DE2724346A1

DE2724346A1 - Gettervorrichtung fuer verunreinigungen einer kuehlfluessigkeit

Info

Publication number: DE2724346A1
Application number: DE19772724346
Authority: DE
Inventors: Jun William Edwin Dougherty; Lawrence Vincent Gregor; Donald Lee Klein; Thomas Francis Redmond
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-06-28
Filing date: 1977-05-28
Publication date: 1978-01-05
Also published as: US4053942A; DE2724346C2; FR2356447A1; JPS532083A; JPS617745B2; FR2356447B1

Description

Anmelderin:

Böblingen, den 27. Mai 1977 sa-rs/som

International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y.10504

Amtliches Aktenzeichen: Aktenzeichen der Anmelderin;

Vertreter:
Bezeichnung:

Neuanmeldung Fl 975 031

Patentassessor Dipl.-Phys. Hermann Schmandt 7030 Böblingen

Gettervorrichtung für Verunreinigungen einer Kühlflüssigkeit

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Die Erfindung betrifft eine Gettervorrichtung für Verunreinigungen einer in einem geschlossenen Gefäß verdampfenden Kühlflüssigkeit zur Kühlung von Halbleiterbauelementen.

Verunreinigungen in Flüssigkeiten verursachen in vielen Gebieten der Technik Probleme, besonders aber bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, wo selbst Spuren von Verunreinigungen zwischen Erfolg und Fehlschlag entscheiden. Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen werden Flüssigkeiten extremer Reinheit zur Kühlung von in einem Behälter untergebrachten integrierten Schaltungen benötigt. Derartige flüssigkeitsgekühlte Halbleiteranordnungen mit integrierten Schaltungen sind beispielsweise in der US Patenschrift 2 886 746 beschrieben. Bei dieser Anordnung ist ein Bauelement mit integrierten Schaltungen auf einem Substrat montiert und zusammen mit einer Kühlflüssigkeit, für die ein Per-Fluor-Kohlenwasserstoff typisch ist, in einem abgeschlossenen Gehäuse untergebracht. Im Betrieb wird die Wärme, die durch die Bauelemente erzeugt wird, durch das Sieden der Flüssigkeit an der Grenzfläche zwischen den Bauelementen und der Flüssigkeit abgeführt. Die entstehende Verdampfung unterstützt die Abfuhr der Wärme von dem Bauelement und hält daher die Temperatur der Bauelemente auf akzeptablen Werten. Der entstandene Dampf wird an der Innenfläche des Gehäuses der Anordnung wieder kondensiert.

Die Kühlflüssigkeit kann nun, so wie sie vom Hersteller geliefert wird, Verunreinigungen enthalten. Verunreini- ^: gungen können auch von den Bauelementen, dem Substrat oder ; anderen Teilen der Anordnung nach dem Zusammenbau von der j Kühlflüssigkeit aufgenommen werden. Abhängig von der Art

der Verunreinigungen können im Laufe der Zeit schwerwiegende Schäden in der Anordnung auftreten. Beispielsweise können kleine Mengen von Lötflußmittel, die eventuell nach ! der Lötverbindung der Halbleiterplättchen mit dem Substrat

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in die Kühlflüssigkeit gelangen können. Korrosion an den Bauelementen und den Leiterzügen des Substrats verursachen. Die Korrosion kann selbst bei sehr kleinen Konzentrationen der Verunreinigungen in der Größenordnung von eins zu einer Million auftreten, einer Konzentration die unter dem Wert liegt, der gemessen oder entdeckt werden kann. Es sollte deshalb eine geeignete Vorrichtung vorgesehen sein, durch die entweder vor dem Gebrauch der Kühlflüssigkeit oder während des Gebrauchs Verunreinigungen weitgehend entfernt werden. Bei einer durch die US Patentschrift 2 846 625 bekannten Anordnung wird ein hygroskopisches Material zur Reinigung der Kühlflüssigkeit verwendet und bei einer durch die US Patentschrift 3 487 275 bekannten Anordnung dient ein Bor-Anhydrid-Glas zu diesem Zweck.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen aus einer Kühlflüssigkeit anzugeben, mit der es möglich ist auch in sehr geringer Konzentration vorhandene Verunreinigungen zu entfernen. Mit der Vorrichtung soll es auch möglich sein, die aus der Kühlflüssigkeit abgeschiedenen Verunreinigungen zu Untersuchungszwecken zu sammeln.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen zwei mindestens teilweise innerhalb der Kühlflüssigkeit in geringem Abstand angeordneten Platten ein Heizelement vorgesehen ist, unter dessen Einfluß Blasen der verdampften Kühlflüssigkeit aus dem Zwischenraum der Platten austreten, und neue Kühlflüssigkeit in den Zwischenraum eintritt.

Vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Merkmalen der Unteranspräche enthalten.

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Die Erfindung wird anhand von durch die Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 die Vorrichtung zum Entfernen von Verun

reinigungen aus der Kühlflüssigkeit in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 eine flüssigkeitsgekühlte Halbleiteranord

nung mit der Vorrichtung zur Entfernung von Verunreinigungen auf der Kühlflüssigkeit, in Seitenansicht, teilweise geschnitten und

Fign. 3 bis 5 in einer schematischen Darstellung den

Innenraum einer anderen Ausführungsform zur Erläuterung des pulsierenden Entstehens der Dampfblasen.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Gettervorrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit ist in Fig. 1 mit 10 bezeichnet. Die Vorrichtung besteht aus zwei Platten 12 und 14, die beispielsweise aus einem keramischen, einem thermoplastischen oder einem anderen geeigneten Material bestehen, das relativ inert ist und das den Temperaturen oberhalb des Siedepunktes der Kühlflüssigkeit standhält. Die Platten 12 und 14 werden durch geeignete Abstandshalter in einem Abstand voneinander gehalten und durch Klammern, Bolzen, Schrauben oder dergleichen zusammengehalten. Vorzugsweise wird der Abstand dadurch hergestellt, daß entlang dem Rand der Platten eine Reihe von Lötverbindungen 16 hergestellt wird. Diese Technik zur Herstellung von Löthügeln 16 ist ähnlich derjenigen, mit der Halbleiterbauelemente mit einem leitenden metallischen Muster auf einem Substrat ver-

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bunden werden. Demnach werden auf den Platten 12 und 14 einander gegenüberliegende, mit Lot benetzbare Streifen angebracht. Sodann wird auf die Streifen, vorzugsweise durch Aufdampfen durch eine Maske, eine Schicht Lotmaterial aufgebracht. Dann werden die Platten in Position gebracht und erhitzt. Durch das Erhitzen schmilzt das Lot, und die Platten erhalten durch die Oberflächenspannung ihren Abstand. Die Lötstreifen werden auf einem Material gebildet, das mit Lot nicht benetzbar ist. Der Abstand der Platten 12 und 14 hängt von der Viskosität der Kühlflüssigkeit ab, den Abstand zwischen den Löthügeln 16 und zu einem bestimmten Grad auch von der Größe der Platten 12 und 14. Der Abstand der Platten und die hierfür notwendigen Erfordernisse werden später im einzelnen beschrieben. Zwischen den Platten 12 und 14 ist ein Heizelement 18 angeordnet, das aus jedem geeigneten Material bestehen kann. Eine bevorzugte Ausführungsform des Heizelements besteht aus einer Reihe von verdrillten Golddrähten. Es können auch andere Materialien verwendet werden, unter der Voraussetzung, daß das Material genügend invert ist und keine Quelle von Verunreinigungen bildet. Die Drahtenden des Heizelementes 18 sind durch eine der Platten, beispielsweise der Platte 12 hindurchgeführt und mit den Anschlüssen 20 und 22 verbunden.

Wenn ein verdrillter Draht als Heizelement benutzt wird und in einer Schleife, wie in Fig. 1 angedeutet zwischen die Platten gelegt ist, sorgt der Draht von sich aus für den richtigen Abstand der Platten. Die Drahtschleife in Verbindung mit den Platten 12 und 14 bildet einen Behälter für eine pulsierende Dampfblase der Kühlflüssigkeit. Der Dampf entweicht durch den verdrillten Draht. Die Platten werden durch geeignete Mittel, beispielsweise durch die Löthügel 16 in einem bestimmten Abstand gehalten. Der Abstand der Löthügel 16 braucht nicht so zu sein, daß dadurch die Dampf-

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blase eingeschlossen wird, da bereits der Draht diese Funktion ausübt.

In Fig. 2 ist die Gettervorrichtung 10 zusammen mit einer flüssigkeitsgekühlten Halbleiteranordnung mit integrierten Schaltungen dargestellt. Die Anordnung 24 besteht aus einem Substrat 26, das vorzugsweise aus mehreren Lagen von keramischen Schichten besteht, die in bekannter Weise gelocht, mit Schaltungsmustern bedruckt und zu einem einheitlichen Element gesintert wurden. In öffnungen des Substrats stecken Stifte 28, durch welche die elektrische Verbindung zu den Schaltungen des Substrats hergestellt werden. Auf der oberen Oberfläche des Substrats 26 sind Halbleiterbauelemente 30 mit integrierten Schaltungen angeordnet, die auf das Substrat durch Lötverbindungen aufgesetzt sind, über den Bauelementen befindet sich ein Deckel 32 und zwischen dem Substrat und dem Deckel eine Dichtung 34. Ein Flansch 36 ist mit dem Substrat 26 durch eine Klammer 38 verbunden. Auf der Außenfläche des Deckels 32 können Leitbleche 39 vorgesehen sein. Eine Kühlflüssigkeit 40, vorzugsweise ein Per-Fluor-Kohlenwasserstoff, wird in die Anordnung eingefüllt. Wie bereits !gesagt, taucht die Gettervorrichtung 10 in die Kühlflüssigkeit 40 ein. Die Anschlüsse 20 und 22 der Vorrichtung 10 werden mit einer Stromquelle verbunden, die ausreicht, das !Heizelement auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der die !Kühlflüssigkeit zwischen den Platten 12 und 14 verdampft, !so daß sich «in· Dampfblaee bildet.

In den Fign. 3 bis 5 ist eine andere Ausführungsform der Gettervorrichtung dargestellt, die mit 50 bezeichnet ist. Am Rande der Platte befindet sich eine Reihe von Lötverbindungen 56, die zusammen mit den Platten einen Behälter für das Heizelement bilden. Wie aus Fig. 3 zu ersehen, tritt die Flüssigkeit zwischen den Lötverbindungen in den

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Zwischenraum der Platten ein, wenn die Platten in die Flüssigkeit eingetaucht werden. Wenn gewünscht, kann der Abstand zwischen den Lötverbindungen 56 größer gemacht werden, um die Dampfblase an einer geeigneten Stelle austreten zu lassen. Wenn das Heizelement 52 mit Strom versorgt wird, bildet sich eine Blase 58 der Kühlflüssigkeit. Mit der Zeit dehnt sich die Blase aus, wird jedoch durch die Lötverbindungen 56 zwischen den Platten festgehalten. Wenn der Dampfdruck der Blase größer wird, tritt ein Teil der Blase 58, wie in Fig. 4 dargestellt, aus. Während der Ausdehnung der Dampfblase lagern sich Verunreinigen 60 auf den Oberflächen der Platten ab. Wenn der Teil 59 der Dampfblase ausgetreten ist, zieht sich die Dampfblase wieder ungefähr zu der in Fig. 5 dargestellten Lage zusammen. Wenn das Heizelement 52 weiterhin mit Strom versorgt wird, wiederholt sich dieser Zyklus und es wird weiteres Verunreinigungsmaterial auf den Oberflächen der Platten niedergeschlagen. Diese Anordnung und ihre Betriebsweise erzeugt somit eine pulsierende Dampfblase, die in einem begrenzten Raum gehalten wird.

Es wird angenommen, daß die Dampfblase bei ihrer Ausdehnung einen dünnen haftenden Film der Kühlflüssigkeit auf den Platten hinterläßt, wobei die Platten vorzugsweise mit der Flüssigkeit benetzbar sind. Dieser dünne Film der Flüssigkeit wird daraufhin verdampft. Alle partikelähnlichen Bestandteile oder Verunreinigungen, die nicht verdampfen, werden auf den Platten niedergeschlagen und auf diese Weise aus der Flüssigkeit entfernt.

Der Abstand der Platten der Vorrichtung wird bestimmt durch die Art der Flüssigkeit die verwendet wird, beispielsweise ihr· Viskosität, durch das Material der Platten, beispielsweise die Benetzbarkeit mit der Flüssigkeit, und dem Abstand

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der Lötverbindungen, wenn solche verwendet werden. Die Vorrichtung kann dauernd oder in unterbrochenem Betrieb arbeiten. Beispielsweise kann die Vorrichtung 10 in einer Anordnung mit integrierten Halbleiterschaltungen entsprechend
der Fig. 2 kontinuierlich im Betrieb sein, unabhängig davon ob die Bauelemente arbeiten oder nicht.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Gettervorrichtung für Verunreinigungen einer in einem geschlossenen Gefäß verdampfenden Kühlflüssigkeit zur Kühlung von Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei mindestens teilweise innerhalb der Kühlflüssigkeit (40) in geringem Abstand angeordneten Platten (12, 14) ein Heizelement (18 bzw. 52) vorgesehen ist, unter dessen Einfluß Blasen (53) der verdampften Kühlflüssigkeit (40) aus dem Zwischenraum der Platten austreten, und neue Kühlflüssigkeit in den Zwischenraum eintritt.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (18 bzw. 52) derart steuerbar ist, daß das Austreten der Blasen der verdampften Kühlflüssigkeit (40) und das Eintreten der Kühlflüssigkeit in periodischem Wechsel erfolgt.

Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit (40) aus einem Per-Fluor-Kohlenwasserstoff besteht.

Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (12, 14 bzw. 54) aus keramischen Substraten bestehen.

Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (12, 14 bzw. 54) mit einem Abstand zw.
angeordnet sind.

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einem Abstand zwischen 3,08 χ 10 cm und 27,94 χ 10 cm

Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (12, 14 bzw. 54) durch im Wiederverflüssigungsverfahren gebildete Hügel (16

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bzw. 56) aus Lotmaterial in ihrem Abstand gehalten werden.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement aus einem verdrillten Draht (18) besteht.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement aus einer widerstandsbehafteten, gedruckten Leitung (52) auf einer der Platten (54) besteht.

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