DE102006004192A1 - Wärmeaustauschrohr und Verfahren zu dessen Herstellung (2) - Google Patents

Wärmeaustauschrohr und Verfahren zu dessen Herstellung (2) Download PDF

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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 Dornstange, einer Flüssigkeit (14) und einer Kapillarstruktur (315). Das Wärmeaustauschrohr ist aus einem wärmeleitenden Material hergestellt, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält, wobei der 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. DOLLAR A Leitungsbezugszeichen: DOLLAR A 31 Wärmeaustauschrohr DOLLAR A 311 Wärmeaufnahmeende DOLLAR A 312 Wärmeabgabeende DOLLAR A 313 Innenwand DOLLAR A 314 Oberfläche der Dornstange DOLLAR A 315 Kapillarstruktur DOLLAR A 14 Flüssigkeit

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 Kühlkörper 11, einem Wärmeaustauschrohr 12 und einer Vielzahl von Kühlrippen 13 besteht. Der Kühlkörper 11 weist eine untere Oberfläche 111 und eine obere Oberfläche 112 auf, wobei die untere Oberfläche 111 auf der oberen Oberfläche 161 des Chips 16 aufliegt. Das Wärmeaustauschrohr 12 weist ein Wärmeaufnahmeende 121 und ein Wärmeabnahmeende 122 auf, wobei das Wärmeaufnahmeende 21 mit der oberen Oberfläche 112 des Kühlkörpers 11 verbunden ist, wodurch die wärme des Kühlkörpers 11 von dem Wärmeaustauschrohr 12 gefördert werden kann. Die Kühlrippen 13 bilden eine Bodenwand 131, die mit dem Wärmeabnahmeende 122 des Wärmeaustauschrohres 12 verbunden ist, wodurch die von dem Wärmeabgabeende abgegebene wärme von den Kühlrippen 13 absorbiert wird. Die Wärme der Kühl rippen 13 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 Formmassebehälter 21, ein Spritzgerät 22 und ein Formwerkzeug 23 verwendet. Die Formmasse wird von dem Spritzgerät 22 in die Formhöhle 24 des Formwerkzeuges 23 gespritzt, die die Form eines Rohres mit einem offenen Ende und einer Dornstange 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 und der Oberfläche 314 der Dornstange für das Wärmeaustauschrohr wird eine Kapillarstruktur 315 erzeugt, die, wie in 3 dargestell ist, durch die geätzten Rillen in der Innenwand 313 und der Oberfläche 314 der Dornstange gebildet ist. Wie aus 4 ersichtlich ist, kann die Kapillarstruktur 314 auch durch ein an der Innenwand 313 und der Oberläche 314 der Dornstange angeschmolzenes Drahtnetz gebildet sein.
  • In 5 wird eine Flüssigkeit 14 in das Wärmeaustauschrohr 31 mit einem offen Ende in den 3 und 4 gefüllt. Danach wird das offene Ende des Wärmeaustauschrohres 31 verschlossen. Die Wärmeförderung des Wärmeaustauschrohres 31 wird anhand der 5 beschrieben. Das Wärmeaustauschrohr 31 ist über das Wärmeaufnahmeende 311 mit der oberen Oberfläche 112 des Kühlkörpers 11 verbunden, wodurch die Wärme des Kühlkörpers 11 von dem Wärmeaufnahmeende 311 absorbiert wird, so daß die Flüssigkeit 14 im Wärmeaustauschrohr 311 verdampt wird. Der Dampf aus der Flüssigkeit 14 strömt in das Wärmeabgabeende 312 und gibt durch den Kontakt mit der Innenwand 313 die Wärme ab, die somit von der Bodenwand 131 der Kühlrippen 13 absorbiert wird, wodurch der Dampf kondensiert wird. Die kondensierte Flüssigkeit 14 fließt durch die Kapillarstruktur 314 an der Innenwand 313 und der Oberfläche 314 der Dornstange des Wärmeaustauschrohres 31 in das Wärmeaufnahmeende 311 zurück. Dadurch entsteht ein Kreislauf der Flüssigkeit, so daß die Wärme kontinuierlich gefördert werden kann. Da das Wärmeaustauschrohr 31 durch Verdampfen der Flüssigkeit die Wärme absorbiert, weist er eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Die Flüssigkeit 14 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 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 das Wärmeaustauschrohr 31 in 5 sein, das aus Kupfer, Aluminium, Silber oder anderen Metallen mit hohem Wärmeleitungskoeffizient oder dessen Gemisch hergestellt wird. Die restlichen Reaktionsgase werden durch eine Auslaßöffnung 63 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 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. Das Metall 75 kann das Wärmeaustauschrohr 31 in 5 sein, das aus Kupfer, Aluminium, Silber oder anderen Metallen mit hohem Wärmeleitungskoeffizient oder dessen Gemisch hergestellt wird. Die restliche Diamantatome werden durch die Auslaßöffnung 75 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.
  • Figure 00080001

Claims (27)

  1. 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 Dornstange, die ein erstes Ende, das mit dem Wärmeaufnahmeende (311) des geschlossenen Rohres (31) verbunden ist, und ein zweites Ende aufweist, das mit dem Wärmeabgabeende (312) des geschlossenen Rohres (31) verbunden ist, einer Flüssigkeit (14), die in dem Rohr (31) gefüllt ist und durch die Wärme des wärmeaufnahmeendes (311) verdampt wird, deren Dampf durch die Kälte des wärmeabgabeendes (312) wieder kondensiert wird, und einer Kapillarstruktur (315), die an der Innenwand (313) des Rohres (31) und der Oberfläche (314) der Dornstange gebildet ist, durch die die kondensierte Flüssigkeit (14) in das Wärmeaufnahmeende (311) zurückfließt.
  2. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebswärme des Chips über einen Kühlkörper (11) auf das Wärmeaufnahmeende (311) geleitet wird.
  3. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (31) zylinderförmig ist.
  4. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (31) flachzylinderförmig ist.
  5. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dornstange zylinderförmig ist.
  6. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dornstange flachzylinderförmig ist.
  7. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler durch eine Vielzahl von Kühlrippen (13) gebildet ist.
  8. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Rohr und die Dornstange aus einem wärmeleitenden Material hergestellt sind, das ein Metall und einen kristallinen Kohlenstoff enthält.
  9. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Kupfer ist.
  10. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist.
  11. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Silber ist.
  12. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ein Metall mit hohem Wärmeleitungskoeffizient ist.
  13. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Kohlenstoff Diamant ist.
  14. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch CVD-Verfahren hergestellt ist.
  15. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch PVD-Verfahren hergestellt ist.
  16. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Galvanisieren hergestellt ist.
  17. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Zusammenschmelzen hergestellt ist.
  18. 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) und eine Dornstange formen, an der Innenwand (313) des Rohres (31) und der Ober- fläche (314) der Dornstange eine Kapillarstruktur (315) bilden, eine Flüsskigkeit (14) in das Rohr (31) füllen, und das Rohr (31) verschließen.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Kupfer ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Silber ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ein Metall mit hohem Wärmeleitungskoeffizient ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Kohlenstoff Diamant ist.
  24. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch CVD-Verfahren hergestellt ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch PVD-Verfahren hergestellt ist.
  26. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Galvanisieren hergestellt ist.
  27. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material durch Zusammenschmelzen hergestellt ist.
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