DE102006003754A1 - Luftkühlvorrichtung für Chip und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftkühlvorrichtung für Chip und Verfahren zu deren Herstellung, bestehend aus einem Lüfter (14), einer Vielzahl von Kühlrippen (15), einem Kühlkörper (21) und einem Wärmeaustauschrohr (13), wobei der Kühlkörper (21) aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält, wobei der kristalline Kohlenstoff einen hohen Wärmeleitungskoeffizienten aufweist, wodurch die Kühlwirkung erhöht wird. Das wärmeleitende Material kann durch CVD-Verfahren, PVD-Verfahren, Galvanisieren oder dergleichen hergestellt werden, wobei der kristalline Kohlenstoff auf der Oberfläche des Metalls beschichtet oder das Metall mit dem kristallinen Kohlenstoff dotiert wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Luftkühlvorrichtung für Chip und Verfahren zu deren Herstellung, die ein wärmeleitendes Material verwendet, der ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält.
  • Die Abwärme der elektronischen Bauelemente, wie Chip, muß abgeführt werden, um eine Beschädigung durch die Abwärme zu vermeiden. Mit der Entwicklung der elektronischen Technologie, werden die elektronischen Bauelemente immer kompakter und leitungsfähiger. Daher muß die Kühlwirkung der Kühlvor richtung für die elektronischen Bauelemente entsprechend erhöht werden.
  • Die Kühlvorrichtung ist üblicherweise aus wärmeleitendem Material, wie Kupfer und Aluminium, hergestellt, wobei das Kupfer eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Aluminium aufweist. Bei einer Kombination mit einer Luftkühlung ist die Kühlwirkung des wärmeleitendem Materials aus Kupfer oder Aluminium jedoch nicht ausreichend, wenn die Betriebswärme des Chips 50W/cm2 beträgt. Daher ist ein wärmeleitendes Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit erforderlich.
  • 1 zeigt eine herkömmliche Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente, die aus einem Kühlkörper 11, einem Kühlkleber 12, einem Wärmeaustauschrohr 13, einem Lüfter 14 und einer Vielzahl von Kühlrippen 15 besteht. Der Kühlkörper 11 ist aus Kupfer hergestellt und mit der unteren Oberfläche 111 mittels des Kühlklebers 12 auf der oberen Oberfläche 161 des Chips 16 geklebt. Durch den Kühlkleber 12, der üblicherweise aus Aluminium hergestellt ist, wird die Betriebswärme des Chips auf die untere Oberfläche 111 des Kühlkörpers 11 geleitet. Die Wärme des Kühlkörpers 11 wird von dem Wärmeaufnahmeende 131 des Wärmeaustauschrohres 13 absorbiert, das üblicherweise aus Kupfer hergestellt ist. Das dem Wärmeaufnahmeende 131 gegenüberliegende Wärmeabgabeende 132 ist mit den Kühlrippen 15 verbunden, die üblicherweise aus Kupfer hergestellt ist. Die Kühlrippen 15 sind mit dem Lüfer 14 verbunden, der ein Kühlventilator ist und in Richtung der Kühlrippen 15 einen Luftstrom erzeugt, um die Wärme der Kühlrippen 15 abzuführen.
  • Der Diamant ist durch eine hohe Härte, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine große Brechung und eine Korrosionsbeständigkeit gekennzeichnet und findet somit in der Industrie eine breite Anwendung. Der Wärmeleitungskoeffizent des Diamantes ist das Fünffache des Wärmeleitungskoeffizentes des Kupfers, insbesondere bei höherer Temperatur. Daher kann durch die Kühlwirkung die Echtheit des Diamantes beurteilt werden. Zur Erzeugung einer Diamantschicht aus Gasen von der Kohlenwasserstoffreihe sind mehrere Verfahren bekannt, wie MPCVD (mikrowellenplasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung) und HFCVD (Hot-Filament-CVD). Dadurch kann eine polykristalline Diamantschicht erhalten, deren Eigenschaften mit denen des natürlichen einkristallinen Diamanidentisch sind.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Luftkühlvorrichtung für Chip und Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, die ein wärmeleitendes Material verwendet, der ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält und durch das die Kühlwirkung erheblich erhöht wird.
  • Das wärmeleitende Material wird für den Kühlkörper verwendet und enthält ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff, wobei das Metall Kupfer, Aluminium oder andere Metalle mit hohem Wärmeleitungskoeffizient und der Kohlenstoff Diamant ist. Der Kohlenstoff ist auf der Oberfläche des Metalls beschichtet oder das Metall ist mit dem Kohlenstoff dotiert oder deren Kombination. Das wärmeleitende Material kann z.B. durch CVD-Verfahren, PVD-Verfahren, Galvanisieren oder Zusammenschmelzen hergestellt werden.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen.
    •
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 eine Darstellung der herkömmlichen Lösung,
  • 2 eine Darstellung des Kühlkörpers der Erfindung,
  • 3 eine Darstellung des Wärmeaustauschrohres gemäß 1,
  • 4 eine Darstellung der Kühlrippen gemäß 1,
  • 5 eine Darstellung des Lüfters gemäß 1,
  • 6 eine Darstellung des MPCVD-Verfahrens,
  • 7 eine Darstellung des Sputterns.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • 2 zeigt den Kühlkörper 21 der erfindungsgemäßen Luftkühlvorrichtung, der aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält. Der Kühlkörper 21 ist mit der unteren Oberfläche 211 mittels eines Kühlklebers 12 auf der oberen Oberfläche 161 des Chips 16 in 1 geklebt. Der Kühlkörper 21 weist gegenüber der unteren Oberfläche 211 eine obere Oberläche 212 auf. Durch die Verbindung mit der oberen Oberfläche 161 des Chips 16 wird die Betriebswärme des Chips 16 von dem Kühlkörper 21, der aus einem Metall und einem kristallinen Kohlenstoff besteht, absorbiert. Der Kohlenstoff kann Diamant und das Metall kann Aluminiumlegierung oder Kupfer oder andere Metalle mit hohem Wärmeleitungskoeffizient oder deren Gemisch sein.
  • 3 zeigt ein Wärmeaustauschrohr 13 wie in 1, das ein Wärmeaufnahmeende 131, das mit der oberen Oberfläche 212 des Kühlkörpers 21, die, wie in 2 dargestellt ist, aus einem Metall und einem kristallinen Kohlenstoff besteht, verbunden ist, und ein Wärmeabgabeende 132 auf weist, das mit den Kühlrippen 15 in 1 verbunden ist. Das Wärmeaustauschrohr 13 dient zum Fördern der Wärme des Kühlkörpers 21.
  • 4 zeigt eine Vielzahl von Kühlrippen 15, die auf der Unterseite eine Bodenwand 151, die mit dem Wärmeabgabeende 132 des Wärmeaustauschrohres 13 verbunden ist, und auf der Oberseite eine Stirnwand 152 bildet. Durch die Kühlrippen 15, die Bodenwand 151 und die Stirnwand 152 entstehen mehrere Luftkanäle, die jeweils eine Lufteintrittsöffnung 153 und eine Luftaustrittsöffnung 154 besitzen, wodurch die Wärme aus dem Wärmeaustauschrohr 13 durch die Luftkanäle abgeführt werden kann.
  • 5 zeigt einen Lüfter 14, der ein Kühlventilator ist und eine Lufteintrittsöffnung 141, eine Luftaustrittsöffnung 142 sowie eine Vielzahl von Schaufeln 143 aufweist. Durch Drehen der Schaufeln 143 strömt die Luft durch die Lufteintrittsöffnung 141 in den Kühlventilator und durch die Luftaustrittsöffnung 142 aus dem Kühlventilator, wodurch ein Luftstrom erzeugt wird. Der Kühlventilator 14 ist mit den Kühlrippen 15 verbunden, wodurch der Luftstrom aus dem Kühlventilator 14 durch die Lufteintrittsöffnungen 153 in die Luftkanäle zwischen den Kühlrippen 15 strömt und die Heißluft in den Luftkanälen durch die Luftaustrittsöffnungen 154 abführt.
  • Der kristalline Kohlenstoff kann durch das CVD (chemische Gasphasenabscheidung) oder PVD (physikalische Gasphasenabscheidung)-Verfahren auf der Oberfläche des Metalls abgeschieden werden. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung des wärmeleitenden Materials, das durch das MACVD (mikrowellenplasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung) -Verfahren hergestellt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Gemisch aus den Reaktionsgasen durch eine Einlaßöffnung 61 in die Reaktionskammer 66 geleitet, Ein Mikrowellenerzeuger 62 erzeugt Mikrowellen, durch die die aktiven Reaktionsionen der Reaktionsgase angeregt und auf der Oberfläche eines Metalls 65 auf einem Träger 64 abgeschieden werden, wodurch eine Diamantschicht gebildet ist. Das Metall 65 kann Kupfer, Aluminium, Silber oder anderen Metalle mit hohem Wärmeleitungskoeffizient oder deren Gemisch sein. Die restlichen Reaktionsgase werden durch eine Auslaßöffnung 63 abgeführt. Dadurch wird das Metall mit einer Diamantschicht, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, beschichtet, so daß der Kühlkörper 21 in 2 erhalten wird.
  • 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung des wärmeleitenden Materials, das durch Ionenstrahlsputtern hergestellt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Target 72 aus Diamant verwendet, der mit der Richtung des Ionenstrahls aus dem ersten Ionenstrahler 71 einen Winkel von 45° einschließt. Die durch den Beschuß von dem Ionenstrahl aus dem ersten Ionenstrahler 71 abgedampte Diamantatome verteilen sich und werden durch die kinetische Energie der Ionen aus dem zweiten Ionenstrahler 73 homogen auf der Oberfläche des Metalls 74 abgelagert, wodurch eine Diamantschicht gebildet ist. Die restliche Diamantatome werden durch die Auslaßöffnung 75 abgeführt. Dadurch wird das Metall mit einer Diamantschicht, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, beschichtet, so daß der Kühlkörper 21 in 2 erhalten wird, Das wärmeleitende Material, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält, kann neben dem obengenannten CVD- und PVD-Verfahren, auch mit anderen Verfahren, wie Galvanisieren und Zusammenschmelzen, hergestellt werden.
  • Bezugszeichenliste
    Figure 00070001

Claims (26)

  1. Luftkühlvorrichtung für Chip, bestehend aus einem Lüfter (14), der eine Luftaustrittsöffnung (142) aufweist, einer Vielzahl von Kühlrippen (15), die auf der Unterseite eine Bodenwand (151) bilden, zwischen denen mehrere Luftkanäle vorhanden sind, die jeweils eine Lufteintrittsöffnung (153) und eine Luftaustrittsöffnung (154) besitzen, einem Kühlkörper (21), der auf der Oberfläche des Chips (16) aufliegt und aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält, und einem Wärmeaustauschrohr (13), das zwischen den Kühlrippen (15) und dem Kühlkörper (21) angeordnet ist.
  2. Luftkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lüfter (14) ein Kühlventilator ist.
  3. Luftkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen (15) auf der Oberseite eine Stirnwand (152) bilden.
  4. Luftkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Chips (16) die obere Oberfläche ist.
  5. Luftkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Chips (16) die untere Oberfläche ist.
  6. Luftkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Kupfer ist.
  7. Luftkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist.
  8. Luftkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Silber ist.
  9. Luftkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ein Metall mit hohem Wärmeleitungskoeffizient ist.
  10. Luftkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Kohlenstoff Diamant ist.
  11. Luftkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch CVD-Verfahren hergestellt ist.
  12. Luftkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch PVD-Verfahren hergestellt ist.
  13. Luftkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Galvanisieren hergestellt ist.
  14. Luftkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch zusammenschmelzen hergestellt ist.
  15. Verfahren zur Herstellung der Luftkühlvorrichtung für Chip, das folgende Schritte enthält: einen Lüfter (14) bereitstellen, der eine Luftaustrittsöffnung (142) aufweist, eine Vielzahl von Kühlrippen (15) bereitstellen, die auf der Unterseite eine Bodenwand (151) bilden, zwischen denen mehrere Luftkanäle vorhanden sind, die jeweils eine Lufteintrittsöffnung (153) und eine Luftaustrittsöffnung (154) besitzen, einen Kühlkörper (21) erzeugen, der auf der Oberfläche des Chips (16) aufliegt und aus einem wärmeleitenden Material hergestellt wird, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält, und ein Wärmeaustauschrohr (13) bereitstellen, das zwischen den Kühlrippen (15) und dem Kühlkörper (21) angeordnet ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Lüfter (14) ein Kühlventilator ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen (15) auf der Oberseite eine Stirnwand (152) bilden.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Kupfer ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Silber ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ein Metall mit hohem Wärmeleitungskoeffizient ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Kohlenstoff Diamant ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch CVD-Verfahren hergestellt ist.
  24. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch PVD-Verfahren hergestellt ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Galvanisieren hergestellt ist.
  26. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Zusammenschmelzen hergestellt ist.
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