DE102023105508A1

DE102023105508A1 - Immersionskühlsystem für integrierten schaltkreis

Info

Publication number: DE102023105508A1
Application number: DE102023105508.9A
Authority: DE
Inventors: Jen-Yuan Chang
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2023-03-07
Publication date: 2024-02-08
Also published as: TW202414733A; US20240049427A1; KR20240019027A

Abstract

Es werden Kühlsysteme für integrierte Schaltkreise bereitgestellt. Ein Kühlsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Kühlmitteltank, der ein Kühlmittel enthält, eine Kühlschlange, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist, ein Kältemittel, das in der Kühlschlange in Umlauf ist, und eine Umlaufpumpe, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist, und so konfiguriert ist, dass sie das Kühlmittel in dem Kühlmitteltank in Umlauf bringt.

Description

PRIORITÄT
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/394,802 , eingereicht am 3. August 2022, die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Die IC-Industrie (IC: integrierter Halbleiter-Schaltkreis) hat ein exponentielles Wachstum erfahren. Technologische Fortschritte bei IC-Materialien und -Entwürfen haben Generationen von ICs hervorgebracht, wobei jede Generation kleinere und komplexere Schaltkreise als die vorhergehende Generation hat. Im Laufe der IC-Evolution hat die Funktionsdichte (d. h., die Anzahl von miteinander verbundenen Vorrichtungen je Chipfläche) im Allgemeinen zugenommen, während die Strukturgröße (d. h., die kleinste Komponente (oder Leitung), die mit einem Herstellungsverfahren erzeugt werden kann) abgenommen hat. Dieser Prozess der Verkleinerung bietet im Allgemeinen Vorteile durch die Erhöhung der Produktionsleistung und die Senkung der zugehörigen Kosten.
In modernen IC-Vorrichtungs-Packages sind IC-Vorrichtungen vertikal gestapelt und kompakt verkappt, um die Funktionsdichte zu maximieren. Das dreidimensionale Packaging stellt eine Herausforderung für die Kühlung dar, da normale Wärmeableiter für gewöhnlich nicht ausreichen, um die in den Vorrichtungs-Packages erzeugte Wärme wirksam abzuleiten, während die Leistung der IC-Vorrichtungen durch übermäßige Wärme ins Stocken gerät. Eine leistungsfähigere Kühlanordnung, wie etwa Immersionskühlung, ist erforderlich, um moderne IC-Vorrichtungs-Packages abzukühlen. Zwar sind bestehende Immersionskühlsysteme im Großen und Ganzen für ihre angestrebten Zwecke geeignet gewesen, aber sie sind noch nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Offenbarung lässt sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.

Die 1-6 und 8-12 sind schematische perspektivische Ansichten von verschiedenen Immersionskühlsystemen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
Die 7 und 13-23 sind fragmentarische Seitenansichten von verschiedenen Vorrichtungs-Packages gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element hergestellt werden können, sodass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können entsprechend interpretiert werden.
Außerdem soll, wenn eine Anzahl oder ein Bereich von Anzahlen mit den Begriffen „etwa“, „ungefähr“ und dergleichen beschrieben wird, der Begriff Anzahlen umfassen, die unter Berücksichtigung von naturgemäß bei der Herstellung auftretenden Schwankungen innerhalb eines angemessenen Bereichs liegen, der die genannte Anzahl enthält, wie dies von einem Durchschnittsfachmann verstanden wird. Zum Beispiel umfasst die Anzahl oder der Bereich von Anzahlen einen angemessenen Bereich, der die genannte Anzahl enthält, zum Beispiel innerhalb von ±10 % der angegebenen Anzahl, basierend auf bekannten Herstellungstoleranzen, die mit der Herstellung eine Merkmals verbunden sind, das eine mit der Anzahl assoziierte Eigenschaft hat. Zum Beispiel kann eine Materialschicht mit einer Dicke von „etwa 5 nm“ einen Abmessungsbereich von 4,25 nm bis 5,75 nm umfassen, wenn einem Durchschnittsfachmann bekannt ist, dass Herstellungstoleranzen, die mit dem Abscheiden der Materialschicht assoziiert sind, ±15 % betragen. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
In den letzten Jahren wurden wesentliche Fortschritte bei der Verkleinerung von Halbleitervorrichtungen und beim Packaging erzielt. Zum Beispiel sind Multi-Gate-Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (Multi-Gate-MOSFET oder Multi-Gate-Vorrichtungen) (MOSFET: metal-oxide-semiconductor field effect transistor) in dem Bestreben eingeführt worden, die Gate-Steuerung durch Vergrößern der Gate-Kanalkopplung, Verringern des Stroms im ausgeschalteten Zustand und Verringern von Kurzkanaleffekten (SCEs) (SCE: short-channel effects) zu verbessern. Eine Multi-Gate-Vorrichtung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung mit einer Gatestruktur, oder einen Teil davon, die über mehr als einer Seite eines Kanalbereichs angeordnet ist. Finnen-Feldeffekttransistoren (FinFETs) (FinFET: fin-like field effect transistor) und Multi-Bridge-Channel-Transistoren (MBC-Transistoren) (MCB: multi-bridge channel) sind Beispiele für Multi-Gate-Vorrichtungen als gängige und aussichtsreiche Kandidaten für Anwendungen mit hoher Leistung und geringen Leckverlusten. Ein FinFET hat einen erhöhten Kanal, der auf mehr als einer Seite von einem Gate umschlossen ist (zum Beispiel umschließt das Gate eine Oberseite und Seitenwände einer „Finne“ aus einem Halbleitermaterial, die sich von einem Substrat erstreckt). Ein MBC-Transistor hat eine Gatestruktur, die sich teilweise oder vollständig um einen Kanalbereich erstrecken kann, um auf zwei oder mehr Seiten besseren Zugang zu dem Kanalbereich zu bieten. Ein MBC-Transistor kann auch als ein Surrounding-Gate-Transistor (SGT) oder ein Gate-all-around-Transistor (GAA-Transistor) bezeichnet werden, da seine Gatestruktur die Kanalbereiche umschließt. Packaging von IC-Vorrichtungen hat sich auch von einer Maßnahme der Zweckmäßigkeit hin zu Strukturen entwickelt, mit denen Leistungsfähigkeit, elektrische Leistung, Formfaktor (Fläche und Volumen), Wärmeableitung und Kosten optimiert werden. Zum Beispiel weisen integrierte Fan-out-Packaging-Strukturen (InFO-Packaging-Strukturen), Chipauf-Wafer-auf-Substrat-Strukturen (CoWoS-Strukturen) (CoWoS: chip-on-wafer-onsubstrate), System-on-Integrated-Circuit-Strukturen (SoIC-Strukturen) oder Speicherstrukturen mit hoher Bandbreite (HBM-Strukturen) (HBM: high-bandwidth memory) alle einen gewissen Grad an vertikaler Stapelung und Integration auf. Die kleinen Vorrichtungsabmessungen und die vertikale Stapelung in Vorrichtungs-Packages stellen Anforderungen an die Kühlung. Die Industrie wird oft mit Situationen konfrontiert, in denen die bestehende Wärmeableiter-Kühltechnik für eine zufriedenstellende Kühlung nicht ausreicht.
Die vorliegende Offenbarung stellt Ausführungsformen von Immersionskühlsystemen bereit, die verschiedene Niveaus der Kühlfähigkeit und des Risikomanagements bieten. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Immersionskühlsystem einen Kühlmitteltank, der ein Kühlmittel enthält, und eine Kühlschlange, die mit einem Kältemittel gekühlt wird. Die Kühlschlange kann über einem Oberflächenniveau des Kühlmittels angeordnet sein, um als ein Kondensator zu arbeiten, oder in dem Kühlmittel untergetaucht sein, um direkte Kühlung zu bieten. Bei einigen anderen Ausführungsformen ist eine Umlaufpumpe in dem Kühlmitteltank angeordnet, um für eine Zwangskonvention zu sorgen, da sie Kühlmittel zu den heißen Punkten pumpt. Die Umlaufpumpe kann von einem Managementmodul gesteuert werden, das eine Temperatur des Kühlmittels oder einen elektrischen Widerstand des Kühlmittels überwacht. Wenn das Managementmodul feststellt, dass die Temperatur des Kühlmittels zu hoch ist, kann das Managementmodul einen Stromausgang an die Umlaufpumpe erhöhen, um die heißen Punkte zu kühlen. Zur weiteren Verbesserung des Kühleffekts kann ein Vorrichtungs-Package, das in dem Kühlmitteltank aufgenommen werden soll, einen externen Schirm aufweisen, der die Kühlung unterstützt. Verschiedene wärmeleitfähige Finnen können auf den externen Schirmen angebracht sein, um die Kontaktflächen mit dem Kühlmittel zu vergrößern. Bei einigen Implementierungen kann der externe Schirm eine Antihaftbeschichtung aufweisen, um zu verhindern, dass festsitzende Luftbläschen die Wärmeleitung behindern.
Zunächst wird auf 1 Bezug genommen, das eine perspektivische transparente Ansicht eines Immersionskühlsystems 100 gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Das in 1 gezeigte Immersionskühlsystem 100 umfasst einen Kühlmitteltank 102, ein Kühlmittel 104, das in dem Kühlmitteltank 102 enthalten ist, und eine Kühlschlange 108, die in dem Kühlmitteltank 102 angeordnet ist. Zur Vereinfachung der Darstellung wird der Kühlmitteltank 102 in 1 mit Strichlinien und transparenten Seitenwänden dargestellt. In 1 ist die Kühlschlange 108 oberhalb eines Oberflächenniveaus 106 des Kühlmittels 104 angeordnet. Der Kühlmitteltank 102 ist so konfiguriert, dass er eine Mehrzahl von Leiterplatten (PCBs) 200 (PCB: printed circuit board) aufnimmt. Jede der PCBs 200 kann mindestens ein darauf montiertes Vorrichtungs-Package 300 aufweisen. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 1 nur ein Vorrichtungs-Package 300 gezeigt, das auf einer der PCBs 200 zu montieren ist. Es versteht sich jedoch, dass jede der PCBs 200 mehrere Vorrichtungs-Packages 300 aufweisen kann. Die Kombination einer PCB 200 und einer Mehrzahl von darauf montierten Vorrichtungs-Packages 300 kann als ein Server-Rack in Serveranwendungen angesehen werden. Mit anderen Worten, der Kühlmitteltank 102 in 1 lässt sich dahingehend verstehen, dass er für die Aufnahme mehrerer Server-Racks konfiguriert worden ist. Eine detailliertere Beschreibung eines beispielhaften Vorrichtungs-Packages 300 wird nachstehend unter Bezugnahme auf 7 bereitgestellt.
Bei den in 1 dargestellten Ausführungsformen ist ein Ende der Kühlschlange 108 in Fluidkommunikation mit einem Einlass eines ersten Kompressors 110. Ein Auslass des ersten Kompressors 110 ist mit einem Einlass eines Kondensators 112 verbunden. Ein Auslass des Kondensators 112 ist über ein Expansionsventil 114 in Fluidkommunikation mit dem anderen Ende der Kühlschlange 108. Ein Kältemittel wird in Umlauf durch die Kühlschlange 108 gebracht, um einen Kältekreislauf zu vollenden. Bei einer Implementierung fungiert die Kühlschlange 108 als ein Verdampfer des Kältemittels, da ein Dampf des Kühlmittels 104 das Kältemittel in der Kühlschlange 108 verdampfen lässt. Der erste Kompressor 110 komprimiert das Kältemittel auf einen hohen Druck und eine hohe Temperatur. Das komprimierte Kältemittel strömt dann zu dem Kondensator 112, wodurch ein Wärmeaustausch erfolgt, mit welchem dem Kältemittel durch Luft- oder Flüssigkeitskühlung Wärme entzogen wird. Das Kältemittel, das durch den Kondensator 112 passiert, wird zu einer flüssigen Form kondensiert und dem Expansionsventil 114 zugeführt. An dem Expansionsventil 114 wird das flüssige Kältemittel einer adiabatischen Expansion unterzogen, um ein kaltes Kältemittel zu werden. Wenn das kalte Kältemittel durch die Kühlschlange 108 passiert, wird die Kühlschlange 108 auf eine Temperatur gebracht, die wesentlich niedriger als eine Temperatur von Dampf des Kühlmittels 104 ist. Dadurch kann Dampf des Kühlmittels 104 um die Kühlschlange 108 herum kondensieren, während das Kältemittel in der Kühlschlange 108 erwärmt und verdampft wird.
Eine maximale Temperaturdifferenz zwischen der niedrigsten Temperatur des Kältemittels und einer höchsten Temperatur des Kühlmitteldampfes kann durch Zusammensetzungen und Eigenschaften des Kältemittels und des Kühlmittels 104 festgelegt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Kühlmittel 104 Wasser, ein Wasser-Ethylen-Glykol-Gemisch (WEG-Gemisch), ein Fluorketon oder einen Hydrofluorether aufweisen. Bei einer Ausführungsform weist das Kühlmittel 104 Wasser auf. Das Kältemittel kann Chlorfluorkohlenstoffe (CFCs) (CFC: chlorofluorocarbon), Hydrochlorfluorkohlenstoffe (HCFCs) (HCFC: hydrochlorofluorocarbon), Ammoniak (NH3), Wasser, Kohlendioxid, ein Propan in Kältemittelqualität oder ein Isobutan in Kältemittelqualität aufweisen. Beispiele für Hydrochlorfluorkohlenstoffe (HCFCs) und Chlorfluorkohlenstoffe (CFCs) sind unter anderem R22, R134a, R407c, R410a, R32 oder eine Kombination davon. Ein Beispiel für das Propan in Kältemittelqualität ist R290. Ein Beispiel für das Isobutan in Kältemittelqualität ist R600a. Bei einer Ausführungsform weist das Kältemittel Chlorfluorkohlenstoffe (CFCs) oder Hydrochlorfluorkohlenstoffe (HCFCs) auf. Wenn das Kältemittel Chlorfluorkohlenstoffe (CFCs) oder Hydrochlorfluorkohlenstoffe (HCFCs) aufweist und das Kühlmittel 104 Wasser ist, kann eine maximale Temperaturdifferenz zwischen der niedrigsten Temperatur des Kältemittels und einer höchsten Temperatur des Kühlmitteldampfes mehr als 118 °C betragen. Bei einigen Implementierungen weist der Kühlmitteltank 102 ein Entlüftungsventil 118 auf. Das Entlüftungsventil 118 ist so konfiguriert, dass es Kühlmitteldampf ablässt, um einen zu hohen Druck in dem Kühlmitteltank 102 zu verhindern. In einigen Fällen wird das Entlüftungsventil 118 so eingestellt, dass es sich öffnet, wenn ein Druck in dem Kühlmitteltank 1 Standardatmosphäre (atm) um 0,1 atm übersteigt.
Es wird weiterhin Bezug auf 1 genommen. Im Betrieb kann das Vorrichtungs-Package 300 mehrere heiße Punkte aufweisen (d. h. Bereiche, in denen Wärme schneller erzeugt als abgeleitet wird). Das Kühlmittel 104, das mit den heißen Punkten auf dem Vorrichtungs-Package 300 in Kontakt ist, kann örtlich verdampfen, um Dampf zu werden, der schließlich in den Raum oberhalb des Oberflächenniveaus 106 entweicht. Der Kühlmitteldampf kann mit der Kühlschlange 108 in Kontakt kommen und als Tröpfchen kondensieren, wie in 1 gezeigt ist. Die Tröpfchen des Kühlmittels 104 können in den Körper des Kühlmittels 104 eindringen. Da das Kühlmittel 104 in 1 während des Kühlkreislaufs zwischen zwei Phasen wechselt, kann das Immersionskühlsystem 100 in 1 als ein 2-Phasen-Kühlsystem bezeichnet werden. Bei einigen anderen Ausführungsformen kann sich die Oberfläche der Kühlschlange 108 bis unter einen Gefrierpunkt des Kühlmittels 104 abkühlen und das kondensierte Kühlmittel 104 kann um die Kühlschlange 108 herum gefrieren und eine Feststoff bilden (z. B. Eis, wenn das Kühlmittel 104 Wasser ist). Bei diesen Ausführungsformen kann das Immersionskühlsystem 100 in 1 als ein 3-Phasen-Kühlsystem bezeichnet werden.
Es wird nun Bezug auf 2 genommen, die eine perspektivische transparente Ansicht eines Immersionskühlsystems 100 gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Im Vergleich zu dem Immersionskühlsystem 100 in 1 ist die Kühlschlange 108 vollständig in dem Kühlmittel 104 untergetaucht. Mit anderen Worten, eine Gesamtheit der Kühlschlange 108 ist unterhalb des Oberflächenniveaus 106 des Kühlmittels 104 angeordnet. Bei den in 2 gezeigten Ausführungsformen wird statt kondensierendem Dampf des Kühlmittels 104 das Kühlmittel 104 direkt durch die Kühlschlange 108 abgekühlt. Es ist zu beachten, dass die Kühlschlange 108 zwar in dem Kühlmittel 104 untergetaucht ist, wie in 2 gezeigt ist, aber es noch Raum oberhalb des Oberflächenniveaus 106 des Kühlmittels gibt. Dampf des Kühlmittels 104 kann diesen Raum füllen. In diesem Sinn kann das Immersionskühlsystem 100 in 2 als ein 2-Phasen-Kühlsystem bezeichnet werden. In einigen Fällen kann sich eine Schicht aus Eis um die Oberflächen der Kühlschlange 108 im Gleichgewicht bilden. Aufgrund des Vorhandenseins dieser Schicht aus Eis kann das Immersionskühlsystem 100 in 2 als ein 3-Phasen-Kühlsystem bezeichnet werden.
Es wird Bezug auf 3 genommen, die eine perspektivische transparente Ansicht eines Immersionskühlsystems 100 gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Das Immersionskühlsystem 100 in 3 weist zusätzlich zu dem ersten Kompressor 110 weiterhin einen zweiten Kompressor 1100 auf. Sowohl der erste Kompressor 110 als auch der zweite Kompressor 1100 sind über ein Dreiwegeventil 116 in Fluidkommunikation mit dem Auslass der Kühlschlange 108. Das Dreiwegeventil 116 ist so konfiguriert, dass es mindestens zwischen zwei Positionen schaltet. In einer ersten Position ermöglicht das Dreiwegeventil 116 eine Fluidkommunikation zwischen dem ersten Kompressor 110 und dem Auslass der Kühlschlange 108, sperrt aber die Fluidkommunikation zwischen dem zweiten Kompressor 1100 und dem Auslass der Kühlschlange 108. In einer zweiten Position ermöglicht das Dreiwegeventil 116 eine Fluidkommunikation zwischen dem zweiten Kompressor 1100 und dem Auslass der Kühlschlange 108, sperrt aber die Fluidkommunikation zwischen dem ersten Kompressor 110 und dem Auslass der Kühlschlange 108. Bei den in 3 gezeigten Ausführungsformen dient der zweite Kompressor 1100 als ein Reservekompressor. Bei einigen Implementierungen sind der erste Kompressor 110, der zweite Kompressor 1100 und das Dreiwegeventil 116 alle mit einem Managementmodul 400 verbunden und werden durch dieses gesteuert. Wenn das Managementmodul 400 einen anormalen Anstieg der Stromstärke oder des elektrischen Widerstands an dem ersten Kompressor 110 erkennt, kann das Managementmodul 400 das Dreiwegeventil 116 veranlassen, sich in die zweite Position zu bewegen und den zweiten Kompressor 1100 zu aktivieren. Durch die Implementierung des Dreiwegeventils 116 und des zweiten Kompressors 1100 wird sichergestellt, dass das Immersionskühlsystem 100 die Vorrichtungs-Packages 300 ohne irgendeinen Stopp weiterhin kühlt. Nachdem das Managementmodul 400 den zweiten Kompressor 1100 eingeschaltet hat, bleibt der zweite Kompressor 1100 solange in Betrieb, bis bestätigt worden ist, dass der anormale Zustand des ersten Kompressors 110 nicht mehr besteht.
Es wird nun auf 4 Bezug genommen, die eine perspektivische transparente Ansicht eines Immersionskühlsystems 100 gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Das Immersionskühlsystem 100 in 4 weist weiterhin eine Umlaufpumpe 250 auf. Die Umlaufpumpe 250 weist einen Einlass zum Ansaugen des Kühlmittels 104 auf, und sie bläst das Kühlmittel 104 durch einen Auslass oder eine Düse. Wie in 4 gezeigt ist, ist die Umlaufpumpe 250 so konfiguriert, dass sie das Kühlmittel 104 zu dem Vorrichtungs-Package 300 drückt oder treibt, wo sich die heißen Punkte befinden. Es ist zu beachten, dass obwohl nur eine Umlaufpumpe 250 in 4 gezeigt ist, das Immersionssystem 100 in 4 mehrere Umlaufpumpen aufweisen kann. Bei einer Ausführungsform weist das Immersionskühlsystem 100 mindestens eine Umlaufpumpe 250 für jede der PCBs 200 auf. Die Umlaufpumpen 250 stellen Zwangskonvektion bereit, um eine wirksamere Abkühlung der Vorrichtungs-Package 300 zu unterstützen. Die Umlaufpumpe 250 bringt relativ kühleres Kühlmittel 104 von weiter weg von dem Vorrichtungs-Package 300 in direkten Kontakt mit dem Vorrichtungs-Package 300, das heiße Punkte aufweisen kann. Bei einigen Ausführungsformen, die in 4 gezeigt sind, wird die Umlaufpumpe 250 auf EIN gesetzt und wird nicht aktiv durch ein Managementmodul gesteuert.
Es wird nun auf 5 Bezug genommen, die eine perspektivische transparente Ansicht eines Immersionskühlsystems 100 gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. In dem in 5 gezeigten Immersionskühlsystem 100 wird das in dem Kühlmitteltank 102 enthaltene Kühlmittel 104 auch in Umlauf gebracht. Wie in 5 gezeigt ist, kann das Kühlmittel 104 durch einen Tankauslass 124 in einen Behälter 120 ausströmen und wird mit einer Pumpe 122 über einen Tankeinlass 126 zurück in den Kühlmitteltank 102 gepumpt. Bei einigen Implementierungen ist der Tankauslass 124 an einer Position angeordnet, die höher als die des Tankeinlasses 126 ist, sodass das Kühlmittel 104, das durch den Tankauslass 124 ausströmt, eine höhere Temperatur und eine geringere Dichte als das Kühlmittel 104 hat, das durch den Tankeinlass 126 strömt. Der Behälter 120 kann ein Tank mit oder ohne Wärmetauscher sein. Zumindest bei einigen Implementierungen wird die Kühlung des Kühlmittels 104 in dem Kühlmitteltank 102 hauptsächlich durch die Kühlschlange 108 bereitgestellt und der Behälter 120 fungiert als eine temporäre Haltekammer des Kühlmittels 104. Bei einigen alternativen Implementierungen wird die Kühlung des Kühlmittels 104 in dem Kühlmitteltank 102 sowohl durch die Kühlschlange 108 als auch durch einen Wärmetauscher 121, der mechanisch mit dem Behälter 120 verbunden ist, bereitgestellt. Bei einigen Ausführungsformen kann der Wärmetauscher 121 eine Mehrzahl von Metallfinnen aufweisen, die die Ableitung von Wärme aus dem Behälter 120 unterstützen. Die Metallfinnen können Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al), aufweisen.
Es wird Bezug auf 6 genommen, die eine perspektivische transparente Ansicht eines Immersionskühlsystem 100 gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Im Vergleich zu dem in 5 gezeigten Immersionskühlsystem 100 weist das Immersionskühlsystem 100 in 6 weiterhin einen ersten Temperatursensor 402 auf und die Pumpe 122 wird durch ein Managementmodul 400 gesteuert, dass einen Eingang von dem ersten Temperatursensor 402 empfängt. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform ist der erste Temperatursensor 402 benachbart zu dem Vorrichtungs-Package 300 angeordnet, das mehrere heiße Punkt aufweist. Sowohl der erste Temperatursensor 402 als auch die Pumpe 122 ist elektrisch mit dem Managementmodul 400 verbunden. Der erste Temperatursensor 402 kann ein Thermoelement, ein Widerstandstemperaturfühler, ein Thermistor, eine Diode oder ein Transistor sein. Während des Betriebs überwacht das Managementmodul 400 eine Temperatur an dem Vorrichtungs-Package 300 unter Verwendung des ersten Temperatursensors 402. Wenn die Temperatur, die durch den ersten Temperatursensor 402 erfasst wird, eine vorbestimmte Temperatur, wie etwa eine Temperatur zwischen etwa 105 °C und etwa 120 °C, übersteigt, kann das Managementmodul 400 die Pumpe 122 aktivieren oder die Leistung der Pumpe 122 erhöhen. Durch die Aktivierung oder eine Erhöhung der Leistung der Pumpe 122 kann der Umlauf des Kühlmittels 104 in dem Kühlmitteltank 102 gestartet oder verstärkt werden, um die Temperatur des Kühlmittels 104 zu senken.
7 ist eine Schnittansicht eines Vorrichtungs-Package 300, das auf einer PCB 200 montiert ist, gemäß einigen Beispielen der vorliegenden Offenbarung. Wie in 7 gezeigt ist, erstreckt sich eine primäre Vorrichtungsmontagefläche der PCB 200 parallel zu einer Seitenwand des Kühlmitteltanks 102. Da das Vorrichtungs-Package 300 auf der PCB 200 montiert ist, sind Schichten in dem Vorrichtungs-Package 300 entlang der y-Richtung senkrecht zu der vertikalen Richtung (d. h. der z-Richtung) gestapelt. Das beispielhafte Vorrichtungs-Package 300 weist ein Package-Substrat 302, einen Interposer 306, der über dem Package-Substrat 302 angeordnet ist, und eine Mehrzahl von Chips, die auf dem Interposer 306 montiert sind, auf. Bei einigen Ausführungsformen weist das Package-Substrat 302 einen Kern auf, der zwischen zwei Aufbauschichten angeordnet ist. Der Kern kann Polyimid oder glasfaserverstärktes Epoxid sein. Jede der zwei Aufbauschichten kann Durchkontaktierungen und Metallleitungen aufweisen, die in dielektrische Materialschichten eingebettet sind. Eine Mehrzahl von Durchkontaktierungen kann sich durch den Kern erstrecken, um Strukturelemente in den zwei Aufbauschichten elektrisch zu verbinden. Die Durchkontaktierungen und die Metallleitungen können Kupfer aufweisen. Der Interposer 306 kann ein Silizium-Interposer sein, der Substrat-Durchkontaktierungen in einem Siliziumsubstrat aufweist. In einigen Fällen können eine oder mehrere Umverteilungsschichten (RDLs) (RDL: redistribution layer) über und/oder unter dem Silizium-Interposer hergestellt sein. Jede der RDLs kann eine Mehrzahl von Metallschichten aufweisen, die in mehrere dielektrische Schichten eingebettet sind. Die Mehrzahl von Metallschichten in den RDLs kann Metall, wie etwa Kupfer, aufweisen. Chips, die in 7 gezeigt sind, können einen photonischen IC (P-Die) 308, einen elektronischen IC (E-Die) 310, einen ersten Speicher-IC (z. B. einen Speicher mit hoher Bandbreite (HBM) 312 (HBM: high bandwidth memory), einen ersten IC-Chip 314, einen zweiten IC-Chip 316, einen dritten IC-Chip 318 und einen zweiten Speicher-IC 320 umfassen. Spalte zwischen Seitenwänden dieser Chips können mit einem Verkapselungsmaterial 330 gefüllt sein, das Epoxid oder Polyimid aufweisen kann. Es versteht sich, dass das in 7 gezeigte Vorrichtungs-Package 300 nur zu Erläuterungszwecken bereitgestellt wird und dass das Vorrichtungs-Package 300 mehr oder weniger Chips aufweisen kann, um eine Vielzahl von Funktionen auszuführen.
Einige der Chips in 7 können direkt zusammengebondet sein. Zum Beispiel kann der E-Die 310 gewendet und direkt an den P-Die 308 gebondet sein, und der zweite IC-Chip 316 kann gewendet und direkt an den ersten IC-Chip 314 gebondet sein. Der erste Speicher-IC 312 und der zweite Speicher-IC 320 können jeweils mehr als einen dynamischen Direktzugriffsspeicher-Die aufweisen, die mit Hilfe von Durchkontaktierungen vertikal elektrisch miteinander verbunden sind. Bei einigen Implementierungen können der P-Die 308, der erste Speicher-IC 312, der erste IC-Chip 314, der dritte IC-Chip 318 und der zweite Speicher-IC 320 durch Mikrobumps, die in einer ersten Unterfüllung 307 vergraben sind, auf dem Interposer 306 montiert sein. Der Interposer 306 kann mit Hilfe von C4-Konakthügeln (C4: controlled collapse chip connection - Chipverbindung mit kontrolliertem Kollaps), die in einer zweiten Unterfüllung 304 vergraben sind, an das Package-Substrat 302 gebondet sein. Das Package-Substrat 302 ist mit Hilfe von Package-Kontakthügeln 301 an die PCB 200 gebondet.
Zum Schutz der Chips gegen den Eintritt von Wasser und gegen mechanische Spannungen kann das Vorrichtungs-Package 300 weiterhin eine Formungsschicht 340 als einen externen Schirm aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Formungsschicht 340 eine Polymermatrix mit Epoxid, Polyimid, Silikonharz, Polyurethan oder Polyacrylat aufweisen. Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Formungsschicht 340 können Füllstoffpartikel in die Polymermatrix der Formungsschicht 340 eingebettet sein. Die Füllstoffpartikel können elektrisch isolierend oder elektrisch leitfähig sein. Beispielhafte elektrisch isolierende Füllstoffpartikel sind unter anderem Diamantpartikel (eine elektrisch isolierende Form von Kohlenstoff), Aluminiumoxid, Bornitrid, Zinkoxid, Silizium, Germanium oder Aluminiumnitrid auf. Beispielhafte elektrisch leitfähige Füllstoffpartikel können Graphit (eine elektrisch leitfähige Form von Kohlenstoff), Titan, Tantal, Aluminium, Aluminium-Kupfer, Aluminium-Silizium-Kupfer, Kupfer, Mangan, Wolfram, Zink oder Nickel aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann der erste Temperatursensor 402, der in 6 gezeigt ist, in die Formungsschicht 340 eingebettet sein, wie in 7 gezeigt ist. Der erste Temperatursensor 402 ist über eine Leitung 401 elektrisch mit dem Managementmodul 400 verbunden.
Es wird Bezug auf 8 genommen, die eine perspektivische transparente Ansicht eines Immersionskühlsystem 100 gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Im Vergleich zu der in 6 gezeigten Ausführungsform umfasst das Immersionskühlsystem 100 in 8 weiterhin einen zweiten Temperatursensor 404, der auf der PCB 200 angeordnet ist, und einen dritten Temperatursensor 406, der auf einer inneren Oberfläche des Kühlmitteltanks 102 angeordnet ist. Der erste Temperatursensor 402, der zweite Temperatursensor 404 und der dritte Temperatursensor 406 können ähnliche Konstruktionen aufweisen, und sie sind alle elektrisch mit dem Managementmodul 400 verbunden. Das Managementmodul 400 empfängt Temperaturdaten von dem ersten Temperatursensor 402, dem zweiten Temperatursensor 404 und dem dritten Temperatursensor 406, um einen Stromausgang an die Pumpe 122 zu modulieren. Wenn zum Beispiel die von dem ersten Temperatursensor 402 erfasste Temperatur um mehr als einen vorbestimmten Wert, wie etwa zwischen etwa 10 °C und etwa 20 °C, größer ist, als die von dem zweiten Temperatursensor 404 erfasste Temperatur, kann die thermische Spannung infolge von Differenzen des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) (CTE: coefficient of thermal expansion) des Polymermaterials in der PCB 200 und des Halbleitermaterials in dem Vorrichtungs-Package 300 die Integrität der Lötkontakthügel gefährden. Wenn dieser Zustand auftritt, kann das Managementmodul 400 den Stromausgang an die Pumpe 122 erhöhen, um den Umlauf des Kühlmittels 104 in dem Kühlmitteltank 102 zu steigern und so die Temperaturdifferenz zu verringern. Hier ein weiteres Beispiel: Wenn die von dem ersten Temperatursensor 402 erfasste Temperatur um mehr als einen vorbestimmten Wert, wie etwa zwischen etwa 20 °C und etwa 30 °C, größer ist, als die von dem dritten Temperatursensor 406 erfasste Temperatur, ist die Wärmeverteilung in dem Kühlmittel 104 sehr ungleichmäßig. Wenn dieser Zustand auftritt, kann das Managementmodul 400 die Leistung der Pumpe 122 erhöhen, um den Kühlmittelumlauf zu steigern und so eine gleichmäßigere Wärmeverteilung zu erzielen.
Es wird nun auf 9 Bezug genommen, die eine perspektivische transparente Ansicht eines Immersionskühlsystem 100 gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Im Vergleich zu der in 6 gezeigten Ausführungsform umfasst das Immersionskühlsystem 100 in 9 weiterhin eine Umlaufpumpe 250, die von dem Managementmodul 400 gesteuert wird. Während des Betriebs überwacht das Managementmodul 400 unter Verwendung des ersten Temperatursensors 402 eine Temperatur an dem Vorrichtungs-Package 300. Wenn die durch den ersten Temperatursensor 402 erfasste Temperatur eine vorbestimmte Temperatur, wie etwa eine Temperatur zwischen etwa 105 °C und etwa 120 °C, übersteigt, kann das Managementmodul 400 die Pumpe 122 und die Umlaufpumpe 250 aktivieren. Durch die Aktivierung der Pumpe 122 und der Umlaufpumpe 250 kann der Umlauf des Kühlmittels 104 in dem Kühlmitteltank 102 gesteigert werden, um die Temperatur des Kühlmittels 104 zu senken.
Es wird Bezug auf 10 genommen, die eine perspektivische transparente Ansicht eines Immersionskühlsystem 100 gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Im Vergleich zu der in 6 gezeigten Ausführungsform umfasst das Immersionskühlsystem 100 in 10 eine Umlaufpumpe 250, die von dem Managementmodul 400 gesteuert wird, aber die Pumpe 122 bringt das Kühlmittel 104 nicht in Umlauf zu dem Behälter 120. Während des Betriebs überwacht das Managementmodul 400 unter Verwendung des ersten Temperatursensors 402 eine Temperatur an dem Vorrichtungs-Package 300. Wenn die durch den ersten Temperatursensor 402 erfasste Temperatur eine vorbestimmte Temperatur, wie etwa eine Temperatur zwischen etwa 105 °C und etwa 120 °C, übersteigt, kann das Managementmodul 400 die Umlaufpumpe 250 aktivieren oder deren Leistung erhöhen. Durch die Aktivierung der Umlaufpumpe 250 oder deren Leistungserhöhung kann der Umlauf des Kühlmittels 104 in dem Kühlmitteltank 102 gesteigert werden, um die Temperatur des Kühlmittels 104 zu senken.
Es wird Bezug auf 11 genommen, die eine perspektivische transparente Ansicht eines Immersionskühlsystem 100 gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Im Vergleich zu der in 10 gezeigten Ausführungsform umfasst das Immersionskühlsystem 100 in 11 einen Widerstandsfühler 410 anstelle des ersten Temperatursensors 402. Bei einigen der in 11 gezeigten Ausführungsformen kann der Widerstandsfühler 410 zwei Elektroden aufweisen, die mit einem eingestellten Abstand beabstandet sind. Der Widerstandsfühler 410 ist elektrisch mit einem Widerstandsmesser 408 verbunden. Der Widerstandsmesser 408 misst einen Widerstand des Kühlmittels 104 zwischen den zwei Elektroden des Widerstandsfühlers 410 und bestimmt eine Temperatur des Kühlmittels 104 basierend auf einer Widerstand-Temperatur-Kurve des Kühlmittels 104. Wenn zum Beispiel das Kühlmittel 104 Wasser ist, nimmt der von dem Widerstandsfühler 410 gemessene Widerstand mit steigender Temperatur ab. Während des Betriebs überwacht das Managementmodul 400 die von dem Widerstandsmesser 408 bereitgestellten Temperaturdaten. Wenn die Temperatur eine vorbestimmte Temperatur, wie etwa eine Temperatur zwischen etwa 105 °C und etwa 120 °C, übersteigt, kann das Managementmodul 400 die Umlaufpumpe 250 aktivieren oder deren Leistung erhöhen. Durch die Aktivierung der Umlaufpumpe 250 oder deren Leistungserhöhung kann der Umlauf des Kühlmittels 104 in dem Kühlmitteltank 102 gesteigert werden, um die Temperatur des Kühlmittels 104 zu senken. Obwohl dies nicht explizit in 11 gezeigt ist, kann der Widerstandsmesser 408 mit dem Managementmodul 400 integriert sein.
Es wird nun auf 12 Bezug genommen, die eine perspektivische transparente Ansicht eines Immersionskühlsystem 100 gemäß einigen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Im Vergleich zu der in 11 gezeigten Ausführungsform weist das Immersionskühlsystem 100 in 12 ein Redundanzdesign auf, indem es sowohl den ersten Temperatursensor 402 als auch den Widerstandsfühler 410 aufweist. Die Redundanz liegt in der Tatsache begründet, dass sowohl der erste Temperatursensor 402 als auch der Widerstandsfühler 410 Temperaturdaten messen. Während des Betriebs überwacht das Managementmodul 400 Temperaturdaten, die von dem Widerstandsmesser 408 und dem ersten Temperatursensor 402 bereitgestellt werden. Wenn die durch den Widerstandsmesser 408 und den ersten Temperatursensor 402 erfasste Temperatur eine vorbestimmte Temperatur, wie etwa eine Temperatur zwischen etwa 105 °C und etwa 120 °C, übersteigt, kann das Managementmodul 400 die Umlaufpumpe 250 aktivieren oder deren Leistung erhöhen. Durch die Aktivierung der Umlaufpumpe 250 oder deren Leistungserhöhung kann der Umlauf des Kühlmittels 104 in dem Kühlmitteltank 102 gesteigert werden, um die Temperatur des Kühlmittels 104 zu senken. Obwohl dies nicht explizit in 12 gezeigt ist, kann der Widerstandsmesser 408 mit dem Managementmodul 400 integriert sein.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch verschiedene Ausführungsformen, die an dem oder um das Vorrichtungs-Package 300 zu implementieren sind. Diese Ausführungsformen sind in den 13-23 gezeigt.
13 zeigt eine raue Formungsschicht 342 zur Verbesserung der Wärmeableitung. Die nichtglatte und raue Oberfläche der rauen Formungsschicht 342 auf dem Vorrichtungs-Package 300 vergrößert die Kontaktoberfläche mit dem Kühlmittel 104, wodurch die Wärmeableitung in das Kühlmittel 104 vergrößert wird.
14 zeigt eine abgeschrägte Formungsschicht 344 zur Verbesserung der Wärmeableitung. Bei einigen der in 14 gezeigten Ausführungsformen nimmt eine Dicke der abgeschrägten Formungsschicht 344 gemessen von der Oberseite des Interposers 306 von einer unteren Position in dem Kühlmitteltank 102 zu einer höheren Position in dem Kühlmitteltank 102 hin ab. Zur Vereinfachung der Darstellung wird eine Unterseite B des Kühlmitteltanks 102 in 14 schematisch gezeigt. Die abgeschrägte Formungsschicht 344 hat eine erste Dicke T1 entfernt von der Unterseite B und eine zweite Dicke T2 benachbart zu der Unterseite B. Die zweite Dicke T2 ist größer als die erste Dicke T1. In einigen Fällen beträgt die erste Dicke T1 zwischen etwa 300 µm und etwa 400 µm , und die zweite Dicke beträgt zwischen etwa 350 µm und etwa 500 µm. Mit anderen Worten, die abgeschrägte Formungsschicht 344 hat eine äußere Oberfläche, die von der Unterseite B nach oben hin abgeschrägt ist. Dieses abgeschrägte Profil kann die Aufwärtsbewegung von Dampfbläschen erleichtern, die um heiße Punkte herum auf dem Vorrichtungs-Package 300 erzeugt werden. Dampfbläschen entlang von Oberflächen der Formungsschicht 340 können eine Wärmeisolationsschicht oder thermische Sperrschicht bilden, durch die ein zufriedenstellender Wärmeaustausch zwischen der Formungsschicht 340 und dem Kühlmittel 104 verhindert wird. Dadurch dass die Aufwärtsbewegung von Dampfbläschen erleichtert wird, kann die abgeschrägte Formungsschicht 344 die thermische Dampfbläschen-Sperrschicht unterbrechen und den Prozess des Wärmeaustauschs verbessern. Bei den gezeigten Ausführungsformen ist eine externe Oberfläche der abgeschrägten Formungsschicht 344 mit einer Antihaftbeschichtung 345 beschichtet. Die Antihaftbeschichtung 345 kann Polytetrafluorethylen (PTFE) aufweisen und ein Anhaften von Dampfbläschen auf Oberflächen der abgeschrägten Formungsschicht 344 verhindern. Bei den gezeigten Ausführungsformen hat die abgeschrägte Formungsschicht 344 eine raue Oberfläche, ähnlich der in 13 gezeigten rauen Formungsschicht 342.
15 zeigt eine Antihaftbeschichtung 345 zur Verbesserung der Wärmeleitung. Bei einigen Ausführungsformen hat die Formungsschicht 340 eine im Wesentlichen glatte Oberfläche und sie ist mit der Antihaftbeschichtung 345 beschichtet, um die Aufwärtsbewegung der Dampfbläschen zu erleichtern. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf die in 14 gezeigten Ausführungsformen beschrieben worden ist, kann die Antihaftbeschichtung 345 PTFE aufweisen.
16 zeigt einen ersten Wärmeableiter 350, der auf der Formungsschicht 340 montiert ist. Bei einigen Ausführungsformen kann der erste Wärmeableiter 350 ein stark wärmeleitfähiges Material, wie etwa Kupfer, Aluminium, Aluminiumnitrid oder Siliziumcarbid, aufweisen. Wie in 16 gezeigt ist, weist bei Betrachtung entlang der y-Richtung senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Vorrichtungs-Packages 300 der erste Wärmeableiter 350 eine Mehrzahl von Finnen 351 auf. Jede der Mehrzahl von Finnen 350 hat ein abgeschrägtes Profil, sodass sie erste abgeschrägte Kanäle 360 definieren. Jeder der ersten abgeschrägten Kanäle 360 hat eine erste Kanalbreite C1 entlang der x-Richtung benachbart zu der Unterseite B des Kühlmitteltanks 102 und eine zweite Kanalbreite C2 entlang der x-Richtung entfernt von der Unterseite B. Bei einigen Implementierungen ist die zweite Kanalbreite C2 größer als die erste Kanalbreite C1. Das abgeschrägte Profil der ersten abgeschrägten Kanäle 360 erleichtert die Aufwärtsbewegung der Dampfbläschen, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs verbessert wird.
17 zeigt einen zweiten Wärmeableiter 352 der auf der Formungsschicht 340 montiert ist. Bei einigen Ausführungsformen weist der zweite Wärmeableiter 352 eine Mehrzahl von scheibenartigen Inselelementen 362 auf. Der zweite Wärmeableiter 352 kann ein stark wärmeleitfähiges Material, wie etwa Kupfer, Aluminium, Aluminiumnitrid oder Siliziumcarbid, aufweisen.
18 zeigt einen dritten Wärmeableiter 354 der auf der Formungsschicht 340 montiert ist. Bei einigen Ausführungsformen kann der dritte Wärmeableiter 354 ein stark wärmeleitfähiges Material, wie etwa Kupfer, Aluminium, Aluminiumnitrid oder Siliziumcarbid, aufweisen. Wie in 18 gezeigt ist, weist bei Betrachtung entlang der y-Richtung senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Vorrichtungs-Packages 300 der dritte Wärmeableiter 354 gerade Finnen 353 auf, die mit abgeschrägten Finnen 355 verschachtelt sind. Die geraden Finnen 353 und die damit verschachtelten abgeschrägten Finnen 355 definieren zweite abgeschrägte Kanäle 364 und dritte abgeschrägte Kanäle 364'. Der zweite abgeschrägte Kanäle 364 ist jeweils ein Spiegelbild des dritten abgeschrägten Kanals 364'. Die zweiten abgeschrägten Kanäle 364 und die dritten abgeschrägten Kanal 364' haben jeweils eine kleinere Kanalöffnung benachbart zu der Unterseite B des Kühlmitteltanks 102 und eine größere Kanalöffnung entfernt von der Unterseite B. Das abgeschrägte Profil der zweiten abgeschrägten Kanäle 364 und der dritten abgeschrägten Kanäle 364' erleichtert die Aufwärtsbewegung der Dampfbläschen, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs verbessert wird. 18 zeigt auch eine fragmentarische Draufsicht des dritten Wärmeableiters 354.
19 zeigt einen vierten Wärmeableiter 356, der auf der Formungsschicht 340 montiert ist. Bei einigen Ausführungsformen kann der vierte Wärmeableiter 356 ein stark wärmeleitfähiges Material, wie etwa Kupfer, Aluminium, Aluminiumnitrid oder Siliziumcarbid, aufweisen. Wie in 19 gezeigt ist, umfasst der vierte Wärmeableiter 356 einen Körper 357 und eine Mehrzahl von geraden Kanälen 370, die sich entlang der z-Richtung durch den Körper 357 erstrecken. Die geraden Kanäle 370 erleichtern die Aufwärtsbewegung der Dampfbläschen, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs verbessert wird. 19 zeigt auch eine fragmentarische Draufsicht des vierten Wärmeableiters 356. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Dicke des Körpers 357, gemessen von dem Interposer 306, ausreichend, um zwei Anordnungen von geraden Kanälen 370 aufzunehmen.
20 zeigt einen fünften Wärmeableiter 358 der auf der Formungsschicht 340 montiert ist. Bei einigen Ausführungsformen kann der fünfte Wärmeableiter 358 ein stark wärmeleitfähiges Material, wie etwa Kupfer, Aluminium, Aluminiumnitrid oder Siliziumcarbid, aufweisen. Wie in 20 gezeigt ist, bedeckt und isoliert die Formungsschicht 340 eine Oberseite und Seitenwände des Vorrichtungs-Packages 300, und ein Körper 359 des fünften Wärmeableiters 358 bedeckt auch eine Oberseite und Seitenwände der Formungsschicht. Eine Mehrzahl von konformen Kanälen 380 erstreckt sich durch den Körper 359 und verfolgt ein Profil der Formungsschicht 340. Eine Mehrzahl von geraden Kanälen 382 erstreckt sich vertikal durch den Körper 359. Die konformen Kanäle 380 und die geraden Kanäle 382 erleichtern die Aufwärtsbewegung der Dampfbläschen, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs verbessert wird.
21 zeigt eine kanalisierte Formungsschicht 346, die auf der Formungsschicht 340 montiert ist. Anders als die in 15 gezeigte Formungsschicht 340 weist die kanalisierte Formungsschicht 346 einen abgeschrägten Kanal 390 auf. Jeder der abgeschrägten Kanäle 390 hat eine kleinere Kanalöffnung benachbart zu der Unterseite B des Kühlmitteltanks 102 und eine größere Kanalöffnung entfernt von der Unterseite B. Das abgeschrägt Profil der abgeschrägten Kanäle 390 erleichtert die Aufwärtsbewegung der Dampfbläschen, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs verbessert wird.
22 zeigt ein Vorrichtungs-Package 300, das mehrere Dummy-Metallstrukturen aufweist. Da Metalle im Allgemeinen viel besser wärmeleitfähig als Polymere, wie etwa Polyimid und Epoxid, sind, wird durch die Integration der Dummy-Metallstruktur die Wärmeableitung aus dem Vorrichtungs-Package 300 verbessert. Eine Dummy-Metallstruktur, wie sie hier verwendet wird, betrifft ein Metallstrukturelement, das nicht elektrisch mit funktionellen Schaltungen verbunden ist oder das elektrisch potentialfrei ist. Bei einigen Ausführungsformen, die in 22 gezeigt sind, kann das Package-Substrat 302 eine Dummy-Isolations-Durchkontaktierung (TIV) (TIV: through insulation via) 502 und eine leitfähige Dummy-Struktur 504, die mehr als eine Durchkontaktierung und mehr als eine leitfähige Leitung aufweisen kann, umfassen. Der Interposer 306 kann ein leitfähiges Dummy-Aufbaustrukturelement 506 aufweisen. Der erste Speicher-IC 312 kann eine Dummy-Substrat-Durchkontaktierung (TSV) (TSV: through substrate via) 508 aufweisen. Der erste IC-Chip 314 und der zweite IC-Chip 316 können eine Mehrzahl von Dummy-Durchkontaktierungen 510 aufweisen. Der dritte IC-Chip 318 kann eine Dummy-Durchkontaktierung 512 aufweisen. Die in 22 gezeigten Dummy-Metallstrukturen können Teile aufweisen, die direkt mit dem Kühlmittel 104 in Kontakt sind, oder sie können keine solchen Teile aufweisen.
23 zeigt Wärmeleiterplatte 392, die in die Formungsschicht 340 eingebettet ist. Wie vorstehend beschrieben worden ist, kann die Formungsschicht 340 Füllstoffpartikel aufweisen, die wärmeleitfähig sind. In der gleichen Weise kann die Formungsschicht 340 eine Wärmeleiterplatte 392 aufweisen, die in die Formungsschicht 340 eingebettet ist. Die Wärmeleiterplatte 392 kann elektrisch isolierend oder elektrisch leitfähig sein. Eine beispielhafte elektrisch isolierende Wärmeleiterplatte 392 kann Aluminiumoxid, Bornitrid, Zinkoxid, Silizium, Germanium oder Aluminiumnitrid aufweisen. Eine beispielhafte elektrisch leitfähige Wärmeleiterplatte 392 kann Graphit (eine elektrisch leitfähige Form von Kohlenstoff), Titan, Tantal, Aluminium, Aluminium-Kupfer, Aluminium-Silizium-Kupfer, Kupfer, Mangan, Wolfram, Zink oder Nickel aufweisen. Die Integration der Wärmeleiterplatte 392 kann die Wärmeleitfähigkeit der Formungsschicht 340 wesentlich vergrößern. Obwohl die Wärmeleitfähigkeit der Formungsschicht 340 durch Maximieren der Abmessungen der Wärmeleiterplatte 392 maximiert werden kann, ist es am besten, wenn die Wärmeleiterplatte 392 vollständig in der Formungsschicht 340 verkapselt ist, um ein unerwünschtes Delaminieren zu verhindern. Entlang der z-Richtung oder der x-Richtung kann eine Abmessung der Wärmeleiterplatte 392 zwischen etwa 20 % und etwa 80 % der Abmessung der Formungsschicht 340 betragen. Eine Dicke der Wärmeleiterplatte 392 entlang der y-Richtung kann zwischen etwa 20 % und etwa 80 % einer Dicke der Formungsschicht 340 betragen.
Bei einem beispielhaften Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Kühlsystem. Das Kühlsystem umfasst einen Kühlmitteltank, der ein Kühlmittel enthält, eine Kühlschlange, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist, ein Kältemittel, das in der Kühlschlange in Umlauf ist, und eine Umlaufpumpe, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass sie das Kühlmittel in dem Kühlmitteltank in Umlauf bringt.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Kühlsystem weiterhin einen Temperatursensor, der in dem Kühlmitteltank angeordnet ist, und ein Managementmodul, das elektrisch mit dem Temperatursensor und der Umlaufpumpe verbunden ist, aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen ist das Managementmodul so konfiguriert, dass es einen ersten Stromausgang an die Umlaufpumpe bereitstellt, wenn der Temperatursensor eine Temperatur über einer vorbestimmten Temperatur erfasst, und einen zweiten Stromausgang an die Umlaufpumpe bereitstellt, wenn der Temperatursensor eine Temperatur unter einer vorbestimmten Temperatur erfasst. Der erste Stromausgang ist größer als der zweite Stromausgang. Bei einigen Ausführungsformen ist das Kühlmittel Wasser. Bei einigen Implementierungen weist das Kältemittel Chlorfluorkohlenstoffe (CFCs) (CFC: chlorofluorocarbon), Hydrochlorfluorkohlenstoffe (HCFCs) (HCFC: hydrochlorofluorcarbon), Ammoniak (NH₃), Wasser, Kohlendioxid, ein Propan in Kältemittelqualität oder ein Isobutan in Kältemittelqualität auf. In einigen Fällen weist der Kühlmitteltank eine Entlüftungsvorrichtung auf, die so konfiguriert ist, dass sie einen Druck in dem Kühlmitteltank ablässt, wenn der Druck ein vorbestimmtes Niveau übersteigt. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Kühlsystem weiterhin einen ersten Kompressor mit einem ersten Einlass, einen zweiten Kompressor mit einem zweiten Einlass und ein Dreiwegeventil, das mit der Kühlschlange verbunden ist. Das Dreiwegeventil ist so konfiguriert, dass es zwischen einer ersten Position, in der der erste Einlass in Fluidkommunikation mit der Kühlschlange ist, und einer zweiten Position, in der der zweite Einlass in Fluidkommunikation mit der Kühlschlange ist, schaltet. Bei einigen Implementierungen kann das Kühlsystem weiterhin einen Kühlmittelbehälter aufweisen, der mittels eines Einlassschlauchs und eines Auslassschlauchs in Fluidkommunikation mit dem Kühlmitteltank ist.
Bei einem weiteren beispielhaften Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein System. Das System umfasst einen Kühlmitteltank, der ein Kühlmittel enthält, eine Kühlschlange, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist, ein Kältemittel, das in der Kühlschlange in Umlauf ist, einen Temperatursensor, der in dem Kühlmitteltank angeordnet ist, und eine Umlaufpumpe, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist, wobei ein Managementmodul elektrisch mit dem Temperatursensor und der Umlaufpumpe verbunden ist, und ein Vorrichtungs-Package in dem Kühlmitteltank angeordnet ist. Das Vorrichtungs-Package weist einen externen Schirm auf.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Temperatursensor in dem externen Schirm angeordnet. Bei einigen Implementierungen weist der externe Schirm eine Polymermatrix und in die Polymermatrix eingebettete wärmeleitfähige Partikel auf. Die Polymermatrix weist Epoxid, Polyimid, Silikonharz, Polyurethan oder Polyacrylat auf. Die wärmeleitfähigen Partikel weisen Titan, Tantal, Aluminium, Aluminium-Kupfer, Aluminium-Silizium-Kupfer, Kupfer, Mangan, Kohlenstoff, Silizium, Germanium, Wolfram, Zink oder Nickel auf. In einigen Fällen umfasst das Vorrichtungs-Package weiterhin eine Antihaftbeschichtung, die über dem externen Schirm angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen weist die Antihaftbeschichtung Polytetrafluorethylen auf. Bei einigen Implementierungen weist das Kühlmittel Wasser auf, und das Kältemittel weist Chlorfluorkohlenstoffe (CFCs), Hydrochlorfluorkohlenstoffe (HCFCs), Ammoniak (NH₃), Wasser, Kohlendioxid, ein Propan in Kältemittelqualität oder ein Isobutan in Kältemittelqualität auf. In einigen Fällen weist das Vorrichtungs-Package weiterhin eine Metallplatte auf, die den externen Schirm eingebettet ist, wobei die Metallplatte elektrisch potentialfrei ist.
Bei noch einem weiteren beispielhaften Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein System. Das System umfasst einen Kühlmitteltank, der ein Kühlmittel enthält, eine Kühlschlange, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist, ein Kältemittel, das in der Kühlschlange in Umlauf ist, einen Kühlmittel-Widerstandssensor, der in dem Kühlmitteltank angeordnet ist, eine Umlaufpumpe, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist, und ein Managementmodul, das mit dem Kühlmittel-Widerstandssensor und der Umlaufpumpe verbunden ist.
Bei einigen Ausführungsformen ist das Managementmodul so konfiguriert, dass es einen ersten Stromausgang an die Umlaufpumpe bereitstellt, wenn der Kühlmittel-Widerstandssensor einen elektrischen Widerstand erfasst, der kleiner als eine vorbestimmte Temperatur ist, und einen zweiten Stromausgang an die Umlaufpumpe bereitstellt, wenn der Kühlmittel-Widerstandssensor einen elektrischen Widerstand erfasst, der größer als die vorbestimmte Temperatur ist. Der erste Stromausgang ist größer als der zweite Stromausgang. Bei einigen Implementierungen kann das System weiterhin ein Vorrichtungs-Package mit einem externen Schirm und einem in den externen Schirm eingebetteten Temperatursensor umfassen. Der Temperatursensor ist elektrisch mit dem Managementmodul verbunden. Bei einigen Ausführungsformen ist das Managementmodul so konfiguriert, dass es den ersten Stromausgang an die Umlaufpumpe bereitstellt, wenn der Temperatursensor eine Temperatur über einer vorbestimmten Temperatur erfasst. In einigen Fällen ist das Kühlmittel Wasser, und das Kältemittel weist Chlorfluorkohlenstoffe (CFCs), Hydrochlorfluorkohlenstoffe (HCFCs), Ammoniak (NH₃), Wasser, Kohlendioxid, ein Propan in Kältemittelqualität oder ein Isobutan in Kältemittelqualität auf.
Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63394802 [0001]

Claims

Kühlsystem mit: einem Kühlmitteltank, der ein Kühlmittel enthält; einer Kühlschlange, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist; einem Kältemittel, das in der Kühlschlange in Umlauf ist; und einer Umlaufpumpe, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist und so konfiguriert ist, dass sie das Kühlmittel in dem Kühlmitteltank in Umlauf bringt.
Kühlsystem nach Anspruch 1, das weiterhin Folgendes aufweist: einen Temperatursensor, der in dem Kühlmitteltank angeordnet ist; und ein Managementmodul, das elektrisch mit dem Temperatursensor und der Umlaufpumpe verbunden ist.
Kühlsystem nach A2, wobei das Managementmodul so konfiguriert ist, dass es: einen ersten Stromausgang an die Umlaufpumpe bereitstellt, wenn der Temperatursensor eine Temperatur über einer vorbestimmten Temperatur erfasst; und einen zweiten Stromausgang an die Umlaufpumpe bereitstellt, wenn der Temperatursensor eine Temperatur unter einer vorbestimmten Temperatur erfasst, wobei der erste Stromausgang größer als der zweite Stromausgang ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel Wasser ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kältemittel CFCs, HCFCs, Ammoniak, Wasser, Kohlendioxid, ein Propan in Kältemittelqualität oder ein Isobutan in Kältemittelqualität aufweist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlmitteltank eine Entlüftungsvorrichtung aufweist, um einen Druck in dem Kühlmitteltank abzulassen, wenn der Druck ein vorbestimmtes Niveau übersteigt.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin Folgendes aufweist: einen ersten Kompressor mit einem ersten Einlass; einen zweiten Kompressor mit einem zweiten Einlass; und ein Dreiwegeventil, das mit der Kühlschlange verbunden ist, wobei das Dreiwegeventil so konfiguriert ist, dass es zwischen einer ersten Position, in der der erste Einlass in Fluidkommunikation mit der Kühlschlange ist, und einer zweiten Position, in der der zweite Einlass in Fluidkommunikation mit der Kühlschlange ist, schaltet.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin Folgendes aufweist: einen Kühlmittelbehälter in Fluidkommunikation mit dem Kühlmitteltank mittels eines Einlassschlauchs und eines Auslassschlauchs.
System mit: einem Kühlmitteltank, der ein Kühlmittel enthält; einer Kühlschlange, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist; einem Kältemittel, das in der Kühlschlange in Umlauf ist; einem Temperatursensor, der in dem Kühlmitteltank angeordnet ist; einer Umlaufpumpe, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist; einem Managementmodul, das elektrisch mit dem Temperatursensor und der Umlaufpumpe verbunden ist; und einem Vorrichtungs-Package, das in dem Kühlmitteltank angeordnet ist, wobei das Vorrichtungs-Package einen externen Schirm aufweist.
System nach Anspruch 9, wobei der Temperatursensor in dem externen Schirm angeordnet ist.
System nach Anspruch 9 oder 10, wobei der externe Schirm eine Polymermatrix und wärmeleitfähige in die Polymermatrix eingebettete Partikel aufweist, wobei die Polymermatrix Epoxid, Polyimid, Silikonharz, Polyurethan oder Polyacrylat aufweist, wobei die wärmeleitfähigen Partikel Titan, Tantal, Aluminium, Aluminium-Kupfer, Aluminium-Silizium-Kupfer, Kupfer, Mangan, Kohlenstoff, Silizium, Germanium, Wolfram, Zink oder Nickel aufweisen.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Vorrichtungs-Package weiterhin eine Antihaftbeschichtung aufweist, die über dem externen Schirm angeordnet ist.
System nach Anspruch 12, wobei die Antihaftbeschichtung Polytetrafluorethylen aufweist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Kühlmittel Wasser aufweist, wobei das Kältemittel CFCs, HCFCs, Ammoniak, Wasser, Kohlendioxid, ein Propan in Kältemittelqualität oder ein Isobutan in Kältemittelqualität aufweist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Vorrichtungs-Package weiterhin eine Metallplatte aufweist, die in den externen Schirm eingebettet ist, wobei die Metallplatte elektrisch potentialfrei ist.
System mit: einem Kühlmitteltank, der ein Kühlmittel enthält; einer Kühlschlange, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist; einem Kältemittel, das in der Kühlschlange in Umlauf ist; einem Kühlmittel-Widerstandssensor, der in dem Kühlmitteltank angeordnet ist; einer Umlaufpumpe, die in dem Kühlmitteltank angeordnet ist; und einem Managementmodul, das mit dem Kühlmittel-Widerstandssensor und der Umlaufpumpe verbunden ist.
System nach Anspruch 16, wobei das Managementmodul so konfiguriert ist, dass es: einen ersten Stromausgang an die Umlaufpumpe bereitstellt, wenn der Kühlmittel-Widerstandssensor einen elektrischen Widerstand erfasst, der kleiner als eine vorbestimmte Temperatur ist; und einen zweiten Stromausgang an die Umlaufpumpe bereitstellt, wenn der Kühlmittel-Widerstandssensor einen elektrischen Widerstand erfasst, der größer als eine vorbestimmte Temperatur ist, wobei der erste Stromausgang größer als der zweite Stromausgang ist.
System nach Anspruch 16 oder 17, das weiterhin Folgendes aufweist: ein Vorrichtungs-Package, das einen externen Schirm aufweist; und einen Temperatursensor, der in den externen Schirm eingebettet ist, wobei der Temperatursensor elektrisch mit dem Managementmodul verbunden ist.
System nach Anspruch 18, wobei das Managementmodul so konfiguriert ist, dass es einen ersten Stromausgang an die Umlaufpumpe bereitstellt, wenn der Temperatursensor eine Temperatur über einer vorbestimmten Temperatur erfasst.
System nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das Kühlmittel Wasser ist, und wobei das Kältemittel CFCs, HCFCs, Ammoniak, Wasser, Kohlendioxid, ein Propan in Kältemittelqualität oder ein Isobutan in Kältemittelqualität aufweist.