DE3885071T2

DE3885071T2 - Tieftemperaturgefäss zum kühlen einer elektronischen schaltung.

Info

Publication number: DE3885071T2
Application number: DE3885071T
Authority: DE
Inventors: Warren Porter
Original assignee: NCR International Inc
Current assignee: NCR International Inc
Priority date: 1987-06-22
Filing date: 1988-06-15
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-06-16
Also published as: WO1988010511A1; JP2521804B2; DE3885071D1; EP0321550B1; US4805420A; JPH01503665A; EP0321550A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Tieftemperaturgefäße und betrifft insbesondere Tieftemperaturgefäße zur Kühlung elektronischer Schaltungseinrichtungen, wie IC-Chips.
Wegen steigender Packungsdichten und höherer Schaltraten ist die Wärmeentwicklung in modernen Elektronikgeräten ein ernstes Problem geworden, und die Kühlung hochintegrierter Schaltkreise ist von vorrangiger Bedeutung. Es wurde vorgeschlagen, daß solche Packungen in ein verflüssigtes Gas, das in einem Tieftemperaturgefäß enthalten ist, eingetaucht werden sollen. Solch eine Anordnung ist z. B. in der US-A-4 027 728 offenbart. In der Vorrichtung gemäß diesem Patent wird ein Stapel von in eine kühlende Flüssigkeit eingetauchten Halbleiterelementen innerhalb des Gefäßes durch ein Paar elektrisch isolierter, kabelähnlicher Anschlüsse mit einer externen Benutzungsvorrichtung in Position gehalten. In dieser, kabelähnliche Anschlüsse benutzenden Vorrichtung ergeben sich beträchtliche Probleme, eine große Anzahl von Verbindungen vorzusehen, einschließlich der Probleme wie die Notwendigkeit, die Impedanz der Verbindungen zu kontrollieren, die Notwendigkeit, Koppelungen zu vermeiden und die Schwierigkeit, die Kabel zu biegen. Die FR 2 256 385 offenbart die Anbringung einer Halbleitervorrichtung in einer Tieftemperaturvorrichtung, wobei die elektrische Verbindung in der Art eines die elektrischen Leiter enthaltenden Bandes ausgeführt ist. Jedoch ist die Vorrichtung an eine Außenwand des die Tieftemperaturflüssigkeit enthaltenden Gefäßes montiert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Tieftemperaturgefäß zu schaffen, mit dem die obigen Probleme gemildert werden.
Somit wird entsprechend der Erfindung ein Tieftemperaturgefäß zum Kühlen elektronischer Schaltungseinrichtungen geschaffen, die in eine in dem Gefäß enthaltene Tieftemperaturflüssigkeit eingetaucht sind, wobei das Tieftemperaturgefäß Zuleitungseinrichtungen aufweist, die sich durch die Wand des Gefäßes hindurcherstrecken, um Tieftemperaturflüssigkeit in das Gefäß hinein- und Gas herauszuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß sich aus einem Paar von Gefäßteilen zusammensetzt, von denen jedes eine Außenwand und eine innere Tauchkammer aufweist, sowie ein Membranelement zwischen den Gefäßteilen zum Trennen der Tauchkammern, wobei das Membranelement zwischen den Gefäßteil-Wänden angeordnet ist, wodurch eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen dem Membranelement und jeder der Gefäßteil-Wände erreicht wird, und Öffnungen darin aufweist, um einen Flüssigkeitsübergang zwischen den Tauchkammern der Gefäßteile zu ermöglichen, und auch einen Bereich aufweist, der sich zu einer Position außerhalb des Gefäßes erstreckt, wobei die elektronischen Schaltungseinrichtungen an Befestigungsvorrichtungen auf einem Abschnitt des Membranelementes innerhalb einer der Tauchkammern befestigt sind, und das Membranelement elektrische Leitereinrichtungen enthält, die mit den Befestigungsvorrichtungen verbunden sind, wobei sich die elektrischen Leitereinrichtungen innerhalb des Membranelementes von den Befestigungsvorrichtungen zu der Position außerhalb des Gefäßes erstrecken.
Weitere Vorteile des Tieftemperaturgefäßes gemäß der Erfindung sind:
a) daß die hierin benutzte Membran ringsum eine bessere Abstützung als zwei Kabel ergibt;
b) daß die Membran leichter als Kabel abzudichten ist, und
c) daß das Gefäß leichter zusammenzubauen ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht des Tieftemperaturgefäßes der vorliegenden Erfindung ist, wobei ein Teil der Oberseite zur Darstellung einer darin vorgesehenen Tauchkammer entfernt ist;
Fig. 2 ein entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 verlaufender Seitenquerschnitt des Tieftemperaturgefäßes ist;
Fig. 3 ein Aufriß eines in vertikaler Anordnung aufgestellten Teils des Tieftemperaturgefäßes der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 4 ein Seitenquerschnitt des in horizontaler Anordnung aufgestellten Tieftemperaturgefäßes der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer flexiblen Membran ist, die mit dem Tieftemperaturgefäß der vorliegenden Erfindung benutzbar ist;
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer flexiblen Membran ist, die mit dem Tieftemperaturgefäß der vorliegenden Erfindung benutzbar ist, wobei ein Teil ihrer Oberfläche freigelegt ist, um elektrische Leitungen darin darzustellen; und
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer flexiblen Membran ist, die mit dem Tieftemperaturgefäß der vorliegenden Erfindung benutzbar ist.
Fig. 1 ist eine Draufsicht eines Tieftemperaturgefäßes 10 mit einem teilweise geschnittenen Oberteil zur Darstellung einer Tauchkammer 12 darin, und Fig. 2 ist ein Seitenquerschnitt des Tieftemperaturgefäßes 10 von Fig. 1.
Bezugnehmend auf die beiden Fig. 1 und 2 ist das Tieftemperaturgefäß 10 aus zwei isolierten Gefäßteilen 14 und 16 aufgebaut, die symmetrisch sein können, und die durch eine flexible Membran 18 geteilt sind, die zwischen einem Paar von Dichtungen 19 angeordnet ist. Die flexible Membran 18 weist einen darauf angeordneten IC-Sockel 20 auf, so daß ein an den IC-Sockel 20 angeschlossener IC-Chip 22 innerhalb einer der Tauchkammern 12 plaziert ist. Wie in Verbindung mit Fig. 5 diskutiert wird, kann die flexible Membran 18 wie gewünscht eine Mehrzahl von IC-Leitern umfassen.
Das Tieftemperaturgefäß 10 ist durch Befestigungsbeschläge, wie Bolzen 24, an einer gedruckten Schaltungskarte 26 (siehe Fig. 2) befestigt. Jedes symmetrische Teil 14 und 16 enthält eine Außenwand 32 und eine Innenwand 34. Anschließend an die Außenwand 32 ist eine Schicht aus Isoliermaterial 36, wie geschlossenzelliger Kunststoffschaum vorgesehen, der der Außenwand 32 mechanische Stabilität verleiht und so bemessen ist, daß eine dampfdichte Abdichtung zwischen den symmetrischen Gefäßteilen 14 und 16 und der dazwischengeklemmten flexiblen Membran 18 ermöglicht wird, wenn die Gefäßteile 14 und 16 mit den Bolzen 24 zusammengeklemmt werden. Eine Vakuumkammer 30 ist durch die innere Wand 34 und eine an der Isolierschicht 36 anschließende Kammerwand 33 definiert. Jede Vakuumkammer 30 ist so geformt, um eine Einfassung zu bilden, und ist geschlossen verschweißt. Die Vakuumkammer 30 bildet eine Schicht der Hochisolierung um die Tauchkammer 12 von jedem Gefäßteil 14 und 16 herum. Die Isolierschichten 36 der Gefäßteile 14 und 16 dichten zusammen mit der flexiblen Membran 18 zwischen den Dichtungen 19 die Tauchkammer 12 von der angrenzenden Umgebung außerhalb des abgedichteten Tieftemperaturgefäßes 10 ab, wobei eine Tieftemperaturflüssigkeit 42 in der Tauchkammer 12 enthalten ist und Beschlagbildung verhindert wird.
Die flexible Membran 18 kann eine im Handel erhältliche flexible Schaltung sein, die aus Material hergestellt ist, das bei Tieftemperaturen nicht starr wird, wie z. B. Polyimid oder Teflonmaterial. Teflon ist ein Warenzeichen von E. I. Du Pont de Nemours and Company. Die flexible Membran 18 enthält innenliegende elektrische Leiter 25 (siehe Fig. 6), die kontrollierte Impedanzen für verschiedene Schaltungsvorrichtungen haben können, und die elektrische Verbindungen zwischen IC-Sockel 20 und einem Einschub-Adapter 40 liefern, der in einen Sockel 43 einsteckbar ist, der auf der gedruckten Schaltkarte 26 montiert ist. Der IC-Sockel 20 und der Einschubadapter 40 weisen Anschlußstifte 21 und 41 auf, die jeweils an einzelne Leiter 25 in der flexiblen Membran 18 angelötet sind, um die elektrischen Verbindungen zu bilden. Die Tauchkammern 12 enthalten die Tieftemperaturflüssigkeit, wie z. B. flüssigen Stickstoff, um den IC-Chip 22 vollständig zu umgeben und dadurch dessen Kühlung zu liefern. Der Flüssigkeitsübergang einschließlich der Tieftemperaturflüssigkeit und Gase zwischen den Gefäßteilen 14 und 16 wird durch Löcher oder Öffnungen 44 in der flexiblen Membran 18 geschaffen, die regelmäßig beabstandet um den Umfang des IC-Sockels 20 angeordnet sind (siehe Fig. 1). Daher kann, wie in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 diskutiert wird, die Tieftemperaturflüssigkeit 42 in die Tauchkammer 12 in einem der symmetrischen Teilgefäße 14 oder 16 zugeführt werden, um frei durch die Löcher 44 in das andere Tieftemperaturgefäßteil zu fließen, um den zu kühlenden IC-Chip 22 zu umgeben.
Fig. 3 ist ein Aufriß eines der Tieftemperaturgefäßteile 16, wobei das andere Gefäßteil 14 entfernt ist und das Gefäßteil 16 in einer vertikalen Anordnung aufgestellt ist. Die Tauchkammer 12 des Gefäßteils 16 ist in verdeckter Darstellung gezeigt. Wie mit dem Pfeil 52 gezeigt, wird die Tieftemperaturflüssigkeit 42 in die Tauchkammer 12 durch einen Schlauch 50 eingeführt, der durch die Außenwand 32, das Isoliermaterial 36 und die Vakuumkammer 30 des Gefäßteiles 16 führt. Die Tieftemperaturflüssigkeit 42 verlässt den Schlauch 50 an seinem Ausgangsende 54, das unterhalb der Flüssigkeit-Gas-Grenzfläche der Tauchkammer 12 angeordnet ist. Wenn die Tieftemperaturflüssigkeit 42 den Chip 22 kühlt, siedet sie in den gasförmigen Zustand über. Das entstehende Gas wird aus der Tauchkammer 12 über einen Schlauch 56 abgeführt, wie mit Pfeil 57 gezeigt, dessen Ausgangsende 58 überhalb der Flüssigkeit- Gas-Grenzfläche 55 ist. Die flexible Membran 18 hat einen vergrößerten Abschnitt 60, der das Tieftemperaturgefäßteil 16 umschließt, wobei die symmetrischen Gefäßteile 14 und 16 geteilt werden, wenn die Gefäßteile 14 und 16 zusammengebaut sind, um das Tieftemperaturgefäß 10 zu bilden. Der flexible Membranabschnitt 60 umfaßt Löcher 62, durch welche die Bolzen 24 durchgeführt werden können, um die Gefäßteile 14 und 16 zusammenzuklemmen, wie in Verbindung mit Fig. 1 und 2 erklärt ist.
Fig. 4 ist ein Seitenquerschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels des in horizontaler Anordnung aufgestellten Tieftemperaturgefäßes 10. In der Anordnung von Fig. 4 fließt die Tieftemperaturflüssigkeit 42 durch den Schlauch 50, wie mit Pfeil 52 gezeigt, um an seinem unter der Flüssigkeit-Gas-Grenzfläche gedrehten Ausgangsende 54 auszutreten, wenn das Gefäß 10 horizontal aufgestellt ist. Der Schlauch 56 hat sein Ausgangsende 58 über der Flüssigkeit-Gas- Grenzfläche 55 gedreht, um aus der Tieftemperaturflüssigkeit 42 siedendes Gas abzuleiten, wenn der Chip 22 gekühlt wird (siehe Pfeil 57).
Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen mehrere mögliche Ausführungsbeispiele der flexiblen Membran 18 zur Trennung der symmetrischen Gefäßteile 14 und 16 (siehe Fig. 2 und 4). Das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 hat einen zentral angeordneten vergrößerten Abschnitt 60 und schmale, gestreckte Bereiche 80 und 81, die sich davon in gegensätzliche Richtung erstrecken. Einsteckadapter 82 und 83 sind an jedem Ende der jeweiligen gestreckten Bereiche 80 und 81 angeordnet, um elektrische Verbindungen zu elektrischen Leitern (nicht gezeigt) in der flexiblen Membran 18 zu schaffen, die wiederum an eine Vielzahl von IC-Chips 84 am vergrößerten Abschnitt 60 angeschlossen sind.
Fig. 6 ist das Ausführungsbeispiel einer flexiblen Membran 18 der Fig. 2 und 4, wobei der vergrößerte Abschnitt 60 an einem Ende eines schmalen, gestreckten Bereiches 85 vorgesehen ist, während der Einsteckadapter sich am anderen Ende befindet.
Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der flexiblen Membran 18, worin der gestreckte Bereich 87 von dem vergrößerten Abschnitt 60 ausgehend in Teilbereiche 88 und 89 geteilt ist. Der Teilbereich 88 endet an einem Einsteckadapter 90 und der Teilbereich 89 endet an einem Einsteckadapter 92. Die Konfiguration von Fig. 7 ist besonders zweckmäßig, wenn die Einsteckadapter 90 und 92 in Sockel an getrennten, gedruckten Schaltungskarten, oder je nach Anforderung in getrennten Sockeln an gegenüberliegenden Seiten einer Mehrschichtschaltungskarte einzustecken sind.
Ein weiterer Vorteil der Benutzung einer flexiblen Membran liegt darin, daß sie in einfacher Weise in rechte Winkel gebogen werden kann, wodurch z. B. eine kompakte Konstruktion, wie in Fig. 2 gezeigt, erreicht werden kann. Ebenfalls ist es einfacher, die Enden einer flachen, bandförmigen Membran mit externen Verbindungen unter Anwendung der Schwallöttechnik zu verbinden.

Claims

1. Ein Tieftemperaturgefäß (10) zum Kühlen elektronischer Schaltungseinrichtungen (22,84), die in eine in dem Gefäß (10) enthaltene Tieftemperaturflüssigkeit eingetaucht sind, wobei das Tieftemperaturgefäß Zuleitungseinrichtungen (50,56) aufweist, die sich durch die Wand des Gefäßes (10) hindurcherstrecken, um Tieftemperaturflüssigkeit in das Gefäß (10) hinein- und Gas herauszuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (10) sich aus einem Paar von Gefäßteilen (14,16) zusammensetzt, von denen jedes eine Außenwand (32) und eine innere Tauchkammer (12) aufweist, sowie ein Membranelement (18) zwischen den Gefäßteilen zum Trennen der Tauchkammern (12), wobei das Membranelement (18) zwischen den Gefäßteil- Wänden (32) angeordnet ist, wodurch eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen dem Membranelement (18) und jeder der Gefäßteil-Wände (32) erreicht wird, und Öffnungen (44) darin aufweist, um einen Flüssigkeitsübergang zwischen den Tauchkammern (12) der Gefäßteile (14,16) zu ermöglichen, und auch einen Bereich (80,81,85,87) aufweist, der sich zu einer Position außerhalb des Gefäßes (10) erstreckt, wobei die elektronischen Schaltungseinrichtungen (22,84) an Befestigungsvorrichtungen (20) auf einem Abschnitt (60) des Membranelementes (18) innerhalb einer der Tauchkammern (12) befestigt sind, und das Membranelement (18) elektrische Leitereinrichtungen (25) enthält, die mit den Befestigungsvorrichtungen (20) verbunden sind, wobei sich die elektrischen Leitereinrichtungen (25) innerhalb des Membranelementes (18) von den Befestigungsvorrichtungen (20) zu der Position außerhalb des Gefäßes (10) erstrecken.

2. Tieftemperaturgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranelement (18) eine flexible Schaltung ist.

3. Tieftemperaturgefäß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus Polyimid oder Teflonmaterial besteht.

4. Tieftemperaturgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitereinrichtung (25) elektrische Verbindungen zwischen den elektrischen Schaltungseinrichtungen (22,84) und einem Einschubadapter (40) zum Einstecken in eine auf einer gedruckten Schaltungskarte (26) montierten Buchse (43) aufweist.

5. Tieftemperaturgefäß nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Klemmvorrichtungen (24) zum Zusammenspannen der Gefäßteile (14,16).

6. Tieftemperaturgefäß nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung (24) außerdem Vorrichtungen zum Befestigen der zusammengespannten Gefäßteile (14,16) auf der gedruckten Schaltungskarte (26) umfaßt.

7. Tieftemperaturgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Gefäßteile (14,16) zwischen seiner Außenwand (32) und seiner Tauchkammer (12) eine isolierende Vakuumkammer (30) aufweist, wobei die isolierenden Vakuumkammern (30) die Tauchkammern (12) umgeben und das Gefäß zwischen jeder der Vakuumkammern (30) und dem Membranelement (18) ein Dichtungselement (19) aufweist, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung dazwischen zu bewirken.

8. Tieftemperaturgefäß nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Gefäßteile (14,16) zwischen seiner Außenwand (32) und seiner isolierenden Vakuumkammer (30) außerdem eine Schicht aus Isoliermaterial (36) aufweist, wobei die Schichten aus Isoliermaterial (36) so bemessen sind, daß sie das Membranelement (18) berühren, um eine dampfdichte Abdichtung damit zu bilden.

9. Tieftemperaturgefäß nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Isoliermaterial (36) aus einem geschlossenzelligen Kunststoffschaum besteht.

10. Tieftemperaturgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungseinrichtung (50,56) eine Zuführleitung (50) mit einem Anschlußende (54) in einer der Tauchkammern (12) unterhalb der Flüssigkeit-Gas- Grenzschicht des Tieftemperaturfluids aufweist; und eine Abführleitung (56) mit einem Anschlußende (58) in einer der Tauchkammern (12) oberhalb dieser Flüssigkeit-Gas- Grenzschicht aufweist.