DE3886384T2

DE3886384T2 - Selbstausrichtende anordnung für flüssigkeitskühlung.

Info

Publication number: DE3886384T2
Application number: DE88909948T
Authority: DE
Inventors: George Adrian; Edward Nicol
Original assignee: Unisys Corp
Current assignee: Unisys Corp
Priority date: 1987-10-13
Filing date: 1988-10-06
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2008-10-07
Also published as: JPH0418469B2; EP0340284B1; EP0340284A1; WO1989003590A1; US4791983A; JPH02501695A; DE3886384D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für eine Flüssigkeitskühlung von integrierten Schaltungen, die auf einem Substrat angeordnet sind; die genannte Anordnung enthält jeweils von einer Flüssigkeit gekühlte Ummantelungen für jede der genannten integrierten Schaltungen, Verteiler und Schläuche, über die eine Flüssigkeit durch die Ummantelungen geleitet wird, sowie einen Rahmen, der die genannten Ummantelungen mit Hilfe von Federn gegen die genannten integrierten Schaltungen hält.
Viele integrierte Schaltungen (z.B. 10 bis 100) werden gewöhnlich auf einer gedruckten Schaltungsplatine angeordnet und miteinander verbunden. Auf dieser Platine arbeiten diese integrierten Schaltungenen zusammen, um unterschiedliche, vorherbestimmte logische Funktionen auszuführen. So können sie beispielsweise als digitaler Computer, als Steuervorrichtung für eine Disk oder als dynamischer Speicher eingesetzt sein. In jedem Fall strahlen alle integrierten Schaltungen Wärme ab, und es muß eine Vorrichtung vorhanden sein, die verhindert, daß diese Schaltungen zu heiß werden.
Für integrierte Schaltungen, die nur eine geringe Wärmemenge abgeben, genügt eine Luftkühlung, während integrierte Schaltungen, die eine große Wärmemenge abgeben, mit Hilfe einer flüssigkeitsgekühlten Anordnung gekühlt werden müssen. Aufgrund unterschiedlicher Produktionstoleranzen kann jedoch die Ausrichtung jeder integrierten Schaltung auf einer Schaltungsplatine so unterschiedlich sein, daß die zu kühlenden Flächen der integrierten Schaltungen unterschiedliche Höhen und unterschiedliche Winkel zueinander aufweisen. Für mit Flüssigkeit kühlende Anordnungen stellt dies ein ernst zu nehmendes Problem dar, weil die Unterschiede in der Ausrichtung dazu führen können, daß eine integrierte Schaltung gegenüber ihrer Kühlanordnung in eine so versetzte Position gerät, daß sich ein hoher thermischer Widerstand ergibt.
Außerdem können in den Anordnungen zum Kühlen von integrierten Schaltungen mit einer Flüssigkeit wegen unterschiedlicher Defekte häufiger Leckagen auftreten. Diese Leckagen stellen ein weiteres ernst zu nehmendes Problem dar, weil sie elektrische Kurzschlüsse und Verunreinigungen verursachen können. Anordnungen zum Kühlen von integrierten Schaltungen mit einer Flüssigkeit sind in den meisten Fällen komPlex aufgebaut und benötigen für die Installation viel Zeit, was wiederum ein Problem darstellt, weil zur Aufrechterhaltung der Konkurrenzfähigkeit die Personalkosten minimiert werden müssen. Das ist auch der Grund dafür, daß eine nur unter großem Zeitaufwand abzunehmende Flüssigkeit-Kühlanordnung problematisch ist; denn ein Ausbau ist jedesmal dann erforderlich, wenn eine der integrierten Schaltungen defekt ist und ersetzt werden muß.
Aus US-A-4 558 395 ist ein Kühlmodul für auf einem Substrat vorgesehene integrierte Schaltungen bekannt. Diese Anordnung enthält eine Mehrzahl von mit Hilfe einer Flüssigkeit gekühlten Ummantelungen für jede der integrierten Schaltungen; die Kühlummantelungen sind über Verteiler und Schläuche miteinander verbunden, die eine Flüssigkeit durch die genannten Ummantelungen leiten. Bei einer Ausführungsform dieses Moduls oder dieser Anordnung ist eine gemeinsame Halterungsabdeckung über allen Kühl ummantelungen vorgesehen, und eine Mehrzahl von Federn zwischen der Abdeckung und den Kühlummantelungen drücken diese an die integrierten Schaltungen. Ein Ende jeder dieser Federn ist an der Abdeckung festgeklebt, wohingegen das andere Ende an einer Halterungsplatte für die Kühlummantelungen festgeklebt ist.
Aus US-A-3 481 393 ist ein weiteres modulares Kühlsystem bekannt, bei dem in Serie miteinander verbundene modulare Kühlkammern mit je einer flachen wärmeleitenden Seite vorgesehen sind, die so geformt ist,daß sie an eine entsprechend flache Sockelplatte eines elektronischen Moduls angefügt werden kann. Die Aus- und Eingänge der Kühlkammern sind mit flexiblen Schläuchen verbunden, so daß diese Kühlkammern für elektronische Module unterschiedlicher Höhe eingesetzt und auch ohne Schwierigkeiten von der Sockelplatte gelöst werden können, ohne den Durchfluß der kühlenden Flüssigkeit zu unterbrechen. Bei diesem bekannten modularen Kühlsystem sind die Kühlkammern mit Schrauben an den elektronischen Modulen befestigt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit einer Flüssigkeit kühlende Anordnung zu schaffen, die ohne Schwierigkeiten an den auf einem Substrat angeordneten integrierten Schaltungen angebracht werden kann, selbst wenn diese Schaltungen schlecht ausgerichtet oder versetzt angeordnet sind. Außerdem muß die Anordnung leicht zu entfernen sein, damit ein möglicherweise erforderlich werdendes Ersetzen von integrierten Schaltungen möglich ist.
Nach der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen beschrieben ist, ist die mit einer Flüssigkeit kühlende Anordnung dadurch gekennzeichnet, daß
a) der genannte Rahmen eine Mehrzahl von Trägerstreifen enthält, von denen jeder an den genannten Verteilern befestigt ist und einen Teil der integrierten Schaltungen überdeckt,
b) jeder Trägerstreifen Öffnungen aufweist, die gegenüber den integrierten Schaltungen, die von dem Trägerstreifen überdeckt werden, annähernd ausgerichtet sind,
c) jede Ummantelung einen Führungsstab aufweist, der durch eine entsprechende Öffnung in den Trägerstreifen hindurchreicht, und eine Halterung, die den Stab in der Öffnung hält,
d) jeder Stab in seiner Öffnung einen so losen Sitz hat, daß eine Wärme absorbierende Fläche der entsprechenden Kühlummantelung sich nach oben und unten bewegen und sich neigen kann, um mit der genannten Wärmeableitfläche (11a) einer integrierten Schaltung übereinzustimmen,
e) die genannten Federn die genannten Stäbe umgeben und zwischen den genannten Trägerstreifen und den genannten Kühlummantelungenn zusammengedrückt sind, und
f) die genannten Verteiler, Trägerstreifen, Ummantelungen, Schläuche und Federn an das genannte Substrat als eine Einheit lediglich über Befestigungsmittel zwischen Verteilern und dem genannten Substrat anbringbar und abnehmbar vorgesehen sind.
Verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnittes aus Figur 1.
Bezugnehmend auf die Figuren 1 und 2 wird nachfolgend der physische Aufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben. In diesen Figuren bezeichnet 11 drei der vielen integrierten Schaltungen, die sich auf der gedruckten Schaltungsplatine 10 befinden, und die übrigen Bezugszeichen, 12 bis 2l, bezeichnen die Anordnung zum Kühlen der integrierten Schaltungen. In dieser Anordnung umfassen die wichtigsten Komponenten einen Eingangsverteiler 12, einen Ausgangsverteiler 13, eine Mehrzahl von Trägerstreifen 14, Flüssigkeitskühlummantelungen 15 für jede der entsprechenden integrierten Schaltungen und Schläuche 16, durch die eine Flüssigkeit vom Eingangsverteiler durch die Kühlummantelungen an den Ausgangsverteiler gelangt.
Jeder Trägerstreifen 14 ist an seinen Enden an den Verteilern 12 und 13 befestigt. Weiterhin hat jeder Trägerstreifen 14 mehrere Öffnungen 17, die gegenüber einer entsprechenden Anzahl von IC-Baugruppen auf der Schaltungsplatine annähernd ausgerichtet sind. Entsprechende Führungsstäbe 18 sind im Preßsitz in jede Kühlummantelung 15 eingepaßt und jeder Führungsstab erstreckt sich durch eine der Öffnungen 17.
Jede der integrierten Schaltungen 11 weist eine Wärmeableitfläche 11a auf; die Flächen 11a der integrierten Schaltungen befinden sich alle in unterschiedlicher Höhe und weisen unterschiedliche Winkel zueinander auf. Diese Unterschiede werden beispielsweise verursacht, weil (a) die Stifte der integrierten Schaltung nicht vollständig in die beschichteten Durchstecklöcher der Schaltungsplatine eingeführt wurden; (b) die Stifte auf einer Seite der Schaltungsplatine tiefer eingeführt wurden; (c) die Schaltungsplatine sich verworfen hat, was während des Produktionsprozesses der Platine oder anschließend vorkommen kann, wenn die integrierten Schaltungen auf die Platine gelötet werden, und weil (d) die integrierten Schaltungen unterschiedliche Höhen aufweisen.
Typische Höhenunterschiede der Flächen 11a liegen bei ±0,4 mm (±0,016"). Der oben genannte Faktor (a) verursacht typischerweise zusätzliche Höhenvariationen von ±0,5 mm (±0,02"). Aufgrund des obengenannten Faktors (b) kann die Winkelausrichtung der Fläche 11a üblicherweise nur innerhalb von ±5º gehalten werden. Mit diesen Faktoren kombinieren sich die Biege- und Verdrehungstoleranzen für die Platine selbst, die für eine mehrschichtige Schaltungsplatine der IPC-Klasse A ±5º beträgt.
Um all diese Unterschiede in der Ausrichtung jeder der Flächen 11a zu kompensieren, sind die Führungsstäbe 18 in der ihnen entsprechenden Öffnung lose eingepaßt. Dadurch ist es jeder Fläche 15a der Kühlummantelungen möglich, sich gleichzeitig zu neigen und sich auf und ab zu bewegen. Jeder Stab ist außerdem mit einem Halterungsring 19 versehen, der den Stab in seiner Öffnung hält. Federn 20 sind zusammengedrückt zwischen jeder der Kühlummantelungen 15 und den Trägerstreifen 14 vorgesehen, um die wärmeabsorbierende Fläche 15a jeder Kühlummantelung gegen eine Wärmeableitfläche 11a einer integrierten Schaltung zu drücken. Trägerstreifen 14 haben vorzugsweise T-Form oder weisen einen "+"-förmigen Querschnitt auf, um einem Verbiegen durch die zusammengedrückten Federn widerstehen zu können.
Eine Ausführungsform der Erfindung enthält einen Führungsstab 18 von 2,4 mm (0,093") Durchmesser, der in einer Öffnung 17 von 2,8 mm (0,109") Durchmesser im Trägerstreifen 14 zentriert ist. Diese Kombination plaziert die Kühlummantelung 15 ausreichend genau über der integrierten Schaltung und erlaubt auch eine Neigungsfreiheit von ±12º für die Fläche 15a, was über das für Fläche 11a zu erwartende kombinierte Maximum an Winkelfehlausrichtung hinausgeht.
Die Wärmeübertragung zwischen jeder integrierten Schaltung 11 und ihrer Kühlummantelung 15 hängt in einem kritischen Maß von einem engen mechanischen Kontakt zwischen Fläche 15a der Kühlummantelung und der Fläche lla der integrierten Schaltung ab. Ein dünner Film einer Wärmeleitpaste (z.B. 0,05 mm/0,002" dick) kann zwischen den Flächen 11a und 15a vorgesehen sein, um Oberflächenunebenheiten auszugleichen; solch ein Film kann jedoch nicht dicker aufgetragen werden, um damit durch die obengenannten Faktoren (a) bis (d) verursachte Fehlausrichtungen zu kompensieren.
Wärmeanalyseberechnungen zeigen, daß eine Zunahme einer Wärmeleitpastenschicht zwischen zwei Flächen 11a und 15a von 0,05 mm (0,002") auf nur 0,1 mm (0,004") einen typischen Wärmewiderstand der integrierten Schaltung von 0,50º C pro Watt Verlustleistung der integrierten Schaltung auf 0,63º C pro Watt erhöht. Eine weitere Vergrößerung der Wärmepastenschicht, die bei dem schlimmsten Fall einer Fehlausgleichung von 10º (Faktoren b und c) auf einer integrierten Schaltung von 25,4 mm x 25,4 mm (1" x 1") nötig wäre, erhöhte den Wärmewiderstand auf 5,7º pro Watt, was katastrophal wäre.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der oben beschriebenen Kühlanordnung liegt darin, daß sie unabhängig von der Schaltungsplatine 10 der integrierten Schaltungen 11 hergestellt und unter Druck- auf Leckagen getestet werden kann. Das bedeutet, daß die Bauteile 12 bis 20 zusammengebaut werden können und eine Flüssigkeit unter Druck hindurchgeleitet werden kann, bevor sie auf der Schaltungsplatine angebracht werden. Dadurch werden Leckagen auf der Platine mit dem damit zusammenhängen Risiko elektrischer Kurzschlüsse und Verschmutzungen vermieden. Das Anbringen der Anordnung auf der Platine (wie auch das Entfernen davon) ist außerdem, wie aus Figur 1 hervorgeht, schnell und einfach durchzuführen, da es lediglich das Einführen (Entfernen) weniger Schrauben 21 zwischen Verteilern und Platine erfordert.

Claims

1. Kühlanordnung mit flüssigem Kühlmittel für integrierte Schaltungen (11), die auf einem Substrat (10) vorgesehen sind, welche Anordnung entsprechende Flüssigkeitskühlummantelungen (15) für jede der genannten integrierten Schaltungen (11), Verteiler (12, 13) und Schläuche (16) enthält, die eine Flüssigkeit durch die genannten Ummantelungen (15) leiten; und einen Rahmen, der die genannten Ummantelungen (15) über Federn (20) gegen die genannten integrierten Schaltungen (11) hält, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der genannte Rahmen eine Mehrzahl von Trägerstreifen (14) enthält, von denen jeder an den genannten Verteilern (12, 13) befestigt ist und einen Teil der integrierten Schaltungen (11) überdeckt,

b) jeder Trägerstreifen Öffnungen (17) aufweist, die gegenüber den integrierten Schaltungen (11), die von dem Trägerstreifen überdeckt werden, annähernd ausgerichtet sind,

c) jede Ummantelung (15) einen Führungsstab (18) aufweist, der durch eine entsprechende Öffnung (17) in den Trägerstreifen (14) hindurchreicht, und eine Halterung (19), die den Stab in der Öffnung hält,

d) jeder Stab (18) in seiner Öffnung (17) einen so losen Sitz hat, daß eine Wärme absorbierende Fläche (15a) der entsprechenden Kühlummantelung (15) sich nach oben und unten bewegen und sich neigen kann, um mit einer Wärmeableitfläche (11a) einer integrierten Schaltung (11) übereinzustimmen,

e) die genannten Federn (20) die genannten Stäbe (18) umgeben und zwischen den genannten Trägerstreifen (14) und den genannten Kühlummantelungen (15) zusammengedrückt sind, und

f) die genannten Verteiler (12, 13), Trägerstreifen (14), Ummantelungen (15), Schläuche (16) und Federn (20) an das genannte Substrat (10) als eine Einheit lediglich über Befestigungsmittel (21) zwischen Verteilern (12, 13) und dem genannten Substrat (10) anbringbar und abnehmbar vorgesehen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Trägerstreifen (14) einen nicht-rechtwinkligen Querschnitt hat, der so geformt ist, daß er einer Durchbiegung durch die Federn widersteht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Trägerstreifen (14) einen T-förmigen Querschnitt hat.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (18) mit den Halterungen (19) und den entsprechenden Öffnungen so dimensioniert sind, daß die Ausrichtung der Wärmeabsorptionsflächen (15a) der entsprechenden Kühlummantelungen (15) um mehr als 5º differieren kann.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an jede Wärmeabsorptionsfläche (15a) in der entsprechenden Ummantelung (15) ein Hohlraum ausgebildet ist, durch den die genannte Flüssigkeit fließt.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (17) in den Trägerstreifen (14) sowie die Führungsstäbe (18) der Kühlummantelungen (15), die sich durch die Öffnungen erstrecken, entlang jedem Trägerstreifen (14) in zwei Reihen angeordnet sind.