DE102006003755A1 - Wärmeaustauschrohr und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschrohr und Verfahren zu dessen Herstellung, das zum Fördern der Betriebswärme eines Chips dient, bestehend aus einem geschlossenen Rohr (31), einer Flüssigkeit (14) und einer Kapillarstruktur (314). Das Wärmeaustauschrohr ist aus einem wärmeleitenden Material hergestellt, 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 ein Wärmeaustauschrohr und Verfahren zu dessen Herstellung, das aus einem wärmeleitenden Material hergestellt wird, das 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.
- Um die Kühlanforderung und die Raumbegrenzung zu erfüllen, wird das Wärmeaustauschrohr auf die Kühlung der elektronischen Bauelemente angewendet. Das Wärmeaustauschrohr kann in einem engeren Raum angeordnet sein, um die wärme zu fördern. Da das Wärmeaustauschrohr eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird es als Superwärmeleiter bezeichnet.
-
1 zeigt einen herkömmlichen Kühlmodul für elektronische Bauelemente, der aus einem Kühlkörper11 , einem Wärmeaustauschrohr12 und einer Vielzahl von Kühlrippen13 besteht. Der Kühlkörper11 weist eine untere Oberfläche111 und eine obere Oberfläche112 auf, wobei die untere Oberfläche111 auf der oberen Oberfläche161 des Chips16 aufliegt. Das Wärmeaustauschrohr12 weist ein Wärmeaufnahmeende121 und ein Wärmeabnahmeende122 auf, wobei das Wärmeaufnahmeende21 mit der oberen Oberfläche112 des Kühlkörpers11 verbunden ist, wodurch die Wärme des Kühlkörpers11 von dem Wärmeaustauschrohr12 gefördert werden kann. Die Kühlrippen13 bilden eine Bodenwand131 , die mit dem Wärmeabnahmeende122 des Wärmeaustauschrohres12 verbunden ist, wodurch die von dem Wärmeabgabeende abgegebene Wärme von den Kühlrippen13 absorbiert wird. Die Wärme der Kühl rippen13 wird dann durch Konvektion oder Strahlung abgeführt. - 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 Diamantes identisch sind.
- Aufgabe der Erfindung
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeaustauschrohr und Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, das aus einem wärmeleitenden Material hergestellt wird, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält.
- Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Wärmeaustauschrohr und Verfahren zu dessen Herstellung gelöst, wobei das Metall Kupfer, Aluminiumlegierung 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 eines herkömmlichen Kühlmoduls, -
2 eine Darstellung der Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres, -
3 eine Darstellung der Kapillarstruktur des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres, -
4 eine Darstellung einer weiteren Kapillarstruktur des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres, -
5 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres, -
6 eine Darstellung des MPCVD-Verfahrens, -
7 eine Darstellung des Sputterns. - Wege zur Ausführung der Erfindung
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, das einen Formmassebehälter21 , ein Spritzgerät22 und ein Formwerkzeug23 verwendet. Die Formmasse wird von dem Spritzgerät22 in die Formhöhle24 des Formwerkzeuges23 gespritzt, die die Form eines Rohres mit einem offenen Ende bildet. Die Formmasse ist die Schmelze eines Metalls und eines kristallinen Kohlenstoffs. Das Metall kann Kupfer, Aluminium, Silber oder andere Metalle mit hohem Wärmeleitungskoeffizient sein. Der Schmelzpunkt des Kohlenstoffs ist höher als der des Metalls. - An der Innenwand
313 des Rohres für das Wärmeaustauschrohr wird eine Kapillarstruktur314 erzeugt, die, wie in3 dargestell ist, durch die geätzten Rillen in der Innenwand313 gebildet ist. wie aus4 ersichtlich ist, kann die Kapillarstruktur314 auch durch ein an der Innenwand313 angeschmolzenes Drahtnetz gebildet sein. - In
5 wird eine Flüssigkeit14 in das Wärmeaustauschrohr31 mit einem offen Ende in den3 und4 gefüllt. Danach wird das offene Ende des Wärmeaustauschrohres31 verschlossen. Die Wärmeförderung des wärmeaustauschrohres31 wird anhand der5 beschrieben. Das Wärmeaustauschrohr31 ist über das wärmeaufnahmeende311 mit der oberen Oberfläche112 des Kühlkörpers11 verbunden, wodurch die Wärme des Kühlkörpers11 von dem Wärmeaufnahmeende311 absorbiert wird, so daß die Flüssigkeit14 im wärmeaustauschrohr311 verdampt wird. Der Dampf aus der Flüssigkeit14 strömt in das wärmeabgabeende312 und gibt durch den Kontakt mit der Innenwand313 die Wärme ab, die somit von der Bodenwand131 der Kühlrippen13 absorbiert wird, wodurch der Dampf kondensiert wird. Die kondensierte Flüssigkeit14 fließt durch die Kapillarstruktur314 an der Innenwand313 des wärmeaustauschrohres31 in das Wärmeaufnahmeende311 zurück. Dadurch entsteht ein Kreislauf der Flüssigkeit, so daß die Wärme kontinuierlich gefördert werden kann. Da das Wärmeaustauschrohr31 durch Verdampfen der Flüssigkeit die Wärme absorbiert, weist er eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Die Flüssigkeit14 kann Wasser oder andere Flüssigkeiten mit guter Wärmeleitfähigkeit sein. - 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 Einlaßöffnung61 in die Reaktionskammer66 geleitet. Ein Mikrowellenerzeuger62 erzeugt Mikrowellen, durch die die aktiven Reaktionsionen der Reaktionsgase angeregt und auf der Oberfläche eines Metalls65 auf einem Träger64 abgeschieden werden, wodurch eine Diamantschicht gebildet ist. Das Metall65 kann das Wärmeaustauschrohr31 in5 sein, das aus Kupfer, Aluminium, Silber oder anderen Metallen mit hohem Wärmeleitungskoeffizient oder dessen Gemisch hergestellt wird. Die restlichen Reaktionsgase werden durch eine Auslaßöffnung63 abgeführt. Dadurch wird das Metall mit einer Diamantschicht, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, beschichtet. -
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung des wärmeleitenden Materials, das durch Ionenstrahlsputtern hergestellt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Target72 aus Diamant verwendet, der mit der Richtung des Ionenstrahls aus dem ersten Ionenstrahler71 einen Winkel von 45° einschließt. Die durch den Beschuß von dem Ionenstrahl aus dem ersten Ionenstrahler71 abgedampte Diamantatome verteilen sich und werden durch die kinetische Energie der Ionen aus dem zweiten Ionenstrahler73 homogen auf der Oberfläche des Metalls74 abgelagert, wodurch eine Diamantschicht gebildet ist. Das Metall75 kann das Wärmeaustauschrohr31 in5 sein, das aus Kupfer, Aluminium, Silber oder anderen Metallen mit hohem Wärmeleitungskoeffizient oder dessen Gemisch hergestellt wird. Die restliche Diamantatome werden durch die Auslaßöffnung75 abgeführt. Dadurch wird das Metall mit einer Diamantschicht, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, beschichtet. - 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.
Claims (24)
- wärmeaustauschrohr, das zum Fördern der Betriebswärme eines Chips dient, bestehend aus einem geschlossenen Rohr (
31 ), das ein Wärmeaufnahmeende (311 ), das mit der Wärmequelle verbunden ist, und ein Wärmeabgabeende (312 ) aufweist, das mit einem Kühler verbunden ist, einer Flüssigkeit (14 ), die in dem Rohr (31 ) gefüllt ist und durch die Wärme des Wärmeaufnahmeendes (311 ) verdampt wird, dessen Dampf durch die Kälte des Wärmeabgabeendes (312 ) wieder kondensiert wird, und einer Kapillarstruktur (314 ), die an der Innenwand (313 ) des Rohres (31 ) gebildet ist und durch die die kondensierte Flüssigkeit (14 ) in das Wärmeaufnahmeende (311 ) zurückfließt, wobei das Rohr (31 ) aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält. - Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebswärme des Chips über einen Kühlkörper (
11 ) auf das Wärmeaufnahmeende (311 ) geleitet wird. - Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (
31 ) zylinderförmig ist. - Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (
31 ) flachzylinderförmig ist. - Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler durch eine Vielzahl von Kühlrippen (
13 ) gebildet ist. - Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Kupfer ist.
- Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist.
- Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Silber ist.
- Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ein Metall mit hohem Wärmeleitungskoeffizient ist.
- Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Kohlenstoff Diamant ist.
- Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch CVD-Verfahren hergestellt ist.
- Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch PVD-Verfahren hergestellt ist.
- Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Zusammenschmelzen hergestellt ist.
- wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Galvanisieren Zusammenschmelzen hergestellt ist.
- Verfahren zum Herstellen des Wärmeaustauschrohres, das zum Fördern der Betriebswärme eines Chips dient, enthaltend die folgenden Schritte: ein wärmeleitendes Material, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält, bereitstellen, aus dem wärmeleitendes Material ein geschlossenes Rohr (
31 ) formen, an der Innenwand (313 ) des Rohres (31 ) eine Kapillarstruktur (314 ) bilden, eine Flüsskigkeit (14 ) in das Rohr (31 ) füllen, und das Rohr (31 ) verschließen. - Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Kupfer ist.
- Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist.
- Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Silber ist.
- Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ein Metall mit hohem Wärmeleitungskoeffizient ist.
- Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Kohlenstoff Diamant ist.
- Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch CVD-Verfahren hergestellt ist.
- Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch PVD-Verfahren hergestellt ist.
- Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Zusammenschmelzen hergestellt ist.
- Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Galvanisieren hergestellt ist.
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