DE3017514A1

DE3017514A1 - Vorgefertigte verbundmetall-waermeuebertragungseinheit

Info

Publication number: DE3017514A1
Application number: DE19803017514
Authority: DE
Inventors: Norman Hascoe
Original assignee: Individual
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1979-05-08
Filing date: 1980-05-07
Publication date: 1980-11-13
Also published as: FR2456298B1; GB2048567B; IT1128314B; FR2456298A1; CA1136289A; JPS55159967A; US4283464A; GB2048567A; NL8002585A; JPS633741B2; IT8048589A0

Description

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Vorgefertigte Verbundmetall-WärmeÜbertragungseinheit

Zur Übertragung der Wärme von einer Wärmequelle an einen wärmeabsorbierenden Körper ist es oft erwünscht und in einigen Anwendungen auch erforderlich, ein Zwischenelement aus Metall anzuwenden, dessen Wärmeausdehnungsbeiwert etwa gleich dem der Wärmequelle ist, das aber verhältnismäßig gute Wärmeübergangseigenschaf ten hat. Derartige wärmeübertragende Metallplatten sind von besonderem Nutzen zur Lagerung von Einkristallsilizium-Halbleiteranordnungen .

Eine wärmeübertragende Metallplatteneinheit, die kürzlich vorgeschlagen wurde, weist eine Metallplatte aus einem Metall verhältnismäßig hoher Zugfestigkeit mit dem gewünschten Wärmeausdehnungsbeiwert aber einer unerwünscht niedrigen Wärmeübergangszahl auf. Sie wird hergestellt, indem man Löcher in der Platte mit einem druckverformbaren ("malleable") Metall mit einer hohen Wärmeübergangszahl wie Kupfer, Silber, Aluminium, Gold oder deren Legierungen füllt. Dazu füllt man die Löcher galvanisch, läßt die Platten durch eine Walzenanordnung laufen, die das druckverformbare Material in die Löcher drückt, gießt eine Füllmetallschmelze in die Löcher oder wendet andere Verfahren an.

Eine derartige Verbundstruktur hat die gewünschten Eigenschaften eines gesteuerten Wärmeausdehnungsbeiwerts und einer verhältnis-

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mäßig hohen Wärmeübergangszahl. Sie hat viele Anwendungen gefunden, wo die Vorrichtung, die diese Struktur enthält, über einen verhältnismäßig schmalen Temperaturbereich arbeiten soll - beispielsweise innerhalb eines maximalen Temperaturwechselbereichs in der Größenordnung von 400⁰C. Ist jedoch ein Betrieb über einen größeren Temperaturwechselbereich gefordert, löst sich ein kleiner Anteil der Einsätze aus verformbarem Metall von dem noch zugfesten Grundmetall; infolge des Kontaktverlustes zwischen den beiden Metallen verschlechtert sich dann die Wärmeübergangszahl.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neuartige und verbesserte vorgefertigte Wärmeübergangsplatte aus Metall anzugeben, die frei ist von den vorgenannten Temperatureinschränkungen der bekannten Metallplatte und die zufriedenstellend über einen breiteren Bereich von Wechseltemperatüren arbeitet - beispielsweise 550⁰C.

Die vorliegende Erfindung schafft eine vorgefertige Verbundmetallplatteneinheit zur Übertragung von Wärme von einer Wärmequelle an ein wärmeabsorbierendes Medium, die eirie verhältnis-mäßig hohe Wä-rmeübergangszahl aufweist» Diese Platteneinheit weist ein Paar Plattenelement« aus einem Metall hoher Zugfestigkeit mit einem Wärmeausdehnungsbeiwert auf, der etwa dem der Wärmequelle entspricht, sowie einer Vielzahl von durch diese Plattenelemente verlaufenden Löcher und einer Schicht aus verhältnismäßig gut druckverformbarem Metallmaterial, das zwi- _: sehen den Plattenelementen angeordnet ist, deren Löcher ausfüllt und eine Wärmeübergangszahl von mindestens etwa 0,3 el/ cm²/sec/⁰C hat.

Die Erfindung soll unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung ausführlich besehrieben werden. ·

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Die einzige Figur der Zeichnung ist eine teilweise weggeschnittene Perspektivdarstellung einer beispielhaften vorgefertigen Verbundmetallplatteneinheit nach der vorliegenden Erfindung.

Die Zeichnung zeigt eine vorgefertigte Verbundmetallplatteneinheit zum übertragen von Wärme von einer Wärmequelle an ein wärmeabsorbierendes Medium, die eine verhältnismäßig hohe Wärmeübergangszahl hat und ein Paar Plattenelemente 10, 11 aus einem Metall hoher Zugfestigkeit aufweist. Jedes der Plattenelemente besteht aus einem Metall, dessen Wärmeausdehnungsbeiwert etwa dem der Wärmequelle entspricht; vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Cobalt-Nickel-Eisen-Legxerung, die unter der Bezeichnung KOVAR handelsüblich ist, oder um eine Nickel-Eisen-Legierung aus 42 % Nickel und 58 % Eisen, wie sie als Legierung Nr. 42 im Handel ist. Beide haben einen Wärmeausdehnungsbeiwert, der mit dem von Einkristallsilizium verträglich ist; für KOVAR beträgt der 6,2 χ 10~⁶/°C, für die Legierung Nr. 42 ist er 6,9 χ 10 /⁰C, und zwar über einen Temperaturbereich von etwa 3O⁰C bis 550⁰C. Das jeweils für die Plattenelemente 10, 11 gewählte Material muß jedoch eine Zugfestigkeit von mindestens 35 kg/mm² haben.

Die Plattenelemente 10, 11 enthalten eine Vielzahl durchgehender Löcher 10a, 11a, deren Flächeninhalt insgesamt 15 % bis 80 %, vorzugsweise etwa 70 % des Gesamtflächeninhalts der Plattenelemente ausmacht. Die Anzahl der Löcher 10a, 11a kann innerhalb eines sehr breiten Bereichs variieren; in einer typischen Ausführung waren etwa .310 Löcher pro Quadratcentimeter (2000/sp. in. ) vorgesehen. Die Löcher können in der Gestalt rund, wie dargestellt, aber auch rechteckig, oval, quadratisch, rautenförmig oder anders gestaltet sein.

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Zwischen den Plattenelementen 10, 11 ist eine Schicht 12 eines druckverformbaren Metallmaterials zu einem Sandwichaufbau angeordnet. Bei diesem druckverformbaren Material handelt es sich um ein Metall aus der aus Kupfer, Aluminium, Gold, Silber und deren Legierungen bestehenden Gruppe, wobei typischerweise Kupfer verwendet wird. Bei der Herstellung der Platteneinheiten setzt man die Plattenelemente 10, 11 hohem Druck derart aus, daß die Metallschicht 12 in der Mitte in die Löcher in den äußeren Plattenelementen hoher Zugfestigkeit einfließt; der Druck kann mit Maschinen wie Walzgerüsten oder Hochdruckpressen aufgebracht werden. Die WärmeÜbergangszahlen verschiedener Materialien, die zur Herstellung von Verbundplatten nach der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind wie folgt:

Aluminium	0,50
Kupfer	0,94
Gold	0,74
Silber	0,99
KOVAR	0,04
Legierung 42	0,03

Die gemessene Wärmeübergangszahl der oben beschriebenen Verbund-Wärmeübergangsplatteneinheit entspricht angenähert dem theoretisch berechenbaren Wert derselben. Die Gleichung für die Wärmeübergangszahl für einen homogenen Körper ist

K = q/A.-'T (cal/cm²/cm/sec/°C) ·

mit K = Wärmeübergangszahl

q = pro Sekunde übertragene Wärmemenge(ca1) A = Verhältnis der Fläche (cm²) zur

Länge (cm) ■

IT = Temperaturgefälle (⁰C) über den beiden betrachteten Flächen

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Eine erste Näherung für die effektive Wärmeübergangszahl des Verbundkörpers ist die Summe der Wärmeübergangszahlen der beiden Materialien unter Gewichtung entsprechend den jeweiligen Flächen der beiden Materialien; für den Verbund aus Kovar (Ko) und Kupfer (Cu) erhält man also

Verbund ^{= (K}ko^{) (% Ko}"^Fläche> ⁺ <^K _CU> ^(% Cu-Fläche)

wobei der jeweilige prozentuale Anteil der Kovar- und der Kupferfläche auf eins normalisiert sind.

Als Beispiel der Wärmeübergangszahl eines solchen Verbundes nehme man an, daß die Plattenelemente aus Kovar und Kupfer . zu einer Dicke von 10 mm und mit einer sehr dünnen Kupferschicht hergestellt werden soll. Dann ergibt sich in erster Näherung die Wärmeübergangszahl für den Verbundaufbau zu

^Kverbund ⁼ (ΟΌ4)(0,50) + (ö,94)(0,70) = 0,6? cal/cm²/cm/sec/°C

Wie ersichtlich, hat der Verbundaufbau eine Wärmeübergangszahl von etwa dem 17-fachen des Kovar-Materials allein..

Die in der Zeichnung gezeigten Abmessungsverhältnisse der Platteneinheit sind zur klareren Darstellung stark verzerrt. In der Praxis können die Abmessungen innerhalb breiter Bereiche abhängig von dem Anwendungsfall variieren. Typischerweise haben die Plattenelemente 10, 11 eine Dicke von 0,050 bis 1,27 mm (0,002 bis 0,05 in.), während die Schicht 12 aus druckverformbarem Material typischerweise 0,075 bis 1,52 mm (0,003 bis 0,060 in.) dick ist.

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Ein spezielles Beispiel einer Platteneinheit nach der Erfindung, die über den Temperaturbereich von 20⁰C bis 550⁰C einsetzbar ist, hatte folgende Abmessungen und Werte:

Dicke der Kovar-Platten 10, 11

Dicke der Kupferschicht 12 nach der Bearbeitung ■

Flächeninhalt der kupfergefüllten Löcher 10a, 11a

Wärmeübergangszahl des massiven Kovarblechs Wärmeübergangszahl des Verbundaufbaus

Wärmeausdehnungsbeiwert des massiven Kovarblechs von 30⁰C bis 550⁰C

Wärmeausdehnungsbeiwert der massiven Legierung 42 von 30° bis 550⁰C

Wärmeausdehnungsbeiwert des massiven Kupfers Wärmeausdehnungsbeiwert des Verbundaufbaus

Wie also ersichtlich, ist die Wärmeübergangszahl einer solchen Verbundplatteneinheit etwa 17-fach höher als die eines massiven Kovarblechs. . "

Schätzungsweise haben 90 % aller Halbleiterchips für integrierte Schaltkreise eine Größe von weniger als 7,6 χ 7,6 mm (0,300 in. χ 0,300 in.). Der geringe Unterschied zwischen den Warmeausdehnungsbeiwerten des Siliziumchips und der Verbundplatteneinheit ist nicht groß genug, um bei derart kleinen und kleineren Chips wesentliche Verformungen zu verursachen. ;

Cl/bm

0,2	mm	(0,008 in.)	10'⁶/°C
0,1	mm	(0,004 in.)	10"⁶/°C
70 %	der Platten fläche	10"⁶/°C 10~⁶/°C
0,04
0,67
6,2	χ
6,9	χ
16,4 7,0	X X

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Claims

791 Weaver Street, Larchmont, N.Y., V. St. A. Patentansprüche

1. ^Vorgefertigte Verbundmetall-Platteneinheit zur Übertragung

on Wärme von einer Wärmequelle an ein wärmeabsorbierendes Medium, gekennzeichnet durch ein Paar Plattenelemente (10, 11) aus einem Metall hoher Zugfestigkeit mit einem Wärmeausdehnungsbeiwert von etwa dem der Wärmequelle, eine Vielzahl durch jedes der Elemente hindurch verlaufender Löcher (10a, 11a), und eine Schicht (12) aus einem verhältnismäßig druckverformbaren Metallmaterial zwischen den Elementen, das die Löcher ausfüllt und eine Wärmeübergangszahl von mindestens etwa 0,3 cal/cm²/cm/sec/°C hat.

2. Platteneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Plattenelemente jeweils aus einer Kobalt-Nickel-Eisen-Legierung mit einem Wärmeausdehnungsbeiwert von etwa

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6,2 χ 10~⁶/^cC im Temperaturbereich von etwa 30⁰C bis 550⁰C bestehen.

3. Platteneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenelemente jeweils aus einer Legierung aus im wesentlichen 42 % Nickel und 58 % Eisen mit einem Wärmeausdehnungsbeiwert von etwa 6,9 χ 1¹
3O⁰C bis 550⁰C bestehen.

beiwert von etwa 6,9 χ 10 /⁰C im Temperaturbereich von etwa

4. Platteneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn ze ichnet, daß die Plattenelemente jeweils eine Zugfestigkeit von mindestens etwa 35 kg/mm³ haben.

5. Platteneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Plattenelemente verlaufenden Löcher insgesamt einen Flächeninhalt von 15 % bis 80 % der Oberfläche der Plattenelemente haben. - .

6. Platteneinheit nach Anspruch 1, dadurch -gekennzeichnet, daß die durch die Plattenelemente verlaufenden Löcher einen Gesamtflächeninhalt von etwa 70 % der Oberfläche der Plattenelemente haben.

7. Platteneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn ze ichnet, daß die Plattenelemente etwa 1 bis 310 Löcher pro Quadratzentimeter Plattenfläche (5 bis 2000/sp.in.) enthalten.

8. Platteneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenelemente etwa 310 Löcher pro QuadratZentimeter Plattenfläche (2000/sp.in.) enthalten.

9. Platteneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem druckverformbaren Material um ein Metall aus der aus Kupfer, Aluminium, Gold, Silber und einer Legierung eines beliebigen dieser Metalle bestehenden Gruppe handelt.

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