanälen (2), die sich durch das Substrat(1) hindurcherstrecken und im wesentlichen senkrecht zur Wärmeeinleitungsfläche stehen, größer ist als die Wärmeeinleitungsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeeinleitungsfläche eine vorgegebene Strukturierung in Form von Furchen (9) aufweist, die in Strömungsverbindung mit den Kanälen (2) stehen.cooler with a substrate (1) which has a heat introduction surface which can be brought into thermal contact with an object (6) to be cooled, and has a heat dissipation surface, taking the heat dissipation surface due to a predetermined structuring in the form of channels (2), which extend through the substrate (1) and essentially stand perpendicular to the heat introduction surface, is bigger than the heat introduction surface, thereby characterized in that the heat introduction surface has predetermined structuring in the form of furrows (9) in flow connection with the channels (2) stand.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus der US 6,043,986 A bekannt.The invention relates to a cooling device according to the preamble of the claim 1 , Such a device is from the US 6,043,986 A known.

Allgemein gesprochen bezieht sich die Erfindung auf eine passive Kühleinrichtung zur Kühlung elektronischer Bauteile. Bei elektrischen oder elektronischen Bauteilen, wie z.B. Mikroprozessoren, tritt eine Verlustleistung auf, die die Leistungsfähigkeit solcher Einheiten beschränkt oder verschlechtert. Wird beispielsweise die Betriebstemperatur eines Mikroprozessors von 100°C auf 0°C verringert, so kann die Taktfrequenz um mehr als 30% gesteigert werden. Abgesehen von einer Leistungssteigerung treten aufgrund von Überhitzungen Ausfälle auf. Überhitzungen solcher Bauteile reduzieren außerdem deren Lebensdauer beträchtlich. Zur Kühlung und Ableitung der Verlustwärme von elektronischen Bauteilen ist es üblich, passive und aktive Kühleinrichtungen zu verwenden, wie z.B. Kühlkörper mit Rippen und/oder Gebläse mit Motoren. Die Kühlkörper (ggf. samt Gebläse) sollen dabei ein möglichst geringes Gewicht haben, damit die Platine mechanisch nicht belastet wird, was zu Rissen von feinen Leiterbahnen führen kann. Aktive Kühleinrichtungen, wie z.B. Gebläse, haben mehrere Nachteile. So brauchen sie elektrische Energie, haben einen höheren Platzbedarf, verursachen Geräusche und verursachen relativ hohe Anschaffungs- und später auch Betriebskosten. Bei einem etwaigen Ausfall der aktiven Kühleinrichtung erwärmt sich das Bauelement (z.B. der Prozessor) schnell und unbemerkt, so daß es beschädigt oder sogar zerstört wird.Generally spoken, the invention relates to a passive cooling device for cooling electronic Components. For electrical or electronic components, e.g. Microprocessors, power dissipation occurs, the performance of such Units limited or worsened. For example, the operating temperature a microprocessor of 100 ° C to 0 ° C reduced, the clock frequency can be increased by more than 30% become. Apart from an increase in performance occur due to of overheating losses on. overheating such components also reduce their lifespan is considerable. For cooling and dissipation of the heat loss Of electronic components, it is common to have passive and active cooling devices to be used, e.g. Heatsink with Ribs and / or blowers with motors. The heat sink (if necessary, including Fan) should be one if possible have low weight so that the circuit board is not mechanically stressed becomes what can lead to cracks in fine conductor tracks. Active cooling devices, such as. Fan, have several disadvantages. So they need electrical energy a higher one Space requirement, cause noise and cause relatively high acquisition and later also operating costs. at a possible failure of the active cooling device heats up the component (e.g. the processor) quickly and unnoticed so that it is damaged or even destroyed becomes.

Die eingangs genannte US 6,043,986 A beschreibt ein Substrat mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern, die mit einem gut wärmeleitenden Material, wie z.B. Kupfer, beschichtet sind. Aufgrund der Durchgangslöcher ist die Wärmeabgabefläche des Substrates größer als die Wärmeeinleitungsfläche. Das Kühlprinzip, daß die Wärmeabgabefläche eine größere Oberfläche aufweist als die Wärmeeinleitungsfläche, ist allgemein bekannt. Beispielhaft wird auf DE-Buch: Van LEYEN, Dieter, Wärmeübertragung, Siemens Verlag, 1971, S. 16 bis 21 und S. 96 bis 103; DE 85 33 265 U1 ; DE 79 13 126 U1 ; DD 223 570 A1; US 5,002,123 A ; US 5,506,753 A und US 5,504,378 A verwiesen.The one mentioned at the beginning US 6,043,986 A describes a substrate with a plurality of through holes, which are coated with a highly thermally conductive material, such as copper. Due to the through holes, the heat dissipation area of the substrate is larger than the heat introduction area. The cooling principle that the heat dissipation surface has a larger surface than the heat introduction surface is generally known. An example on DE book: Van LEYEN, Dieter, heat transfer, Siemens Verlag, 1971, pp. 16 to 21 and pp. 96 to 103; DE 85 33 265 U1 ; DE 79 13 126 U1 ; DD 223 570 A1; US 5,002,123 A ; US 5,506,753 A and US 5,504,378 A directed.

Die Verwendung von Kanälen, die sich durch das Substrat hindurcherstrecken, ist auch aus der DE 196 19 060 A1 und der EP 0 308 576 A2 bekannt. Diese Kanäle können rechteckig oder kreisförmig sein.The use of channels that extend through the substrate is also out of the question DE 196 19 060 A1 and the EP 0 308 576 A2 known. These channels can be rectangular or circular.

Die DE 92 14 061 U1 beschreibt einen Kühlkörper, dessen Wärmeeinleitungsfläche zur Oberflächenvergrößerung Rippen und Furchen aufweist.The DE 92 14 061 U1 describes a heat sink, the heat introduction surface has fins and furrows to increase the surface area.

Die DE 196 26 227 C2 beschreibt eine Kühleinrichtung, die nach dem Prinzip der "Heatpipes" arbeitet. Heatpipe-Strukturen sind Vorrichtungen, die zur Abfuhr von Wärmemengen dienen von einem Ort der Erzeugung zu einem anderen Ort. Am heißen Bereich der Anordnung verdampft eine Flüssigkeit mit hoher latenter Verdampfungswärme. Der bei der Verdampfung entstehende Druck treibt den Dampf zum kalten Teil der Anordnung. Dort kondensiert der Dampf in die flüssige Phase und gibt die transportierte Wärme wieder ab. Das flüssige Kondensat wird wieder zur Verdampfungsstelle zurückgeführt, womit ein Kreislauf geschlossen ist. Aufbau und Herstellung einer solchen Kühleinrichtung sind sehr aufwendig und kompliziert und damit auch teuer.The DE 196 26 227 C2 describes a cooling device that works on the principle of "heat pipes". Heat pipe structures are devices that are used to dissipate quantities of heat from one place of production to another. A liquid with high latent heat of vaporization evaporates in the hot area of the arrangement. The pressure generated during evaporation drives the steam to the cold part of the arrangement. There the steam condenses into the liquid phase and releases the transported heat. The liquid condensate is returned to the evaporation point, which closes a cycle. The construction and manufacture of such a cooling device are very complex and complicated and therefore also expensive.

Die DE 197 44 281 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Halbleiterbauelementen nach dem Wärmerohrprinzip, also ebenfalls eine Heatpipe-Struktur mit einem Gehäuse, das mehrere mit Kühlflüssigkeit gesättigte Kapillarstrukturen aufweist, deren Permeabilität, Querschnittsfläche und effektiver Porendurchmesser so eingestellt ist, daß ein hoher Kapillardruck entsteht. Innerhalb des Gehäuses sind zusätzliche Kanäle vorgesehen, die eine größere Querschnittsfläche besitzen als die Kapillarstruktur, so daß die Kanäle einen wesentlich niedrigeren Kapillardruck als die Kapillarstruktur aufweisen. Auch hier sind Aufbau und Herstellung recht aufwendig.The DE 197 44 281 A1 describes a cooling device for cooling semiconductor components according to the heat pipe principle, i.e. also a heat pipe structure with a housing, which has several capillary structures saturated with cooling liquid, the permeability, cross-sectional area and effective pore diameter of which is set so that a high capillary pressure arises. Additional channels are provided within the housing, which have a larger cross-sectional area than the capillary structure, so that the channels have a significantly lower capillary pressure than the capillary structure. Here too, construction and manufacture are quite complex.

Die DE 196 41 731 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Kühlung von mindestens zwei Elektroden aufweisenden Lichtbogengeneratoren, von denen mindestens einer Elektrode ein poröser Kühlkörper zugeordnet ist. Der poröse Kühlkörper ist dort als Sinterkörper ausgebildet, der entweder in eine Form gepreßt und in die Anode eingesetzt oder mechanisch bearbeitet wird. Innerhalb des schwammartig porösen Kühlkörpers sind feine Kanäle, innerhalb derer ein Gas strömt. Der Kühlkörper wird dort so eingesetzt, daß die anfallende Wärme dem Verbrennungsvorgang zugeführt wird, so daß die Wärmeverluste auf ein Minimum reduziert sind. Als besonders geeignetes Material für diesen Kühlkörper wird Wolfram vorgeschlagen.The DE 196 41 731 A1 describes a device for cooling at least two electrodes having arc generators, of which at least one electrode is assigned a porous heat sink. The porous heat sink is designed as a sintered body, which is either pressed into a mold and inserted into the anode, or is machined. Inside the sponge-like porous heat sink are fine channels, within which a gas flows. The heat sink is used there so that the heat generated is fed to the combustion process so that the heat losses are reduced to a minimum. Tungsten is proposed as a particularly suitable material for this heat sink.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühleinrichtung zu schaffen, die die obigen Nachteile des Standes der Technik vermeidet und bei guter Kühlleistung kostengünstig herstellbar ist.task the invention is a cooling device to create, which avoids the above disadvantages of the prior art and with good cooling performance economical can be produced.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved by the features specified in claim 1. Advantageous refinements and developments of the invention can be found in the subclaims.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, das Substrat mit den durch seine Dicke hindurchverlaufenden Kanälen zusätzlich an der Wärmeeinleitungsfläche mit Furchen zu versehen, die in Strömungsverbindung mit den Kanälen stehen. Hierdurch wird nicht nur die Wärmeeinleitungsfläche stark vergrößert, sondern es entsteht für den Wärmeabtransport eine Strömung eines umgebenden Kühlmediums, wie z.B. Luft oder anderer Gase oder Flüssigkeiten, was den Wärmetransport verbessert.The Basic principle of the invention is the substrate with the through its thickness through channels also on the heat introduction surface To provide furrows in fluid communication with the channels stand. This not only makes the heat introduction surface strong enlarged, but it arises for heat dissipation a current a surrounding cooling medium, such as. Air or other gases or liquids, which is the heat transfer improved.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:in the the following is the invention based on exemplary embodiments in connection with the drawing in more detail explained. It shows:

1 eine perspektivische Ansicht einer Kühleinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und 1 a perspective view of a cooling device according to an embodiment of the invention; and

2a und 2b eine Schnittansicht zur Darstellung von vertikalen Kanälen mit unterschiedlichem Querschnitt (unter Fortlassung der Furchen). 2a and 2 B a sectional view showing vertical channels with different cross-section (omitting the furrows).

In 1 ist ein Substrat 1 zu erkennen, das eine Vielzahl von Kanälen 2 aufweist, die sich durch die Dicke des Substrates 1 hindurch erstrecken. Das Substrat ist hier ein quaderförmiger Körper, dessen eine Fläche eine Schicht 3 aus wärmeleitfähigem Material aufweist. Diese Fläche sei im folgenden als Wärmeeinleitungsfläche bezeichnet. Sie steht in unmittelbarem Kontakt mit einem zu kühlenden Gegenstand 6, der beispielsweise ein Mikroprozessor, ein Chip, ein sonstiges elektronisches oder elektrisches Bauelement oder aber auch ein sonstiger zu kühlender Körper sein kann.In 1 is a substrate 1 to recognize that a variety of channels 2 has, which is determined by the thickness of the substrate 1 extend through. The substrate here is a cuboid body, one surface of which is a layer 3 made of thermally conductive material. This area is referred to below as the heat introduction area. It is in direct contact with an object to be cooled 6 , which can be, for example, a microprocessor, a chip, another electronic or electrical component, or another body to be cooled.

Das Substrat 1 besteht beispielsweise aus Silizium oder einem ähnlichen Material. Das Strukturieren des Substrates, hier also das Fertigen der Kanäle 2 erfolgt mit Hilfe geeigneter Lithographie- und Ätzverfahren, wie sie in der Halbleiterindustrie angewandt werden. Die Strukturbildung kann dabei in genau definierter Weise erfolgen, indem beispiels weise die Anzahl, Abmessungen sowie Anordnung bzw. räumliche Verteilung der Kanäle 2 vorgegeben werden. Durch Wahl der Parameter kann ein Verhältnis von Wärmeableitungsfläche zu Wärmeeinleitungsfläche von 400 bis 700 und mehr erreicht werden. Die Wärmeableitungsfläche ist hier nicht nur die Oberfläche 4 des Substrates, sondern primär die demgegenüber sehr viel größere Innenfläche der Kanäle 2. Diese Innenflächen, die Oberfläche 4 sowie die Seitenflächen mit Ausnahme der Wärmeeinleitungsfläche bilden die Wärmeabgabefläche.The substrate 1 consists for example of silicon or a similar material. The structuring of the substrate, here the fabrication of the channels 2 is carried out with the aid of suitable lithography and etching processes, such as those used in the semiconductor industry. The structure can be formed in a precisely defined manner, for example by the number, dimensions and arrangement or spatial distribution of the channels 2 be specified. By choosing the parameters, a ratio of heat dissipation area to heat introduction area of 400 to 700 and more can be achieved. The heat dissipation surface here is not just the surface 4 of the substrate, but primarily the much larger inner surface of the channels 2 , These inner surfaces, the surface 4 and the side surfaces with the exception of the heat introduction surface form the heat dissipation surface.

Das mit der wärmeleitfähigen Schicht 3 versehene Substrat wird an der Wärmequelle 6 vorzugsweise unter Verwendung einer wärmeleitenden Verbindung befestigt, beispielsweise mit einem wärmeleitenden Klebstoff. Die wärmeleitende Verbindung kann, muß aber nicht mit dem gleichen Material wie die wärmeleitende Schicht ausgebildet werden. Der Durchmesser der Kanäle 2 ist – bezogen auf die Wärmeeinleitungsfläche – sehr klein und liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 10-50μ.The one with the thermally conductive layer 3 provided substrate is at the heat source 6 preferably attached using a thermally conductive connection, for example with a thermally conductive adhesive. The heat-conducting connection can, but does not have to be formed with the same material as the heat-conducting layer. The diameter of the channels 2 is - based on the heat input area - very small and is preferably in the order of 10-50μ.

Das Verhältnis der Wärmeableitungsfläche zur Wärmeeinleitungsfläche ist deutlich größer als 1 und vorzugsweise deutlich größer als 100.The relationship the heat dissipation surface to Heat input surface is significantly larger than 1 and preferably significantly larger than 100th

Die wärmeleitfähige Schicht 3 hat einen hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. Als wärmeleitfähige Schicht 3 bietet sich beispielsweise Kupfer an, das eine weitaus höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium hat. Allerdings hat Kupfer ein deutlich höheres spezifisches Gewicht als Aluminium, weshalb ein vollständig aus Kupfer bestehender Kühlkörper ein relativ hohes Gewicht hat und daher eine Platine, wie z.B. ein Motherboard eines Computers, erheblichen mechanischen Belastungen aussetzen würde. Bei der Erfindung ist die wärmeleitfähige Schicht 3 im Verhältnis zur Dicke des Substrates 1 dünn und vorzugsweise hat die Schicht 3 nur eine Dicke von < 10μ, während die Dicke des Substrates 1 in der Größenordnung von 1mm liegt. Mit dieser sehr dünnen Schicht aus wärmeleitendem Material, wie z.B. Kupfer, eliminiert man die Probleme der mechanischen Belastung, da das Gesamtgewicht der Kühleinrichtung sehr gering ist. Der Kontakt zwischen der Wärmequelle 6 und der Kühleinrichtung muß vollständig, d.h. über die gesamte Grundfläche der Kühlvorrichtung, bestehen. Dazu kann die wärmeleitende Schicht 3 in flüssiger oder semi-flüssiger Weise aufgebracht und anschließend aktiv oder passiv verfestigt werden. Durch die Aufbringung der wärmeleitenden Schicht in flüssiger oder semi-flüssiger Form kann ein optimaler Kontakt zwischen dem Substrat und der Wärmequelle geschaffen werden. Da die Oberfläche der Wärmequelle in der Regel nicht vollkommen planar und glatt ist, werden etwaige Unebenheiten der Oberfläche einer Wärmequelle, die nur zu punktuellem Kontakt zwischen Substrat und Wärmequelle und damit schlechter Wärmekopplung zwischen diesen führen würde, durch die flüssige oder semi-flüssige wärmeleitende Schicht ausgeglichen. Als Material für die wärmeleitende Schicht eignen sich zahlreiche Stoffe, wie z.B. Silikon, Wärmeleitpaste, Aluminium, Kupfer, Silber etc.The thermally conductive layer 3 has a high coefficient of thermal conductivity. As a thermally conductive layer 3 copper, for example, offers a much higher thermal conductivity than aluminum. However, copper has a significantly higher specific weight than aluminum, which is why a heat sink made entirely of copper has a relatively high weight and would therefore expose a circuit board, such as a motherboard of a computer, to considerable mechanical loads. In the invention is the thermally conductive layer 3 in relation to the thickness of the substrate 1 thin and preferably has the layer 3 only a thickness of <10μ, while the thickness of the substrate 1 is on the order of 1mm. This very thin layer of heat-conducting material, such as copper, eliminates the problems of mechanical stress, since the total weight of the cooling device is very low. The contact between the heat source 6 and the cooling device must exist completely, ie over the entire base area of the cooling device. This can be done using the heat-conducting layer 3 applied in a liquid or semi-liquid manner and then solidified actively or passively. By applying the heat-conducting layer in liquid or semi-liquid form, an optimal contact between the substrate and the heat source can be created. Since the surface of the heat source is usually not completely planar and smooth, any unevenness in the surface of a heat source, which would only lead to selective contact between the substrate and the heat source and thus poor heat coupling between them, are caused by the liquid or semi-liquid heat-conducting layer balanced. Numerous materials are suitable as the material for the heat-conducting layer, such as silicone, heat-conducting paste, aluminum, copper, silver etc.

Die Gesamtabmessungen der Kühleinrichtung sind verhältnismäßig klein. Die Fläche entspricht im wesentlichen der abstrahlenden Fläche des zu kühlenden Gegenstandes 6. Die Dicke ist dagegen deutlich kleiner als die Länge der längeren Kante der Grundfläche und liegt vorzugsweise im Bereich von 1mm, womit die Wärmeleitstrecke sehr kurz ist. Damit wird eine gute Wärmekopplung zwischen der Wärmequelle bzw. der Wärmeeinleitungsfläche und der gesamten demgegenüber äußerst großen Wärmeableitungsfläche erreicht. Der Wärmetransport erfolgt daher auch sehr schnell und die Kühlleistung ist hervorragend.The overall dimensions of the cooling device are relatively small. The surface corresponds essentially to the radiating surface of the object to be cooled 6 , The thickness, on the other hand, is significantly smaller than the length of the longer edge of the base area and is preferably in the range of 1 mm, which makes the heat conduction distance very short is. This ensures good heat coupling between the heat source or the heat introduction surface and the entire heat dissipation surface, which is extremely large. The heat is therefore transported very quickly and the cooling performance is excellent.

Die Ableitung der Wärme von der Wärmequelle 6 erfolgt im einfachsten Fall durch Übertragung der in der wärmeleitenden Schicht 3 des strukturierten Substrates 1 aufgenommenen Energie auf das Umgebungsmedium, also beispielsweise Luft.The dissipation of heat from the heat source 6 in the simplest case, this is done by transferring the heat-conducting layer 3 of the structured substrate 1 absorbed energy on the surrounding medium, for example air.

Das Umgebungsmedium wird erhitzt und strömt durch das strukturierte Substrat in die Umgebungsluft. Die Konvektionsströmung setzt allmählich ein, da sich auch die Wärmequelle nach ihrer in Betriebnahme nur allmählich erwärmt. Eine weitere Verbesserung erhält man, wenn die gesamte Wärmeableitungsfläche mit der wärmeleitenden Schicht überzogen ist, also auch die Innenwandungen der Kanäle 2, die Oberfläche 4 und die Seitenflächen. Hier sind diverse Varianten möglich, von denen einige in den 2a bis 2f dargestellt sind.The ambient medium is heated and flows through the structured substrate into the ambient air. The convection flow begins gradually because the heat source also only gradually heats up after it has been put into operation. A further improvement is obtained if the entire heat dissipation surface is covered with the heat-conducting layer, that is to say also the inner walls of the channels 2 , the surface 4 and the side faces. Various variants are possible here, some of them in the 2a to 2f are shown.

Die Wärmeeinleitungsfläche des Substrates weist Rillen bzw. Furchen 9 auf, die mit den Kanälen 2 in Strömungsverbindung stehen. Dadurch kann Kühlmedium, wie z.B. Luft mit Umgebungstemperatur in diesen Rillen 9 strömen und Wärme von der Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes zu den Kanälen 2 leiten und abführen.The heat introduction surface of the substrate has grooves or furrows 9 on that with the channels 2 be in flow communication. This allows cooling medium, such as air with ambient temperature, in these grooves 9 flow and heat from the surface of the object to be cooled to the channels 2 direct and dissipate.

Im Ausführungsbeispiel der 1 hat die Kühlvorrichtung einen zweiteiligen Aufbau, dessen erster Teil das oben beschriebene strukturierte Substrat 1 ist, während der zweite Teil der Kühlvorrichtung dieser Ausführungsform ein zweites Substrat 10 ist, das zwischen der Wärmequelle und dem ersten Substrat 1 angeordnet ist und eine Kanalstruktur mit den Rillen oder Furchen 9 aufweist. Diese Rillen 9 verlaufen hier parallel zueinander und parallel zur Oberfläche der Wärmequelle sowie natürlich auch parallel zur Unterseite des ersten Substrates. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungen der Struktur möglich. Das zweite Substrat 10 hat die Aufgabe, die Zufuhr des Umgebungsmediums zur Wärmeableitung zu verbessern. Im stationären Betrieb bildet sich dann eine Art Kaminabzug aus, bei dem durch kontinuierliche Konvektion Wärme von der Wärmequelle abgeführt wird. Das zweite Substrat 10 ist vorzugsweise dünner als das erste Substrat 1 ausgebildet und trägt auch an seiner Unterseite die wärmeleitende Schicht 3. Auch hier sind die Rillen oder Furchen 9 in Strömungsverbindung mit den Kanälen 2, was durch die Rille 9' und den Kanal 2' in 1 verdeut licht wird, das zweite Substrat 10 also auch vertikal verlaufende Öffnungen oder Poren hat.In the embodiment of the 1 The cooling device has a two-part structure, the first part of which is the structured substrate described above 1 is, while the second part of the cooling device of this embodiment is a second substrate 10 is that between the heat source and the first substrate 1 is arranged and a channel structure with the grooves or furrows 9 having. These grooves 9 run parallel to each other and parallel to the surface of the heat source and of course also parallel to the underside of the first substrate. Of course, other designs of the structure are also possible. The second substrate 10 has the task of improving the supply of the ambient medium for heat dissipation. In stationary operation, a type of chimney fume is formed, in which heat is removed from the heat source by continuous convection. The second substrate 10 is preferably thinner than the first substrate 1 trained and also carries the heat-conducting layer on its underside 3 , Here too are the grooves or furrows 9 in fluid communication with the channels 2 what through the groove 9 ' and the channel 2 ' in 1 clarifies the second substrate 10 thus also has vertically running openings or pores.

In Abwandlung des Ausführungsbeispieles der 1 kann die gesamte Kühlvorrichtung mit den Kanälen 2 und den Rillen 9 auch einteilig ausgebildet sein, was wiederum durch Ätzverfahren möglich ist. Bei der zweiteiligen Struktur der 1 sind die beiden Substrate 1 und 10 separat zu strukturieren und anschließend wärmeleitend und in zueinander ausgerichteter Form zu verbinden, beispielsweise mit einem wärmeleitenden Klebstoff. Das Beschichten kann analog den Ausführungsbeispielen der 2 durchgeführt werden. Falls die Wärmequelle ein Mikroprozessor oder ein sonstiges elektronisches Bauteil ist, kann die Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung schon bei der Herstellung des Mikroprozessors auf diesem vorgesehen werden. Insbesondere, wenn der Mikroprozessor auf einem Siliziumchip aufgebaut ist, kann die Kühlvorrichtung im Mikroprozessor integriert sein. Dies reduziert die Zahl der Fertigungsschritte, verringert den Justieraufwand bei der Anbringung der Kühlvorrichtung auf dem Mikroprozessor, beschleunigt die Fertigung, erhöht die Ausbeute bei der Prozessorfertigung und senkt die Gesamtkosten. Wird die Kühleinrichtung in die Wärmequelle, wie z.B. einen Mikroprozessor integriert, so kann dies in einfacher, dem Fachmann bekannter Weise, wie z . B. die oben genannten Ätz- und Lithographiebearbeitung, über der gesamten Oberfläche der Wärmequelle realisiert werden. Nach Wunsch kann die Kühleinrichtung sogar in den Mikroprozessor "eingelassen" ausgebildet werden, d.h. die Oberseite der Kühleinrichtung fluchtet mit der Oberseite des Mikroprozessors.In a modification of the embodiment of the 1 can the entire cooling device with the channels 2 and the grooves 9 can also be formed in one piece, which in turn is possible by etching processes. With the two-part structure of the 1 are the two substrates 1 and 10 to be structured separately and then connected in a heat-conducting and aligned manner, for example with a heat-conducting adhesive. Coating can be carried out analogously to the exemplary embodiments in FIG 2 be performed. If the heat source is a microprocessor or other electronic component, the cooling device of the present invention can be provided on the microprocessor during the manufacture thereof. In particular, if the microprocessor is built on a silicon chip, the cooling device can be integrated in the microprocessor. This reduces the number of manufacturing steps, reduces the adjustment effort when attaching the cooling device to the microprocessor, speeds up production, increases the yield in processor production and lowers the overall costs. If the cooling device is integrated into the heat source, such as a microprocessor, this can be done in a simple manner known to the person skilled in the art, such as, for. B. the above-mentioned etching and lithography processing can be realized over the entire surface of the heat source. If desired, the cooling device can even be "embedded" in the microprocessor, ie the top of the cooling device is flush with the top of the microprocessor.

Selbstverständlich kann die Kühleinrichtung im Fall ohne Integration mit der Wärmequelle über die gesamte Oberfläche auf eine der oben beschriebenen Arten angebracht werden, beispielsweise mit geringem Abstand zwischen den einzelnen Kühleinrichtungen oder auch teilweise aneinandergrenzend.Of course you can the cooling device in the Case without integration with the heat source over the entire surface in one of the ways described above, for example with a small distance between the individual cooling devices or also partially contiguous.

Selbstverständlich kann die Kühlvorrichtung nach der Erfindung auch für andere Wärmequellen als Mikroprozessoren verwendet werden. Als zusätzliche Unterstützung der Funktion können natürlich auch noch Gebläse oder sonstige Ventilationseinrichtungen angeordnet werden. Weiter ist es möglich, die Kühlvorrichtung nach der Erfindung räumlich getrennt von der Wärmequelle anzuordnen und sie dann durch einen Wärmeleiter mit ihr zu koppeln.Of course you can the cooling device after the invention also for other heat sources than Microprocessors are used. As additional support to the Can function of course also still blower or other ventilation devices can be arranged. Further Is it possible, the cooling device spatially according to the invention separate from the heat source to arrange and then couple it to her through a heat conductor.

Um die Strömung des erwärmten Mediums im Kanal in vertikaler Richtung zu unterstützen, kann – wie in 2a gezeigt – der Querschnitt der Kanäle sich auch verjüngen, d.h. beispielsweise in Richtung von der Wärmeeinleitfläche zur Oberfläche hin abnehmenden Durchmesser haben. Durch diese Geometrie kann in Verbindung mit der Geschwindigkeit des Kühlmediums (z.B. Luft) in dem Kanal ein Druckgefälle erzeugt werden. Der im oberen Bereich des Kanales geringere Druck unterstützt den Abzug des erwärmten Mediums und damit die Kühleffizienz der Kühlvorrichtung. In dem Fall, daß die Kanäle über die Kanallänge veränderlichen Querschnitt haben, wird die Konvektionsströmung auch dadurch besonders unterstützt werden, daß die Kanalabmessungen in der gewünschten Strömungsrichtung über die gesamte Wegstrecke des Fluids abnehmend ausgestaltet sind. In 2a ist damit die bevorzugte Strömungsrichtung von dem zu kühlenden Gegenstand 6 durch die Kanäle 2 hindurch zur Oberfläche 4 des Substrates 1. Die Bernoulli-Gleichung liefert folgenden Zusammenhang:

p und p₀ sowie A und A₀ stehen für die Brücke bzw. Querschnittsflächen an zwei räumlich getrennten Stellen in den Kanälen. V ist die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in dem Kanal.In order to support the flow of the heated medium in the channel in a vertical direction, as in 2a shown - the cross section of the channels also taper, that is to say, for example in the direction of the heat introduction surface toward the surface, decreasing diameter. This geometry, in conjunction with the speed of the cooling medium (eg air), can generate a pressure drop in the duct. The lower pressure in the upper area of the channel supports the removal of the heated medium and thus the cooling efficiency of the Cooler. In the event that the channels have a variable cross-section over the channel length, the convection flow will also be particularly supported in that the channel dimensions are designed to decrease in the desired direction of flow over the entire path of the fluid. In 2a is the preferred flow direction of the object to be cooled 6 through the channels 2 through to the surface 4 of the substrate 1 , The Bernoulli equation provides the following relationship:

p and p ₀ as well as A and A ₀ stand for the bridge or cross-sectional areas at two spatially separated locations in the channels. V is the flow rate of the fluid in the channel.

Die Strömungsrichtung muß dabei nicht unbedingt vertikal verlaufen sondern kann auch von oben kommend seitlich verlaufen.The flow direction must be there not necessarily vertical but can also come from above run sideways.

In 2b sind die Kanäle 2 an dem dem zu kühlenden Gegenstand 6 benachbarten Bereich enger und erweitern sich kontinuierlich in Richtung zur Oberfläche 4. Es tritt dann ein umgekehrter Kamineffekt auf.In 2 B are the channels 2 on the object to be cooled 6 neighboring area narrower and continuously widen towards the surface 4 , A reverse chimney effect then occurs.

Andere zweckmäßige Geometrien sind natürlich ebenfalls denkbar.Other appropriate geometries are natural also conceivable.

Die Herstellung des strukturierten Substrates kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. Eine erste Möglichkeit ist die Ausbildung der Strukturen im Substrat durch verschiedene Ätzverfahren. Ein anderes mögliches Verfahren zur Ausbildung der Strukturen im Substrat ist die Anwendung von Prägeverfahren (heiß oder kalt), um Strukturen auf ein Substrat zu übertragen. Diese beiden grundsätzlich verschiedenen Verfahren können auch in Kombination verwendet werden. Beispielsweise können die mit durchgängigen Poren bzw. Kanälen versehenen Teilstrukturen mit Hilfe von Ätzverfahren und ein eventuell zwischen dieser Struktur und der Wärmequelle angebrachtes strukturiertes Substrat mit Hilfe von Prägeverfahren hergestellt werden.The Manufacture of the structured substrate can be done on different Because of it. A first option is the formation of the structures in the substrate by various etching processes. Another possible one The method for forming the structures in the substrate is the application of embossing processes (hot or cold), to transfer structures to a substrate. These two are fundamentally different Procedure can can also be used in combination. For example, the with continuous Pores or channels provided substructures with the help of etching processes and a possibly textured between this structure and the heat source Substrate produced using embossing processes become.

Ein weiteres Verfahren zur Ausbildung der Struktur im Substrat ist das bekannte LIGA-Verfahren (Lithographie und Galvanik). Dieses Verfahren eignet sich ebenfalls zur Herstellung tiefer vertikaler Strukturen. Es sind Tiefen bis ca. 1 mm (= 1000μ) zu erreichen. Hierbei kann eine Trägerschicht aus einem mit einem wärmeleitenden Material beschichteten Material (z.B. Kunststoff) direkt abgeformt werden. Bei dieser Variante bzw. bei der Herstellung eines Elementes der gesamten Kühlvorrichtung mit Hilfe des LIGA-Verfahrens sind keine Ätzschritte erforderlich. Die daraus resultierenden Vorteile sind offensichtlich. Die einzigen erforderlichen Teilschritte dieser Verfahrensvariante sind Maskenherstellung, Lithographie (z.B. Röntgen-Lithographie), Galvanisieren, Entformen, Füllen mit z.B. Kunststoff, Entformen. Die Kunststofform ist mit der Maske identisch. Diese Kunststofform kann abschließend mit dem wärmeleitenden Material beschichtet werden. Die durch Galvanisieren geschaffene Form bildet danach die Fertigungsvorlage für weitere Kühlvorrichtungen aus Kunststoff mit wärmeleitender Beschichtung. Ansonsten gelten alle vorher angegebenen Sachverhalte und alle oder einzelne Teile der vorher beschriebenen Verfahren können nach Bedarf übernommen bzw. einbezogen werden.On another method for forming the structure in the substrate is well-known LIGA processes (lithography and electroplating). This method is also suitable for producing deep vertical structures. Depths of up to approx. 1 mm (= 1000μ) can be achieved. Here can a backing layer from one with a thermally conductive Material coated material (e.g. plastic) molded directly become. In this variant or in the manufacture of an element the entire cooling device using the LIGA process, no etching steps are required. The resulting benefits are obvious. The only ones necessary partial steps of this process variant are mask production, Lithography (e.g. X-ray lithography), Electroplating, demolding, filling with e.g. Plastic, demolding. The plastic mold is with the mask identical. This plastic form can then be combined with the thermally conductive one Material to be coated. The one created by electroplating Form then forms the manufacturing template for further cooling devices made of plastic with heat conductive Coating. Otherwise, all previously stated facts apply and all or part of the methods previously described can taken over as required or be included.

Das Aufbringen der wärmeleitenden Schicht bzw. Schichten kann z.B. durch Aufdampfen erfolgen. Hierdurch wird ein ausgezeichneter Kontakt zwischen der Wärmequelle und der Kühlvorrichtung geschaffen, da die Ausbildung von Hohlräumen zwischen diesen vermieden wird.The Applying the thermally conductive Layer or layers can e.g. by vapor deposition. hereby becomes an excellent contact between the heat source and the cooling device created because the formation of voids between them avoided becomes.

Das Ausbilden von sich verjüngenden Kanälen kann im übrigen beispielsweise durch anisotrope naßchemische Ätzlösungen erfolgen, wobei man beispielsweise in [100]-Silizium V-förmige und in [110]-Silizium U-förmige Vertiefungen ausbilden kann.The Form tapered channels can by the way for example, by anisotropic wet chemical etching solutions, one for example in [100] silicon V-shaped and in [110] silicon U-shaped Can form recesses.

Claims

Cooling device with a substrate ( 1 ), which is a heat introduction surface that is in thermal contact with an object to be cooled ( 6 ) can be brought, and has a heat dissipation surface, the heat dissipation surface due to a predetermined structuring in the form of channels ( 2 ) through the substrate ( 1 ) extend through and are substantially perpendicular to the heat input surface, is larger than the heat input surface, characterized in that the heat input surface has a predetermined structuring in the form of furrows ( 9 ) which is in flow connection with the channels ( 2 ) stand.

cooler according to claim 1, characterized in that the ratio of the heat dissipation surface to the heat introduction surface is greater than 10.

cooler according to claim 1 or 2, characterized in that the ratio of Heat emission surface for Heat input area about 400 to 700 or greater.

Cooling device according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least the heat introduction surface with a coating ( 3 ) is made of thermally conductive material.

Cooling device according to claim 1, characterized ge indicates that the inner walls of the channels ( 2 ) with a coating ( 7 ) are made of thermally conductive material.

Cooling device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the surface opposite the heat introduction surface ( 4 ) of the substrate ( 1 ) with a coating ( 8th ) is made of heat-conducting material.

Cooling device according to claim 1, characterized in that the channels ( 2 ) have a square, rectangular or circular cross-section.

Cooling device according to claim 1, characterized in that the furrows ( 9 ) run parallel to each other and parallel to the heat input surface.

Cooling device according to one of claims 1 to 8, characterized in that a second substrate ( 10 ) in heat-conducting contact with the substrate ( 1 ) is provided, the furrows ( 9 ) in the second substrate ( 10 ) are present and the coating is made of thermally conductive material ( 3 ) on the second substrate ( 10 ) is applied.

Cooling device according to claim 9, characterized in that the second substrate ( 10 ) is thinner than the first substrate.

Cooling device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the channels ( 2 ) have a variable cross-section in their longitudinal direction (flow direction).

cooler according to one of claims 4, 5 or 6, characterized in that the thermally conductive layer of silver, copper or aluminum.

cooler according to claim 12, characterized in that the thermally conductive layer is thinner than the substrate and in the order of magnitude of 10μ.