DE2724346C2

DE2724346C2 - Gettervorrichtung für Verunreinigungen einer Kühlflüssigkeit

Info

Publication number: DE2724346C2
Application number: DE2724346A
Authority: DE
Inventors: William Edwin Wappingers Falls N.Y. Dougherty jun.; Lawrence Vincent Hopewell Junction N.Y. Gregor; Donald Lee Klein; Thomas Francis Poughkeepsie N.Y. 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: 1983-06-01
Also published as: JPS532083A; US4053942A; JPS617745B2; FR2356447B1; DE2724346A1; FR2356447A1

Description

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

Beim Betrieb von Halbleiterbauelementen werden Flüssigkeiten extremer Reinheit zur Kühlung verwendet. Derartige flüssigkeitsgekühlte Halbleiteranordnungen mit integrierten Schaltungen sind beispielsweise in der US-Patentschrift 28 86 746 beschrieben. Bei dieser Anordnung ist ein Bauelement mit integrierten Schaltungen auf einem Substrat montiert und zusammen mit eines· Kühlflüssigkeit, für die eine Per-Fluor-Kohlenwasserstoffverbindung typisch ist, in einem abgeschlossenen Gehäuse untergebracht. Im Betrieb wird die Wärme, die durch die Bauelemente erzeugt wird, durch das Sieden μ 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. Verunreinigungen können auch von den Bauelementen, dem Substrat oder anderen Teilen der Anordnung nach dem Zusammenbau von der 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 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 «messen 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 28 46 625 bekannten Anordnung wird ein hygroskopisches Material zur Reinigung der Kühlflüssigkeit verwendet und bei einer durch die US-Patentschrift 34 87 275 bekannten Anordnung dient ein Bor-Anhydrid-GIas zu diesem Zweck.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen aus einer Kühlflüssigkeit anzugeben, mi* 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 srfindungsgemäßen Vorrichtung werden durch die Merkmale der Unteransprüche beschrieben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert Es zeigt

F i g. 1 die Vorrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen aus der Kühlflüssigkeit in perspektivischer Ansicht,

F i g. 2 eine flüssigkeitsgekühlte Halbleiteranordnung mit der Vorrichtung zur Entfernung von Verunreinigungen aus der Kühlflüssigkeit, in Seitenansicht, teilweise geschnitten und

F i g. 3 bis 5 in einer schematischen Darstellung den Innenraum einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung 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 derglei-

chen 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 verbunden 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, dem 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 inert 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 F i g. 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, beispielweise durch die Löthügel 16 in einem bestimmten Abstand gehalten. Der Abstand der Löthügel 16 braucht nicht so zu sein, daß dadurch die Dampfblase eingeschlossen wird, da bereits der Draht diese Funktion ausübt

In Fig.2 ist die Gettervorrichtung 10 zusammen mit einer flüssigkeitsgekühlten Halbleitei anordnung 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 3Ji können Leitbleche 39 vorgesehen sein. Eine Kühlflüssigkeit 40, vorzugsweise eine Per-FIuor-Konlenwasserstoffverbindung, wird in die Anordnung eingefüllt Wie bereits gesagt, taucht die s 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 eime Temperatur zu erwärmen, bei der die Kühlflüssigkeit zwischen den Platten 12 und 14

ίο verdampft so daß sich eine Dampfblase bildet

In den F ΐ g. 3 bis 5 ist eine andere Ausführungsform der Gettervorrichtung dargestellt, die mit 50 bezeichnet ist Am Rande der Platte 54 befindet sich eine Reihe von Lötverbindungen 56, die zusammen mit den Platten 54 einen Behälter für das Heizelement bilden. Wie aus Fig.3 zu ersehen, tritt die Flüssigkeit zwischen den Lötverbindungen in den Zwischenraum der Platten 54 ein, wenn die Platten 54 in die Flüssigkeit eingetaucht werden. Wenn gewünscht kann der Abstand zwischen den Lötverbindungen 56 größer gemacht werden, um die Dampfblase an einer geeigneten S*' ¹Ie austreten zu lassen. Wenn das Heizelement 52, das aus einer gedruckten Leiterbahn bestehen kann, mit Strom versorgt wird, bildet sich eine Blase 58 der Kühlflüssigkeit Mit der Zeit dehnt sich die Blase aus, wird jecioch durch die Lötverbindungen 56 zwischen den Platten 54 festgehalten. Wenn der Dampfdruck der Blase größer wird, tritt ein Teil 59 der Blase 58, wie in Fig.4 dargestellt aus. Während der Ausdehnung der Dampfblase lagern sich Verunreinigungen 60 auf den Oberflächen der Platten 54 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 54 niedergeschlagen. Diese Anordnung und ihre Betriebsweise erzeugt somit eine pulsierende Dampf blase, die in einem begren7ten 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 ihre Viskosität durch das Material der Platten, beispielsweise die Benetzbarkeit mit der Flüssigkeit, und dem Abstand der Lötverbindungen, wenn solche verwendet werden. Die Vorrichtung kann dauernd oder in unterbrochenem Betrieb arbeiten. Beispielsweise kann die Vorrichtung i0 in einer Anordnung mit integrierten Halbleiterschaltungen entsprechend der F i g. 2 kontinuierlich im Betrieb sein, unabhängig davon cb die Bauelemente arbeiten oder nicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Getterv-rrichtung 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 (58) der verdampften Kühlflüssigkeit (40) aus dem Zwischenraum der Platten austreten, und neue Kühlflüssigkeit in den Zwischenraum eintritt

2. 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

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

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

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (12,14 bzw. 54) mit einem Abstand zwischen 3,08 χ 10~³ cm und 27^4 χ ΙΟ-³ cm angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (12,14 bzw. 54) durch in·. Wiederverflüssigungsverfahren gebildete Hügel (16 bzw. 56) aus Lotmaterial in ihrem Abstand gebalten werden.

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

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