DE3852845T2

DE3852845T2 - Kühlungssystem für Festkörperschaltungsbauelemente und ein Verfahren zum Versehen mit thermoleitenden Zusammensetzungen.

Info

Publication number: DE3852845T2
Application number: DE19883852845
Authority: DE
Inventors: Masahiro Suzuki; Yoshiaki Udagawa; Haruhiko Yamamoto
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1987-05-25
Filing date: 1988-05-25
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2008-05-26
Also published as: DE3852845D1; EP0293297A2; EP0293297B1; EP0293297A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem, das mit einer gedruckten. Leiterplatte verwendet wird, die eine Anzahl von festen elektronischen Schaltungskomponenten enthält, wie Halbleiteranordnungen in integrierter Schaltung (IC). Im besonderen bezieht sich sich auf einen Kühlmodul, der in dem Kühlsystem enthalten ist und jede der elektronischen Schaltungskomponenten durch eine wärmeleitfähige Verbindungsschicht kontaktiert, um diese Komponenten zu kühlen.
Verschiedene Typen von Kühlstrukturen zum Kühlen von IC-Halbleiteranordnungen oder Groß-IC-(LSI-Halbleiteranordnungen, die auf einer gedruckten Leiterplatte montiert sind, sind entwickelt worden, wie zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 3,993,123 (Chue et al.), 4,203,129 (Oktay et al.), 4,254,431 (Babuka et al.) und 4,323,914 (Berndmaier) und in ungeprüften vorläufig veröffentlichten japanischen Patentanmeldungen Nr. 61-15353 (Erfindung von K. D. Ostergrane et al.), Nr. 60-160149 (Erfindung von Yamamoto et al., äquivalent mit EP-A-0151068) und Nr. 62-109347 (Erfindung von Tajima) offenbart ist. In einigen dieser Kühlstrukturen ist ein Wärmeübertragungselement, wie eine Wärmeübertragungsplatte oder ein Wärmeübertragungskolben, in direktem Kontakt mit den Schaltungskomponenten angeordnet und wird durch Druck, der von einer Feder, einem Balgen, hydraulischen Druck von Kühlmittel, etc. vorgesehen wird, zu einer Oberfläche einer Schaltungskomponente gedrängt, um die Wärme abzuleiten, die von den Schaltungskomponenten abgegeben wird. Die Wärmeübertragungselemente werden einem Kühlmittel direkt oder indirekt ausgesetzt. Die Wärme wird durch die entsprechenden Wärmeübertragungselemente in Kontakt mit den Schaltungskomponenten auf das Kühlmittel übertragen.
Im allgemeinen ist jedoch der Wärmekontaktwiderstand eines Grenzbereichs zwischen den Wärmeübertragungselementen und den Schaltungskomponenten in den oben beschriebenen Kühlstrukturen ziemlich hoch und instabil, da der tatsächliche Kontaktbereich zwischen ihnen auf Grund der Rauheit der Oberflächen, die einander thermisch kontaktieren, ziemlich klein und instabil ist. Zusätzlich beeinflußt jede Veränderung des Drucks der Feder, des Balgens und insbesondere des Kühlmitteldrucks den Wärmekontaktwiderstand empfindlich und schwerwiegend, woraus ein großer Verlust der Wärmeübertragungseffektivität der Kühlmodule resultiert. Insbesondere tendiert die Verwendung einer Feder zum Drängen eines Wärmeübertragungsglieds zu der entsprechenden zu kühlenden Schaltungskomponente dazu, eine mechanische Resonanzschwingung zu verursachen, die durch einen externen mechanischen Stoß ausgelöst wird, woraus eine Veränderung des ausgeübten Drucks resultiert.
Um die obengenannten Nachteile der Kühlstrukturen nach Stand der Technik zu überwinden, wird ein wärmeleitfähiges Material, wie wärmeleitfähiges Inertgas, oder ein Flüssigmetall oder Thermosilikonfett, oder ein nachgebendes wärmeleitfähiges Material in den Grenzbereich zwischen den Oberflächen eines Wärmeübertragungselements eines Kühlmoduls und einer Schaltungskomponente eingefügt. Zum Beispiel wird durch Chu et al. ein wärmeleitfähiges Inertgas in den Grenzbereich eingebracht, und durch Oktay et al. wird eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt verwendet, um einen Wärmeübertragungskolben und eine Schaltungskomponente hineinzutauchen. Jedoch ist in beiden Fällen eine komplizierte und kostspielige Verschlußstruktur zum Einschließen des Gases oder der Flüssigkeit erforderlich, die einen Nachteil darstellt. Zusätzlich erfolgt durch die Wärmeleitfähigkeit des zugeordneten Inertgases und der Flüssigkeit die Reduzierung des relevanten Wärmekontaktwiderstandes innerhalb einer oberen Grenze.
Während Berndlmaier et al. und Babuka et al. Flüssigmetall oder -legierung verwenden, um einen Kontaktgrenzbereich auszufüllen, offenbart Ostergrane die Verwendung von Thermofett in dem Grenzbereich von konischen Oberflächen eines Kolbens und eines Huts und die Verwendung einer Flüssigmetallschicht zwischen dem Kolben und einem Schaltungselement. In dieser Struktur kann eine ziemlich dicke Schicht von Thermofett erforderlich sein, um die Schicht auf der konischen Oberfläche des Kolbens aufrechtzuerhalten, wodurch eine unerwünschte Erhöhung des Wärmewiderstandes der Schicht verursacht wird. Zusätzlich besteht bei einigen Flüssigmetallen gewöhnlich die Wahrscheinlichkeit einer chemischen Reaktion mit kontaktierendem Material, wodurch verschiedene Gegenmaßnahmen erforderlich sind, um die Reaktion zu verhindern.
Yamamoto et al. fügt ein nachgebendes Blatt zwischen einer Schaltungskomponente und einer Wärmeübertragungsplatte ein, die durch einen Balgen hin zu der Schaltungskomponente gedrängt wird, um den Wärmekontaktwiderstand quer durch den Grenzbereich zwischen der Komponente und der Wärmeübertragungsplatte zu reduzieren. Es ist jedoch ein relativ dickes nachgebendes Blatt erforderlich, um einen wünschenswerten perfekten Wärmekontakt zwischen den Blattoberflächen und den kontaktierenden Oberflächen des relevanten Schaltungselements und der Wärmeübertragungsplatte durch Hinausdrängen von kleinen Luftporen zu realisieren, die auf den kontaktierenden Oberflächen verbleiben. Als Resultat wird die Reduzierung des gesamten Wärmekontaktwiderstandes quer durch den Grenzbereich nachteilig beeinflußt. Tajima sieht eine Kühlstruktur vor, mit einer Kappe, die eine kugelförmige obere Oberfläche hat, einem Zapfen, der eine konkave kugelförmige untere Oberfläche hat, die mit der kugelförmigen Oberfläche der Kappe im Eingriff stehen kann, und einem Kühlhut. Die Kappe kontaktiert ein Schaltungselement mit einer kleinen Lücke dazwischen, die mit Thermofett gefüllt ist, während der Zapfen an einem Kühlkopf oder Kühlgehäuse gesichert ist. Die Kappe und der Hut sind durch eine Schicht von Thermofett miteinander in Kontakt, die eine beträchtliche Dicke hat, die ausreicht, um das Schaltungselement vor einem Druck zu schützen. Tajima offenbart nichts über einen Druck, der auf die Thermofettschicht auszuüben ist.
Bei diesen Kühlmodulen nach Stand der Technik sind viele Anstrengungen unternommen worden, um den Wärmeübertragungswiderstand quer durch einen Wärmekontaktgrenzbereich durch Verwendung verschiedener wärmeleitfähiger Verbindungsmaterialien zu reduzieren. Die Resultate reichen jedoch nicht aus, um einen wünschenswert niedrigen, stabilen und reproduzierbaren Wärmekontaktwiderstand aufrechtzuerhalten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die obengenannten Nachteile der Kühlstrukturen nach Stand der Technik zu beseitigen und ein Kühlsystem für eine elektronische Schaltung mit einer Hochleistungskühlstruktur vorzusehen, die Schaltungskomponenten, die in der Schaltung enthalten sind, effektiv, stetig und gleichförmig kühlen kann. Die nächste Aufgabe ist es, eine stabile und zuverlässige Kühlstruktur vorzusehen, die ein stabilisiertes und thermisch gut leitfähiges Verbindungsmittel hat, das zwischen einem Wärmeübertragungsmittel und einer Schaltungskomponente einen Wärmekontakt des Fluidtyps, zum Beispiel des Flüssigtyps, herstellt.
Um die obengenannten Aufgaben zu erreichen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung das wärmeleitfähige Verbindungsmittel anfangs mit einem Anfangsdruck (Pm) gepreßt, der wesentlich größer als der Druck ist, der erforderlich ist, um einen minimalen Wärmekontaktwiderstand in der wärmeleitfähigen Verbindung zu erreichen.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem, das die obigen Druckbedingungen anwenden kann, wie in Anspruch 1 definiert, und ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anwenden dieser Bedingungen, wie in Ansprüchen 10 und 11 definiert.
Somit wird gemäß der Erfindung zuerst ein Experiment im voraus durchgeführt, um einen kritischen Druck Pc zu definieren, nämlich den minimalen Wert eines Drucks, der anfangs auf eine Schicht einer wärmeleitfähigen Verbindung auszuüben ist, die in einem Wärmekontaktgrenzbereich zwischen einer Wärmeübertragungsplatte und einer Schaltungskomponente angeordnet ist. Die Beziehung zwischen dem Wärmekontaktwiderstand quer durch den Grenzbereich und dem Druck, der auf ihn ausgeübt wird, stellt eine Hysteresecharakteristik dar. Der Wärmekontaktwiderstand nimmt ab, so wie der anfangs ausgeübte Druck Pi ansteigt, bevor ein Druck überschritten wird, der als kritischer Druck Pc definiert ist. Danach bleibt der Wärmeübertragungswiderstand unverändert, wenn der Druck bis zu einem maximalen Druck Pm weiter erhöht wird. Wenn der Druck Pi dann allmählich verringert wird, bleibt der Wärmekontaktwiderstand des Wärmekontaktgrenzbereichs auf demselben Wert, bis der Anfangsdruck Pi auf einen kleinen Wert Pa reduziert ist, der etwa gleich dem Null_Druck ist. Die Nutzung der oben beschriebenen Hysteresecharakteristik zwischen dem Druck, der auf eine wärmeleitfähige Verbindungsschicht ausgeübt wird, und dem Wärmekontaktwiderstand steht im Mittelpunkt der vorliegenden Erfindung.
In der Praxis wird ein Anfangsdruck, der höher als ein experimentell definierter kritischer Druck Pc ist, auf eine wärmeleitfähige Verbindungsschicht ausgeübt, die schon in einem Wärmekontaktgrenzbereich angeordnet ist, indem eine Vorrichtung oder der hydraulische Druck des zugeordneten Kühlmittels verwendet wird. Eine so vorgepreßte wärmeleitfähige Verbindung hat einen günstig niedrigen Wärmekontaktwiderstand und kann den Wert des genannten Widerstandes bei niedrigem Druck auf stabile Weise halten, wie durch die Erfinder durch Durchführen und Wiederholen von einer Anzahl von Experimenten und Praktiken entdeckt wurde.
Als Resultat wird während der Operation der relevanten elektronischen Schaltung ein Druck Pa, der niedriger als der anfangs ausgeübte Druck Pm aber höher als null ist, in dem Wärmegrenzbereich ausgeübt, der ausreicht, um einen kleinen Wärmekontaktwiderstand quer durch den Grenzbereich aufrechtzuerhalten, wodurch eine stabile und effektive Wärmeableitung von den relevanten Komponenten ermöglicht wird. Wenn die elektronische Schaltung außer Betrieb ist, wird natürlich der Druck Pa auf das Schaltungselement ausgeübt. Nachfolgend wird deshalb der Druck Pa als Arbeitsdruck bezeichnet. Im Falle einer gedruckten Mehrchipleiterplatte, auf der eine Anzahl von Komponenten montiert sind, sind Druckvorrichtungen zweier Typen zum Ausüben des Anfangsdrucks Pi auf die wärmeleitfähigen Verbindungsschichten in einer ersten und in einer zweiten Ausführungsform offenbart. Die Verwendung des hydraulischen Drucks des zugeordneten Kühlmittels zum Bearbeiten der wärmeleitfähigen Verbindungsschicht ist in einer dritten Ausführungsform offenbart. Ein Mittel zum Verhindern, daß die wärmeleitfähige Verbindung aus dem angeordneten Grenzbereich herausfließt, ist in einer vierten Ausführungsform offenbart. In allen Ausführungsformen werden Balgen als Federmittel zum elastischen Drücken der Wärmeübertragungsplatte hin zu der entsprechenden Schaltungskomponente in Kombination mit dem hydraulischen Druck eines Fluidkühlmittels verwendet.
Für die wärmeleitfähige Verbindung wird ein Thermofett gewählt, günstigerweise ein Thermosilikonfett. Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ersichtlich, in denen gleiche Bezugszeichen identische oder ähnliche Teile bezeichnen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische vergrößerte Querschnittsansicht eines Wärmekontaktgrenzbereichs zum Erläutern der Wärmeübertragung durch ihn hindurch, der in sich eine wärmeleitfähige Verbindungsschicht enthält.
Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Experimentiervorrichtung zum Studieren der Beziehung zwischen dem Wärmekontaktwiderstand quer durch den Wärmekontaktgrenzbereich von Fig. 1 und dem auf ihn ausgeübten Druck.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das das Resultat eines Experimentiertests zeigt, der unter Verwendung der Vorrichtung von Fig. 2 durchgeführt wurde.
Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Kühlmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine typische Strukturkonfiguration von ihm zeigt.
Fig. 5(a) und 5(b) sind schematische Querschnittsansichten von einem Teil eines Kühlsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, die dessen Strukturkonfiguration und ein Verfahren zum Pressen der wärmeleitfähigen Verbindungsschicht gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
Fig. 6(a) und 6(b) sind schematische Querschnittsansichten von einem Teil eines Kühlsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, die dessen Strukturkonfiguration und ein Verfahren zum Pressen der wärmeleitfähigen Verbindungsschicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
Fig. 7 ist eine schematische Querschnittsansicht von einem Teil eines Kühlsystems gemäß der vorliegenden Erfindung, die seine Strukturkonfiguration und ein Verfahren zum Pressen der wärmeleitfähigen Verbindungsschicht gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht von Schaltungskomponenten, die auf einer gedruckten Leiterplatte montiert sind, die die Strukturkonfiguration eines Begrenzungsmittels gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im allgemeinen ist der Wärmekontaktwiderstand quer durch jeglichen Grenzbereich zwischen zwei Oberflächen von Körpern eine Funktion des Kontaktbereichs, der Oberflächenbearbeitung und -ebenheit und der angewendeten Last zwischen den Oberflächen. Das Füllmaterial ausgenommen, variiert ein tatsächlicher Kontaktbereich in Abhängigkeit von den oben beschriebenen Faktoren. Bei den meisten Anwendungen ist eine Verbesserung der Oberflächengüte und -ebenheit auf diesem Gebiet teuer und nicht wirtschaftlich. Deshalb wird zwischen den zwei Oberflächen eine wärmeleitfähige Schicht eingefügt, die kleine Lücken in dem Grenzflächenbereich ausfüllt und Luftmikroporen, die auf den Oberflächen verbleiben, hinausdrängt, um den Wärmekontaktwiderstand quer durch den Grenzbereich zu reduzieren.
Fig. 1 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Grenzbereichs zwischen den Oberflächen einer Wärmeübertragungsplatte 103 und einer Schaltungskomponente 133, die durch eine Schicht aus einer wärmeleitfähigen Verbindung 131, typischerweise ein Thermofett, miteinander thermisch im Kontakt sind. Die Rauheit und Unregelmäßigkeiten beider Oberflächen, die unter 1 um liegen, sind unvermeidlich und führen zu einer Anzahl von Mikroporen 100, die dazu tendieren, Luft einzufangen. Der Wärmekontaktwiderstand quer durch den Grenzbereich kann reduziert werden, indem die eingefangene Luft eliminiert und durch Thermofett 131, wie Silikonöl, ausgetauscht wird, das eine Wärmeleitfähigkeit hat, die einige Male so hoch wie jene von Luft ist. Gewöhnlich wird die Viskosität des Thermofettes eingestellt, so daß das Thermofett halbflüssig ist, um eine pastenartige Konsistenz beizubehalten. Das Thermofett 131 enthält Füllstoffe, die aus feinen Partikeln von Metalloxiden oder Keramik bestehen, die in einem Trägerfluid, wie Silikonöl, schweben. Es wird eingeschätzt, daß eine Vergrößerung des gegenseitigen Kontakts zwischen den feinen Partikeln oder zwischen den feinen Partikeln und den Oberflächen des Grenzbereichs den Wärmekontaktwiderstand des Grenzbereichs reduziert, der mit der wärmeleitfähigen Verbindungsschicht gefüllt ist. Gemäß gesammelter Erfahrungen der Erfinder hat der Wärmekontaktwiderstand quer durch einen Wärmekontaktgrenzbereich, der in sich eine wärmeleitfähige Verbindung enthält, eine Beziehung mit dem auf ihn ausgeübten Druck, die Hysteresecharakteristiken aufweist, wie zuvor erwähnt.
Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Experimentiervorrichtung zum Studieren der Beziehung zwischen Widerstand und Druck. In der Vorrichtung sind eine erste Kupferscheibenplatte 214, eine Schicht aus Thermofett 215, eine zweite Kupferscheibenplatte 211, eine Heizscheibe 223 und ein Lastsensor 224 in der genannten Reihenfolge koaxial gestapelt und bilden einen Zylinderblock, der von einer dicken Wärmeisolierschicht 225 zum thermischen Isolieren der Bodenseite und der Zylinderseite des Blocks umgeben ist. Ein Kühlmitteldurchgang 212, nämlich ein Wasserdurchgang, ist in einem Kühlgehäuse 220 angeordnet. Die erste Kupferscheibenplatte 214 ist mit einem Ende eines Balgens 213 verbunden, der mit dem Kühlgehäuse 220 an dem anderen Ende wasserdicht verbunden ist und mit dem Kühlmitteldurchgang 212 operativ verbunden ist. Das Kühlmittelwasser fließt durch den Kühlmitteldurchgang 212, wie durch den Pfeil 217 gekennzeichnet, und dann wird die Strömungsrichtung mittels eines Deflektors 216, der innerhalb des Wasserdurchgangs 212 angeordnet ist, hin zu der ersten Kupferscheibe 214 gelenkt, wie durch den Pfeil 218 gekennzeichnet, wodurch Wärme, die in der Heizscheibe 223 erzeugt wird, abgeleitet wird. Dabei ist das Kühlgehäuse 220 fixiert, und der zylindrische Block ist durch die vertikale Bewegung eines Tisches 210, auf dem der Wärmeisolator 225 und der Zylinderblock angeordnet sind, vertikal beweglich.
Durch die Struktur der oben beschriebenen Konfiguration kann eingeschätzt werden, daß die gesamte Wärme, die in der Heizscheibe 223 erzeugt wird, mit guter Annäherung in eine aufwärtige Richtung strömt, wie durch den Pfeil 219 angegeben. Die Temperatur t&sub1; der ersten Kupferscheibenplatte 214 und die Temperatur t&sub2; der zweiten Kupferscheibenplatte 211 wird durch Thermopaare 221 und 222 gemessen, die an den Scheibenplatten 214 bzw. 211 angebracht sind. Somit kann der Wärmekontaktwiderstand Rcont des Wärmegrenzbereichs, der die Thermofettschicht 215 enthält, durch Messen der Temperaturen t&sub1; und t&sub2; und der Heizkraft Q, die der Heizscheibe 223 verliehen wird, gemäß der folgenden Formel leicht ausgerechnet werden:
Rcont = (t&sub2; - t&sub1;)/Q
Der Lastdruck P, der auf die Thermofettschicht 215 angewendet wird, wird durch einen Lastsensor 224 in der Form einer piezoresistiven Anordnung detektiert, wie ein Silikondruckwandler, der auf dem Markt erhältlich ist. Folglich ist der Druck, der auf das Thermofett 215 ausgeübt wird, die Summe des hydraulischen Drucks des Kühlmittels und des Federdrucks des Balgens 213. Der hydraulische Druck ist unter Verwendung einer hydraulischen Pumpe und einer Rohrleitung (beide nicht gezeigt) veränderbar, und der Federdruck des Balgens 213 kann durch Einstellen der vertikalen Position des Untertisches 210 nach oben oder nach unten, wie durch den Doppelpfeil 226 angegeben, in einem gewissen Bereich verändert werden.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das ein Experimentierresultat zeigt. Der Wärmekontaktwiderstand Rcont wird an der Ordinate und der Lastdruck P an der Abszisse angezeigt. Zu Beginn des Experiments wird der Lastdruck P allmählich von null auf einen maximalen Druck Pm erhöht und 3 Minuten lang auf Pm gehalten. Danach wird der Lastdruck P allmählich hin zu dem Wert Null reduziert. Jedes Experimentierdatum ist durch einen kleinen Kreis verzeichnet, anfangs in rechter Richtung, wie durch den Pfeil R gekennzeichnet, und nach Erreichen eines Punktes M in linker Richtung, wie durch den Pfeil L gekennzeichnet. Offensichtlich hat die Kurve von Fig. 3 Hysteresecharakter. Die Kurve hat bei einem Lastdruck, der als kritischer Druck Pc bezeichnet wird, einen Wendepunkt C. Bei einem Druck über Pc bleibt der Wärmekontaktwiderstand unverändert und wird beibehalten, bis der Lastdruck P auf Pm angestiegen ist und dann von Pm auf Pa nahe dem Wert Null verringert wird. Es wird bestätigt, daß der Wärmekontaktwiderstand bei einem Lastdruck von 10 Gramm, wie durch einen Punkt A gekennzeichnet, noch fast derselbe Wert wie jener bei einem höheren Lastdruck ist. Dieser Hysteresecharakter wird bei der vorliegenden Erfindung voll genutzt.
Im wesentlichen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine gedruckte Leiterplatte, auf der eine Anzahl von Schaltungskomponenten, wie IC-Chips, montiert sind, nämlich auf eine gedruckte Mehrchipleiterplatte. Zuerst werden jedoch ein einzelner Kühlmodul, der auf einen einzelnen Chip angewendet wird, und eine zugeordnete wärmeleitfähige Verbindungsschicht beschrieben, um das Prinzip der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Kühlmoduls, die seine Strukturkonfiguration zeigt. Entsprechend dem Kühlmodul ist eine Schaltungskomponente 11, wie eine Halbleiter-IC-Anordnung, auf einer gedruckten Leiterplatte 10 montiert. Eine wärmeleitfähige Verbindungsschicht 15, wie eine Schicht aus Thermofett, ist zwischen der oberen Oberfläche der Schaltungskomponente 11 und einer Wärmeübertragungsplatte 14 eingefügt, die aus Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, wie Kupfer. Die Wärmeübertragungsplatte 14 ist an einem Ende eines Balgens 13 flüssigkeitsdicht verbunden. An seinem anderen Ende ist der Balgen 13 mit einem Kühlgehäuse 20 fest verbunden und mit einem Kühlmitteldurchgang 12 operativ verbunden, der in dem Kühlgehäuse 20 angeordnet ist. Das Kühlmittel, das ein flüssiges Kühlmittel oder ein gasförmiges Kühlmittel sein kann, fließt durch den Kühlmitteldurchgang 12, wobei es die exponierte Oberfläche der Wärmeübertragungsplatte 14 kontaktiert. Die Strömung des Kühlmittels wird unter der Führung des Kühlmitteldurchgangs 12, wie durch einen Pfeil X gekennzeichnet, hin zu der Wärmeübertragungsplatte 14 gelenkt, so daß die Wärme, die in der Schaltungskomponente 11 erzeugt wird und quer durch die wärmeleitfähige Verbindungsschicht 15 auf die Wärmeübertragungsplatte 14 übertragen wird, durch das Kühlmittel effektiv abgeleitet wird. Die wärmeleitfähige Verbindungsschicht 15 kann auf der oberen Oberfläche der Schaltungskomponente 11 oder auf der unteren Oberfläche der Wärmeübertragungsplatte 14 und der Schaltungskomponente 11 zugewandt aufgetragen sein. Als Resultat gelangen beide Oberflächen in vollständigen Kontakt miteinander, selbst wenn sie uneben und rauh sind.
Dabei ist das Kühlgehäuse 20 fixiert, und der Stapelblock, der die Wärmeübertragungsplatte 14, die wärmeleitfähige Verbindungsschicht 15 und die Schaltungskomponente 11 umfaßt, wird vertikal bewegt, um einen Druck auf die wärmeleitfähige Verbindungsschicht 15 durch vertikales Bewegen der gedruckten Leiterplatte 10 auszuüben. Mit der oben beschriebenen Struktur des Kühlmoduls kann die wärmeleitfähige Verbindungsschicht 15 vor der Operation gepreßt werden, um die Wärmeleitfähigkeit der Schicht 15 auf die zuvor bezüglich des Experiments beschriebene Weise, dessen Resultat in Fig. 3 gezeigt ist, zu verstärken und zu stabilisieren. Das heißt, die Schicht 15 wird durch Anheben der gedruckten Leiterplatte 10 oder durch Erhöhen des hydraulischen Drucks des Kühlmittels auf einen Druck Pm, der höher als der kritische Druck Pc ist, der durch ein zuvor durchgeführtes Experiment bestimmt wurde, oder durch Kombinieren beider Operationen gepreßt. Der Druck Pm wird für eine vorbestimmte Zeit, gewöhnlich für drei Minuten, beibehalten. Danach wird der Druck von dem Druck Pm auf einen Arbeitsdruck Pa verringert, der etwas höher als null sein kann. In der Praxis jedoch wird für den Arbeitsdruck Pa ein höherer Wert gewählt, der ausreicht, um eine unvermeidliche Schwankung des relevanten hydraulischen Drucks des Kühlmittels oder des elastischen Drucks des Balgens zu absorbieren. Somit stellt die wärmeleitfähige Verbindungsschicht 15 einen Verbindungskontakt oder Fettkontakt zwischen der Wärmeübertragungsplatte 14 und der Schaltungskomponente 11 her.
Fig. 5(a) und 5(b) sind im wesentlichen schematische Querschnittsteilansichten eines Kühlsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Reihe von Kühlmodulen für entsprechende Schaltungskomponenten 11 zeigen, die auf einer gedruckten Mehrchipleiterplatte 10 montiert sind. Die Kühlmodule sind mit einem fixierten Kühlgehäuse 20 verbunden, durch welches ein Kühlmitteldurchgang 12 angeordnet ist. Das Kühlmittel wird durch eine hydraulische Pumpe 19 des relevanten Kühlsystems (nicht vollständig gezeigt) der elektronischen Schaltungsvorrichtung unter Druck gesetzt, strömt durch den Kühlmitteldurchgang 12 und entfernt durch den entsprechenden Kühlmodul Wärme, die in jeder Schaltungskomponente 11 erzeugt wird. Jeder Kühlmodul umfaßt einen Balgen 13, der an einem Ende an dem Kühlgehäuse 20 befestigt ist und mit dem Kühlmitteldurchgang 12 operativ verbunden ist, und an dem anderen Ende an einer Wärmeübertragungsplatte 14 befestigt ist. Die gedruckte Leiterplatte 10 wird an ihrer peripheren Kante durch einen Flansch 22 gestützt, der an dem unteren Abschnitt des Kühlgehäuses 20 befestigt ist. Die Achsen der Kühlmodule sind zu den entsprechenden Schaltungskomponenten 11 vertikal angeordnet. Eine wärmeleitfähige Verbindung, wie Silikonthermofett, das auf dem Markt erhältlich ist, wird aufgetragen, um auf der oberen Oberfläche der Schaltungskomponente 11 oder auf der unteren Oberfläche der Wärmeübertragungsplatte 14 eine Schicht 15 zu bilden. Dann wird die gedruckte Leiterplatte 10 unter Verwendung einer beweglichen Grundplattenvorrichtung 16, nämlich eines Tischhebers, vertikal angehoben und gegen die Kühlmodule gedrückt. Somit wird jede Schaltungskomponente 11 gegen die entsprechenden Wärmeübertragungsplatten 14 gedrückt, wobei auf jede wärmeleitfähige Verbindungsschicht 15 ein Druck P ausgeübt wird, wie in Fig. 5(a) gezeigt. Der Druck P wird bis auf Pm erhöht, der höher als der kritische Druck Pc ist, der durch ein im voraus durchgeführtes Experiment definiert ist. Der Druck Pm wird für eine Zeit, zum Beispiel für drei Minuten, beibehalten, und danach wird der Untertisch 16 herabgesenkt, wobei der Druck P abnimmt, bis die gedruckte Leiterplatte 10 wieder durch den Flansch 22 gehalten wird, wie in Fig. 5(b) gezeigt. Die gedruckte Leiterplatte 10 wird an dem Flansch 22 fixiert. In dieser Situation ist für die wärmeleitfähige Schicht 15 ein Arbeitsdruck Pa, der höher als null ist, vorgesehen. Als Resultat wird eine stabile und hohe Wärmeübertragung von der Schaltungskomponente 11 zu dem Kühlmittel hergestellt, wodurch der relevanten elektronischen Schaltungsvorrichtung eine hohe Zuverlässigkeit verliehen wird.
Fig. 6(a) und 6(b) sind im wesentlichen schematische Querschnittsansichten eines Kühlsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Reihe von Kühlmodulen zeigen, die mit den entsprechenden Schaltungskomponenten 11, die auf einer gedruckten Mehrchipleiterplatte 10 montiert sind, im Eingriff stehen. In dieser zweiten Ausführungsform ist das Kühlgehäuse 20 in ein unteres Kühlgehäuse 20a und ein oberes Kühlgehäuse 20b trennbar. Das untere Kühlgehäuse 20a hat eine Öffnung 20c in seinem oberen Abschnitt. Die relevanten Wärmeübertragungsplatten 14 werden mit einer Schiebevorrichtung 17 nach unten geschoben, wie durch einen Pfeil Y angegeben, wobei jede der wärmeleitfähigen Verbindungsschichten 15, die zwischen der oberen Oberfläche der Schaltungskomponenten 11 und den Wärmeübertragungsplatten 14 eingefügt sind, gegen die entsprechenden Schaltungskomponenten 11 gedrückt wird. Die Schiebevorrichtung 17 hat eine Vielzahl von Stäben 21 mit einem kugelförmigen Endstück an jedem Ende, und jeder Stab 21 wird durch die Öffnung 20c des unteren Kühlgehäuses 20a in einen Balgen 13 eingefügt, wobei jede Wärmeübertragungsplatte 14, die mit dem Balgen 13 verbunden ist, gegen die Schaltungskomponenten 11 gedrückt wird (Fig. 6(b)). Die Schiebevorrichtung 21 wird durch eine mechanische Energiequelle (nicht gezeigt) angetrieben, so daß die wärmeleitfähigen Verbindungsschichten 15 einem Druck ausgesetzt werden, der sich gemäß demselben Zeitplan ändert wie jener der vorhergehenden Ausführungsform. Dann wird die Öffnung 20c des unteren Kühlgehäuses 20a durch das obere Kühlgehäuse 20b, nämlich eine Gehäuseabdeckung, auf herkömmliche Weise wasserdicht verschlossen, wobei ein "O"-Ring 23 und Schrauben 24 verwendet werden (Fig. 6(a)). Der Effekt der so behandelten wärmeleitfähigen Verbindungsschicht 15 ist derselbe wie jener, der in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.
Fig. 7 ist eine im wesentlichen schematische Querschnittsansicht eines Kühlsystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Reihe von Kühlmodulen für die entsprechenden Schaltungskomponenten 11 zeigt, die auf einer gedruckten Mehrchipleiterplatte 10 montiert sind. In dieser dritten Ausführungsform ist die Strukturkonfiguration des Kühlsystems dieselbe wie jene der ersten Ausführungsform. Jedoch wird anstelle der Druckvorrichtungen, die bei den vorhergehenden Ausführungsformen verwendet werden, der hydraulische Druck des Kühlmittels verwendet, indem die relevante hydraulische Pumpe 19 gesteuert wird, die mit einer Öffnung eines Kühlgehäuses verbunden ist, so daß die wärmeleitfähige Verbindungsschicht 15 einem Druck ausgesetzt werden kann, der sich gemäß einem ähnlichen Zeitplan wie in den ersten und zweiten Ausführungsformen ändert. Die andere Öffnung des Kühlgehäuses 20 wird durch eine Absperrabdeckung 26, wie in Fig. 7 gezeigt, oder unter Verwendung eines Absperrventils (nicht gezeigt) geschlossen. Der Ausgabedruck der Pumpe 19 wird durch Steuern eines Antriebsmotors (nicht gezeigt) gesteuert, so daß das oben beschriebene Druckmuster erreicht wird. Der Effekt der Kühlmodule ist derselbe wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen. Obwohl eine Einstellung des hydraulischen Drucks durch Steuern der relevanten hydraulischen Pumpe erforderlich ist, kann das anfängliche Pressen der wärmeleitfähigen Verbindungsschicht durch das Verfahren gemäß der dritten Ausführungsform leicht ausgeführt werden.
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht von Schaltungskomponenten 11, die auf einer gedruckten Leiterplatte 10 montiert sind und ein quadratisches Begrenzungsmittel 25 in Ringform haben, das auf der oberen Oberfläche der Schaltungskomponenten 11 angeordnet ist, zum Verhindern, daß die wärmeleitfähigen Verbindungsschichten 15 aus dem Bereich wegfließen, in dem sie anfangs vorgesehen werden. Das Begrenzungsmittel 25 ist gebildet, um den genannten Bereich zu umgeben, und kann mit der Schaltungskomponente 11 in einem Einzelkörper auf ihrer oberen Oberfläche gebildet sein, oder kann unter Verwendung eines Materials, wie Keramik, Silikongummi, etc., separat gebildet sein und auf der oberen Oberfläche der Schaltungskomponente 11 haftend angeordnet sein. Die Höhe der Begrenzung 25 wird gewählt, um etwas kleiner als die Dicke der wärmeleitfähigen Schicht 15 zu sein, damit die Verbindungsschicht danach gepreßt werden kann. Das Begrenzungsmittel 25 kann auf der unteren Oberfläche der zugeordneten Wärmeübertragungsplatte 14 gebildet sein (siehe Fig. 5(a)-5(b), 6(a)-6(b) und 7).

Claims

1. Ein Kühlsystem, das mit einer gedruckten Leiterplatte (10) verwendet wird, die wenigstens eine feste Schaltungskomponente (11) hat, welches Kühlsystem umfaßt:

ein Kühlgehäuse (20) mit einem Kühlmitteldurchgang (12), der in ihm angeordnet ist;

ein Wärmeübertragungsmittel (14), das mit dem genannten Kühlgehäuse operativ verbunden ist, so daß wenigstens ein Teil des genannten Wärmeübertragungsmittels einem flüssigen Kühlmittel ausgesetzt ist, das durch den genannten Kühlmitteldurchgang strömt, und daß Wärme von dem genannten Wärmeübertragungsmittel zu dem genannten flüssigen Kühlmittel übertragen werden kann;

ein elastisches Mittel (13), das mit dem genannten Wärmeübertragungsmittel und dem genannten Kühlgehäuse verbunden ist, und ein Druckmittel (19) zum Vorspannen des genannten Wärmeübertragungsmittels gegen die genannte feste Schaltungskomponente mit einem Arbeitsdruck (Pa), der höher als der Null-Druck ist; und

ein wärmeleitfähiges Verbindungsmittel (15), das zwischen dem genannten Wärmeübertragungsmittel und der genannten festen Schaltungskomponente angeordnet ist und einen Wärmekontakt zwischen dem genannten Wärmeübertragungsmittel und der genannten festen Schaltungskomponente herstellt, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein Überdruckmittel (19; 17, 21) umfaßt, um auf das genannte wärmeleitfähige Verbindungsmittel (15) freigebbar einen Druck (Pm) auszuüben, der wesentlich größer als der Druck (Pc) ist, der erforderlich ist, um einen minimalen Wärmekontaktwiderstandswert in dem genannten wärmeleitfähigen Verbindungsmittel zu erreichen (Fig. 3).

2. Ein Kühlsystem nach Anspruch 1, bei dem das genannte wärmeleitfähige Verbindungsmittel (15) ein Thermosilikonfett ist.

3. Ein Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das genannte Wärmeübertragungsmittel (14) und das genannte elastische Mittel (13) einen Kühlmodul bilden.

4. Ein Kühlsystem nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das genannte elastische Mittel ein Balgen (13) ist.

5. Ein Kühlsystem nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das genannte Wärmeübertragungsmittel eine Platte (14) ist, die aus Metall besteht und eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat.

6. Ein Kühlsystem nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das genannte Überdruckmittel (19) eine hydraulische Pumpe (19) umfaßt, die mit dem genannten Kühlgehäuse (20) operativ verbunden ist, das genannte flüssige Kühlmittel unter Druck setzt und ermöglicht, daß das genannte flüssige Kühlmittel durch den genannten Kühlmitteldurchgang (12) strömt.

7. Ein Kühlsystem nach Anspruch 6, bei dem der genannte Arbeitsdruck durch das genannte elastische Mittel (13) vorgesehen wird und der genannte hydraulische Druck des genannten flüssigen Kühlmittels durch die genannte hydraulische Pumpe (19) vorgesehen wird.

8. Ein Kühlsystem nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, welches ferner ein Begrenzungsmittel (25) umfaßt, das auf einer Oberfläche der genannten festen Schaltungskomponente (11) angeordnet ist und den Bereich umgibt, in dem das genannte wärmeleitfähige Verbindungsmittel (15) vorgesehen ist.

9. Ein Kühlsystem nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das genannte Kühlgehäuse (20) trennbar ist in ein unteres Glied (20a), das eine Öffnung (20c) hat, und ein oberes Glied (20b), das die genannte Öffnung des genannten unteren Glieds flüssigkeitsdicht verschließen kann.

10. Ein Verfahren zum Vorsehen eines wärmeleitfähigen Verbindungsmittels (15), um den Wärmekontaktwiderstand zwischen einem ersten Glied (14) und einem zweiten Glied (11) zu reduzieren und zu stabilisieren, die jeweilige erste und zweite Oberflächen haben, die einander zugewandt sind, bei dem das genannte wärmeleitfähige Verbindungsmaterial zwischen der genannten ersten Oberfläche und der genannten zweiten Oberfläche eingefügt ist, und das genannte erste Glied und das genannte zweite Glied aneinandergepreßt werden, gekennzeichnet durch die Schritte:

Aneinanderpressen der genannten ersten und zweiten Glieder mit dem genannten wärmeleitfähigen Verbindungsmittel dazwischen mit einem Anfangsdruck (Pm), der wesentlich größer als der Druck (Pc) ist, der erforderlich ist, um einen minimalen Wärmekontaktwiderstand in dem genannten wärmeleitfähigen Verbindungsmittel zu erreichen; und

Reduzieren des genannten Anfangsdrucks (Pm) auf einen Arbeitsdruck (Pa), der höher als der Null-Druck ist (Fig. 3).

11. Ein Verfahren zum Vorsehen eines wärmeleitfähigen Verbindungsmittels in einem Kühlsystem, das mit einer gedruckten Leiterplatte (10) verwendet wird, die wenigstens eine feste Schaltungskomponente (11) hat, welches Kühlsystem ein Kühlgehäuse (20) enthält, das einen Kühlmitteldurchgang (12) hat, der in ihm angeordnet ist, eine hydraulische Pumpe (19), die mit dem genannten Kühlmitteldurchgang operativ verbunden ist, zum Unterdrucksetzen eines flüssigen Kühlmittels, um durch den genannten Kühlmitteldurchgang zu strömen, und einen Kühlmodul, der entsprechend der genannten festen Schaltungskomponente angeordnet ist, welcher Kühlmodul ein Wärmeübertragungsmittel (14) umfaßt, das mit dem genannten Kühlgehäuse (20) operativ verbunden ist, so daß wenigstens ein Teil des genannten Wärmeübertragungsmittels der Strömung des genannten flüssigen Kühlmittels ausgesetzt ist, und daß Wärme von dem genannte Wärmeübertragungsmittel zu dem genannten flüssigen Kühlmittel übertragen werden kann, und ein elastisches Mittel (13), das mit dem genannten Wärmeübertragungsmittel und dem genannten Kühlgehäuse verbunden ist, zum Vorspannen des genannten Wärmeübertragungsmittels gegen die genannte feste Schaltungskomponente mit einem Arbeitsdruck (Pa), der höher als die Drucklosigkeit ist, bei dem das genannte wärmeleitfähige Mittel zwischen dem genannten Wärmeübertragungsmittel und der genannten festen Schaltungskomponente angeordnet ist und zwischen ihnen einen Wärmekontakt herstellt, welches Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:

Pressen des genannten Wärmeübertragungsmittels (14) an die genannte feste Schaltungskomponente (11) mit dem genannten wärmeleitfähigen Verbindungsmittel (15) dazwischen mit einem Anfangsdruck (Pm), der wesentlich größer als der Druck (Pc) ist, der erforderlich ist, um einen minimalen Wärmekontaktwiderstand in dem genannten wärmeleitfähigen Verbindungsmittel zu erreichen (Fig. 3); und

Reduzieren des genannten Anfangsdrucks auf den genannten Arbeitsdruck (Pa), der niedriger als der genannte Anfangsdruck ist;

wodurch ein reduzierter und stabilisierter Wärmekontaktwiderstand zwischen dem genannten Wärmeübertragungsmittel (14) und der genannten festen Schaltungskomponente (11) unter dem genannten Arbeitsdruck (Pa) vorgesehen wird.

12. Ein Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der genannte Anfangsdruck für das genannte wärmeleitfähige Verbindungsmittel vorgesehen wird, indem die genannte gedruckte Leiterplatte (10) gegen den genannten Kühlmodul gedrückt wird.

13. Ein Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die genannte gedruckte Leiterplatte (10) unter Verwendung eines Tischhebers hin zu jedem genannten Kühlmodul bewegt wird.

14. Ein Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das genannte Kühlgehäuse (20) trennbar ist in ein unteres Glied (20a), das eine Öffnung hat, und ein oberes Glied (20b), das die genannte Öffnung des genannten unteren Glieds flüssigkeitsdicht verschließen kann, und der genannte Anfangsdruck für das genannte wärmeleitfähige Verbindungsmittel vorgesehen wird, indem das genannte Wärmeübertragungsmittel gegen die genannte Schaltungskomponente unter Verwendung einer Schiebevorrichtung geschoben wird, die in das genannte untere Kühlgehäuse eingefügt wird, indem das genannte obere Kühlgehäuse entfernt wird.

15. Ein Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der genannte Anfangsdruck, der auf das genannte wärmeleitfähige Verbindungsmittel (15) ausgeübt wird, durch Steuern des genannten hydraulischen Drucks des genannten Kühlmittels unter Verwendung der genannten hydraulischen Pumpe (19) und das Mittel (26) zum Stoppen der Strömung des genannten Kühlmittels verändert wird.