DE3932079A1 - Kuehlvorrichtung fuer elektronische einrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine elektronische Einrichtung, wie z. B. ein Halbleiter­ chip, ein Chipmodul, das einen einzelnen Halbleiter­ chip enthält und ein Mehr-Chipmodul, das mehrere Halb­ leiterchips enthält.

Aus der JP-OS 62-2 68 148 ist beispielsweise eine Kühl­ vorrichtung für Halbleiterchips bekannt, die eine Küh­ lung des Halbleiterchips durch Kontakt mit einem festen Kühlkörper über ein wärmeleitfähiges Material bewirkt.

Die US-PS 45 67 505 beschreibt eine bekannte Kühlvorrich­ tung, in der eine Flüssigkeit, beispielsweise Silikonöl, das die Oberfläche eines Festkörpers leicht benetzt und auch leicht sich darüber ausbreitet, zwischen eine Wärme­ übertragungsoberfläche eines festen Kühlkörpers, der eine Vielzahl von Mikrorillen enthält und eine flache Wärme­ übertragungsoberfläche eines Halbleiterchips, der ein wärmeabgebendes Element darstellt, sandwichartig einge­ bettet ist. Die Mikrorillen sind in Form sog. einspringen­ der Rillen mit schmaler Öffnung, die sich zum Boden hin verbreitern, vorgesehen. Auf diese Weise bewirkt die Ober­ flächenspannung der Flüssigkeit, daß die beiden Wärme­ übertragungsoberflächen in engen Kontakt miteinander ge­ bracht werden. Dadurch wird der Wärmeübergangswiderstand zwischen beiden Oberflächen verringert.

Die zuerst genannte Druckschrift zeigt nicht auf, die Dicke der Schicht des zwischen dem Halbleiterchip und dem festen Kühlkörper eingebetteten wärmeleitenden Ma­ terials zu verringern, um damit die Wärmeleitfähigkeit der Schicht zu erhöhen. Sie zeigt auch in keiner Weise auf, wie eine Mehr-Chipstruktur in Form eines Multi­ chipmoduls gekühlt werden könnte.

Die an zweiter Stelle genannte US-PS 45 67 505 beschreibt lediglich, die Oberflächenspannung der Flüssigkeit dazu zu verwenden, den festen Kühlkörper zum Halbleiterkörper hin zu ziehen. Dadurch kann es, wenn die Wärmeübertragungs­ oberfläche entweder des festen Kühlkörpers oder der Halb­ leitereinrichtung eine Verwerfung aufweist, wegen der Steifigkeit des festen Kühlkörpers oder der Halbleiterein­ richtung dazu kommen, daß die Dicke der Flüssigkeitsschicht zwischen den beiden Wärmeübertragungsoberflächen ungleich ist, weil die Zugkraft der benetzenden Flüssigkeit nicht ausreicht, die Verwerfung zu egalisieren.

Keine äußere Kraft wirkt auf die Kombination der Halbleiter­ einrichtung mit dem festen Kühlkörper ein, so daß die Dicke der Flüssigkeitsschicht entsprechend der Größe der Verwerfung der Wärmeübertragungsoberflächen verschieden ist. Somit ist der Wärmeübergangswiderstand zwischen den beiden kontaktierenden Wärmeübertragungsoberflächen örtlich unterschiedlich.

Wenn andererseits der durch die Wirkung der benetzenden Flüssigkeit zur Halbleitereinrichtung hingezogene feste Kühlkörper gerade vom Halbleiterkörper getrennt wird, wird die benetzende Flüssigkeit zur Öffnung der einspringenden Rillen gezogen, und der Radius der Krümmung der konkaven Öberfläche der Flüssigkeit wird in dem Maße verringert, wie der feste Kühlkörper sich vom Halbleiter trennt. Folg­ lich verringert sich der Druck der Flüssigkeit mehr als der in der Umgebung und die Zugkraft der Flüssigkeit wächst. Deshalb muß die zum Trennen benötigte Kraft erhöht werden. Wenn diese Trennkraft reduziert wird, verringert sich auch die Zugkraft der Flüssigkeit, so daß der Wärmeüber­ gangswiderstand nicht verringert wird. Wenn sich anderer­ seits die Zugkraft der Flüssigkeit erhöht, kann es gesche­ hen, daß die Halbleitereinrichtung selbst oder ihre elek­ trische Verbindung beispielsweise mit einem Sockel reißt, wenn der feste Kühlkörper von der Halbleitereinrichtung getrennt wird.

Nach den obigen Ausführungen beschreiben beide Druck­ schriften nicht, den Haltedruck zwischen den kontaktieren­ den Oberflächen unter gleichzeitiger Erhöhung der Kühl­ leistung niedrig zu halten und gleichzeitig die Trennung des festen Kühlkörpers von dem zu kühlenden Körper zu erleichtern.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung für eine elektronische Vorrichtung hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit zur Erhöhung der Kühlleistung zu ver­ bessern, wobei sich die Kühlvorrichtung auch für Mehr- Chipmodule eignen soll. Dabei soll eine gleichförmig dünne Schicht einer Wärmeleitflüssigkeit, die zwischen der elek­ tronischen Einrichtung und einem festen Kühlkörper einge­ bettet ist, ermöglicht werden.

Ferner soll auch eine gleichförmig dünne Schicht eines Wärmeleitfettes, das zwischen der elektronischen Einrich­ tung und einem festen Kühlkörper eingebettet ist, ermög­ licht werden, ohne daß auf die elektronische Einrichtung ein hoher Druck ausgeübt wird. Die Herstellung der Kühl­ vorrichtung, der Zusammenbau und das Trennen des Kühlkör­ pers von der elektronischen Einrichtung soll bei guter Kühlleistung erleichtert werden.

Die obigen Aufgabenaspekte werden erfindungsgemäß gemäß einer ersten Ausführungsart durch eine Kühlvorrichtung gelöst, die eine elektronische Einrichtung, einen die von der elektronischen Einrichtung erzeugte Wärme abfüh­ renden festen Kühlkörper, eine Wärmeleitflüssigkeit hoher Wärmeleitfähigkeit, die zwischen die jeweiligen Wärme­ übertragungsoberflächen der elektronischen Einrichtung und des festen Kühlkörpers eingebettet ist, aufweist. Diese erste Ausführungsart ist durch eine Klemmeinrichtung gekennzeichnet, die den festen Kühlkörper in engem Kontakt mit der elektronischen Einrichtung hält, wobei die Wärme­ übertragungsoberfläche mindestens der elektronischen Ein­ richtung und/oder des festen Kühlkörpers eine Vielzahl von mit dem die Wärmeübertragungsoberfläche umgebenden Raum kommunizierenden Rillen aufweist.

In vorteilhafter Weiterbildung weist die Erfindung eine den festen Kühlkörper in engen Kontakt mit der Wärme­ übertragungsoberfläche der elektronischen Einrichtung bringende äußere Kraft auf. Die Wärmeübertragungsoberfläche der elektronischen Einrichtung ist mit einer Wärmeleit­ flüssigkeit mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die die Ober­ fläche eines festen Körpers kaum benetzt, versehen.

Eine der Wärmeübertragungsoberflächen der elektronischen Einrichtung bzw. des Kühlkörpers ist flach, während die andere eine Kombination einer flachen Wärmeübertra­ gungsoberfläche mit darin angebrachten Rillen aufweist. Die flache Wärmeübertragungsoberfläche kommuniziert mit der Außenseite der gerillten Wärmeübertragungsoberfläche, und das Fassungsvermögen der Rillen ist größer als das Volumen der Wärmeleitflüssigkeit zwischen benachbarten Rillen.

In weiterer Ausbildung weist die erfindungsgemäße Kühl­ vorrichtung zwei Wärmeübertragungsoberflächen jeweils des festen Kühlkörpers und der elektronischen Einrichtung auf, wobei ebenfalls eine Wärmeleitflüssigkeit zwischen Kühlkörper und elektronischer Einrichtung eingebettet ist. Eine der Wärmeübertragungsoberflächen hat eine Viel­ zahl von mit der Außenseite der Wärmeübertragungsoberfläche kommunizierenden Rillen, wobei das Fassungsvermögen der Rillen größer ist als das Volumen der zwischen die Wärme­ übertragungsoberflächen eingebetteten Wärmeleitflüssig­ keit, so daß die Rillen einen mit der Außenseite kommuni­ zierenden Raum freilassen, wenn die Wärmeleitflüssigkeit zwischen die Rillen eingebracht ist.

In weiterer vorteilhafter Ausbildung weist die erfin­ dungsgemäße Kühlvorrichtung einen festen Kühlkörper auf, dessen in engem Kontakt mit der elektronischen Einrich­ tung befindliche Wärmeübertragungsoberfläche eine Viel­ zahl von mit der Außenseite des festen Kühlkörpers kommuni­ zierenden Rillen aufweist.

Die obigen Aufgabenaspekte werden außerdem erfindungs­ gemäß durch eine Kühlvorrichtung gelöst, die gekennzeichnet ist durch ein Mehr-Chipmodul, bei dem eine keramische Packung hermetisch ein Zwischenverbindungssubstrat mit darauf gepackten mehreren LSI-Chips abdichtet; flexible Wärmeleitkontakte übertragen die von den LSI-Chips er­ zeugte Wärme an die Keramikpackung; ein wassergekühlter Mantel steht durch eine wärmeleitende Flüssigkeit mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Viskosität in engem Kontakt mit der Gesamtoberfläche eines Wärmeübertragungsabschnitts des Mehr-Chipmoduls; durch das Innere des wassergekühlten Mantels strömt Wasser; eine Einrichtung bewirkt einen engen Kontakt des wassergekühlten Mantels mit dem Mehr- Chipmodul um zwischen diesen eine dünne Schicht einer wärmeleitenden Flüssigkeit zu halten.

Die Erfindung wird in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines wesentlichen Teils eines flexiblen Wärme­ leit-Kontakts gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht des wassergekühlten Mantels in Fig. 1 von unten;

Fig. 4(a) eine Schnittdarstellung, die zeigt wie bei der Ausführungsart gemäß Fig. 1 der wassergekühlte Mantel in engem Kontakt mit der elektronischen Einrichtung mittels eines dazwischen eingebetteten wärmeleiten­ den Fettes hoher Wärmeleitfähigkeit gehalten wird;

Fig. 4(b) eine Schnittdarstellung, die die Klemmwirkung zeigt, wenn der wassergekühlte Mantel mit der elektronischen Einrichtung und der dazwischen eingebetteten Fettschicht in der Ausführungsart gemäß Fig. 1 verspannt wird;

Fig. 4(c) eine Schnittdarstellung, die die Situation beim Trennen des wassergekühlten Mantels von der elektronischen Einrichtung zeigt, wobei zwischen diese gemäß Fig. 1 die wärmeleitende Fettschicht eingebettet ist;

Fig. 5, 6 und 7 jeweils eine Ansicht von unten und Schnitt­ darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele des wassergekühlten Mantels;

Fig. 8 eine Darstellung von Ergebnissen von Anpreß­ versuchen bei den erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsbeispielen;

Fig. 9 eine Ansicht von unten eines weiteren Aus­ führungsbeispiels des wassergekühlten Mantels;

Fig. 10 eine Ansicht eines Schnitts längs der Linie X-X in Fig. 9;

Fig. 11 eine Ansicht von unten eines weiteren Aus­ führungsbeispiels des wassergekühlten Mantels; und

Fig. 12 eine Ansicht von unten noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des wassergekühlten Mantels.

Erfindungsgemäß wird vorteilhafterweise zwischen die elek­ tronische Einrichtung und einen festen Kühlkörper ein wärmeleitendes Fett eingebettet, das eine mögliche Luft­ schicht zwischen den Körpern vermeidet, um die Wärmeleit­ fähigkeit zwischen der elektronischen Einrichtung und dem Kühlkörper zu erhöhen. Um die Kühlleistung weiter zu verbessern, sind kleine Zinkoxidteilchen oder ein hoch wärmeleitfähiger keramischer Stoff vorzugsweise mit dem wärmeleitenden Fett gemischt, um auch dadurch die Wärme­ leitung der sich ergebenden Mischung zu verbessern. Ferner wird die elektronische Einrichtung mit dem festen Kühl­ körper unter hohem Druck beispielsweise mittels eines Bolzens oder dergleichen zusammengepreßt, so daß die wärme­ leitende Schicht der Fettmischung so dünn wie möglich bleibt und keine Blasen in der wärmeleitenden Schicht verbleiben.

Wenn zur Verringerung des Wärmeübergangswiderstands die wärmeleitende Schicht zwischen zwei flachen Wärmeüber­ tragungsoberflächen dünn gehalten wird, muß eine große Haltekraft auf die Wärmeübertragungsoberflächen einwirken. Insbesondere muß die Haltekraft erhöht werden, wenn sich der Abstand zwischen den Wärmeübertragungsoberflächen zum Abfließen überschüssigen wärmeleitenden Fetts erhöhen muß. Da wärmeleitendes Fett hoher Wärmeleitfähigkeit kleine Teilchen eines hochwärmeleitfähigen Stoffs in hoher Dichte enthält, damit die Wärmeleitfähigkeit der Mischung erhöht wird, hat die hochwärmeleitfähige Fettmischung einen hohen Viskositätsgrad und benetzt die Oberfläche eines Festkörpers nur schwer. Aus diesem Grunde muß ein hoher Haltedruck auf die die Schicht aus hochwärmeleitfähiger Fettmischung einbettenden Wärmeübertragungsoberflächen aufgebracht werden, damit keine Blasen in dieser hochwärmeleitfähigen Fettmischung verbleiben und um auf diese Weise eine gleich­ mäßig dünne Schicht der hochwärmeleitfähigen Fettmischung zu erzeugen. Dieser hohe Haltedruck kann jedoch elektronische Einrichtungen beschädigen, wenn diese, wie beispielsweise ein Halbleiterchip aus einem Siliziumkristall oder ein Halbleitergehäuse aus Al₂O₃, Aluminiumnitrid AIN oder einem hochwärmeleitfähigen Siliziumkarbid SiC und nicht aus Metall bestehen. Die mechanische Festigkeit dieser Materialien ist nämlich sehr viel geringer als die eines Metalls. Außerdem ist die mechanische Festigkeit einer zur Verbindung einer elektronischen Einrichtung dienenden elektrischen Verbindungseinrichtung gering. Ein Verschrauben des festen Kühlkörpers durch eine im Halbleitergehäuse vorgesehene Mutter bewirkt örtlich eine hohe Spannung in der Umgebung der Schraubenmutter, die die elektronische Einrichtung zerstören kann.

Andererseits muß der feste Kühlkörper, im Falle die mit diesem versehene elektronische Einrichtung ausfällt, von letzterer getrennt werden. Jedoch ist wegen der wärmeleiten­ den Fettmischung, wenn die beiden festen Körper einmal unter hohem Druck miteinander in engen Kontakt gebracht werden, die Trennung nicht leicht zu bewirken. Zum Trennen des Kühlkörpers von der Halbleitereinrichtung ist deshalb eine große Kraft nötig, die die elektronische Einrichtung, ihre Befestigung oder einen elektrischen Verbinder für die elektronische Einrichtung zerstören kann. Um eine solche Zerstörung zu vermeiden, können weder die Dicke der wärmeleitenden Fettschicht verringert, noch die Fläche der Wärmeübertragungsoberflächen erhöht werden.

Aus diesem Grunde ist erfindungsgemäß eine Anordnung ge­ wählt, bei der die hochwärmeleitfähige Schicht, die die Oberfläche eines Festkörpers nur wenig benetzt, zwischen eine flache Wärmeübertragungsoberfläche entweder der elek­ tronischen Einrichtung oder des Kühlkörpers eingebettet ist, wobei die andere Wärmeübertragungsoberfläche eine Vielzahl von Vertiefungen oder Rillen aufweist, die mit der Außen­ seite der anderen Wärmeübertragungsoberfläche kommunizieren, und das Fassungsvermögen der Rillen ist so groß, daß ein Raum bleibt, der mit der Außenseite der anderen Wärmeüber­ tragungsoberfläche in Verbindung steht, auch wenn die hochwärmeleitfähige Schicht auf einem Teil der anderen Wärmeübertragungsoberfläche zwischen benachbarten Rillen in diese benachbarten Rillen gedrückt wird.

Somit sind in einer der beiden flachen Wärmeübertragungs­ oberflächen der elektronischen Einrichtung und des festen Kühlkörpers eine Vielzahl von Rillen vorgesehen, so daß der zwischen benachbarten Rillen definierte Teil dieser Wärmeübertragungsoberfläche im Vergleich mit deren gesamter Breite nur eine kleine Breite hat. Wenn eine Wärmeübertragungsoberfläche mit einer Rillenab­ standsteilung l durch Andrücken in engen Kontakt mit einer anderen, flachen Wärmeübertragungsoberfläche gebracht wird, die eine Schicht einer hochwärmeleitfähigen Flüssig­ keit trägt die anfänglich eine Dicke δ aufweist, erhöht sich der innere Druck der hochwärmeleitfähigen Flüssigkeit sehr stark und letztere fließt in die Rillen. In diesem Zustand erfährt die Kontaktoberfläche der Schicht der hochwärmeleitfähigen Flüssigkeit eine Scherkraft τ _W . Der auf die Wärmeübertragungsoberflächen einwirkende Halte­ druck läßt sich dann durch folgende Ungleichung abschätzen:

Die Ungleichung (1) lehrt, daß bei verringerter Rillenab­ standsteilung l der Druck W reduziert werden kann. Weil das Fassungsvermögen der Rillen so groß ist, daß jede Rille einen mit der Außenseite der Rillen in Verbindung stehenden Raum freiläßt, wird eine durch die Rillen be­ wirkte Verteilung nicht verhindert, wenn die hochwärme­ leitfähige Flüssigkeit von dem Teil der wärmeübertra­ genden Oberfläche, der zwischen benachbarten Rillen de­ finiert ist, in die benachbarten Rillen gedrückt wird.

Zusätzlich werden Blasen, die in der hochwärmeleitfähigen Flüssigkeitsschicht enthalten sind, beim Einpressen der hochwärmeleitfähigen Flüssigkeit in die Rillen ebenfalls in diese Rillen eintreten. Auf diese Weise gestattet ein kleiner Haltedruck W, daß die hochwärmeleitfähige Flüssig­ keitsschicht zwischen den gegenüberliegenden Wärmeüber­ tragungsoberflächen dünn gehalten werden kann, so daß der Wärmeübergangswiderstand zwischen der elektronischen Einrichtung und dem Kühlkörper klein und stabil gehalten werden kann.

Außerdem wird beim Trennen des Kühlkörpers von der elek­ tronischen Einrichtung die Wärmeleitflüssigkeit aus den Rillen gezogen. Im allgemeinen übersteigt der Kontakt­ winkel der hochwärmeleitfähigen Flüssigkeit 90°, weil letztere, beispielsweise ein wärmeleitfähiges Fett oder ein hochwärmeleitfähiges Adhäsiv, die Oberflächen nur wenig benetzt und sich nur wenig über die Oberfläche eines festen Körpers ausbreitet. Deshalb nimmt eine Gas- Flüssigkeitsgrenzschicht der hochwärmeleitfähigen Flüssig­ keit, die in die Rillen gepreßt wurde, eine konvexe Ober­ fläche an. Der Druck P ₁ der hochwärmeleitfähigen Flüssig­ keit in den Rillen, die die konvexe Oberfläche annimmt, ist um σ/r großer als der Druck Pa der Umgebungsluft, wobei σ die Oberflächenspannung der hochwärmeleitfähigen Flüssigkeit und r den Krümmungsradius der konvexen Ober­ fläche der Grenzschicht angeben. Da der Druck der wärme­ leitfähigen Flüssigkeit in den Rillen höher ist als der Druck der Umgebungsluft, fließt die in den Rillen befindliche wärme­ leitfähige Flüssigkeit aus den Rillen in den Zwischenraum, der sich zwischen benachbarten Wärmeübertragungsober­ flächen bei der Trennung des Kühlkörpers von der elek­ tronischen Einrichtung bildet. Gleichzeitig verformt sich die Gas-Flüssigkeitsgrenzschicht der hochwärmeleitfähigen Flüssigkeit und Luft tritt in die Schicht der hochwärme­ leitfähigen Flüssigkeit ein. Sobald Luft eingetreten ist, läßt sich der Teil der Schicht, der sich zwischen dem Teil der gerillten Wärmeübertragungsoberfläche zwischen benachbarten Rillen und der gegenüberliegenden Wärmeüber­ tragungsoberfläche befindet, leicht trennen. Mit erhöhter Anzahl der Rillen nehmen die Längen der Flüssigkeitsgrenz­ schichten, die sich in Kontakt mit den Oberflächen der Rillen befinden, das sind die sog. Längen des benetzten Umfangs stark zu. Dadurch erhöht sich auch die Wahr­ scheinlichkeit, daß die Flüssigkeitsgrenzschicht unter­ brochen wird. Zusätzlich ist die Kontaktfläche der ge­ rillten Wärmeübertragungsoberfläche klein, so daß die benötigte Trennkraft klein ist.

Gemäß der obigen Beschreibung wird die elektronische Ein­ richtung so mit einem festen Kühlkörper versehen, daß ein gleichmäßig stabiler und geringer thermischer Über­ gangswiderstand bei geringer mechanischer Belastung sicher­ gestellt ist, so daß weder die elektronische Einrichtung noch eine elektrische Verbindungseinrichtung beschädigt wird. Außerdem läßt sich mit geringer Trennkraft der Kühl­ körper von der elektronischen Einrichtung trennen. Des­ halb ist der Zusammenbau und das Auseinandernehmen der Bau­ gruppe aus elektronischer Einrichtung und Kühlkörper er­ leichtert.

Nachstehend werden anhand der Zeichnung bevorzugte Aus­ führungsbeispiele erläutert.

Die Fig. 1 zeigt die gesamte Anordnung eines Mehr-Chipmoduls, bei dem die vorliegende Erfindung Anwendung findet. Der Mehr-Chipmodul 1 weist ein keramisches Gehäuse 4 auf, das ein keramisches Mehrschicht-Verbindungssubstrat 3 zusammen mit einer Vielzahl von Mikrochipträgern 2, die jeweils ein LSI-Chip tragen, enthält und hermetisch ab­ dichtet. Die von jedem LSI-Chip erzeugte Wärme wird je­ weils durch einen flexiblen wärmeleitfähigen Kontakt­ block 5, der auf die Rückseite jedes Mikrochipträgers 2 gedrückt ist, zum Keramikgehäuse 4 übertragen. Gemäß Fig. 2 weist jeder flexible wärmeleitfähige Kontaktblock 5 auf: Eine Anzahl flacher Rippen 30, die sich von der inneren Oberfläche des Gehäuses 4 aus erstrecken; einen Festkörperwärmeleiter 33, der auf jedem Mikrochipträger 2 vorgesehen ist und der ebenfalls Rippen 32 hat, die jeweils in die Nuten zwischen den entsprechenden Rippen 30 des Gehäuses 4 passen mit entsprechenden feinen Zwischenräumen 31;

und eine Feder 34, die den Festkörperwärmeleiter 33 auf den Mikrochipträger 2 preßt. Der Mikrochipträger 2 ist mit dem Gesicht nach unten durch Bonding mittels Mikro­ lötkugeln 35 mit der oberen Fläche des Mehrschichtver­ bindungssubstrats 3 verbunden, das abwechselnd mehrere Leiterschichten und Isolierschichten hat. Der Mikrochip­ träger 2 ist auf diese Weise mit einer Vielzahl von Stiften 36 verbunden, die auf der Unterseite des Mehrschichtver­ bindungssubstrats 3 vorgesehen sind. Auf der anderen Seite ist ein wassergekühlter Mantel (das ist der feste Kühl­ körper) 7, durch dessen Inneres Kühlwasser geringer Tempera­ tur fließt, mittels einer Metallklammer 8 auf einer zu kühlenden Oberfläche 6 des Keramikgehäuses 4 montiert. Gemäß Fig. 3 hat eine Wärmeübertragungsoberfläche 9 des wassergekühlten Mantels 7 eine Vielzahl von Rillen 10, die jeweils mit der Außenseite der Wärmeübertragungsober­ fläche 9 in Verbindung stehen. Die zu kühlende Oberfläche 6 des Gehäuses 4 und die Wärmeübertragungsoberfläche 9 des wassergekühlten Mantels 7 schließen eine Zwischen­ schicht eines hochwärmeleitfähigen Fettes 11 ein. Der abgedichtete Raum 37 zwischen dem mehrlagigen Verbindungs­ substrat 3 und dem Gehäuse 4 ist mit Heliumgas gefüllt. Die von den LSI-Chips erzeugte Wärme wird zum Festkörper­ wärmeleiter 33, der in Kontakt mit dem Mikrochipträger 2 steht, übertragen und außerdem durch die Rippen 32 des Festkörperwärmeleiters 33 und die aus Heliumgas gebildete Schicht in den mikrofeinen Zwischenräumen 31 zu den Rip­ pen 30, die am Gehäuse 4 vorgesehen sind, übertragen. Vom Gehäuse 4 empfangene Wärme wird von dessen Wärmeüber­ tragungsoberfläche 6 durch die Schicht von hochwärmeleit­ fähigem Fett 11 zur Wärmeübertragungsoberfläche 9 des wassergekühlten Mantels 7 übertragen und schließlich durch das Kühlwasser abgeführt.

Fig. 4(a) zeigt einen Zustand, in dem das hochwärmeleit­ fähige Fett 11 auf die Wärmeübertragungsoberfläche 6 des Gehäuses 4 des Mehrchipmoduls 1 aufgetragen ist und

die Wärmeübertragungsoberfläche 9 mit den Rillen 10 des wassergekühlten Mantels 7 in einfachem Kontakt mit der Schicht des hochwärmeleitfähigen Fetts 11 steht. Fig. 4(b) stellt einen Zustand dar, bei dem dann das Ge­ häuse 4 und der wärmegekühlte Mantel 7 zusammengepreßt werden. Die Fig. 4(c) stellt einen Zustand dar, bei dem der wassergekühlte Mantel 7 vom Gehäuse 4 getrennt wird.

In dem in Fig. 4(a) gezeigten Zustand befinden sich die flachen Be­ reiche der Wärmeübertragungsoberfläche 9 des wassergekühlten Mantels 7 mit Ausnahme der Rillen in Kontakt mit der Ober­ fläche der Schicht aus hochwärmeleitfähigem Fett 11, die im wesentlichen gleichmäßig auf der Wärmeübertragungsober­ fläche 6 des Gehäuses 4 aufgebracht ist. Gemäß Fig. 4(b) treten die zwischen benachbarten Rillen 10 liegenden Bereiche der Wärmeübertragungsoberfläche 9, wenn die Metallklammer 8 den wassergekühlten Mantel 7 auf das Gehäuse 4 zu pressen beginnt, in die Schicht aus hochwärmeleitfähigem Fett 11 ein, so daß das hochwärmeleitfähige Fett 11 in die Rillen 10 quillt und dort konvexe Gas-Flüssigkeitsgrenz­ schichten 12 bildet. Da das hochwärmeleitfähige Fett die Oberfläche eines festen Körpers nur wenig benetzt und sich nur wenig darauf ausbreitet, ist die Gas-Flüssig­ keitsgrenzschicht 12 konvex. In diesem Fall ist die zwi­ schen dem wassergekühlten Mantel 7 und dem Gehäuse 4 ge­ packte Schicht aus hochwärmeleitfähigem Fett 11 sehr dünn, falls der Abstand benachbarter Rillen 10 genügend klein ist und der Teil des Fettes 11, der in jede Rille 10 quillt, nicht die gesamte Rille 10 ausfüllt einen Zwischenraum 13 zwischen der Oberfläche der Gas-Flüssigkeitsgrenzschicht 12 und dem Boden der Rille läßt und außerdem mit der Außen­ seite der Rillen 10 in Verbindung steht. Die Schicht aus hochwärmeleitfähigem Fett 11 ist auch dann sehr dünn, wenn die Anpreßkraft des wassergekühlten Mantels 7 an das Gehäuse 4 klein ist, falls die obige Bedingung erfüllt ist. Auch wenn in diesem Falle des Kontakts zwischen der Wärmeübertragungsoberfläche 9 mit der Schicht aus hoch­ wärmeleitfähigem Fett 11 Blasen in diese Schicht 11 treten oder die Fettschicht 11 spärlich die Wärmeübertragungsober­ fläche 9 benetzt, können die Blasen leicht aus den Rillen 10 entkommen, weil die Schicht aus hochwärmeleitfähigem Fett 11 in die Rillen 10 quillt. Auf diese Weise wird der Wärme­ übergangswiderstand zwischen dem wassergekühlten Mantel 7 und dem Gehäuse 4 gering und gleichmäßig stabil gehalten.

Im Fehlerfall des Multichipmoduls, bei der Wartung oder Prüfung, muß der wassergekühlte Mantel 7 vom Gehäuse 4 getrennt werden. Auch in diesem Fall begünstigen die Rillen in der Wärmeübertragungsoberfläche den Trennvorgang, da nur eine kleine Kraft zum Trennen erforderlich ist. Genauer sind die Oberflächen der in den Rillen befindlichen Gas- Flüssigkeitsgrenzschicht des Fettes 11 konvex, wie der in Fig. 4(b) dargestellte Kontaktzustand zeigt, so daß der innere Druck des Fettes 11 um σ/r höher ist als der Außendruck in dem die Fettschicht 11 umgebenden Raum, wobei σ die Oberflächenspannung des Fetts 11 und r den Krümmungsradius der konvexen Gas-Flüssigkeitsgrenzschicht angeben. Deshalb fließt das in den Rillen befindliche Fett 11, sobald der Trennvorgang des Mantels 7 vom Ge­ häuse 4 unter Einwirkung einer äußeren Kraft beginnt, leicht aus den Rillen 10 in die Zwischenräume zwischen den vorstehenden Teilen der Wärmeübertragungsoberfläche 9 und dem Gehäuse 4. Gemäß Fig. 4(c) wird das in den Rillen befindliche Fett 11 herausgezogen und jede der Gas-Flüssig­ keitsgrenzschichten des bislang in den Rillen befindlichen Fetts 11 erhält eine konkave Krümmung. Die Benetzung durch das Fett 11 und die Ausbreitung über die Oberfläche eines Festkörpers ist jedoch gering, so daß die Gas-Flüssigkeits­ grenzschicht des Fetts 11, das aus den Rillen gezogen wurde, nicht notwendigerweise gleichförmig bleibt, sondern stattdessen unregelmäßige Oberflächen bildet.

Luft tritt durch die unregelmäßigen Bereiche der Gas­ Flüssigkeitsgrenzschichten in die Fettschicht 11 ein. Sobald Luft eintritt, läßt sich der Mantel leicht vom Gehäuse 4 trennen, weil der Rillenabstand bzw. die Teilung zwischen benachbarten Rillen 10 klein ist. Genauer wird der Abstand zwischen benachbarten Rillen 10 mit anwachsen­ der Rillenzahl kleiner, und die Bereiche, die beim Trenn­ vorgang unregelmäßig benetzt sind, erhöhen sich. Auf diese Weise läßt sich mit einer kleinen Kraft leicht der wasser­ gekühlte Mantel 7 von dem Gehäuse 4 ohne Beschädigung des letzteren lösen.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Rillen auf der Innenseite des wassergekühlten Mantels angebracht. Jedoch kann alternativ auch das Gehäuse die Rillen aufwei­ sen. Ferner kann auch ein hochwärmeleitfähiges Adhäsiv die gleichen Eigenschaften und Wirkungen wie das hoch­ wärmeleitfähige Fett haben.

Fig. 5 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem gitter­ förmige Rillen 15 in der Wärmeübertragungsoberfläche eines wassergekühlten Mantels 14 angebracht sind. Dabei ist die Art der Anordnung der Rillen 15 beliebig, solange jede Rille 15 mit der Außenseite in Verbindung steht.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem sich der Querschnitt der Rillen 16 in der Wärmeübertragungsober­ fläche zum Boden der Rillen hin verjüngt. Weil das hochwärmeleit­ fähige Fett 11 tief in die Rille 16 eintritt, verringert sich der Krümmungsradius einer konvexen Gas-Flüssigkeits­ grenzschicht des Fettes 11, so daß, wenn letzteres im Uberschuß in eine der Rillen 16 eintreten würde, der innere Druck eines Teils des Fettes 11, der in diese Rille 16 quillt, höher ist als der eines anderen Teils, der in eine benachbarte Rille 16 quillt. Folglich wird durch die Verjüngung der Rillen 16 automatisch das Volumen des in die Rille 16 tretenden hochwärmeleitfähigen Fetts 11 reguliert und ein übermäßiges Einquellen des Fetts 11 in eine Rille 16 vermieden.

Fig. 7 zeigt einen Fall, bei dem ein wassergekühlter Mantel 17 eine sphärische Wärmeübertragungsoberfläche mit darin angebrachten Rillen aufweist. Auch in einem solchen Fall, bei dem normalerweise nur schwer ein enger Kontakt mit einer gegenüberliegenden Wärmeübertragungsoberfläche herzu­ stellen ist, preßt ein Klemmfutter einen peripheren Bereich der sphärischen Wärmeübertragungsoberfläche des wasserge­ kühlten Mantels 17 auf die Wärmeübertragungsoberfläche des Gehäuses 4, so daß auch in diesem Fall ein enger Kon­ takt ermöglicht wird.

Um die Anpreßwirkung und die Trennwirkung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zu bestätigen, wurden folgende Tests durchgeführt:

Vier Arten von wassergekühlten Kupfermänteln werden mit einem eine flache Wärmeübertragungsoberfläche aufweisen­ den Keramikgehäuse verbunden. Ein wassergekühlter Mantel A hat eine flache rillenlose Oberfläche. Ein wassergekühl­ ter Mantel B hat eine Oberfläche mit dreizehn Rillen, wobei jede Rille 1 mm breit und der Rillenabstand 6 mm ist. Ein wassergekühlter Mantel C hat eine Oberfläche mit 19 Rillen, wobei jede Rille 1 mm breit ist und der Rillenabstand 4 mm beträgt. Ein wassergekühlter Mantel D weist eine Oberfläche mit 51 Rillen auf, wobei jede Rille 0,5 mm breit und der Rillenabstand 1,5 mm ist. Die Abmessungen jedes wassergekühlten Mantels A bis D betrug 100×100 mm. Die Rillen jedes wassergekühlten Mantels A bis D waren 0,5 mm tief. Die Dicke der auf das Gehäuse aufgebrachten Schicht aus hochwärmeleitfähigem Fett vari­ ierte von 20µm bis 100µm.

Fig. 8 stellt Ergebnisdaten der sich in Abhängigkeit von der Zeit veränderlichen Dicke der Fettschicht dar, im Falle die wassergekühlten Mäntel A und B auf die mit der hochwärmeleitfähigen Fettschicht versehenen Wärme­ übertragungsoberfläche eines Gehäuses einer elektronischen Einrichtung aufgepreßt wurden. Das hochwärmeleitfähige Fett wurde mittels einer Maske mit einer Dicke von 50µm aufgebracht. Die durch die Spannvorrichtung aufgebrachte Last betrug 50 kg und 100 kg. Die in Fig. 8 gezeigten Diagramme stellen die Dicken der Schichten des hochwärme­ leitfähigen Fetts dar, die mittels eines Lückensensors nach dem Anklemmen jedes der wassergekühlten Mäntel auf die elektronische Einrichtung gemessen wurden. Dabei redu­ zierten sich die Dicken der Fettschicht durch die Wirkung der gerillten Oberfläche des Mantels B schneller als die der Fettschicht durch die Wirkung der rillenlosen Ober­ fläche des Mantels A.

Die folgende Tabelle 1 zeigt die benötigten Trennkräfte beim Trennen der wassergekühlten Mäntel A bis D. Die Werte in der Tabelle 1 zeigen, daß sich die Trennkraft mit wach­ sender Rillenzahl in der Wärmeübertragungsoberfläche der Mäntel verringert. Diese Tendenz ist unbeeinflußt von der Schichtdicke des hochwärmeleitfähigen Fetts.

Tabelle 1

Nachstehend werden weitere Ausführungsarten der in die Wärmeübertragungsoberfläche des wassergekühlten Mantels vorgesehenen Rillen, die das Anpressen und Trennen er­ leichtern, beschrieben. Dabei weisen diese in den Fig. 9 bis 12 gezeigten Ausführungsbeispiele Rillen auf, die nicht den äußeren Rand des wassergekühlten Mantels er­ reichen. Die Mitte der Wärmeübertragungsoberfläche weist eine Bohrung auf, die in Dickenrichtung durch den wasser­ gekühlten Mantel geht.

In den in den Fig. 9 und 10 gezeigten Ausführungsarten sind mehrere Rillen 21 gitterförmig in einer Wärmeüber­ tragungsoberfläche 20 eines wassergekühlten Mantels 19 angebracht, die mit einer durchlaufenden Rille 22 im Rand­ bereich der Wärmeübertragungsoberfläche in Verbindung stehen jedoch nicht bis zum äußeren Rand der Wärmeüber­ tragungsoberfläche 20 reichen. Auf diese Weise stehen die gitterförmigen Rillen 21 und die Randrille 22 mit der Bohrung 23 in der Mitte des wassergekühlten Mantels 19 in Verbindung. Die Wärmeübertragungsoberfläche 20 mit den Rillen 21 und 22 ist in engem Kontakt mit einer Schicht hochwärmeleitfähigen Fetts und wird darauf etwas angepreßt. Dann wird Luft aus den Rillen 21 und 22 mittels einer Vakuumpumpe oder dergleichen durch die Bohrung 23 gesaugt, so daß ein Druckunterschied zwischen dem Außendruck und dem Druck innerhalb der Rillen 21 und 22 entsteht, der den wassergekühlten Mantel auf die elektronische Einrich­ tung preßt. Umgekehrt wird zum Trennen des wassergekühlten Mantels von der elektronischen Einrichtung Druckluft durch die Bohrung 23 in die Rillen 21 und 22 gepumpt, die das Innere der Rillen 21 und 22 unter Druck setzt, so daß sich der wassergekühlte Mantel leicht von der elektroni­ schen Einrichtung ohne zusätzliche äußere Kraft trennt. In diesem Fall dient die Druckluft zum Trennen des wasser­ gekühlten Mantels vom Gehäuse und teilt die Schicht aus hochwärmeleitfähigem Fett. Die Randrille 22 wirkt auch als eine Art Stopper und verhindert, daß das hochwärme­ leitfähige Fett an der äußeren Seite des wassergekühlten Mantels und des Gehäuses austritt.

Die Fig. 11 und 12 stellen weitere Ausführungsbeispiele eines wassergekühlten Mantels mit einer gerillten Wärme­ übertragungsoberfläche vergleichbar mit dem in den Fig. 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel dar. Der wasser­ gekühlte Mantel von Fig. 11 weist radiale Rillen 24 und ringförmige konzentrische Rillen 25, die die radialen Rillen 24 schneiden, auf. Der in Fig. 12 dargestellte wassergekühlte Mantel hat mehrere radial sich erstreckende Rillen 26. Auch die in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 11 und Fig. 12 vorgesehenen Rillen gehen nicht bis zum äußeren Rand der Wärmeübertragungsoberfläche des wasser­ gekühlten Mantels. Sämtliche Ausführungsbeispielde der Mäntel verwenden Wasser als Kühlmittel. Jedoch kann das Kühlmittel auch Luft oder ein anderes geeignetes Kühl­ mittel sein.

Die vorliegende Erfindung gestattet es, eine Wärmeübertra­ gungsoberfläche eines festen Kühlkörpers mit nur geringer Kraft in engen Kontakt mit einer Wärmeübertragungsober­ fläche einer elektronischen Einrichtung zu bringen, wobei eine Schicht einer hochwärmeleitfähigen Flüssigkeit, die einen Festkörper nur wenig benetzt und sich nur wenig über die Oberfläche eines Festkörpers beispielsweise der elek­ tronischen Einrichtung oder eines LSI-Chips selbst aus­ breitet, sandwichartig zwischen der Wärmeübertragungsober­ fläche des Kühlkörpers und der elektronischen Einrichtung eingebettet ist. Durch diese kleine Kraft werden die elek­ tronische Einrichtung und ein elektrischer Verbinder nicht beschädigt und der Wärmeübergangswiderstand zwischen dem festen Kühlkörper und der elektronischen Einrichtung kann klein und konstant gehalten werden. Andererseits läßt sich ebenfalls mit geringer Kraft der Kühlkörper von der elek­ tronischen Einrichtung trennen, so daß auch beim Trenn­ vorgang keine Beschädigung zu besorgen ist. Die Erfindung gestattet einen verhältnismäßig einfachen Zusammenbau und ein verhältnismäßig leichtes Trennen des festen Kühlkör­ pers und der elektronischen Einrichtung. Dadurch lassen sich die Herstellungs- und Wartungskosten verringern und die Arbeitseffizienz steigern.

Claims (11)

1. Kühlvorrichtung für eine elektronische Einrichtung mit
einer elektronischen Einrichtung (1) und
einem festen Kühlkörper (7), der die von der elektronischen Einrich­ tung erzeugte Wärme abführt, gekennzeichnet durch
ein hochwärmeleitfähiges Fluid (11), das sandwichartig zwischen eine Wärmeübertragungsoberfläche (6) der elek­ tronischen Einrichtung und eine Wärmeübertragungsober­ fläche (9) des Kühlkörpers (7) eingebettet ist, und
eine Klemmvorrichtung (8), die eine äußere Kraft zum Andruck des Kühlkörpers (7) auf die elektronische Ein­ richtung (1) ausübt, wobei wenigstens eine der Wärmeübertragungsoberflächen (6, 9) der elektronischen Einrichtung und/oder des Kühlkörpers (7) eine Vielzahl von Rillen (10) aufweist, die mit dem diese Wärmeübertragungsoberfläche umgebenden Raum in Verbindung stehen.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitfähige Fluid (11) ein Fluid aufweist, das die Oberfläche eines Festkörpers kaum benetzt und sich über diese Oberfläche kaum ausbreitet.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitfähige Fluid ein wärmeleitfähiges Fett oder ein wärmeleitfähiges Adhäsiv aufweist.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitfähige Fluid ein Fett hoher Viskosität aufweist.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fassungsvermögen der Rillen (10) größer ist als das Volumen der Zwischenschicht aus wärmeleit­ fähigem Fluid (11) jeweils zwischen benachbarten Rillen, so daß in jeder der Rillen (10) ein Raum bleibt, wenn etwas von dem wärmeleitfähigen Fluid zwischen den be­ nachbarten Rillen in diese Rillen quillt.

6. Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Wärmeübertragungsoberflächen der elektroni­ schen Einrichtung bzw. des festen Kühlkörpers flach ist und daß die Rillen in der anderen Wärmeübertragungs­ oberfläche so angeordnet sind, daß zwischen jeweils benachbarten Rillen flache Bereiche liegen, die Rillen mit der Außenseite der gerillten Wärmeübertragungsober­ fläche in Verbindung stehen und das Fassungsvermögen jeder der Rillen größer als das Volumen eines Teils des wärmeleitenden Fluids ist, der zwischen einem ent­ sprechenden flachen Teil der gerillten Wärmeübertragungs­ oberfläche zwischen benachbarten Rillen und der gegen­ überliegenden flachen anderen Wärmeübertragungsober­ fläche eingebettet ist.

7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rillen in ihrem Querschnitt von ihrem offenen Ende zum Boden hin verjüngen, so daß ein schmalerer Rillenboden entsteht (Fig. 6).

8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Rillen miteinander in Verbindung stehen.

9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsoberfläche der elektronischen Einrichtung flach ist, daß die Rillen in der Wärme­ übertragungsoberfläche des festen Kühlkörpers vorgesehen sind und daß im Kühlkörper eine von der Wärmeübertragungs­ oberfläche bis zu seiner gegenüberliegenden Oberfläche reichende Bohrung vorgesehen ist, mit der jede der Rillen in Verbindung steht (Fig. 9 bis 12).

10. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeicänet, daß die elektronische Einrichtung ein Mehr-Chipmodul mit einem hochwärmeleitfähigen Keramikgehäuse (4) auf­ weist.

11. Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß ein hochwärmeleitfähiges Keramikgehäuse (4) hermetisch ein keramisches mehrlagiges Verbindungssubstrat, das mehrere LSI-Chips elektrisch verbindet und diese haltert sowie flexible Wärmeleitblöcke (5), die die von den LSI-Chips erzeugte Wärme zum Keramikgehäuse (4) abführen, hermetisch abdichtet,
der feste Kühlkörper einen wassergekühlten Mantel auf­ weist, durch dessen Inneres Kühlwasser fließt, das die von der Wärmeübertragungsoberfläche des festen Kühlkörpers durch die Schicht aus wärmeleitfähigem Fluid vom Keramikgehäuse übertragene Wärme abführt, und
eine Einrichtung den wassergekühlten Mantel in engen Kontakt mit dem Keramikgehäuse unter Zwischen­ schichtung einer dünnen Schicht des wärmeleitfähigen Fluids bringt.