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Die
Erfindung betrifft einen integrierten Schaltkreis, der in einem
Substrat realisiert ist.
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Integrierte
Schaltkreise sind allgemein bekannt. Durch den Stromfluss erzeugen
integrierte Schaltkreise Wärme.
Die Temperatur eines integrierten Schaltkreises ist jedoch einer
der Parameter, die sich auf das Schaltverhalten des Schaltkreises
auswirken. Daher ist es wünschenswert,
dass der integrierte Schaltkreis näherungsweise stets bei gleicher Temperatur
betrieben wird. Wo dies nicht erreicht werden kann, wird zumindest
angestrebt, dass eine vorgegebene für den Schaltkreis spezifische
Maximaltemperatur nicht überschritten
wird.
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Ein
Betreiben des Schaltkreises außerhalb einer
spezifischen Solltemperatur oder außerhalb eines spezifischen
Solltemperaturbereichs hat zur Folge, dass die Schaltreaktion nicht
in der gewünschten Art
determiniert ist. Außerdem
verringert ein fortgesetztes Betreiben des Schaltkreises oberhalb
seiner Maximaltemperatur dessen Lebensdauer.
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Bekannte
Lösungen
zur Entwärmung
integrierter Schaltkreise setzen auf eine passive Abführung der
Wärme durch
das Substrat. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass auch benachbarte
Transistoren stark erwärmt
werden, da die Wärmekonvektionsströmung sich
gleichmäßig über den
gesamten integrierten Schaltkreis, im folgenden auch kurz als Chip
bezeichnet, verteilt. Dabei ist die maximale Wärmeabfuhrmenge des Substrats,
durch die Wärmeleitzahl
des Substratmaterials, z.B. Silizium, bestimmt.
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Aus
der
DE 32 15 396 A1 ist
eine Mehrlagen-Kleinkühlvorrichtung
für tiefe
Temperaturen bekannt, bei der eine Kühlkammer für einen kontinuierlich zu kühlenden
Gegenstand über
Kanäle
bzw. Durchlässe
in Micron-Abmessungen mit einem Einlass und einem Auslass verbunden
ist. Es ist vorgesehen, dass diese Kanäle bzw. Durchlässe in Zwischenflächen eines
Laminates aus Glasplatten oder Platten aus anderen Materialien angebracht
sind und einen Gegenstrom-Wärmetauscher
und einen Kapillarabschnitt einschließen.
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Aus
der
US 5 901 037 A ist
ein geschlossenes Flüssigkühlsystem
für RF-Transistormodule
bekannt, welches eine Vielzahl gestreckter Mikrokanäle aufweist,
die an zwei Kühlflüssigkeitssammelleisten angeschlossen
sind, die die Kühlflüssigkeit
zwischen einem oder mehreren Transistorchips transportieren. Das
System weist darüber
hinaus einen Wärmetauscher,
eine miniaturisierte Pumpe, die auf dem Modul angeordnet ist, und
passive Absperrventile mit konischer Form zur Kontrolle des Kühlflüssigkeitsflusses auf.
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Aus
der
US 5 998 240 A sind
Silizium- oder Siliziumkarbidchips bekannt, in deren Substrat eine Vielzahl
von Mikrokanälen
zum Wärmeabtransport geformt
sind. Die Chips sind direkt auf eine Grundplatte eines Schaltkreisträgers montiert,
wobei eine Kühlflüssigkeit über die
Grundplatte durch die Mikrokanäle
geführt
wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen integrierten Schaltkreis
mit partieller Reduzierung der Verlustwärme anzugeben. Der Vorteil
der Erfindung besteht darin, dass damit eine Entwärmung des
Chips genau an den Orten möglich
ist, an denen Wärme
erzeugt wird.
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Gemäß der Erfindung
ist dazu ein integrierter Schaltkreis gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
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Das
bewegte Medium erzeugt eine Konvektionsströmung die Wärme im Bereich der Wärmequelle
aufnimmt und die aufgenommene Wärme
im Bereich der Wärmeabgabestelle
wieder abgibt. Die Wärmeaufnahme
erfolgt aufgrund einer Expansion des Mediums beim Übergang
vom geringen zum größeren Querschnitt
der Kapillare. Die Wärmeabgabe erfolgt
entsprechend aufgrund einer Kompression des Mediums bei Übergang
vom größeren zum
geringeren Querschnitt der Kapillare.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
Dimension des Mittels zum Transport des Mediums legt maßgeblich
den Querschnitt des Abschnitts mit größerem Querschnitt und damit
mittelbar auch den des Abschnitts mit geringem Querschnitt fest.
Ein erstes Mittel, das bei geringem Platzbedarf zum Transport des
Mediums geeignet ist, ist ein so genannter Nanomotor. Ein alternatives
Mittel ist ein gepulster Laser.
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Wenn
die Geschwindigkeit des Transports des Mediums, die Strömungsgeschwindigkeit
der Konvektionsströmung,
regelbar ist, ist es möglich spezifisch
auf Phasen höherer
und geringer Wärmeabgabe
durch die Wärmequelle
zu reagieren, indem die Strömungsgeschwindigkeit
in Abhängigkeit
von der Temperatur der Wärmequelle
geregelt wird.
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Wenn
im Bereich der Wärmeabgabestelle
an der Außenseite
des Substrats ein Kühlkörper vorgesehen
ist, ist es möglich,
nicht nur lokal die Wärmequelle,
sondern auch die Wärmeabgabestelle
zu entwärmen.
Damit wird vermieden, dass die Temperatur des Substrats insgesamt
ansteigt, was schließlich auch
zu einer geringeren Entwärmung
der Wärmequelle
führen
würde.
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Wenn
im Bereich der Wärmeabgabestelle
an der Außenseite
des Substrats ein Wärmeleiter
vorgesehen ist, ist möglich,
die abgeführte
Wärme einer Wärmequelle
eines z.B. in einem Gehäuse
platzierten integrierten Schaltkreises an eine Oberfläche oder
eine Außenseite
des Gehäuses
zu leiten und damit auch eine Entwärmung eines in dem Gehäuse vorgesehenen
Gesamtgerätes
zu bewirken.
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Nachfolgend
ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt
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1 einen
integrierten Schaltkreis in einem Substrat.
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1 zeigt
das Substrat 1 eines integrierten Schaltkreises 2.
Das Substrat 1 weist eine mit einem Medium 3 gefüllte Kapillare 4 auf.
Die Kapillare 4 ist geschlossen und ist an keiner Stelle
zur Außenfläche des
Substrats 1 hin geöffnet.
Dies aus dem Grunde, weil der Querschnitt der Kapillare 4 relativ
gering ist, so dass ein Eindringen von notwendig verschmutzter Umgebungsluft
diese verstopfen könnte.
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Die
Kapillare 4 weist einen Abschnitt 5 mit geringem
Querschnitt und einen Abschnitt 6 mit größerem Querschnitt
auf. Damit ergibt sich eine erste und zweite Übergangsstelle 7, 8 beim Übergang
vom dem geringen Querschnitt auf den größeren Querschnitt.
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Zwischen
den beiden Übergangsstellen 7, 8 im
Abschnitt 6 mit größerem Querschnitt,
vorzugsweise etwa mittig zwischen den beiden Übergangsstellen 7, 8 ist
ein Mittel 9 zum Transport des Mediums 3 vorgesehen.
Das Mittel 9 ist z.B. ein so genannter Nanomotor 9.
Der Nanomotor 9 bewegt das Medium 3 und erzeugt
damit eine Konvektionsströmung 10 (durch
einen Pfeil angedeutet) in der Kapillare 4. Eine alternative
Möglichkeit
zur Bewegung des Mediums 3 besteht in der Anwendung einer
so genannten Laserpulsung.
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Als
erste Übergangsstelle 7 wird
im Folgenden der Übergang
vom Abschnitt 5 mit geringem Querschnitt zum Abschnitt 6 mit
größerem Querschnitt
entlang der Konvektionsströmung 10 bezeichnet.
Entsprechend wird als zweite Übergangsstelle 8 im
Folgenden der Übergang
vom Abschnitt 6 mit größerem Querschnitt
zum Abschnitt 5 mit geringem Querschnitt entlang der Konvektionsströmung 10 bezeichnet.
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Die
Position der ersten Übergangsstelle 7 wird
innerhalb des Substrates 1 so gewählt, dass sie sieh im Bereich
einer Wärmequelle 11,
z.B. einem Transistor 11, befindet. Die Position der zweiten Übergangsstelle 8 wird
entsprechend innerhalb des Substrates 1 so gewählt, dass
sie sich in einem Bereich 8 befindet, der zur Wärmeabgabe
geeignet ist. Dieser Bereich 8, der im Wesentlichen mit
der zweiten Übergangsstelle 8 zusammenfällt, wird
im Folgenden als Wärmeabgabestelle 8 bezeichnet.
Die Wärmeabgabestelle 8 befindet
sich vorzugsweise im Bereich der Oberfläche des Substrats 1 oder
in einem sonst zur Entwärmung
geeigneten Bereich des Substrats 1. Ein zur Entwärmung geeigneter
Bereich des Substrats 1 kann auch ein Bereich sein, in
dem keine Verlustleistung durch den integrierten Schaltkreis 2 anfällt und
damit keine Wärme
erzeugt wird.
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Der
Verlauf der Kapillare 4 innerhalb des Substrats 1 ist
im Wesentlichen durch die Position von Wärmequelle 11 und Wärmeabgabestelle 8 festgelegt.
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Das
durch den Nanomator 9 bewegte Medium 3 dehnt sich
im Bereich der Wärmequelle 11 aus. Durch
die Expansion des Mediums 3 aufgrund des Übergangs
zum größeren Querschnitt
an der ersten Übergangsstelle 7 wird
eine lokale Verringerung der Umgebungstemperatur erreicht.
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An
der zweiten Übergangsstelle 8 wird
das Medium 3 komprimiert. Die aufgenommene Wärmemenge
wird hier wieder abgegeben. Damit ist die lokale Entwärmung des
Substrats 1 im Bereich der Wärmequelle 11 erreicht.
Die lokal aufgenommene Wärme
wird durch die Konvektionsströmung 10 zu
einem zur Entwärmung
geeigneten Bereich 8 des Substrats 1 transportiert.
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Der
Kühlkreislauf
ist in sich geschlossen, d.h. er hat keine Verbindung zur Luft außerhalb
des Substrats 1, da durch die Größe der Kapillare 4 ein
offenes System zum Verschmutzen und somit zum totalen Kühlungsausfall
führen
würde.
Das Medium 3 ist vorzugsweise ein Gas mit geeigneter Molekülgröße, so dass
eine ungehinderte Konvektionsströmung durch
die Kapillare 4 möglich
ist.
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Im
Bereich der Wärmeabgabestelle 8 kann besonders
vorteilhaft auf der Außenfläche des
Substrats 1 ein passiver oder aktiver Kühlkörper 12 angebracht
sein. Anstelle des Kühlkörpers 12 kann – wenn sich
der integrierte Schaltkreis 2 z.B. in einem Gehäuse (nicht
dargestellt) befindet und damit aufgrund des begrenzten Luftvolumens
innerhalb des Gehäuses
selbst nur begrenzt entwärmt
werden kann – auch
ein Wärmeleiter 12 vorgesehen
sein, durch den die bereits innerhalb des Substrats 1 transportierte Wärme nochmals
und diesmal zur Außenseite
des Gehäuses
transportiert wird.
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Über eine
der Außenflächen des
Substrats 1 kann eine größere Verbindungsfläche zu einem
Gehäuse
aufgebaut werden. Um eine gute Wärmeabführung zu
erreichen, sind für
den Wärmeleiter 12 Materialien
mit einem guten Wärmekoeffizienten
zu verwenden (z. B. Kupfer, Silber, Gold). Die Materialien können bei
der Herstellung des integrierten Schaltkreises aufgedampft werden.
Dies wird zur Zeit bereits beim Aufbringen von Leiterbahnen praktiziert.
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Zusammenfassend
lässt sich
die Erfindung damit wie folgt beschreiben:
Es wird eine Möglichkeit
zur partiellen Reduzierung der Verlustwärme innerhalb eines integrierten
Schaltkreises 2 durch die Verwendung einer oder mehrerer gekapselter
Kapillaren 4 angegeben.
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Dazu
ist ein integrierter Schaltkreis 2 mit einer Wärmequelle 11 vorgesehen,
der in einem Substrat 1 realisiert ist, das zumindest eine
ein Medium 3 enthaltende Kapillare 4 aufweist,
deren Querschnitt sich im Bereich der Wärmequelle 11 vergrößert und sich
im Bereich einer Wärmeabgabestelle 8 verringert,
wobei zwischen Wärmequelle 11 und
Wärmeabgabestelle 8 ein
Mittel 9 zum Transport des Mediums 3 vorgesehen
ist.