DE3410767A1

DE3410767A1 - Erhoehtes kernbildendes verdampfungsoberflaechenband und kuehlung von elektronischen bauteilen

Info

Publication number: DE3410767A1
Application number: DE19843410767
Authority: DE
Inventors: Stephen Thomas Mount Prospect Ill. Gonczy
Original assignee: UOP LLC
Current assignee: Honeywell UOP LLC
Priority date: 1983-03-24
Filing date: 1984-03-23
Publication date: 1984-10-04
Also published as: ES8507731A1; ES530918A0; KR840008212A; FR2547906A1; AU2607384A

Description

Beschreibung

Erhöhtes k.ernbildendes Verdampfungsoberflächenband B und Kühlung von elektronischen Bauteilen

Die Erfindung betrifft ein erhöhtes kernbildendes Verdampfungsoberflächenband und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Allgemein betrifft die Erifndung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauteilen, wie z.B. integrierten Schaltkreisen, die auch als Chips bekannt sind. Genauer bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung eines solchen erhöhten, kernbildenden Verdampfungsoberflächenbandes und einem flüssigen Kühlmittel zur Abführung von Wärme von einem elektronischen Bauteil.

Die Verwendung von integrierten Schaltkreisen kann davon abhängig sein bzw. begrenzt sein, wie und mit welchen Mitteln die von den integrierten Schaltkreisen erzeugte Wärme abgeführt wird. Die Fehelrquote von integrierten Schaltkreisen steigt nämlich stark an, wenn die Betriebstemperatur der Schaltkreise ansteigt. So ist allgemein bekannt, daß ein Temperaturanstieg von 18°C die Lebensdauer von integrierten Schaltkreisen halbieren kann. Während es an sich wünschenswert ist, die integrierten Schaltkreise so dicht wie möglich, d.h. so klein wie möglich zu verwirklichen , steigt durch das enge Zusammenpacken der einzelnen Gehäuse die Wärmeentwicklung an, so daß es auch schwieriger ist, die entstehende Wärme abzuführen. Zur Zeit verwenden daher die Konstrukteure von elektronischen Systemen oft weniger dicht gepackte Schaltkreise als an sich wünschenswert sind, was daran liegt, daß es an einer geeigneten Technologie zur Abführung der entstehenden Wärme fehlt. Dennoch bleibt es wünschenswert, um die Nützlichkeit von Computern zu steigern, integrierte Schaltkreise so dicht

wie möglich zu konstruieren, um die Computer kleiner zu machen und außerdem ist es wünschenswert, ihre Arbeitsgeschwindigkeit zu erhöhen. Durch diese beiden genannten Anforderungen steigt aber die pro Flächeneinheit erzeugte Wärme der Schaltkreise.

Verschiedene Methoden, die mit Luftkühlung arbeiten, sind für die genannten Weiterentwicklungen nicht geeignet, weil die verwendeten Mittel groß sind und auch die Schaltkreisdichte dabei begrenzt ist. In einem Artikel von Lyman mit dem Titel "Packaging" in Electronics, Dec. 29, 1981 wird vorgeschlagen, ein Kühlblech an'einem Chipträger zu befestigen. Das Volumen des Kühlblechs ist mindestens sechsmal so groß als das des Chipträgers.

Außerdem gibt es bei der Verwendung von Luftkühlung eine praktische obere Grenze für die abführbare Wärmemenge. Das Kühlblech in dem obengenannten Beispiel ist fähig, Wärme bis zu 4,5 Watt abzuführen, was für viele Anwendungsfälle nicht ausreicht.

Eine Wärmeabfuhr mit Hilfe von flüssigen Kühlmitteln ist dagegen häufig wirkungsvoller, weil mit Hilfe von flüssigen Systemen größere Wärmeabfuhrkoeffizienten erhalten werden können als mit Gassystemen. Dabei wird die Wärme gewöhnlich durch eine feste Struktur zu einer Wand abgeleitet, die einen flüssigen Kühlstrom umgibt und dadurch mittels Konvektion auf die Flüssigkeit übertragen. Eine noch neue und effektivere Methode auf dem Gebiet der Flüssigkeitskühlung ist die Immersionskühlung, die aber noch im Entwicklungsstadium ist. Dabei werden die elektronischen Bauteile in einem flüssigen, nicht leitenden Kühlmittel versenkt, welches die Wärme der Bauteile in einem Konvektionsübergang annimmt, über geeignete Mittel wird die Wärme dann weiter aus dem Kühlmittel abgeführt, wenn der Wärmeübergang von dem

* elektronischen Bauteil zu dem Kühlmittel stattgefunden hat.

Durch Herbeiführung der Verdampfung eines flüssigen Kühlmittels kann eine bedeutende Steigerung der Wärmeaustauschrate erhalten werden, wenn die Wärmemenge pro Flächeneinheit oder der Wärmefluß genügend hoch ist. Dabei wird Wärme bei kleinen Wärmeströmen mittels Konvektion abgeführt und durch Verdampfung bei großen Wärmeströmen. Dieses Verdampfen, auch als Zweiphasenwärmeabführung bezeichnet, ist effizienter als eine Konvektions-Wärmeübertragung von einem Festkörper auf eine Flüssigkeit. Bei der Zweiphasenwärmeübertragung wird die Wärmeenergie mit Hilfe des Phasensprungs zwischen der flüssigen und der Dampfphase übertragen. Es gibt jedoch zahlreiche Probleme, ein solches System zu konstruieren. Eines der größten Probleme liegt darin, daß die Temperaturen der elektronischen Bauteile zu einem unannehmbar großen Maße angestiegen sein müssen, bevor die Ver-

20. dampfung beginnt. Die bis jetzt für elektronische Bauteile bekannten Stukturen zur Verdampfung sind zu komplex, um vielseitig Verwendung zu finden. Die Erfindung, gemäß der eine erhöhte, körnig strukturierte Verdampfungsoberfläche verwendet wird, beschäftigt sich mit diesen Problemen und überwindet sie.

Es wurden schon viele Untersuchungen angestellt, um einen Weg zu finden, wie die Wärmeübertragungsraten von heißen Oberflächen gesteigert werden können, aber die meisten von diesen Untersuchungen wurden im Hinblick auf andere als zur Kühlung von elektronischen Bauelementen geeignete Zwecke angestellt. Es wurden Flächen mit speziellen Geometrien entwickelt, die die Verdampfung an körnigen Oberflächen fördern und steigern. Diese Oberflächen werden erhöhte, kernbildende Verdampfungs-

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Oberflächen genannt. Im allgemeinen werden derartige Oberflächen als Röhren in einem rohrförmigen Wärmeaustauscher verwendet, wobei dort angestrebt wird, eine Flüssigkeit, die mit der Außenseite der Röhre in Verbindung steht, mit Hilfe eines heißen Flüssigkeitsstroms, der im Inneren der Röhre geführt wird, zu verdampfen bzw. zum Sieden zu bringen. Zur weiteren Information über Verdampfung und solche erhöhten, kernbildenden Verdampfungsoberflächen wird auf das Kapitel "Heat Transfer to Boiling Pure Liquids" in dem Buch "Boiling Phenomena, Physiochemical and Engineering Fundamentals and Applications verwiesen, welches von Van Stralen und Cole, Hemisphere Publishing Corp. 1979 herausgegeben wurde. Weiterhin wird verwiesen auf "The Evolution of Enhanced Surface Geometries for Nucleate Boiling", Heat Transfer Engineering, Webb, Band 2, No. 3-4, Januar-Juni 1981 sowie auf verschiedene US-Patente, die hier im folgenden noch aufgeführt werden und als UOP-Patente bezeichnet sind.

Die Technologie der Flüssigkeitskühlung wird in letzter Zeit in Verbindung mit der kommenden Generation von fortgeschrittenen Elektronikbauteilen entwickelt, wobei sich aber auch die Methoden der Chipkonstruktion schnell ändern. Die vorliegende Erfindung ist geeignet, die beiden genannten Entwicklungstendenzen zu vereinen, so daß dichtgepackte elektronische Systeme mit einem Minimum an apparativem und strukturellem Aufwand angemessen gekühlt werden können. Zur Information über Baugruppentechnologie wird auf den oben zitierten Artikel mit dem Titel "Packaging" verwiesen sowie auf einen Artikel von Erickson in Electronic Packaging and Production, März 1981 mit dem Titel Chip Carriers. Ein überblick über fortschrittliche Baugruppen und Kühlungskonzepte kann in Lyman 's Artikel mit dem Titel "Supercomputers

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Demand Innovation in Packaging and Cooling" in Electronics, 22. September 1982, gefunden werden.

Die nachfolgend angeführten US-Patente, im folgenden als UOP-Patente bezeichnet werden, beschäftigen sich mit verbesserten, kernbildenden Verdampfungsoberflächen: 4 129 181 (Janowski und and.) 4 246 057 (Janowski u.and.), 4 136 427 (Shum), 4 136 (Godsey und and.), 4 182 412 (Shum), 4 199 414 (Shum), 4 219 078 (Withers), und 4 288 897 (Withers). In diesen Patenten werden Verfahren zur Herstellung von verbesserten kernbildenden Verdampfungsoberflächen für Wärmeübertragungsröhren beschrieben. Ähnliche Oberflächen werden bei verschiedenen Ausführungsformen vorliegender Erfindung verwendet. Diese acht UOP-Patente werden hiermit im Ganzen mit einbezogen.

Das US-Patent 4 312 012 (Frieser und and.) beschreibt ein Verfahren zur Behandlung der rückseitigen Fläche eines integrierten Silikonschaltkreises, das den Zweck hat, verbesserte Verdampfungscharakteristiken im Vergleich zu einer nicht behandelten Oberfläche zu erhalten. Es wurde auch ein Artikel mit im wesentlichen denselben Informationen wie in dem genannten Patent im Journal of Applied Electrochemstry, Band 10, 1980 veröffentlicht. Eine mechanische Veränderung bzw. Beschädigung einer Oberfläche gemäß der Lehre dieses Patentes stellt eine relativ einfache Technik dar, um die Verdampfungscharakteristik einer Oberfläche zu steigern, wobei das Ausmaß der Steigerung recht begrenzt ist.

Wie aus dem Artikel von Webb "The Evolution of Enhanced Surface Geometries for Nucleate Boiling", der oben genannt ist, erkannt werden kann, wird anderen Verfahren der Vorzug gegeben. Das durch das genannte Patent vorgeschlagene Sandstrahlverfahren stellt eine zu grobe Behandlung eines integrierten Schaltkreises oder des

Silikons dar, wenn die Schaltkreise dem Sandstrahl ausgesetzt werden. Dies steht im Widerspruch zu dem hohen Maß an Reinheit und Sorgfalt, welches bei der Herstellung erforderlich ist. Das Patent beschäftigt sich außerdem nur mit der Ausbildung einer kernbildenden Verdampfungsoberfläche auf einem integrierten Schaltkreis selbst. Vorliegende Erfindung dagegen beschäftigt sich mit der Ausbildung einer wirksamen Verdampfungsoberfläche für jede Fläche, die geeignet und bestimmt ist, das Ende eines wärmeleitenden Weges an einem integrierten Schaltkreis zu sein. Es ist daher nicht notwendig, daß der im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendete integrierte Schaltkreis so ausgebildet sein muß, daß er in einer Flüssigkeit versenkt werden kann. Das US-Patent 4 053 942 (Dougherty und and.) lehrt, daß die Kühlflüssig keit extrem rein sein muß, um es zu ermöglichen, daß integrierte Schaltkreise in der Flüssigkeit versenkt werden können und beschreibt Mittel, um diese Reinheit aufrecht zu erhalten. Daraus kann gesehen werden, daß es an sich wünschenswert ist, eine direkte Versenkung der zu kühlenden Schaltkreise zu vermeiden, so daß diese extreme Reinheit nicht erforderlich wird.

Es wurde auch schon vorgeschlagen (US-PS 4 050 507) (CHU et al.), Löcher in eine Oberfläche zu bohren, um die Verdampfungscharakteristik zu steigern. Die Löcher werden durch Hochenergiestrahlen erzeugt. Gemäß einer Ausführungsform werden Heizelemente verwendet, die in der Nähe der zu behandelnden Oberfläche angeordnet werden, um Blasen zu erzeugen, die die Verdampfung auf der Oberfläche fördern. Die US-Patente 3 993 123 (CHU et al.) U 156 458 (Chu et al.) und 4 322 737 (Sliwa) beschreiben Baugruppen und Strukturen zur Kühlung von integrierten Schaltkreisen. In dem US-Patent 3 512 582 (Chu et al.) wird ein Immersionskühlungssystem mit einem zentralen Behälter, in dem eine Anzahl von geeigneten Einheiten

untergebracht sind, die die Komponenten enthalten, welche die Wärme erzeugen. Verdampfungsflächen werden in diesem Patent nicht beschrieben. In dem US-Patent 4 203 129 (Oktay et al.) werden Strukturen zur Kühlung von dichtgepackten integrierten Schaltkreisen beschrieben. Es kann leicht erkannt werden, daß gemäß der Erfindung eine solche Ausbildung von Strukturen, wie sie in diesem Patent beschrieben ist, nicht erforderlich ist.

IQ Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung ,zu schaffen ,bei der elektronische Bauteile, wie sie in fortschrittlichen Systemen verwendet werden, mit einem flüssigen Kühlmittel gekühlt werden , wobei gegenüber den bekannten Systemen eine größere Wärmemenge abgeführt werden soll. Insbesondere soll es möglich sein, die pro Volumeneinheit entstehende Wärme eines elektronischen Schaltkreises abzuführen, ohne die Betriebstemperatur des Schaltkreises auf einen nicht mehr vertretbar hohen Pegel ansteigen zu lassen.

2Q Außerdem sollen die Elemente und das Verfahren weniger aufwendig als die bekannten Systeme sein. Weiterhin soll es möglich sein, den Weg, den die Wärme von dem Punkt, an dem sie entsteht, zu dem Punkt, wo sie auf die Kühlflüssigkeit übertragen wird, zu kontrollieren. Auch

2g soll es möglich sein, daß die erfindungsgemäßen Mittel sowohl von denen, die elektronische Baugruppen aus käuflich erworbenen Komponenten zusammensetzen, als auch von denen, die die Komponenten herstellen, verwendet werden kann. Die erfindungsgemäßen Verdampfungsflächen sollen

OQ auch so sein, daß sie in einfacher Weise auf die für die elektronischen Baugruppen jeweils benötigten Größen abgestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein erhöhtes, kernbildendes Verdampfungsoberflächenband mit einer dünnen Metallschicht, einem auf der einen Seite dieser dünnen Metallschicht angeordneten netzartigen, organischen Schaumstoffmaterial mit offenen Zellen sowie einem auf

ι dieses Schaumstoffmaterial aufgebrachten Metallschichtüberzug gelöst . Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Verdampfungsoberfläche aus einer dünnen Metallschicht besteht, die einen über-

IQ zug umfaßt, der aus Metall besteht, und durch Galvanisierten aufgebracht wird und eine große Anzahl von puderähnlichen, elektrisch leitenden Teilchen aufweist, die ganz oder teilweise in dem aufgalvanisierten Metall eingeschlossen sind. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der letztgenannten Verdampfungsoberfläche besteht darin, daß die Verdampfungsoberfläche in einzelnen Schritten hergestellt wird, wobei zunächst die dünne Metallschicht an einer Seite abgeschirmt in einer Überzugslösung, die die elektrisch leitenden

OQ Teilchen aufweist und in nächster Nähe zu einer Quelle für das aufzugalvanisierende Metall angeordnet wird., daß dann eine elektrische Stromquelle mit dem dünnen Metall und der Metallquelle verbunden wird, so daß das Metall aus der Metallquelle auf das dünne Metall aufgalvanisiert wird, daß die Überzugslösung hin und herbewegt wird, um die leitenden Teilchen so lange in Lösung zu halten, bis sie elektrisch auf das.dünne Metall angezogen werden und daß der Galvanisierungsschritt solange fortgesetzt wird, bis sich ein Metallüberzug

oQ zumindest über einige der elektrisch leitenden Teilchen, die von dem dünnen Metall angezogen worden sind, gebildet hat.

Die erfindungsgemäß aufeinandergelegten Schichten Og bilden dann ein erhöhtes kernbildendes Verdampfungsoberflächenband, welches jeweils in seiner Größe auf die

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Erfordernisse abgestimmt und an integrierten Schaltkreisbaugruppen angebracht werden kann. .Während des Herstellungsprozesses wird eine Seite des dünnen Metalls abgeschirmt, so daß das Oberflächenband mit dieser Seite geeignet an den genannten Baugruppen angebracht werden kann .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Erfindung verbesserte integrierte Schaltkreisbaugruppen und Verfahren zu ihrer Herstellung, wobei erhöhte, kernbildende Verdampfungsoberflächen zumindest über einen Teil der Fläche einer integrierten Schaltkreisbaugruppe an Stellen angeordnet sind, die geeignet sind, einen thermischen Weg zwischen der Verdampfungsoberfläche und den Stellen der Baugruppe, an denen Wärme entsteht, auszubilden. Die dünne Metallschicht kann auf die Baugruppe aufgebracht werden, bevor der Schaumstoff und der auf-Metallschichtüberzug aufgebracht werden. Es kann aber auch das komplett vorgefertigte Verdampfungsoberflächenband an der Baugruppe angebracht werden.

Das Metall kann mit Hilfe von Galvanisierungsverfahren auf die freie Fläche des dünnen Metalls, welches unter den Poren des netzartigen Schaummaterials liegt, aufgebracht werden, so daß eine sich erhebende Metalloberfläche gebildet wird, die über der Fläche des dünnen Metalls liegt und fest an dieser haftet, die sich aber von der Oberfläche aufgrund der Schaumstoffporen oberhalb erstreckt. Das Aufbringen der Metallschicht kann in zwei Schritten gescheheh, wobei im ersten Schritt die Anbringung ohne Strom erfolgt und dann die Galvanisierung, so daß eine netzartige Metalloberfläche gebildet wird, die auf der Oberfläche des dünnen Metalls verläuft und fest mit dieser verhaftet ist. Ein haftender Graphit-Überzug kann auf den Schaumstoff aufgetragen werden, be-

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vor das Überzugsmetall aufgebracht wird, so daß das Überzugsmetall an dem dünnen Metall und der Graphitschicht haftet und eine netzartige Metalloberfläche mit offenen Zellen bildet, die über der Fläche des dünnen Metalls liegt und fest mit dieser verhaftet ist. Die Verdampfungsoberfläche kann dann so weit erhitzt werden, daß der Schaumstoff zumindest teilweise pyrol siert, was zur Folge hat, daß die zuvor aufgebrachte netzartige Metallschichtstruktur zu einem mindestens teilweise vertieften Metallgerippe wird, welches vertiefte Metallstränge aufweist, die Dampf auffangen können, wenn die Verdampfungsoberfläche in einem flüssigen Verdampfungsmedium angeordnet wird. Dadurch kann dann der Dampf durch eine Vielzahl von Öffnungen und Poren in dem Gerippe, welches dadurch punktuelle Dampf- bzw. Siedephasenbereiche hat, hindurchtreten. Die Verdampfungsoberfläche kann weiterhin so behandelt werden, daß zumindest ein wesentlicher Teil der vertieften Metallstränge auf der Verdampfungsoberfläche einer Vielzahl von festen Teilchen unter ausreichendem Druck ausgesetzt wird, um diese vertieften Metallstränge zumindest teilweise zu verformen und ihre inneren Durchmesser zu verkleinern, so daß ihre Fähigkeit , Flüssigkeit zwischen ihren auseinanderliegenden Öffnungen über ihre Länge zu transportieren, ebenfalls reduzier wird. Das dünne Metall und/oder der Metallüberzug kann aus Kupfer bestehen. Eine solche erhöhte kernbildende Verdampfungsoberfläche kann mit Hilfe von Haftmaterialien an einer integrierten Schaltkreisbaugruppe oder mit schmelzbaren Metallegierungen angebracht werden. Sie kann dann noch mechanisch bearbeitet werden, um die Oberflächenhöhe zur Erzielung einer noch besseren Verdampfungscharakteristik zu verkleinern. Die Baugruppe kann ein Chipträger, eine Stiftgitterfläche oder eine Segmentgitterfläche sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Kühlsystem zur Abführung von Wärme, die von dem integrierten Schaltkreis erzeugt wird, vorgesehen, wobei diese Ausführungsform integrierte Schaltkreise umfaßt, erhöhte, kernbildende Verdampfungsoberflächen, wie sie weiter oben beschrieben sind, Einrichtungen, um die thermischen Wege festzulegen, auf denen die von den integrierten Schaltkreisen erzeugte Wärme zu den Verdampfungsoberflächen gelangt, ein flüssiges Kühlmittel, welches mit der Verdampfungsfläche in Verbindung steht und durch diese erwärmt wird und mit Mitteln, um die Wärme aus dem flüssigen Kühlmittel abzuleiten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 die Beziehungen und rechnerischen Zusammenhänge anhand eines Zahlenbeispiels, .mit. Hilfe dessen ein Temperaturvergleich zwischen einem Chip,welches mit einer erhöhten, kernbildenden Verdampfungsoberfläche gekühlt wird und einem ohne eine solche Verdampfungsoberfläche gekühlten Chip;

Fig. 2 einen Abschnitt eines einzelnen Chips, welches auf einen Teil eines Trägers montiert ist;

Fig. 3 eine Anordnung von Einzelelementen im Querschnitt, die unter Anwendung eines Galvanisierungsprozesses eine erhöhte, kernbildende Verdampfungsoberfläche bilden, wie sie in einem hierzu beschriebenen Versuch verwendet wurde ;

Fig. 4 A und 4B einen Chipträger und eine Chipan-Ordnung, wie sie bei einem hier beschriebenen Versuch

verwendet wurde, dabei ist in Fig. ¹JA eine Ansicht von oben auf den Träger dargestellt, wobei ein Teil der Abdeckung beseitigt ist und in Fig. ^B eine geschnittene Seitenansicht, wie dies in Fig. UA durch die Pfeile an-

° gendeutet ist. Diese Zeichnung zeigt den Chipträger in seinem prinzipiellen Aufbau, ohne dabei auf Details einzugehen ;

Fig. 5 die Ergebnisse eines Versuchs, bei dem ein Chipträger mit einer Chipanordnung in einem Flüssigkeitsbad sowohl mit als auch ohne eine erhöhte, kernbildende Verdampfungsoberfläche gekühlt wurde;

Fig. 6a und 6B Chipbaugruppen, die auf Trägern *5 montiert sind, an denen an verschiedenen Stellen erhöhte, kernbildende Verdampfungsoberflächen angebracht sind;

Fig. 7A und 7B Chips, die mit einem Polymerfilm überzogen sind und auf einem Träger gehalten sind, an dem an verschiedenen Orten erhöhte, kernbildende Verdampfungsoberflächen angebracht sind.-

Um an einer heißen Oberfläche (die mit einer mit ihr in Kontakt stehenden Flüssigkeit gekühlt wird) Dampfbildung entstehen zu lassen, muß zunächst eine Blasenbildung stattfinden. Um solche Blasen zu erzeugen, ist eine bestimmte minimale Überhitzung erforderlich. Überhitzung bedeutet dabei die Differenz zwischen der Temperatur der heißen Oberfläche und dem Siedepunkt der Flüssigkeit, wobei der Siedepunkt bei der tieferen Temperatur liegt. Wenn der Überhitzungsbetrag unterhalb dem minimal erforderlichen Betrag liegt, wird Wärme mittels Konvektion übertragen, ohne daß dabei eine Phasenänderung an der Oberfläche auftritt. Der erforderliche überhitzungsbetrag, der benötigt wird, um Verdampfung

stattfinden zu lassen, hängt von der Kernbildungscharakteristik der heißen Oberfläche ab. Dampfblasen entstehen an Orten auf einer heißen Oberfläche, die auch Kernbildungsorte genannt werden. Wenn eine heiße 5 Oberfläche eben ist, hat sie nur wenig sogenannter Kernbildungsorte, so daß ein großer Betrag an überhitzung erforderlich ist, um eine ausreichende Verdampfung an der heißen Oberfläche zu erzeugen. Weniger ebene Oberflächen benötigen im allgemeinen einen geringeren Überhitzungsbetrag, um ausreichende Verdampfung zu ermöglichen. Bestimmte Arten von rauhen Oberflächen benötigen daher nur einen geringen Überhitzungsbetrag, um Dampfbildung und damit einen zweiphasigen Wärmeübertrag möglich zu machen. Eine ebene heiße Oberfläche weist, daher eine höhere Tem-

!5 peratur als eine rauhe heiße Oberfläche auf, wenn beide Oberflächen ansonsten gleich sind, ihnen derselbe Wärmebetrag zugeführt wird und sie in identischen Flüssigkeitsbädern versenkt sind. Ein großer Überhitzungsbetrag, der erforderlich ist, um eine extensive Verdampfung stattfinden zu lassen, führt bei den ebenflächigen elektronischen Bauteilen zu einer störend hohen Betriebstemperatur der Bauteile.

Zwei Arten von Verdampfung können oft beobachtet werden, nämlich die sogenannte Kernbildungs- und die Filmbildungs-Verdampfung. Filmbildungsverdampfung ist das spätere Stadium. Wenn die Verdampfung beginnt, findet zunächst immer Kernbildungsverdampfung statt, d.h. es werden Blasen auf der heißen Oberfläche gebildet. Wenn der Wärmestrom auf der heißen Oberfläche vergrößert wird, werden mehr Blasen gebildet. Wenn die Blasenbildung groß genug ist, findet die sogenannte Filmverdampfung statt, wobei sich die Blasen zusammenschieben und einen kontinuierlichen Film über der heißen Oberfläche bilden. Dieser Film wirkt in der Art eines Isolators auf der heißen Oberfläche. Daher wird die Effektivität der Kühlung herab-

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j gesetzt, wenn die Filmverdampfung beginnt, weil ein bestimmter Wärmebetrag, der der heißen Oberfläche zugeführt wird, zu einem größeren Ansteigen der Temperatur führt, als das der Fall ist, wenn die Verdampfung in der Kernte bildungsregion stattfindet. Es ist daher wünschenswert, den Filmverdampfungsbereich zu vermeiden.

Bei der Verwendung von Wärmeübertragungssystemen wird allgemein von dem Modell der thermischen Wider-

.. ~ stände Gebrauch gemacht. Die Wärme fließt von den die Wärme erzeugenden Stellen entlang bestimmter thermischer Wege ab. Wenn die Umgebung des Wärmeerzeugers nicht gleichmäßig ist, fließt auch die Wärme vom Wärmeerzeuger in einer nicht gleichförmigen Art ab, wobei sie den ihr offen-

..,. stehenden Wegen mit dem geringsten thermischen Widerstand folgt. In vielen Fällen kann ein thermischer Weg mit

einer Reihe von thermischen Widerständen dargestellt werden. Die thermischen Widerstände können für jeden Abschnitt eines thermischen Weges berechnet

__n und zusammenaddiert werden, um einen thermischen Gesamtwiderstand zu erhalten.In Fällen, wie der vorliegenden Erfindung besteht der Wärmeweg aus einer Anzahl von thermischen Widerständen, wobei Wärmeübertragung der stattfindende Mechanismus ist und von der Oberfläche,

_nt. an der Konvektion oder Verdampfung stattfindet, der Ao

letzte Widerstand gebildet wird. Der größte thermische Widerstand einer Reihe von Widerständen, die den thermischen Weg bilden, kann auch als Kontrollwiderstand bezeichnet werden. Damit einem thermischen Widerstand

die Funktion eines Kontrollwiderstandes zukommt, muß er 30

bedeutend größer sein als die Summe der anderen thermischen Widerstände in dem thermischen Weg. Wenn ein Widerstand der Kontrollwiderstand ist, wirkt sich eine Veränderung der anderen thermischen Widerstände kaum aus,

wenn der Betrag der abführbaren Wärme bestimmt werden 35

soll. Bei einer geeigneten Auswahl und Anordnung von

Materialien kann die Größe der thermischen Wärmeübertragungswiderstände in einem thermischen Weg so reduziert werden, daß der letzte Konvektions- oder Verdampfungswiderstand die Funktion eines Kontrollwiderstandes hat. -

In Fig. 1 bedeutet K eine Wärmeleitfähigkeitskonstante des Materials, die gemeinhin als Wärmeleitzahl bezeichnet wird. Die Wärmeleitzahl kann ausgedrückt, werden in Abhängigkeit der pro Zeit durch ein Material mit einer betimmten Dicke und einem bestimmten Querschnitt hindurchtretenden Wärmemenge, wenn der Temperaturunterschied über die Dicke gesehen 1⁰C beträgt. Die Einheiten von K können im metrischen System ausgedrückt werden und, wie aus Fig. 1 ersichtlich, durch eine Körnig bination der Flächen- und der Längenausdrücke vereinfacht werden. R bedeutet den thermischen Widerstand, der sich in den Einheiten Länge pro Fläche mal K des thermischen Weges ausdrücken läßt, wie das auch in Fig. 1 dargestellt ist. Die Gleichungen der Fig. 1 sind dargestellt, um die Äquivalenz der Einheiten und Zahlen aufzuzeigen, die addiert werden müssen, um dann numerische Größen zu erhalten.

Ein vereinfachtes Rechenbeispiel unter Verwendung einer Anordnung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, soll die Wirkung und die Prinzipien der Erfindung verdeutlichen. Fig. 2 zeigt einen Chip 1, der auf einer Aluminiumträgerfläche 31 mit einem Bindemittel 30 gehalten wird. Ebenfalls ist eine vergrößerte Kernbildungsverdampfungsoberfläche 11 mit Hilfe des Bindemittels 30 an dem Aluminiumträger 31 gehalten. Fig. 1 zeigt die berechneten Ergebnisse für die erhaltene Temperatur des Chips 1 einmal mit und einmal ohne die Verdampfungsoberfläche 11. Bei dieser Berechnung wurde einmal angenommen, daß ein Flüssigkeitskühlmittel direkt in Kontakt mit der Aluminium-

fläche steht und im anderen Fall direkt in Kontakt mit der erfindungsgemäßen Verdampfungsoberfläche 11. Weiterhin wurde der Wärmeverlust an der Oberfläche des Chips und des Trägers 31 (gegenüber der umgebenden Gasatmosphäre) vernachlässigt und es wurde angenommen, daß die vom Chip erzeugte Wärme 10 Watt pro Quadratinch des Chip beträgt, (d.h. 10 Watt pro (2, 54 cm)²). Das Bindemittel hatte eine Dicke von 0,003 inch (0,00762 cm) und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2. Für den Träger 31 wurde eine Dicke von 1/8 inch und K = 0,7 angesetzt. Unter diesen Annahmen hat ein Kühltest ergeben, daß das erfindungsgemäße Hinzufügen einer Verdampfungsoberfläche eine Verbesserung um eine Größenordnung bringt. Es hat sich die Wärmeleitzahl 0,3 mit einer erfindungsgemäßen Verdampfungsfläche 11 und die Wärmeleitzahl R = 3,0 ohne die Verdampfungsoberfläche, also an der Oberfläche des Aluminiumträgers 31,ergeben. Wenn, unter Bezug auf Fig. 1, die Wärmewiderstände addiert und mit der erzeugten Wärme multipliziert werden, entsteht eine Überhitzung von 32°C in dem FaIl^ ohne eine Verdampfungsoberfläche und eine überhitzung von 5⁰C mit einer Verdampfungsoberfläche. Dies ist ein sehr bedeutender Temperaturunterschied. Wenn das Flüssigkeitskühlmittel die Temperatur 3O⁰C hat, erwärmt sich der Chip 1 auf 62'° ohne die erfindungsgemäße Verdampfungsoberfläche und auf nur 35° mit einer erfindungsgemäßen Verdampfungsoberfläche. Der Weg, auf dem die Wärmeableitung erfolgt, ist bei der Ausführungsform nach Fig. 2 derselbe wie der bei den Ausführungsformen nach den Fig. 4A und 4B.

Wenn anstelle eines Aluminiumträgers 31 ein Kupferträger derselben Dicke verwendet wird, dessen K-Wert 9,94 beträgt, kann ohne eine Verdampfungsoberfläche 11 ein Überhitzungswert von 30° anstatt von 32⁰C und mit einer Verdampfungsoberfläche 3⁰C anstatt 5⁰C errechnet

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werden. Dieser Ersatz macht deutlich, daß die Verwendung einer erfindungsgemäßen Verdampfungsoberfläche notwendig ist, weil der Wärmewiderstand der Verdampfungsoberfläche der Kontrollwiderstand in obengenanntem Sinne ist. Wenn innerhalb des thermischen Weges ein guter Wärmeleiter, wie z.B. Kupfer anstelle des schlechteren Wärmeleiters Aluminium verwendet wird, hat dies nur einen geringen Einfluß auf die Chiptemperatur im Vergleich zu der Anwendung der vorliegenden Erfindung. Keines der eingangs erwähnten Patente verdeutlicht die Wichtigkeit der Funktion des Kontrollwiderstandes. Unter Zuhilfenahme der Formeln in Fig. 1 und eines Aufbaus, wie in Fig. 2 dargestellt, kann, wenn ein thermisch leitender Epoxidzement (0,05 inch dick, K = 0,02) anstelle von Lötzinn, wie im ersten Beispiel, als Bindemittel 30 verwendet wird, eine Chiptemperatur von 3^⁰C bzw. 1O⁰C errechnet werden. Epoxid, auch thermisch leitendes Epoxid,ist ein schlechter Leiter, und hat aber dennoch nur einen geringen Einfluß im Vergleich zu den Ergebnissen, die mit einer erfindungsgemäßen Verdampfungsoberfläche erreicht werden können. Zum Vergleich mit dem obengenannten Rechenbeispiels wird auf einen Artikel in der Zeitschrift Electronics, Owen, September 25, 1980 mit dem Titel "Thermal, Management Techniques Keep Semiconductors Cool" verwiesen.

Die bedeutende Verbesserung gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand eines weiteren Versuchs dargestellt. Dabei wurde, wie in den Fig. ^A und HB gezeigt ist, ein Silikonchip 1 (Antimon n-Typ) in einer integrierten Schaltkreisbaugruppe 2 angeordnet. Als Baugruppe 2 wurde ein Chipträger mit 0,48 quadr.inch verwendet, wie er von der Kyocera International Incorp. (Nr. SD-56O-813I) bezogen werden kann, verwendet. Ein Epoxidzement 3, der thermisch aber nicht elektrisch leitend ist, wurde verwendet, um den Chip 1 mit der Baugruppe

2 zu verbinden. Zwei dünne Kupferstücke dienen als elektrische Leiter U, um den elektrischen Strom zwischen dem Chip 1 und den Goldkontakten 6, die Teil der Baugruppe 2 sind, fließen zu lassen. Der verwendete Chipträger hat 10 Goldkontakte (nur 8 sind in Fig. U dargestellt) auf jeder Seite, und somit insgesamt UO Kontakte, die normalerweise benötigt werden, um die Schaltkreise auf dem Chip anzuschließen. Wie anhand von Fig.UA und UB gesehen werden kann, wurde nur ein Teil der GoIdkontakte 6 auf nur zwei Seiten der Baugruppe 2 beim vorliegenden Experiment verwendet. Die anderen Enden der stromführenden Goldkontakte wurden mit Hilfe von elektrisch leitendem Epoxidzement 5 mit den Kupferstreifen 7 verbunden. Dann wurden elektrische Drähte 8 angeschlossen, um dem Chip 1 verschiedene Meßströme zuführen zu können. Dadurch kann, wenn ein entsprechender Stromfluß durch den Chip 1 stattfindet, entsprechende Wärme in dem integrierten Schaltkreis, wie sie unter normalen Bedingungen entsteht, erzeugt werden. Die Abdeckung ist ein Teil der integrierten Schaltkreisbaugruppe 2 und wurde mit Hilfe eines Klebers 9 befestigt. Ein Thermoelement wurde in der Mitte des Chips 1 mit Hilfe von thermisch leitfähigem Epoxidzement befestigt und die Anschlußdrähte 10 durch die die Abdeckung 12 festhaltende Schicht geleitet, um die Chiptemperatur zu beobachten .

Die Baugruppe wurde an den elektrischen Drähten gehalten und in ein Fluorkarbonkühlmittel versenkt, das auf seinem Siedepunkt von 70° F lag. Dann wurde Strom durch den Chip 1 geschickt. Die Chiptemperatur wurde bei verschiedenen Eingangsspannungen aufgezeichnet. Das erhaltene Ergebnis ist in Fig. 5 dargestellt, wobei die Chiptempertur^ausgedrückt in überhitzungsgrade_/ gegen die Eingangsleistung in Watt, der der Chip ausgesetzt wurde, aufgetragen ist. Der Knick in der Kurve A stellt

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wahrscheinlich den Punkt dar, an dem die Filmverdampfung beginnt.

Nachdem die Kurve A der Fig. 2 aufgenommen worden ist, wurde eine erfindungsgemäße Verdampfungsoberfläche 11 an der Baugruppe 2 mit thermisch leitfähigem Epoxidzement befestigt. Die Verdampfungsoberfläche wurde im wesentlichen in der Art hergestellt, wie sie in dem US-Patent 4 136 428 (Godsey et al.) beschrieben ist. Dann wurde, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, eine Schicht 21, bestehend aus einer dünnen Kupferfolie, einem Epoxid und Glasfaser aufgebracht, die von einer nicht-leitenden Rückenplatte 20 gehalten wurden. Dieses Laminat wurde verwendet, weil es gerade verfügbar war und weil es geeignet war, eine Seite des dünnen Metalls abzudecken. Ein graphitimprägniertes Schaumstoffmaterial 22 wurde gegen die Kupferoberfläche des Laminats 21 gelegt und mit Hilfe eines großzelligen Schaumstoffmaterials 22 gehalten. Dann wurde eine Kupferanode 24 an dem grobzelligen Schaumstoffmaterial 23 angebracht. Der einzige Zweck des grobzelligen Schaumstoffmaterials 23 lag darin, die graphitimprägnierte Schaumstoffschicht 22 zu unterstützen und als Abstandshalter zwischen den Elektroden zu wirken. Um das graphitimprägnierte Schaum-Stoffmaterial 22 herzustellen, wurde ein netzartiger Schaumstoff mit offenen Zellen mit Graphit imprägniert, indem Graphitpuder auf den Schaumstoff gestreut wurde. Dann wurde der Schaumstoff durch eine Schermühle gelassen. Die Schermühle umfaßt zwei Rollen, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten angetrieben werden und eine dazwischen bestehenden schmalen Öffnung, durch die der Schaumstoff gezogen wird. Diese "Sandwich"Anordnung ^;gemäß der Fig. 3 wurde in ein Kupfersulfatbad gelegt und elektrischem Strom ausgesetzt. Nachdem eine geeignet große Kupferschicht auf der Oberfläche der Kupfer-

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folie und der Graphitschicht aufgalvanisiert war, wurde das Laminat 21 einer Gasflamme ausgesetzt, um das Entfernen des Epoxids und des Fiberglases zu unterstützen. Diese erzeugte Wärme hatte auch den Effekt, daß zumindest ein Teil des Schaumstoffs 22 pyrolysierte, wie dies in dem US-Patent 4 136 428 beschrieben ist. Diese Zusammensetzung, die die dünne Kupferfolie, Graphit und das aufgalvanisierte Kupfer umfaßt, kann als erhöhtes, kernbildendes Verdampfungsoberflächenband bezeichnet werden.

Die Baugruppe 2 mit der daran angebrachten Verdampfungsoberfläche 11 wurde in einem Kühlmittel versenkt und die Daten wurden in derselben Weise erhalten, wie das geschehen ist, um die Kurve A entsprechend der Fig.5 zu erhalten. Die Kurve B der Fig. 5 zeigt die Chiptemperatur, wie sie mit einem Thermoelement, welches auf dem Chip 1 mit Epoxidzement befestigt war, bei verschiedenen Eingangsleistungen aufgenommen wurde, wobei eine erhöhte, kernbildende Verdampfungsoberfläche verwendet wurde. Die große Effizienz der vorliegenden Erfindung wird bei einem Vergleich der Kurven A und B deutlich. Anhand der Kurve B kann gesehen werden, daß auch bei einer extrem hohen Eingangsleistung von 35 Watt die Chipüberhitzung 25⁰F nicht überschreitet. Wenn dagegen die Erfindung nicht angewandt wird, wie dies bei der Aufnahme der Fig. 2 der Fall war, steigt die Chiptemperatur über 31O⁰F an, wenn die Eingangsleistung nur 25 W beträgt. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung wird daher Schaltkreisdichten ermöglichen, die gegenüber den heute möglichen wesentlich gesteigert sind.

Ein Vergleich zwischen dem vorstehend beschriebenen Experiment und den Ergebnissen, die in der Kurve 54 der Fig. 3 des US-Patentes 4 312 012 dargestellt ist, zeigt die deutliche Verbesserung, wie sie mit der vorliegenden Erfindung erhalten wird, obwohl- man natürlich bezüglich

den numerischen Werten Vorsicht walten muß, weil die Untersuchungen nicht direkt vergleichbar sind. Das Silikonplättchen gemäß der US-PS 4 312 012, welches in der in diesem Patent beschriebenen Art und Weise behandelt wurde, entwickelt eine überhitzung von ungefähr 14⁰C, wenn der Wärmestrom ungefähr 2 W/cm² der Platte war. Eine Umrechnung unter Berücksichtigung der Zone, an der die Verdampfungsfläche 11 angebracht war, in der Art, daß die Zahlen direkt miteinander verglichen werden können, zeigt, daß der entsprechend umgerechnete Wärmefluß gemäß dem US-Patent 4 312 012 3 Watt beträgt. Die überhitzung von 14⁰C führt zu einem vergleichbaren Wert von ungefähr 25⁰F. Unter Berücksichtigung der Fig.5 vorliegender Erfindung kann erkannt werden, daß die über

hitzung 25⁰F nicht übersteigt, auch wenn die Eingangsleistung mehr als eine Größenordnung stärker (35 Watt gegen 3 Watt gemäß dem US-Patent 4 312 012) gesteigert wird. Obwohl dieser direkte numerische Vergleich nicht unbedingt zu genau vergleichbaren Ergebnissen führt,

zeigt doch die erhaltene Differenz eine wesentliche Verbesserung der Kühlung gemäß vorliegender Erfindung. Dabei ist auch zu berücksichtigen, daß die Fläche der Baugruppe 2 anstatt der Fläche des Chips 1 bei dem Vergleich verwendet wurde. Wenn der Vegleich mit Hilfe der Chipflache angestellt werden würde, würde sich eine noch wesentlich größere Verbesserung herausstellen.

Die Lehren der UOP-Patente, die hierin zitiert wurden, werden voll mit in die Anmeldung einbezogen. Diese

Patente lehren, in Zusammenhang mit vorliegender Beschreibung, detaillierte Verfahren, um eine erhöhte, kernbildende Verdampfungsoberfläche gemäß der Erfindung zu konstruieren. So beschäftigen sich speziell die US-Patente 4 129 181 und 4 246 057 mit der Herstellung eines Überzugs in zwei Schritten, wobei der erste strom-

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los und der zweite dann die Galvanisierung darstellt und beschäftigen sich außerdem mit der Pyrolyse des Schaumstoffmaterials. Das US-Patent 4 131 428 lehrt die Verwendung von Graphit, um den netzförmigen Schaumstoff herzustellen. Die US-Patente 4 182 412 und 4 199 414 beschäftigen sich mit der Herstellung einer erhöhten, kernbildenden Verdampfungsoberfläche, ohne daß dabei ein netzartiger Schaumstoff als Teil der Verdampfungsoberfläche verwendet wird. Das US-PS 4 136 427 beschäftigt sich mit der Galvanisierung auf ein dünnes Metall um einen Schaumstoff herum und die mechanische Verarbeitung der Verdampfungsoberfläche, um deren Struktur zu verbessern. Die US-Patente 4 219 078 und 4 288 897 beschreiben die Verformung

*5 der Teile einer Verdampfungsoberfläche, um deren Eigenschaften zu verbessern. Obwohl diese Patente alle die Bildung einer Verdampfungsoberfläche für Röhren beschreiben, können die dort beschriebenen Verfahren und das hier in Bezug auf Fig. 3 beschriebene Verfahren verwendet werden, um die verschiedenen Arten von Verdampfungsoberflächen gemäß den UOP-Patenten für die Zwecke vorliegender Erfindung herzustellen. Die Erfindung macht es möglich, daß ein Konstrukteur die Stellen, an denen die stärkste Verdampfung stattfindet, festlegt und wenig Wärmewiderstand aufweisende Wege ausbildet, um die Wärme an die ausgewählten Stellen zur Wärmeableitung leitet. Solche kernbildenden Verdampfungsoberflächen können an geeigneten Stellen der integrierten Schaltkreisbaugruppen angeordnet werden.

Es soll an dieser Stelle bemerkt werden, daß der Ausdruck Baugruppe, so wie er hier verwendet wird, nicht nur eine Struktur meint, in der ganz oder teilweise ein Chip eingeschlossen ist, sondern jede Struktur, die in Zusammenhang mit einer integrierten Schaltkreisan-Ordnung verwendet wird und auch die gesamte integrierte

Schaltkreisanordnung selbst einschließt, wenn sie nur geeignet ist, daß an ihr eine Verdampfungsoberfläche angebracht werden kann. Die Verdampfungsoberflächen können so angeordnet werden, daß sie heiße punktuelle Stellen verhindern und demgegenüber eine gleichförmige Temperatur auf der Baugruppe ermöglichen. Da die Erfindung es nicht erforderlich macht, daß die Ausbildung der Verdampfungsoberflächen in einem Zug mit der Herstellung der integrierten Schaltkreise stattfinden muß, können auch Personen, die elektronische Schaltkreise aus käuflich erworbenen Komponenten zusammensetzen, in den Genuß der Vorteile der Erfindung kommen. So sind z.B. Chipträger mit metallenen Oberflächen bekannt, an denen die Erfindung auch verwirklicht werden kann. Um dies zu tun, wird ein netzartiger Schaumstoff auf die metallisc-he Oberfläche des Trägers gelegt und dann wird die kernbildende Metalloberfläche aufgebracht, was durch Galvanisierung in der bereits beschriebenen Art und Weise geschehen kann. Alternativ dazu kann auch ein fertiges Verdampfungsoberflächenband auf die Metallfläche gelötet werden. Wenn es gewünscht ist, die Verdampfungsoberfläche auf eine Baugruppe ohne metallische Fläche aufzubringen, kann körnig leitendes Epoxid verwendet werden. Die Verdampfungsfläche kann so hergestellt werden, daß sie der genauen Größe und Form entspricht, in der sie benötigt wird.

Die Erfindung kann in Verbindung mit eine Vielzahl von Baugruppen und Anordnungen verwendet werden. So zeigt z.B. Fig. 6A und 6B Chips 1, die in Baugruppen 2 angeordnet sind, welche auf Trägern 31 mit einer Vielzahl von Kontakten 1¹J (nicht alle gezeigt) befestigt sind. In Fig. 6k ist die Baugruppe ein geschlossener Hohlraum und die Verdampfungsoberfläche 11 wird an dem Träger 31 befestigt, wobei der thermische Weg den Träger

31 mit einschließt. Bei dieser Anordnung muß das flüssige Kühlmittel in Kontakt mit der Baugruppe 2 sein. Der Träger 31 kann als Behälter für das Kühlmittel dienen, was es ermöglicht, daß der Chip erreicht wird, ohne daß das Kühlmittel entfernt werden muß. Man kann sich eine Vielzahl von Tafeln vorstellen, wobei jede Tafel aus einer großen Anzahl von Chips auf einem Träger besteht, die zu einer Baugruppe zusammengebaut sind, ähnlich der Platten eines plattenförmigen Wärmeaustauschers. Jedes Paar von aneinander angrenzenden Platten würde so angeordnet, daß sich die Verdampfungsoberflächen gegenüberliegen. Dadurch würden abwechselnde Hohlräume entstehen, die Kühlmittel enthalten und abwechselnde. Hohlräume , in denen die Baugruppen befestigt sind. Bei der in Fig. 6B dargestellten Ausführung ist die Baugruppe nach unten weisend in einem Hohlraum angeordnet und die Verdampfungsoberfläche 11 ist auf der Oberseite der Baugruppe aufgebracht, so daß der Weg, den die Wärme beschreitet, den Träger 31 nicht mit einschließt.

Die Fig. 7A und 7B zeigen eine andere Art, die Erfindung zu verwirklichen, wobei dort angenommen wird, daß Baugruppenelemente verwendet werden, wie sie in dem Artikel in der Zeitschrift Electronics, September 27, 1979 von C.C. Lassen mit dem Titel "Wanted: A New Interconnection Technology" beschrieben sind. Dort deckt ein polymerischer Film 40 die Chips 1 ab, die auf einer Trägerplatte 31 befestigt sind. Der Befestigungsort der Verdampfungsoberfläche 11 wird je nach dem gewünschten Wärmeweg gewählt.

Leitende Stifte, so wie sie z.B. in dem US-Patent 4 203 129 von Oktay et al. ersichtlich sind, können auch zur Anwendung kommen, um einen Teil des Wärmeweges zu formen, auf dem die Wärme von einem

integrierten Schaltkreis zu der Verdampfungsoberfläche geleitet wird. Die Vielseitigkeit der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung macht es überflüssig, die Kühlflüssigkeit andauernd von Verunreinigungen freizuhalten, wie das bei dem US-Patent 4 053 942 von Dougherty et al. notwendig ist. So kann ein System konstruiert werden, bei dem Wasser verwendet wird, um ein dielektrisches flüssiges Kühlmittel abzukühlen, wobei dieses System andauernd offen sein kann, ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen zur Verhinderung von Verschmutzung. In geeigneten Anwendungsfällen kann es auch möglich sein, ein mechanisches Kühlsystem zu verwenden, um das Kühlmittel aus Dampf zu verflüssigen, wobei dieses System in der Art einer normalen Klimaanlage arbeitet.

Die Ausdrücke "dünne Metallschicht" und "dünne Metallfolie", wie sie hier verwendet wurden, beschreiben die Erfindung, wie sie normalerweise durchgeführt wird. Das soll heißen, daß in den meisten Anwendungsfällen der Erfindung es ausreichend ist, nur mit einer solchen Metalldicke zu arbeiten, die ausreicht, um den nachfolgenden Herstellungsschritt ausführen zu können und dabei eine ausreichende mechanische Belastbarkeit sicherzustellen. Es ist aber damit keinesfalls beabsichtigt, die Erfindung durch diese beschreibende Terminologie zu beschränken. Vielmehr ist die Dicke des Metalls, welches verwendet wird, um die Verdampfungsoberfläche herzustellen, nicht Teil der Erfindung. So kann z.B. ein einige inches dickes Metall bei einer integrierten Schaltkreisbaugruppe verwendet werden, dann kann ein netzartiges organisches Schaumstoffmaterial auf dieses Metallelement aufgebracht werden und danach eine Metallschicht, um die Verdampfungsoberfläche zu bilden. Auf der anderen Seite ist es natürlich wünschenswert, daß die Dicke der Metallfolie, die zur Herstellung des Verdampfungsoberfla-

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chenbandes verwendet wird, so gewählt ist, daß die Verdampfungsoberfläche leicht biegbar ist, so daß sie auch auf gekrümmte und unregelmäßige Oberflächen aufgebracht werden kann. Kupfer ist normalerweise das Metall, welches aufgrund seiner thermischen Eigenschaften für Wärmeübertragungsanwendungen am geeignetsten ist. Die dünne Metallschicht oder die Metallfolie nach der Erfindung kann jedoch von jedem Metall gebildet, das für das Herstellungsverfahren geeignet ist. In ähnlicher Weise kann das aufgetragene oder aufgalvanisierte Material nicht nur Kupfer sein sondern jedes Material, das in dieser Weise aufgebracht werden kann.

Claims

GRÜNECKER. KINKELDEY. STOCKMAlR & PARTNER PATENTANWÄLTE

* PATENT ATTORNEYS

A GRUNECKER. ob.«!

DR H KINKELDEY. Dn«: DR W STOCKMAIR. opling-ae DR K SCHUMANN. Dn.w>s

P. H JAKOB. WL IMIi

DR G BEZOLD o-l b*v. W MEISTER. OPL -ing H. HILGERS. om. «e K DR H MEYER-PLATH. cm »c

UOP INC.

Ten UOP Plaza - Algonquin & 222SEESS^ Mt. Prospect Eoads

Des Piaines, Illinois 60016 ^{p 18 648} USA

Erhöhtes kernbildendes Verdampfungsoberflächenband und Kühlung von elektronischen Bauteilen

Ρ-) Erhöhtes, kernbildendes Verdampfungsoberflächenband, gekennzeichnet durch eine dünne Metallschicht, ein auf einer Seite der dünnen Metallschicht aufgebrachtes netzartiges organisches Schaumstoffmaterial mit offenen Zellen und durch einen auf das Schaumstoffmaterial aufgebrachten Metallschichtüberzug.
2. Band nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschichtüberzug in einem ersten Prozeß stromlos auf das Schaumstoffmaterial aufgebracht ist und in einem zweiten Prozeß aufgalvanisiert wird, um eine netzartige Metalloberfläche zu bilden, die über der Fläche der dünnen Metallschicht zu liegen kommt und mit dieser fest verhaftet ist.

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3. Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallüberzug durch Aufgalvanisieren auf die freiliegende Oberfläche der dünnen Metallschicht aufgebracht wird, die unterhalb den Poren des netzartigen Schaumstoffmaterials liegt, um dadurch eine erhobene

Metalloberfläche zu bilden, die über der Fläche der dünnen Metallschicht liegt und mit dieser fest verhaftet ist und die sich über die freiliegende Oberfläche nach oben durch die Poren des Schaumstoffmaterials abhebt. 10
4. Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein haftender Graphitüberzug auf das Schaumstoff- ' material aufgebracht wird, bevor der Metallschichtüberzug aufgetragen wird, so daß der Metallschichtüberzug an der dünnen Metallschicht und der Graphitschicht haftet, um eine netzartige metallische Oberfläche zu bilden, die offene Zellen besitzt, welche über der Oberfläche der dünnen Metallschicht liegen und mit dieser fest verbunden sind .
5. Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band erhitzt wird, so daß das Schaumstoffmaterial teilweise pyrolysiert, wodurch die netzartige Metallstruktur, die zuvor durch den Metallschichtüberzug geformt wurde, zumindest teilweise die Form eines vertieften Metallgerippes bekommt, welches vertiefte metallische Bahnen aufweist, die geeignet sind, Dampf aufzufangen, wenn das Verdampfungsoberflächenband (11) in einem flüssigen, siedenden Medium angeordnet wird und den Dampf durch eine Vielzahl von Öffnungen oder Poren in dem Gerippe entweichen läßt, welches Kernbildungsstellen umfaßt, an denen sich Dampfblasen bilden.
6. Band nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein beträchtlicher Teil der vertieften Metallstreifen der Verdampfungsoberfläche einer Vielzahl von festen, unter ausreichendem Druck stehenden Partikeln ausgesetzt wird, um zumindest teilweise die vertieften Metallbereiche zu verformen und ihren internen Durchmesser zu verkleinern, so daß ihre Fähigkeit, Flüssigkeit zwischen den in Abständen zueinander angeordneten Öffnungen über deren Länge zu transportieren, vermindert wird.
7. Erhöhtes, kernbildendes Oberflächenband, dadurch gekennzeichnet , daß es eine dünne Metallschicht aufweist, die einen aufgalvanisierten Metallüberzug aufweist und eine große Anzahl von puderähnlichen elektrisch leitenden Partikeln, die ganz oder teilweise in das aufgalvanisierte Metall aufgenommen sind .
8- Verfahren zur Herstellung eines erhöhten, kernbildenden Verdampfungsoberfläehenbandes, dadurch gekennzeichnet , daß das Band in einer Abfolge von einzelnen Schritten hergestellt ist, wobei zunächst eine dünne Metallschicht, die auf einer Seite abgeschirmt ist, in eine Überzugslösung eingebracht wird, die elektrisch leitende Teilchen umfaßt und in der Nähe einer Metallquelle für die aufzubringende Metallschicht angeordnet ist, daß dann eine elektrische Stromquelle mit dem dünnen Metall und der Metallquelle verbunden wird, so daß das Metall aus der Metallquelle auf die dünne Metallschicht aufgalvanisiert wird, daß dann die Überzugslösung solange bewegt wird, um die leitenden Teilchen in Lösung zu halten, bis sie im wesentlichen von dem dünnen Metall angezogen worden sind und daß dieser Überzugsschritt solange fortgesetzt wird, bis das

aufgebrachte Metall zumindest über einige der leitenden Teilchen, die von dem dünnen'Metall angezogen werden, geformt ist.
9. Band nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsoberfläche mechanisch bearbeitet wird, um ihre Höhe zu verringern.
10. Band nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Metallschicht aus Kupfer besteht .
11. Band nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgebrachte Metall aus Kupfer besteht.
12. Integrierte Schaltkreisbaugruppe, dadurch gekennzeichnet , daß eine erhöhte, kernbildende Verdampfungsoberfläche, wie in Anspruch 1 oder 7 beschrieben, in mindestens einem Bereich der Oberfläche der integrierten Schaltkreisanordnung an Stellen angebracht ist, die geeignet sind, den Wärmeweg zwischen der Verdampfungsoberfläche und den Stellen der Baugruppe, an denen die Wärme entsteht, zu begrenzen.
13. Kühlsystem zur Abführung von Wärme, die von einer integrierten Schaltkreisanordnung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet , daß das Kühlsystem einen integrierten Schaltkreis umfaßt, ein erhöhtes, kernbildendes Verdampfungsoberflächenband, wie es in den Ansprüchen 1 oder 7 beschrieben ist, Elemente, um den Wärmeweg zu den Verdampfungsoberflächen für die abzuführende Wärme festzulegen, die von dem integrierten Schaltkreis erzeugt wird, und daß das Kühlsystem weiterhin ein flüssiges Kühlmittel umfaßt, welches in Kontakt

mit der Verdampfungsoberfläche steht und von dieser erwärmt wird und daß Elemente vorgesehen sind, um die Wärme aus dem Kühlmittel abzuführen.