DE3685909T2

DE3685909T2 - Modul fuer verdampfungskuehlung fuer halbleiteranordnungen.

Info

Publication number: DE3685909T2
Application number: DE8686105963T
Authority: DE
Inventors: Koichi Niwa; Yuichi Suzuki; Kishio Yokouchi
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1985-04-30
Filing date: 1986-04-30
Publication date: 1993-02-11
Anticipated expiration: 2006-05-01
Also published as: DE3685909D1; AU566105B2; EP0200221A2; AU5680186A; EP0200221B1; KR900001393B1; ES554529A0; CA1249063A; ES8801064A1; US4704658A; EP0200221A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlmodul für Halbleiteranordnungen nach den Ansprüchen 1 und 7, bei dem eine Vielzahl von Halbleiterchips, die auf einer Schaltungskarte montiert sind, in eine Kühlmittelflüssigkeit eingetaucht sind, die Verdampfungskühlung angewandt wird und der verdampfte Kühlmitteldampf durch einen Wärmetauscher, der in das Kühlmittel eingetaucht ist, wieder verflüssigt wird.
Die folgenden Beiträge repräsentieren den Stand der Technik auf dem Gebiet von Flüssigkeitskühlmodulen für eine Vielzahl von Wärmeelementen. Die meisten von ihnen offenbaren ein Verfahren zum Kühlen einer Vielzahl von gepackten Anordnungen, die in ein Kühlmittel eingetaucht sind, aber sie sind im Prinzip auf das Kühlen von Halbleiterchips anwendbar, die in das Kühlmittel direkt eingetaucht sind.
"Dielectric bath promotes togetherness in IC's" von R.R. Weirather et al, Electronics, 17. April 1967: beschreibt Grundlagen zum Kühlen einer Vielzahl von Substraten, die in ein Flüssigkeitskühlungsgehäuse eingetaucht sind.
"Better component cooling through multi fluid boiling" von Sevgin Oktay, Electronic Packaging and Production, Mai 1970: offenbart Grundlagen zum Kühlen einer ersten Kühlmittelflüssigkeit, in die die Wärmeelemente eingetaucht sind, durch ein zweites Kühlmittel.
U.S. Patent 3,741,292 von Akalau et al, 26. Juni 1973: offenbart ein Modul, das wärmeerzeugende Bauelemente enthält, die im Innern eines Containers einer Tieftemperatursiedeflüssigkeit ausgesetzt sind.
U.S. Patent 3,851,221 von Beaulieu et al, 26. Nov. 1974: offenbart eine Packung mit einer Vielzahl von Substraten in einem Stapel, die in ein Kühlmittel eingetaucht ist.
Die japanischen offengelegten Patente 47-37181 von Yanatori, 49-98583 von Daikoku und 55-91197 von Fujii: offenbaren eine Blasenweiterleitungsführungsplatte, die in einem Kühlmittel vorgesehen ist, um die Blasen des Kühlmittels zum Aufsteigen längs der inneren Oberfläche der Packung zu bringen, die das Kühlmittel versiegelt, um die Kühleffektivität zu erhöhen.
U.S. Patent 3 512 582 offenbart ein Verdampfungskühlmodul zum Kühlen einer Vielzahl von elektronischen Bauelementen, die auf einer Schaltungskarte vertikal montiert sind, die in ein Kühlmittel eingetaucht ist, mit einem Gehäuse zum Versiegeln des genannten Kühlmittels, einem oder mehr Wärmetauschern zum Kühlen des genannten Kühlmittels und Verflüssigen des verdampften Kühlmitteldampfes, welche(r) Wärmetauscher in das genannte Kühlmittel eingetaucht sind (ist) und seitlich davon herausragende Rippen haben (hat), um die Oberfläche für den Kontakt zwischen Blasen von verdampftem Dampf des genannten Kühlmittels und den (dem) genannten Wärmetauscher(n) zu vergrößern. Ablenkvorrichtungen können über jedem elektronischen Bauelement vorgesehen sein, um Blasen in den benachbarten Rippenbereich des Wärmetauschers abzulenken.
Da sich die Packungsdichte von Schaltungselementen in elektronischen Einrichtungen erhöht, ist es wichtig geworden, die in der Einrichtung abgeleitete Wärme zu beseitigen, und das Kühlverfahren entwickelte sich von der Luftkühlung zur Flüssigkeitskühlung. Verschiedene Arten von Kühlverfahren sind vorgeschlagen und verbessert worden. Zuerst wurde eine Kühlleitung mit einer Schaltungskarte gekoppelt oder direkt mit einem wärmeerzeugenden Element gekoppelt. Da sich aber die Packungsdichte der Schaltungselemente und die Wärmeableitung weiter erhöht haben, ist die Schaltungskarte selbst in eine Kühlmittelflüssigkeit eingetaucht worden.
In einem frühen Stadium der Flüssigkeitstauchkühlung wurden die Schaltungselemente jeweils in einem hermetischen Gehäuse verkapselt und auf einer Schaltungskarte befestigt, dann in das Kühlmittel eingetaucht. Aber der Fortschritt der Oberflächenpassivierung von Schaltungselementen machte es möglich, sie in das Kühlmittel ohne Packungen einzutauchen, und dies erhöhte die Kühleffektivität und die Packungsdichte weiter. Zum Beispiel war es bei Computern, die viele integrierte Schaltungen (ICs) verwenden, möglich, eine Vielzahl von IC-Chips direkt auf einer keramischen Schaltungskarte ohne Packungen zu montieren und sie in ein Flüssigkeitskühlmittel einzutauchen. Dies ist durch eine verbesserte Oberflächenpassivierung von IC-Chips möglich geworden. Seit kurzer Zeit werden eine Vielzahl von Halbleiterchips auf einer Teilschaltungskarte gruppiert und gebondet, die dann zu einer Haupt- oder Mutterschaltungskarte gebondet wird. Solch eine Teilschaltungskarte, die eine Vielzahl von Chips trägt, wird in der Technik als Chip bezeichnet. Die vorliegende Erfindung schließt das Kühlen von solchen Teilschaltungskarten nicht aus. In der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen wird deshalb das Wort Chip verwendet, um einen individuellen Chip oder eine Teilschaltungskarte, die eine Vielzahl von Chips trägt, zu bezeichnen.
Andererseits ist bekannt, daß die Kühleffektivität bei der Verdampfungskühlung, die das Kühlmittel an der Oberfläche eines Wärmeelementes sieden läßt, besser als bei der Konvektionskühlung ist, obwohl die Temperatur des Wärmeelementes höher wird. Durch Wahl einer Kühlmittelflüssigkeit mit einem niedrigeren Siedepunkt ist es möglich, die Temperatur des Wärmeelementes ausreichend niedrig zu halten. IC- Chips können zum Beispiel einer Temperatur von 80ºC standhalten, so ist es bei Verwendung einer Flüssigkeit mit einem Siedepunkt unter 80ºC möglich, eine Verdampfungskühlung zu realisieren.
Ein für solch einen Zweck verwendetes Kühlmittel muß nichtkorrodierend und elektrisch isolierend sein. Freon (C&sub2;Cl&sub3;F&sub3;) mit einem Siedepunkt von 49ºC oder verschiedene Fluorkarbone wie C&sub5;F&sub1;&sub2; mit einem Siedepunkt von 30ºC und C&sub6;F&sub1;&sub4; mit einem Siedepunkt von 56ºC sind für die Tauchkühlung von Halbleiterchips einsetzbar.
Der verdampfte Kühlmitteldampf muß wieder verflüssigt und in die Kühlkammer zurückgeleitet werden. Deshalb ist die Effektivität der Verflüssigung des Kühlmitteldampfes auch ein wichtiger Faktor beim Verbessern der Gesamteffektivität des Kühlsystems. Gewöhnlich wird der oben beschriebene Kühlmitteldampf durch ein zweites Kühlmittel wie Kaltwasser, das durch einen Wärmetauscher fließt, verflüssigt. Ein Beispiel einer typischen Tauchkühlkammer ist in Fig. 1 schematisch gezeigt. Die Schaltungskarten 4, die zum Beispiel aus Keramik bestehen, mit einer Vielzahl von IC-Chips 3 werden durch eine Steckvorrichtung 2 gehalten und sind in ein Kühlmittel 5, das in ein Gehäuse 1 gefüllt ist, eingetaucht. Das verdampfte Kühlmittel wird durch einen Wärmetauscher 6 wieder verflüssigt.
In der Technik ist bekannt, daß die Verflüssigungseffektivität besser ist, wenn ein Wärmetauscher 6 in einem Zwischenraum 7 über der Kühlmittelf lüssigkeit 5 angeordnet ist, der durch den verdampften Kühlmitteldampf gefüllt ist, als wenn er sich in der Kühlmittelflüssigkeit befindet. Aber es trat ein Problem auf, wenn der Wärmetauscher in einem Kühlmitteldampf-Zwischenraum vorgesehen ist; die Verflüssigungseffektivität läßt allmählich nach, und der Kühleffekt geht schließlich verloren, so daß die Lebensdauer des Systems nicht gut ist.
Der Grund wird darin vermutet, daß bei der Flüssigkeitstauchkühlung viele Elemente, wie IC-Chips, Schaltungskarten, Anschlußkarten, die einen Teil der Wände der Kühlkammer bilden, und so weiter, in das Kühlmittel eingetaucht sind. Verschiedene Gase, hauptsächlich Luft und Wasserdampf, werden von denen Elementen freigesetzt und steigen in den oberen Gaszwischenraum 7 auf, wo der Wärmetauscher 6 vorgesehen ist. Da jene freigesetzten Gase durch den Wärmetauscher nicht verflüssigt werden, sammeln sich die freigesetzten Gase dort an und umgeben den Wärmetauscher. So wird die Verflüssigungseffektivität verringert. In der Kühlkammer befindet sich versiegeltes verschiedenes Material, wie Keramik, Halbleiter, Isoliermaterial und so weiter, und die Temperatur kann nicht so hoch erhöht werden. Manchmal kann ein leichtes Leck der Kühlkammer vorhanden sein. Deshalb ist es beim gegenwärtigen Stand der Technik fast unmöglich, jene Gase vollkommen zu evakuieren, bevor die Kühlkammer mit Kühlmittel gefüllt wird. So ist eine Entgasung notwendig, um solche freigesetzten Gase wiederholt zu entfernen, um eine hohe Kühleffektivität aufrechtzuerhalten.
Wenn der Wärmetauscher in die Kühlmittelflüssigkeit eingetaucht ist, wird das obige Problem vermieden, aber der Kühlmitteldampf muß durch die Kühlmittelflüssigkeit selbst verflüssigt werden, und so läßt die Verflüssigungseffektivität nach. Oder das Kühlmittel muß kühler als sein Siedepunkt sein, so werden die Wärmeelemente bloß durch Konvektionskühlung gekühlt, und so geht der Vorteil der Verdampfungskühlung verloren.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb das Verbessern der Gesamteffektivität eines Kühlsystems zum Kühlen einer Schaltungskarte.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen eines Kühlmoduls für die Tauchkühlung einer Schaltungskarte, bei dem die Kühleffektivität hoch und die Wartung leicht ist.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Erhöhung der Zuverlässigkeit des Schaltungskarten- Kühlsystems.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscher in eine Kühlmittelflüssigkeit eingetaucht, und eine Blasenfalle ist über dem Wärmetauscher vorgesehen, aber in das Kühlmittel eingetaucht, um die verdampften Blasen des Kühlmittels zu fangen und sie um den Wärmetauscher herum anzusammeln. Die Blasenfalle besteht aus porösem Metall. Verschiedene Typen von Blasenfallen werden vorgeschlagen.
Die Verflüssigungseffektivität des Wärmetauschers wird durch die Blasenfallen erhöht, und da der Wärmetauscher in das Kühlmittel eingetaucht ist, ist er von dem freigesetzten Gas getrennt, das unvermeidlich aus verschiedenen Teilen des Kühlmoduls heraustritt und die Kühleffektivität des Wärmetauschers verringert, wenn es sich um ihn herum ansammelt. So läßt die Kühleffektivität über einen langen Zeitraum nicht nach, und ein Entgasungsverfahren ist unnötig; demzufolge wird die Wartung sehr leicht.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung wird eine Blasenführung eingesetzt. Wenn die Blasenfallen, die Blasenführung und der Wärmetauscher richtig angeordnet sind, wird das meiste verdampfte Kühlmittel verflüssigt, bevor es die flüssige Oberfläche erreicht. Solch eine Blasenbewegung bewirkt eine lokale Zirkulation des Kühlmittels, die die Kühleffektivität weiter erhöht und die Gleichmäßigkeit der Temperatur über die gesamte Oberfläche der eingetauchten Schaltungskarte verbessert.
Es ist ein Mittel erforderlich, um die Schaltungskarten in dem Kühlmodul mit den äußeren Schaltungen oder Einrichtungen elektrisch zu verbinden. Zu diesem Zweck kann das Kühlmodul der vorliegenden Erfindung an seiner Seitenwand mit einer Vielzahl von versiegelten Kontaktstiften versehen sein, die zwischen der Innenseite und der Außenseite des Moduls verbinden. Die inneren Schaltungskarten sind durch diese Kontaktstifte mit den äußeren Schaltungen verbunden.
Bei einer anderen Ausführungsform ist die Schaltungskarte, die Kontaktstifte hat, an einer Öffnung des Kühlmoduls befestigt, wobei ihre Oberfläche, auf der sich zu kühlende Elemente befinden, der Innenseite der Kühlkammer zugewandt ist, und die Schaltungskarte selbst bildet einen Teil der Versiegelungswand des Moduls. Wenn jede der Schaltungskarten in solch einer Form hergestellt ist, ist es sehr günstig, sie als Modul in eine Einrichtung oder in ein System einzubauen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 7 sind Wärmetauscher unterhalb einer Schaltungskarte positioniert.
Diese mit anderen Aufgaben und Vorteilen, die nachfolgend offensichtlich werden, beruhen auf den Konstruktionseinzelheiten, wie nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden, umfassender beschrieben und beansprucht wird, in denen gleiche Bezugszeichen durchgängig auf gleiche Teile verweisen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Struktur eines Kühlmoduls nach Stand der Technik, bei dem Schaltungskarten in ein Kühlmittel eingetaucht sind.
Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Kühlmoduls.
Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht des in Fig. 2 gezeigten Kühlmoduls.
Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Teilansicht von Fig. 3.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die einen Effekt der Blasenfallen demonstriert und eine Verbesserung der Kühleffektivität anzeigt.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die einen Effekt einer Blasenführung zeigt und die Temperatur der Chips auf einer Schaltungskarte vergleicht.
Fig. 7 stellt ein Beispiel dar, wie Kühlmodule in einer Leistung ableitenden Einrichtung eingebaut sind.
Fig. 8 ist eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform, die eine andere Anordnung von Blasenfallen und Wärmetauschern zeigt.
Fig. 9 ist eine schematische Querschnittsvorderansicht einer dritten Ausführungsform, die Wärmeleitungen als Wärmetauscher verwendet.
Fig. 10 ist ein schematisches Diagramm, das eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, bei der das Kühlmittel in einem Kühlmodul zum Zirkulieren gezwungen ist.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen oder Symbole durchgängig dieselben oder entsprechende Teile.
Unter Bezugnahme zuerst auf die Figuren 2 und 3 ist das metallische Gehäuse 1 des Moduls 100 auf seinen beiden Seiten mit Öffnungen versehen, und keramische Schaltungskarten 4, die eine Vielzahl von IC-Chips 3 tragen, sind an den Öffnungen angeordnet und versiegeln sie hermetisch. Die keramische Schaltungskarte 4 besteht gewöhnlich aus mehrschichtigen gedruckten Schaltungskarten, und ihre Oberfläche, die die Chips 3 trägt, zeigt zu der Innenseite des Gehäuses. Das Gehäuse 1 ist mit Leitungen 6" versehen, die ein Kühlwasser-Zulauf bzw. -Ablauf für die Wärmetauscher 6 sind, die in dem Gehäuse 1 vorgesehen sind.
Die Wärmetauscher sind in dem runden Querschnitt in Fig. 3 gezeigt. Gewöhnlich haben sie Ränder oder Rippen, um einen guten Kontakt mit dem Kühlmittel 5 zu bilden, aber diese sind der Einfachheit halber weggelassen. Die Wärmetauscher 6 sind im Gehäuse 1 seriell oder parallel miteinander verbunden, und dann sind sie mit den Zulauf- bzw. Ablaufleitungen 5 verbunden. Das Kühlmittel, das durch die Wärmetauscher 6 fließt, ist gewöhnlich Kaltwasser, das am leichtesten verfügbar ist, aber es kann natürlich von irgendeiner Art in Abhängigkeit von der Temperaturgestaltung oder Wirtschaftlichkeit sein,.
Die Wärmetauscher 6 sind in die Kühlmittelflüssigkeit 5 eingetaucht, außer 6', der in einem oberen Zwischenraum 7 angeordnet ist, wo das verdampfte Kühlmittel und das von verschiedenen Elementen in der Kühlkammer freigesetzte Gas gesammelt wird. Über jedem der Wärmetauscher 6, die in die Kühlmittelflüssigkeit eingetaucht sind, ist eine Blasenfalle 8 vorgesehen, wie in Fig. 3 gezeigt. Diese Blasenfallen 8 sammeln verdampfte Blasen des Kühlmittels und bringen sie mit dem entsprechenden Wärmetauscher 6 in Kontakt. So werden die meisten der verdampften Kühlmittelblasen durch die Wärmetauscher 6 kondensiert und wieder verflüssigt, bevor sie die Oberfläche des Kühlmittels erreichen. Nur ein kleiner Teil der Blasen kann die Oberfläche der Kühlmittelflüssigkeit erreichen, aber sie werden durch den Wärmetauscher 6' verflüssigt, der sich in dem oberen Zwischenraum 7 befindet, und gelangen zur Flüssigkeit zurück.
Die Form der Blasenfalle 8 ist nicht wesentlich. Sie kann eine Form eines Daches oder einer abwärtigen Hohlrundung, wie in der Figur gezeigt, haben, um die Blasen zu fangen und sie um den Wärmetauscher 6 zu konzentrieren. Diese Formen wiesen keinen beträchtlichen Unterschied zwischen ihrer Effektivität der Blasenkondensation auf. Aber experimentell wurde herausgefunden, daß die Blasenfalle aus porösem Material besteht, das vorzugsweise Poren mit einem Durchmesser von etwa 0,5-0,6 mm hat, was einer Porosität von 20 Poren pro cm³ entspricht. Solch ein Experiment wird später unter Bezugnahme auf Fig. 5 erörtert.
Obwohl der Grund noch nicht ganz klar ist, glauben die Erfinder, daß es sich folgendermaßen verhält. Wenn die Falle aus einem nichtporösem Material besteht, wird die Bedingung ähnlich jener nach Stand der Technik, wie in Fig. 1 gezeigt.
Wenn sie aus einem porösem Material besteht, kann das freigesetzte Gas zu dem oberen Zwischenraum 7 entweichen. Im Gegenteil werden zu große Löcher die Blasen leicht passieren lassen, so geht der Effekt verloren. Die bevorzugte Porosität wird von der Viskosität des Kühlmittels, der Blasengröße und des Druckes etc. abhängen. Die bevorzugte Lochgröße ist deshalb klein genug, um ein Blasenausströmen zu verhindern, aber groß genug, um das flüssige Kühlmittel passieren zu lassen.
Das Material für die Blasenfalle hat vorzugsweise eine gute Wärmeleitungsfähigkeit. Kupfer, Aluminium und Nickel sind ausprobiert worden. Aber zwischen ihnen ist kein beträchtlicher Unterschied erkannt worden. Solch poröses Material, das ein schwammartiges Aussehen hat, ist auf dem Markt unter der Handelsbezeichnung "Celmet" (hergestellt von Sumitomo Denko) erhältlich.
Mit dem Kühlsystem der vorliegenden Erfindung wird die hohe Effektivität der Verdampfungskühlung beibehalten, und die Verflüssigungseffektivität wird auch hoch gehalten, da die Blasen des Kühlmittels direkt mit den Wärmetauschern kontaktiert werden, obwohl sie in dem Kühlmittel eingetaucht sind. Die Minderung der Kühleffektivität durch das freigesetzte Gas wird vermieden, da die Wärmetauscher in der Kühlmittelflüssigkeit eingetaucht und mit einer porösen Blasenfalle versehen sind, sich das freigesetzte Gas nicht um den Wärmetauscher konzentriert. Das Entgasungsverfahren ist deshalb für einen langen Zeitraum unnötig, und die Wartung wird sehr leicht.
Der Effekt der bei der IC-Chip-Kühlung eingesetzten Blasenfallen ist in Fig. 5 demonstriert. In der Figur bezeichnet die Abszisse die Leistung in kW, die durch eine Schaltungskarte, die eine Vielzahl von IC-Chips hat und in ein Kühlmittel eingetaucht ist, abgeleitet wird; die Ordinate ist die Temperatur des Chips in ºC. Eine Kurve 12 mit Meßpunkten, die durch Dreiecke angegeben sind, zeigt die Temperaturveränderung des IC-Chips auf der Schaltungskarte, wenn sie in einem Modul ohne Blasenfallen gekühlt wird. Eine Kurve 11 mit Meßpunkten, die durch weiße Kreise angegeben sind, entspricht derjenigen, wenn dieselbe Schaltungskarte in einem Modul mit Blasenfallen gekühlt wird. Wie aus der graphischen Darstellung ersichtlich ist, ist die Wärmeableitung durch die Blasenfallen fast auf das Zweifache verbessert worden.
Der Effekt der Porosität der Blasenfalle ist auch in Fig. 5 gezeigt. Die Kurve 11 zeigt die Temperatur des Chips, wenn Blasenfallen mit einer Porosität von 20 Poren pro cm³ verwendet werden, das heißt, die Größe der Pore beträgt etwa 0,5-0,6 mm. Die Kurve 13 mit Meßpunkten, die durch schwarze Kreise angegeben sind, zeigt die Temperatur des Chips, wenn die Blasenfalle aus einem Material mit 10 Poren pro cm³ besteht, das heißt, die Porengröße beträgt etwa 1,0-1,5 mm im Durchmesser. Während der Messung floß 1,0 Liter Kühlwasser pro Minute durch die in der Kühlmittelflüssigkeit eingetauchten Wärmetauscher 6, und 0,5 Liter pro Minute floß durch den Wärmetauscher 6' in dem oberen Zwischenraum 7. Wie aus der graphischen Darstellung ersichtlich ist, hat die Blasenfalle mit zu großen Löchern (Kurve 13) fast keinen Effekt beim Verbessern des Kühleffektes. Ein Material mit einer Porosität von etwa 15 bis 50 Poren pro cm³ wird als Blasenfalle verwendet.
Zurück zu Fig. 3, wo das Kühlmodul dieser Ausführungsform mit Blasenführungen 9 versehen ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Blasenführungen 9 auf der Schaltungskarte zwischen oberen und unteren IC-Chips 3 vorgesehen. Die Schaltungskarten 4 sind in einer Öffnung 101 in der Wand 102 des Gehäuses 1 versiegelt und auch mit Kontaktstiften 10 versehen, die nach außen des Gehäuses gerichtet sind. Diese Stifte sind in der keramischen Schaltungskarte 4 hermetisch vergraben und dienen als Verbindung zwischen der Schaltungskarte oder ICs und äußeren Schaltungen.
In Fig. 4 ist ein Teil von Fig. 3 gezeigt, der eine Form und eine Lagebeziehung zwischen den Wärmetauschern 6, den Blasenfallen 8 und den Blasenführungen 9 vergrößert darstellt. Die Blasenführung 9 ist an einem Ende 9a aufgeweitet und an der Schaltungskarte 4 zwischen den oberen und unteren IC-Chips 3 befestigt. Das andere Ende 9b der Blasenführung 9 ist mit dem Rand der Blasenfalle 8 ausgerichtet. Die verdampften Blasen des Kühlmittels steigen längs der Oberfläche der Chips 3 oder der Oberfläche der Schaltungskarte 4 auf. Dies könnte einen schlechten Kontakt der Chips, die sich auf dem oberen Teil der Schaltungskarte befinden, mit der Kühlmittelflüssigkeit verursachen und vermindert den Kühleffekt. Aber die Blasenführung 9 trennt die Blasen von der Chipoberfläche und führt sie problemlos zu der Blasenfalle 8. So werden die Blasen, die in einem Abschnitt der IC-Chips erscheinen, um einen Wärmetauscher unter der entsprechenden Blasenfalle gesammelt, bevor sie zu dem oberen Abschnitt der Schaltungskarte aufsteigen. So wird die Verflüssigung des Kühlmittelgases effektiver.
Die Bewegung solcher Blasen verursacht einen lokalen Konvektionsstrom dem Kühlmittels, wie durch Pfeile in der Figur gezeigt. Das ist in einem Kühlmodul beobachtet worden, dessen Gehäuse aus transparentem Kunstharz bestand. Solch eine lokale Zirkulation des Kühlmittels erhöht weiter die Kühleffektivität und verbessert die Gleichmäßigkeit der Temperatur auf der Schaltungskarte. Wenn solche Blasenführungen nicht vorgesehen sind, wird der Fluß des Kühlmittels eine lange Schleife, die vom Boden des Gehäuses 1 zu der Oberfläche des flüssigen Kühlmittels zirkuliert, was eine unerwünschte Temperaturverteilung auf der Schaltungskarte verursacht. Da die Blasen an dem oberen Teil der Schaltungskarte angesammelt werden, geht der Kühleffekt verloren.
Demzufolge verringert sich der Kühleffekt am oberen Teil der Schaltungskarte, und die Temperatur der IC-Chips auf dem oberen Teil der Schaltungskarte wird im Vergleich zu jener des unteren Teiles hoch.
Fig. 6 zeigt den Effekt der Blasenführung. In der Figur bezeichnet die Abszisse die Leistung in kW, die durch eine Schaltungskarte abgeleitet wird, und die Ordinate ist eine Chiptemperatur in ºC. Eine Kurve 14 zeigt eine Veränderung der Temperatur von IC-Chips, die auf der Schaltungskarte gebondet sind, die mit den Blasenführungen 9 versehen ist, wenn der Leistungsverbrauch in der Schaltungskarte verändert wird. Die Kurve 11 (unterbrochene Linie), übertragen von Fig. 5, ist die Temperatur des Chips, der auf einer Schaltungskarte ohne Blasenführungen gebondet ist, zum Vergleich mit der Kurve 14. Die Temperatur des IC-Chips wird niedriger, wenn die Blasenführungen vorgesehen sind, im Vergleich zu jener, wenn die Blasenführungen bei derselben Leistungsableitung nicht vorgesehen sind. Deshalb ist der Effekt der Blasenführung offensichtlich.
Das Kühlgehäuse 1 kann aus jedem Material bestehen, aber vorzugsweise wird es aus Metall hergestellt, da seine Elastizität die Deformation des Moduls, die durch Druck- und Temperaturänderung verursacht wird, abschwächen kann. Das Kühlgehäuse, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, ist sehr günstig zur Verwendung in einem großen System, zum Beispiel einem großen Rechner. Jedes Modul umfaßt zwei Schaltungskarten mit einer Vielzahl von IC-Chips, deren Anschlußstifte 10 nach beiden Seiten gerichtet sind. Diese Kontaktstifte können als Verdrahtungsstifte zwischen den Schaltungskarten verwendet werden. Es besteht kein Unterschied zur Verwendung von Kontaktstiften einer gewöhnlichen Schaltungskarte. So können zahlreiche solcher Module wie eine gewöhnliche Schaltungskarte mit einer etwas größeren Dicke behandelt werden. Aber die Gesamtdicke der zwei Schaltungskarten ist verglichen mit jener von anderen Kühlverfahren geringer, da der Kühleffekt am besten mit anderen verglichen wird. Das Volumen des gesamten Systems wird auch das kleinste.
Ein Beispiel eines Zusammenbaus von solchen Kühlmodulen ist in Fig. 7 dargestellt. Eine Vielzahl von Kühlmodulen 100 sind in einem Gestell oder Schrank gestapelt, und die Schaltungskarten 4 sind unter Verwendung ihrer Kontaktstifte 10 miteinander verdrahtet. Steckverbinder 15 mit hoher Dichte können zu ihrer Zusammenschaltung verwendet werden; der Zusammenbau dieser ist ähnlich wie bei dem gewöhnlichen Schaltungskartenzusammenbau. In der Figur ist die Verbindung der Kühlwasserleitung weggelassen, da nur beabsichtigt ist, ein Beispiel des Zusammenbaus solcher Module zu zeigen.
Verschiedene Modifizierungen des obigen Kühlmoduls sind möglich. Fig. 8 zeigt eine zweite Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist nur eine Schaltungskarte 4 an dem Gehäuse 1 eines Kühlmoduls 100' befestigt. Kontaktstifte der Schaltungskarte 4 und ein Wärmetauscher, der in dem oberen Zwischenraum 7 vorgesehen ist, sind der Einfachheit halber in der Figur weggelassen. Eine solche Konfiguration ist bei eine Schaltungskarte anwendbar, die eine relativ große Leistung verbraucht. Die IC-Chips 3 sind auf der Schaltungskarte 4 gebondet, wobei zwischen ihnen und der Schaltungskarte eine kleine Lücke verbleibt, um mit dem Kühlmittel auf ihren vorderen und hinteren Oberflächen in Kontakt zu sein, und werden von beiden Oberflächen gekühlt. Solch ein Bonding ist zum Beispiel als Flip-Chip-Bonding bekannt. Die Blasenführung 9' stützt die Blasenfalle 8' an ihrem einen Ende, und jede Blasenfalle ist jeweils mit drei Wärmetauschern 6 versehen. In diesem Fall ist die Form der Blasenfalle 8 planar. Und ein lokaler Konvektionsstrom der Kühlmittelflüssigkeit 5 tritt auf, wie durch Pfeile gezeigt. Der Effekt der Kühlung ist ähnlich dem oben erläutertem.
Fig. 9 ist eine schematische Querschnittsvorderansicht einer dritten Ausführungsform, die den Hauptteil des Kühlmoduls 100" darstellt. Bei dieser Ausführungsform bestehen die Wärmetauscher aus Wärmeleitungen. Die Schaltungskarte 4, die IC-Chips 3 trägt, ist in Kühlmittelflüssigkeit 5 eingetaucht, die in einer Hauptkühlkammer 20 versiegelt ist. Die Wärmeleitung 16 ist in der Hauptkühlkammer 20 angeordnet und hat die Funktion eines Wärmetauschers. In der Figur sind die Blasenfallen und Blasenführungen der Einfachheit halber weggelassen, aber sie müssen auf ähnliche Weise wie oben beschrieben vorgesehen sein. Die Wärmeleitung 16 erstreckt sich von der Hauptkühlkammer 20 zu einer Nebenkühlkammer 22, und sie hat Rippen 17 und wird durch ein zweites Kühlmittel 23 (gewöhnlich Kaltwasser) gekühlt, das durch die Nebenkühlkammer 22 fließt. Das Kühlmittel in der Wärmeleitung und sein Druck wird gewählt, um für die Wärmeübertragung von dem Kühlmittel 5 zu dem zweiten Kühlmittel in der zweiten Kühlkammer 22 geeignet zu sein. Solch eine Gestaltung der Wärmeleitung ist in der Technik üblich, und da sie für die vorliegende Erfindung nicht relevant ist, wird eine weitere Beschreibung weggelassen.
Fig. 10 stellt schematisch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Bei dieser Ausführungsform wird die Kühlmittelflüssigkeit 5 in einer Hauptkammer 20 des Kühlmoduls 100''' durch eine Pumpe 18 in Zirkulation gebracht. Die Schaltungskarten 4a, 4b, 4c, die die Chips 3 tragen, sind in einer Kühlmittelflüssigkeit 5 horizontal angeordnet. Die Schaltungskarten 4a, 4b, 4c haben die Funktion von Blasenführungen oder -fallen, so ist es unnötig, die Blasenfalle und die Blasenführung vorzusehen. Die verdampften Kühlmittelblasen werden durch die Wärmetauscher 6a, 6b, 6c kondensiert, von denen 6b und 6c jeweils unterhalb der Schaltungskarten 4a und 4b vorgesehen sind. In diesem Fall ist der lokale Konvektionsstrom des Kühlmittels unnötig, da das Kühlmittel durch die Pumpe 18 zum Fließen gezwungen wird. Das zirkulierende Kühlmittel wird der Hauptkammer 20 durch eine Leitung 19 entnommen und einem externen Wärmetauscher 21 zugeführt, wo die übrigen Blasen vollkommen verflüssigt und einem Gasextraktor 24 zugeführt werden, wo das übrige freigesetzte Gas extrahiert wird. Die Kühlmittelflüssigkeit wird durch eine Pumpe 18 unter Druck gesetzt und in die Hauptkühlkammer 20 zurückgeführt.
Wie oben offenbart, verbessert das Kühlmodul nach der vorliegenden Erfindung die Kühleffektivität der Chips, die in Kühlmittel eingetaucht sind, durch die Blasenfalle und Blasenführung. Der Effekt von freigesetztem Gas wird durch das Eintauchen des Wärmetauschers in die Kühlmittelflüssigkeit eliminiert. So wird die Wartung des Kühlsystems vereinfacht, bei Eliminierung des Entgasungsverfahrens.
Verschiedene Modifizierungen oder Veränderungen eines oben beschriebenen Kühlmoduls sind innerhalb des Umfanges der vorliegenden Erfindung möglich.

Claims

1. Verdampfungskühlmodul (100, 100', 100'') zum Kühlen einer Vielzahl von Halbleiterchips (3), die auf einer Schaltungskarte (4) montiert sind, die in ein Kühlmittel (5) eingetaucht ist mit einem Gehäuse (1, 20) zum Versiegeln des Kühlmittels (5); einem oder mehreren Wärmetauschern (6, 16) zum Kühlen des Kühlmittels (5) und zum Verflüssigen verdampften Kühlmitteldampfes, welche(r) Wärmetauscher (6, 16) in das Kühlmittel (5) eingetaucht sind; Blasenfallen (8, 8') zum Sammeln von Blasen des verdampften Kühlmitteldampfes und um sie (den) die Wärmetauscher (6, 16) kontaktieren zu machen, welche Blasenfallen (8, 8') in das Kühlmittel (5) eingetaucht sind, und Blasenführungen (9, 9') zum Führen von Blasen des verdampften Kühlmittels zu den Blasenfallen (8, 8'), welche Blasenführungen (9, 9') in das Kühlmittel (5) eingetaucht sind, welches Verdampfungskühlmodul (100, 100', 100'') dadurch gekennzeichnet ist, daß die Blasenfallen (8, 8') über dem(n) Wärmetauscher(n) (6, 16) angeordnet und aus porösem Metall hergestellt sind, welches eine Porösität im Bereich von etwa 15 bis 50 Poren pro cm³ hat.

2. Kühlmodul (100, 100', 100'') nach Anspruch 1, bei dem das Gehäuse (1) eine Öffnung (101) in seiner Seitenwand (102) hat, um die Schaltungskarte (4) hermetisch mit der Oberfläche (4a) zu fixieren, welche die Chips (3) der Innenseite des Gehäuses (1) zugewandt trägt.

3. Kühlmodul (100, 100', 100'') nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Blasenführungen (9, 9') an der Schaltungskarte zwischen oberen und unteren Chips (3) befestigt ist, welche Blasenführungen (9, 9') einen Rand (9b) haben, der mit einem Rand der entsprechenden Blasenfallen (8) ausgerichtet ist.

4. Kühlmodul (100, 100', 100'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, hei dem eine Blasenfalle (8') an einem Ende (9c') an einer entsprechenden Blasenführung (9') befestigt ist und eine Vielzahl von Wärmetauscbern (6) darunter hat.

5. Kühlmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der oder die Wärmetauscher aus einer Wärmeleitung oder -leitungen (16) besteht, von denen ein Ende von dem Gehäuse (20) vorsteht und dort durch ein zweites Kühlmittel (23), das außerhalb des Gehäuses (20) fließt, gekühlt wird.

6. Kühlmodul nach Anspruch 2, bei dem die Schaltungskarten (4) mit einer Vielzahl von hermetisch versiegelten Kontaktstiften (10) versehen sind, um die Schaltung auf der Schaltungskarte (4) mit einer äußeren Schaltung zu verbinden.

7. Verdampfungskühlmodul (100'') zum Kühlen einer Vielzahl von Halbleiterchips (3), die in ein zwangsweise zirkuliertes Kühlmittel (5) eingetaucht sind, bei dem das Verdampfungskühlmodul umfaßt:-

ein Gehäuse (20), um das Kühlmittel (5) und in ihm gekühlte Objekte aufzunehmen;

eine oder mehrere Schaltungskarten (4, 4a, 4h, 4c), die eine Vielzahl von Chips (3) tragen, welche Schaltungskarten (4, 4a, 4b, 4c) horizontal in dem Gehäuse (20) angeordnet und in das Kühlmittel (5) eingetaucht sind;

eine Vielzahl von Wärmetauschern (6, 6a, 6b, 6c) zum Kühlen des Kühlmittels (5) und Verflüssigen verdampften Kühlmitteldampfes, welche Wärmetauscher (6, 6a, 6b, 6c) in das Kühlmittel (5) eingetaucht sind, wobei wenigstens einer der Wärmetauscher (6b, 6c) unterhalb einer Schaltungskarte (441, 4h) positioniert ist; und

eine Pumpe (18) zum Zirkulieren des Kühlmittels (5).

8. Verdampfungskühlmodul (100"') nach Anspruch 7, ferner mit:

einem externen Wärmetauscher (21) zum Verflüssigen verdampften Kühlmitteldampfes, das in dem zirkulierenden Kühlmittel (5) enthalten ist, welcher externe Wärmetauscher (21) außerhalb des Gehäuses (20) vorgesehen ist; und

einen Gasextraktor (24), zum Extrahieren von Gas, das in dem zirkulierenden Kühlmittel (5) enthalten ist.

9. Kühlmodul (100, 100', 100'', 100''') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schaltungskarten (4, 4a, 4h, 4c) aus Keramik hergestellt sind.