DE3932079C2 - Kühlvorrichtung für elektronische Einrichtungen - Google Patents
Kühlvorrichtung für elektronische EinrichtungenInfo
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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 62-268 158 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 4 567 505 beschreibt eine bekannte gattungsgemäße 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 4 567 505 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
Oberfläche 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.
Andererseits ist es aus den US-PS 4 621 304, 4 233 645 und
4 639 829 sowie der DE-PS 27 29 074 C2 an sich bekannt, bei
einer Kühlvorrichtung für eine elektronische Einrichtung
eine äußere Kraft zum Andruck eines Kühlkörpers auf die
elektronische Einrichtung durch Verschrauben, Federkraft
oder ein Gewicht in Verbindung mit einer Indium- oder In
diumlegierungs-Wärmebrücke auszuüben.
Schließlich ist es aus der US-PS 3 626 252 bekannt, auf
gedruckten Schaltungen im Bereich der mit diesen verbunde
nen Zuführungen Siliconschmierfett mit Zusatz von Metall
oxidteilchen zum Temperaturausgleich der Verbindungsstellen
vorzusehen.
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
durch eine Kühlvorrichtung gemäß Patentanspruch 1
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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 Fett s 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
ein Halbleitergehäuse aus Al₂O₃, Aluminiumnitrid
AlN 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, falls 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 τW. 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 hochwärmeleitfähiger Kleber, 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 P₁ der hochwärmeleitfähigen Flüssig
keit in den Rillen, die die konvexe Oberfläche annimmt,
ist um σ/r größer 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 sind der Zusammenbau und das Auseinandernehmen der Bau
gruppe aus elektronischer Einrichtung und Kühlkörper er
leichtert.
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 diesen 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 verschiedenen
Beispielen;
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.
Nachstehend werden anhand der Zeichnung bevorzugte Aus
führungsbeispiele erläutert.
Die Fig. 1 zeigt die gesamte Anordnung eines Mehr-Chipmoduls,
bei dem die 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 sind jedoch gering, so daß die Gas-Flüssigkeits
grenzschicht des Fetts 11, das aus den Rillen gezogen
wurde, nicht notwendigerweise gleichförmig bleibt, sondern
statt dessen 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 hochwärmeleitfähiger Kleber
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
Überschuß 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.
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 20 µm bis 100 µm.
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 20 µm bis 100 µm.
Fig. 8 stellt Ergebnisdaten der sich in Abhängigkeit von
der Zeit veränderlichen Dicke der Fettschicht
dar, als 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 50 µm
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.
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 scheiden, 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 Ausführungsbeispiele der
Mäntel verwenden Wasser als Kühlmittel. Jedoch kann das
Kühlmittel auch Luft oder ein anderes geeignetes Kühl
mittel sein.
Die 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, hochviskosen 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 (7)
1. Kühlvorrichtung für eine elektronische Einrichtung
mit
einer elektronischen Einrichtung (1), einem festen Kühlkörper (7), der die von der elektronischen Ein richtung erzeugte Wärme abführt, und einem hochwärme leitfähigen Fluid (11), das sandwichartig zwischen eine Wärmeübertragungsoberfläche (6) der elektroni schen Einrichtung (1) und eine Wärmeübertragungsober fläche (9) des Kühlkörpers (7) eingebettet ist, wo bei wenigstens eine der Wärmeübertragungsoberflächen (6, 9) eine Vielzahl von Rillen (10) aufweist, die mit dem diese Wärmeübertragungsoberfläche umgebenden Raum in Verbindung stehen, und das Fassungsvermögen der Rillen (10) größer als das Volumen der Zwischen schicht aus dem wärmeleitfähigen Fluid (11) jeweils zwischen benachbarten Rillen ist, so daß in jeder der Rillen (10) ein Raum bleibt, wenn etwas von dem wärme leitfähigen Fluid (11) zwischen den benachbarten Rillen in diese Rillen quillt,
dadurch gekennzeichnet, daß das hochwärmeleitfähige Fluid (11) eine hohe Vis kosität aufweist, daß der Querschnitt jeder der Rillen (10; 16) rechteckig ist oder sich von ihrem offenen Ende zum Rillenboden hin verjüngt und daß eine Klemm vorrichtung (8) vorgesehen ist, die eine äußere Kraft zum Andruck des Kühlkörpers (7) auf die elektronische Einrichtung (1) ausübt.
einer elektronischen Einrichtung (1), einem festen Kühlkörper (7), der die von der elektronischen Ein richtung erzeugte Wärme abführt, und einem hochwärme leitfähigen Fluid (11), das sandwichartig zwischen eine Wärmeübertragungsoberfläche (6) der elektroni schen Einrichtung (1) und eine Wärmeübertragungsober fläche (9) des Kühlkörpers (7) eingebettet ist, wo bei wenigstens eine der Wärmeübertragungsoberflächen (6, 9) eine Vielzahl von Rillen (10) aufweist, die mit dem diese Wärmeübertragungsoberfläche umgebenden Raum in Verbindung stehen, und das Fassungsvermögen der Rillen (10) größer als das Volumen der Zwischen schicht aus dem wärmeleitfähigen Fluid (11) jeweils zwischen benachbarten Rillen ist, so daß in jeder der Rillen (10) ein Raum bleibt, wenn etwas von dem wärme leitfähigen Fluid (11) zwischen den benachbarten Rillen in diese Rillen quillt,
dadurch gekennzeichnet, daß das hochwärmeleitfähige Fluid (11) eine hohe Vis kosität aufweist, daß der Querschnitt jeder der Rillen (10; 16) rechteckig ist oder sich von ihrem offenen Ende zum Rillenboden hin verjüngt und daß eine Klemm vorrichtung (8) vorgesehen ist, die eine äußere Kraft zum Andruck des Kühlkörpers (7) auf die elektronische Einrichtung (1) ausübt.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das wärmeleitfähige Fluid (11) ein Fluid ist, das
in den Rillen eine konvexe Oberfläche annimmt.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das wärmeleitfähige Fluid (11) feine Teilchen aus
Zinkoxid oder hochwärmeleitfähigem Keramikmaterial
enthält.
4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das wärmeleitfähige Fluid ein Fett hoher Viskosität
aufweist.
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sämtliche Rillen (21) miteinander in Verbindung
stehen.
6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmeübertragungsoberfläche der elektronischen
Einrichtung flach ist, daß die Rillen (21) in der Wärme
übertragungsoberfläche (20) des festen Kühlkörpers
(19) vorgesehen sind und daß im Kühlkörper eine von
der Wärmeübertragungsoberfläche (20) bis zu seiner
gegenüberliegenden Oberfläche reichende Bohrung (23)
vorgesehen ist, mit der jede der Rillen (21) in Ver
bindung steht (Fig. 9 bis 12).
7. Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein keramisches mehrlagiges Verbindungssubstrat (3) mit mehreren darauf gehalterten LSI-Chips und flexiblen Wärmeleitblöcken (5) die von den LSI-Chips erzeugte Wärme zu einem Keramikgehäuse (4) abführt,
der feste Kühlkörper (7) einen wassergekühlten Mantel aufweist, durch dessen Inneres Kühlwasser fließt, und
die Klemmvorrichtung (8) den wassergekühlten Mantel in engen Kontakt mit dem Keramikgehäuse (4) unter Zwi schenschichtung einer dünnen Schicht des wärmeleit fähigen Fluids (11) zwischen dem wassergekühlten Man tel und den LSI-Chips bringt.
daß ein keramisches mehrlagiges Verbindungssubstrat (3) mit mehreren darauf gehalterten LSI-Chips und flexiblen Wärmeleitblöcken (5) die von den LSI-Chips erzeugte Wärme zu einem Keramikgehäuse (4) abführt,
der feste Kühlkörper (7) einen wassergekühlten Mantel aufweist, durch dessen Inneres Kühlwasser fließt, und
die Klemmvorrichtung (8) den wassergekühlten Mantel in engen Kontakt mit dem Keramikgehäuse (4) unter Zwi schenschichtung einer dünnen Schicht des wärmeleit fähigen Fluids (11) zwischen dem wassergekühlten Man tel und den LSI-Chips bringt.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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Family
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