DE4121447A1 - Luftgekuehlter waermeaustauscher fuer vielchip-baugruppen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Luftkühlen schaltungsintegrierter Computerchips und insbesondere eine Verfahren und eine Vorrichtung zum Luft­ kühlen eines Arrays solcher Chips unter Einsatz einer luft­ gekühlten Verdampfungs- und Kondensatorvorrichtung, wobei der Verdampfer und Kondensator selbstversorgend sind und keine externe Energieversorgung benötigen.

Bei Computern hohen Leistungsverbrauchs nach modernem De­ sign besteht die Notwendigkeit der Luftkühlung solcher Com­ putersysteme hoher Leistung, um Marktanforderungen nachzukom­ men. Versuche, die gemacht worden sind, um Luft zum Kühlen von Halbleiterbauelementen oder Chips extrem hoher Leistung zu verwenden, haben sich als unzureichend herausgestellt, da Luft kein hocheffizientes Wärmeübertragungsmedium ist. Wärmeübertragung von einem Chip mit hoher Leistung zu einem luftgekühlten System erfordert eine sehr große Wärmedissipa­ tionsfläche oder Wärmesenke. Moderne Chipgehäusetechniken, die das Unterbringen von mehreren Chips hoher Leistung in­ nerhalb eines sehr kompakten Gebiets bzw. Fläche erlauben, führen zu dem Problem, daß eine große Fläche als Wärmesenke zur Wärmedissipation erforderlich ist.

Versuche sind durchgeführt worden, um forciertes Flüssig­ keitskühlen als Mittel zum Kühlen von Chips hoher Leistung zu verwenden. Eine forcierte Flüssigkeitskühlung erfordert jedoch Pumpen und Rohre und in den meisten Fällen ein zu­ sätzliches Gehäuse, um diesen Kühlungstyp unterbringen zu können. Zudem haben die Benutzer bzw. Kunden solcher Compu­ ter geringes Vertrauen in eine forcierte Flüssigkeitsküh­ lung.

Ein solcher Versuch mit Flüssigkeitskühlung für elektrische Bauelemente ist die direkte Wärmeübertragung in einem ko­ chenden bzw. heißen Tauchbad, wobei die Halbleiterkomponen­ ten vollständig innerhalb einer dielektrischen Flüssigkeit untergetaucht sind. Der Kühlungsgrad hängt vom Auffinden einer dielektrischen Flüssigkeit mit geeignetem Phasenüber­ gang und dielektrischen Eigenschaften ab. Ein weiteres Kühl­ system mit untergetauchtem Bauelement verwendet herkömmlich eine gerippte Kondensator-Kühlschlange innerhalb des Dampf­ raumes zur Wärmeentfernung und -abführung. Kondensatoren für solche heißen Systeme können in dem Dampf- bzw. Gasraum überhalb den Komponenten angeordnet sein oder entfernt ange­ ordnet sein.

Weitere Systeme wie z. B. der Cray-2-Computer verwenden ein direktes Tauchbadystem mit erzwungener bzw. angetriebener Konvektion, das eine Flüssigkeit bzw. ein Fluid verwendet, das nicht kocht bzw. siedet. Die Flüssigkeit fließt an den Komponenten vorbei, wo sie Wärme aufnimmt, und fließt dann zu einem externen Wärmetauscher, wo sie gekühlt wird. Der Fluidfluß in diesem System erfordert Pumpen und ein exter­ nes Rohrsystem.

Bei Systemen, bei denen die integrierten Schaltungschips in einem Kühlmittel oder einer kochbaren Flüssigkeit einge­ taucht sind, muß bei der Auswahl der Flüssigkeit sorgfältig vorgegangen werden, d. h., die dielektrischen und korrosiven Eigenschaften der Flüssigkeit zusammen mit den Wärmeübertra­ gungseigenschaften und der Dampfphasenänderungstemperatur müssen beim Aufstellen eines hochzuverlässigen Kühlsystems beachtet werden.

Andere Systeme haben herkömmliche gerippte Kühlkörperstruk­ turen bzw. Wärmesenkestrukturen in einer luftgekühlten An­ ordnung verwendet, aber diese Systeme sind nur für Einrich­ tungen mit niedrigem Energieverbrauch verwendbar. Da Luft kein sehr effizientes Kühlmedium ist, ist der abgeführte Wärmebetrag niedrig. Damit ist diese Lösung nur für Chips mit relativ geringer Leistungsaufnahme geeignet, außer eine größere Luftkontaktfläche oder Wärmeabführung wird vorgese­ hen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühlvorrich­ tung für zumindest ein elektronisches Bauelement relativ hohen Leistungsverbrauchs anzugeben, die effizient eine Luftkühlung des elektrischen Bauelements ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 6 oder 14 gelöst.

Demnach besteht die Erfindung in ihrer allgemeinsten Form in einer vorrichtung zum Abführen bzw. Entfernen von Wärme von zumindest einem beim Betrieb wärmeerzeugenden elektroni­ schen Bauelement, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Wär­ meübertragungseinrichtung, die in leitender Wärmeübertra­ gungsbeziehung zu der elektrischen Komponente angeordnet ist und insbesondere aufweist: zumindest ein Element, das aus einem thermisch leitenden dielektrischen Material be­ steht, das zwischen dem elektrischen Bauelement und der Wärmeübertragungseinrichtung angeordnet ist, eine Kammerein­ richtung, die als einen Teil von ihr zumindest einen Ab­ schnitt der Wärmeübertragungseinrichtung aufweist, eine siedbare Flüssigkeit innerhalb der Kammereinrichtung, wobei die Flüssigkeit von der zumindest einen elektronischen Kom­ ponente getrennt ist und die Eigenschaft des Siedens hat, um einen Dampf in Antwort auf eine Wärmeübertragung von der zumindest einen Komponente auf die Flüssigkeit über die Wärmeübertragungseinrichtung zu erzeugen, und eine Kon­ densiereinrichtung in fluider Flußverbindung mit der Kammer­ einrichtung zum Ermöglichen des Kondensierens des Dampfs und Zurückführen des kondensierten Fluids in die Kammerein­ richtung.

Bevorzugterweise wird eine Vorrichtung eingesetzt, die eine luftgekühlte, selbstversorgende Verdampfungs- und Kondensie­ rungsvorrichtung ohne externer Energieversorgung aufweist, wobei die Einrichtung eine Kühlplatte hat, die eine erste Oberfläche mit Aufnahmen bzw. Vertiefungen oder Chipsitzen bzw. -stellen hat, die in ihr in einer Matrix oder einem Feld entsprechend der Matrix oder dem Feld der Chips eines Multichipmoduls oder einer Einheit ausgebildet sind. Die andere Oberfläche der Kühlplatte weist eine gerippte Anord­ nung auf, die in Verbindung mit der Kühlplatte einen Teil einer isolierten Verdampfungskammer der Kühleinheit bildet, wobei das Kammergehäuse ein siedbares Fluid aufweist, das seine Phase von flüssig zu gasförmig bzw. dampfförmig än­ dert. Oberhalb der isolierten Kammer angeordnet und angren­ zend an die isolierte Kammer ist eine Kondensationskammer die eine Vielzahl von rohrförmigen Passierwegen aufweist, wobei ihre externen Abschnitte für eine vollständige bzw. leichte Entfernung der Wärme gerippt sind. Zum Anbringen des Kühlplattenabschnitts der Einheit auf bzw. an den Chips werden geeignete Wärmeübertragungssockel bzw. -teile (slugs) aus dielektrischem Material wie z. B. Aluminiumni­ tridteile in die Aufnahmen eingelötet, wobei die entgegenge­ setzten Oberflächen dieser Teile in geeigneter Weise mit den freiliegenden Flächen der Chips gebondet sind. Wärme wird von den Chips durch die Sockel, durch die Lotbefesti­ gung und durch die Kühlplatte übertragen, um ein Sieden des Fluids innerhalb der Kammer zu verursachen, wobei dessen Dämpfe in die Kondensationskammer in den oberen Abschnitt der Kühleinheit aufsteigen, wo der Dampf kondensiert wird und als Flüssigkeit zu der Verdampfungskammer zurückgeführt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Vielchipmodul mit einer selbstversorgenden mechanisch befestigbaren Kühleinheit geschaffen.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprü­ chen zu entnehmen.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegen­ den Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeich­ nungen ersichtlich. Es zeigen

Fig. 1 eine isometrische Ansicht der Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die in Explosionsanordnung be­ züglich einer Fläche eines Multichipmoduls gezeigt ist.

Fig. 2 ist eine diagrammartige Querschnittsansicht der Kühl­ vorrichtung nach Fig. 1 entlang der Linie 2-2 von Fig. 1 gesehen;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Kühlplattenabschnitts in zusammengebauter Anordnung mit den Wärmeübertragungssok­ keln und dem Board, und

Fig. 4 eine vergrößerte, teilweise Schnittansicht, die ei­ nen Abschnitt der Kühlplatte der Kühlvorrichtung und einen einzelnen Chip des Multichipboards zeigt.

In Fig. 1 wird eine luftgekühlte, selbstversorgende Verdamp­ fer- und Kondensationsvorrichtung 10 gezeigt, die benach­ bart zu einer Multichip-Einheit 12 ist, die um eine Verti­ kalachse herum zur Darstellung ihrer Fläche gedreht ist, auf der Halbleiterchips 14 angeordnet sind.

Mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 ist die Vorrichtung 10 ein luftgekühlter, selbstversorgender Wärmetauscher oder eine Kühleinheit mit intern ausgebildeten Kammern und Passier­ bzw. Durchflußwegen, die konfiguriert, dimensioniert, ausge­ legt und orientiert sind, um eine hermetisch abgeschlos­ sene Verdampfungs- und Kondensationseinheit zu bilden, die, wie im nachfolgenden beschrieben wird, wenn sie thermisch mit einer Matrix von integrierten Schaltungschips gekoppelt ist, die Dissipation von großen Wärmemengen ermöglicht ohne daß externe Energiequellen, Pumpen oder andere mechanische oder elektrische Einrichtungen notwendig wären.

Die Einheit 10 ist eine hermetisch abgedichtete Einheit, die eine abisolierte Verdampfungskammer 16 mit einem sied­ baren Fluid aufweist, die im allgemeinen boxenähnlich in der Form mit einer geöffneten Oberseite ist und ein allge­ mein plattenförmiges, im wesentlichen rechtwinkliges Kühl­ plattenteil 20 in allgemein parallel beabstandeter Anord­ nung zu einem ähnlich ausgebildeten Rückwandteil 22 ent­ hält. Das Kühlplattenteil 20 weist auf der Boilerseite ein Feld aus Rippen 21 auf, die das Wärmeübertragungsoberflä­ chengebiet auf der Boilerseite aus Gründen erhöht bzw. ver­ größert, die im nachfolgenden deutlich werden. Eine Boden­ wand 24 und Seitenwände 26 und 28 verbinden die gegenüber­ liegenden Kanten des Kühlplattenteils 20 und des Rückwand­ teils 22, um die an der Oberseite offene Kammer 16 zu bil­ den.

Die Kammer 16 ist mit einer geöffneten Oberseite oder einem Durchlaßweg 30 versehen, der in Übereinstimmung mit der dargestellten Ausführungsform in einem Winkel zu der Be­ festigungsfläche der Kühlplatte 20 ausgebildet ist. Der Durchlaßweg 30 ist als kanalähnlicher Abschnitt ausgebil­ det, der mit einer oberen Empfangskammer 32 verbindet, die als Teil von ihr eine Vielzahl von Rohren bzw. Röhren oder andere Kondensationspassierwege 34 aufweist, die von der Kammer 32 weggehen und in Flußverbindung mit der Kammer 32 sind. Dabei sind alle die rohrähnlichen Durchlaßwege 34 aus Rohren oder anderen Teilen mit Rippen 36 auf ihrer Außenfläche ausgebildet. Weitere Rippen können in geeig­ neter Weise an den Innenwänden der Passierwege 34 befestigt werden, wenn gewünscht. Die rohrähnlichen Kondensationspas­ sierwege 34 dienen als Kondensationskammer, wobei die Pas­ sierwege 34 langgestreckt sind, im Gebiet der Empfangskam­ mer 32 offen sind und am gegenüberliegenden bzw. anderen Ende durch Kappenteile 34a abgedeckt, verstöpselt oder ir­ gendwie anders abgeschlossen sind, wie z. B. durch U-förmige Kurvenstücke oder Ahnliches.

Obwohl die obere Empfangskammer 32 mit Abstand relativ zu der Verdampfungskammer 16 dargestellt ist, und zwar mit dem angewinkelten Dukt-Passierweg 30, ist es klar, daß die Kammer auch unmittelbar oberhalb der Verdampfungskammer ausgebildet sein kann, wobei der verbindende Passierweg 30 vertikal ist. Des weiteren, obwohl der Ausdruck rohrförmig mit Bezug auf die Passierwege 34 der Kondensa­ tionskammer benutzt wird, ist der Ausdruck rohrförmig, wie er nachfolgend benutzt wird, so aufzufassen, daß er ein rohrförmiges Teil bzw. Rohr mitumfaßt, ganz gleich, ob mit kreisförmigem oder rechtwinkeligem Querschnitt.

Eine Ausrichtung bei der Verwendung der Einheit 10 ist so, wie es in Fig. 2 gezeigt wird, d. h., das Kühlplattenteil 20 ist im wesentlichen vertikal zu den Passierwegen 34 der Kon­ densationskammer mit der Empfangskammer 32 ausgerichtet, und zwar in einer im allgemeinen horizontalen Richtung in einer Ebene oberhalb des oberen offenen Endes 30 der unte­ ren Kammer 16. Der Grund dafür besteht darin, wie es nach­ folgend beschrieben wird, daß es erforderlich ist, daß die Kammer 16 die siedbare Flüssigkeit 14 in Übereinstimmungen mit dem Schwerkraftgesetz aufnimmt, d. h., daß die Kammer 16 am unteren Punkt des Systems positioniert ist, wohingegen die Passierwege 34 der Kondensationskammer in einem höheren Punkt in dem System angeordnet sind. Eine andere Ausrich­ tung beim Einsatz der Einheit 10 besteht darin, das Kühl­ plattenteil 20 in einer allgemeinen Horizontalrichtung be­ züglich der Passierwege 34 der Kondensationskammer ausge­ richtet zu haben und die obere Kammer 32 in einer allgemei­ nen Vertikalrichtung in einem Bereich oberhalb der weiter unten liegenden Kammer 16 ausgerichtet zu haben.

Die Kammer 16 bildet die Verdampfungskammer und die Passier­ wege 34 formen die Kondensationskammer, die intern miteinan­ der innerhalb der Einheit 10 durch den Passierweg 30 verbun­ den sind. Die Kammern 16 und 32 zusammen mit dem verbin­ denden Passierweg 30 und den kondensierenden Passierwegen 34 sind als hermetisch abgedichtete Einheit zum Ausbilden eines geschlossenen Weges zum Fortleiten von Dämpfen von der Verdampfungskammer 16 zu der Empfangskammer 32 ausgebil­ det, wo der Dampf die kondensierenden Passierwege 34 betritt und nach der Luftkühlung über die Rippen bzw. Lamellen 36 seine Phase ins Flüssige ändert, wobei die Flüssigkeit dann zur unten liegenden Kammer 16 aufgrund der Schwerkraft zu­ rückkehrt.

Das Kühlplattenteil 20 hat einen Aufbau, der zum Teil durch die Konfiguration der Multichipeinheit 12 festgelegt ist. Wie nachfolgend beschrieben wird, ist die externe Ober­ fläche des Kühlplattenteils 20 für eine Anbringung an der freiliegenden Oberfläche der Einheit 12 (siehe auch Fig. 4) ausgelegt, wobei die Umfangskonfiguration 13 der Einheit 12 etwas erhöht ist, relativ zu einer Ebene, die durch die äußere, freiliegende Oberfläche der Chips 14 auf der Ein­ heit 12 gezogen ist. Fig. 3 zeigt, daß die Zusätze um den Umfang 13 herum solche Einrichtungen wie einen Netzstecker 17 und gewisse Befestigungseinrichtungen 19 einschließen, die für die Erfindung nicht relevant sind. In der Praxis stehen die Chips 14 ungefähr 0,6604 mm (26 mils) über die Oberfläche der gedruckten Leiterplatte 15 ab, auf der sie angebracht sind. Die Chips 14 können in irgendeinem Muster auf der Oberfläche der Leiterplatte 15 angeordnet sein, aber, wie in Fig. 1 gezeigt wird, sind die Chips 14 in ei­ ner symmetrischen Matrix oder einem symmetrischen Array bzw. Feld aus 4 Chips pro Reihe in 4 Reihen angeordnet, und zwar mit gleichem Seitenabstand zwischen den Chips. Die Abmessungen des Umfangs des Kühlplattenteils 20 werden allgemein durch die Dimensionen des erhöhten Umfangs 13 der Einheit 12 bestimmt. Die äußere Oberfläche des Kühlplat­ tenteils 20 kann zumindest eine Kühlplattenaufnahme oder eine Tasche 50 an einem Ort aufweisen, der dem Ort des zu kühlenden Chips 14 entspricht. Wie in Fig. 1 gezeigt wird, ist eine Matrix oder ein Feld von Taschen 50 vorhanden, und zwar entsprechend der Anzahl und dem Ort für das Feld von Chips 14 auf der Einheit 12. Die Taschen 50 sind zum Aufnehmen von keramischen Substraten wie z. B. Aluminium­ nitridsockeln 52 ausgelegt, die einen Hauptkörperabschnitt haben, welcher einen äußeren Umfang hat, der leicht kleiner ist als der innere Umfang der Taschen 50, und einen vergrößerten Flanschabschnitt 52a mit einer planaren Ober­ fläche in gegenüberliegender Anordnung zu der freiliegen­ den Oberfläche der Chips 14. Die Sockel 52 können aus ir­ gendeiner anderen Keramik gebildet werden, die hohe thermi­ sche Leitfähigkeitseigenschaften hat.

Wie in Fig. 4 gezeigt wird, werden die Hauptkörperabschnit­ te der Aluminiumnitridsockel 52 innerhalb der Taschen 50 aufgenommen und in geeigneter Weise gesichert, wie z. B. durch den Einsatz von Lot 54 oder irgendeines anderen adhe­ siven Materials mit niedrigem thermischem Widerstand. Die Oberfläche des Flanschabschnitts 52a ist an der Oberfläche des Chips 14 durch eine geeignete Einrichtung befestigt, wie z. B. einem thermisch leitenden Epoxidkleber oder einem Si/Au-Eutektikum oder einem Lot.

Die Auswahl des Aluminiumnitrids als Material für die Sok­ kel 52 beruht auf den Eigenschaften dieses Materials, d. h., daß das Aluminiumnitrid ein Dielektrikum ist, mit einer hohen thermischen Konduktivität, daß es thermische Ausdeh­ nungseigenschaften zeigt, die zu denjenigen der Chips 14 passen, und daß es ausreichenden elektrischen Widerstand hat, um eine geeignete elektrische Isolation zwischen dem Chip und dem Kühlsystem zu bewerkstelligen, der auf elektri­ schem Massepotential bzw. Erdepotential ist. Alternativer­ weise könnte eine elektrische Isolation durch Beschichten der Kühlplatte mit einem Oberflächendielektrikum oder durch den Einsatz eines metallischen Sockels, der mit einem Ober­ flächendielektrikum überzogen bzw. ummantelt ist, ermög­ licht werden.

Mit Bezug auf Fig. 4 wird das Befestigungsverfahren bzw. Anbringungsverfahren der Sockel 52 innerhalb der Taschen 50 beschrieben. Wie es ersichtlich ist, ist jede Tasche 50 freigelassen bzw. abgesetzt in der Nähe ihres freien Endes, um eine periphere nach außen sich erstreckende Schul­ terfläche 50a zu erzeugen. Diese Schulter stellt ein zusätz­ liches Volumen innerhalb der Tasche 50 dar, um ein Löten ohne irgendeine kritische Lotmenge zu erleichtern, die pro Tasche 50 eingesetzt wird.

Um das Lot 54 für die Befestigung der Sockel 52 anzuwenden, wird die Einheit 10 vertikal so angeordnet, daß die Kühl­ plattentaschen 50 innerhalb des Kühlplattenteils 20 nach oben schauen. Eine vorgegebene Menge von Lot 54 mit niedri­ gem Schmelzpunkt wird dann in jede Tasche 50 untergebracht, und zwar in Abhängigkeit von der Taschengröße und -tiefe, für die der Sockel 52 in der Tasche 50 eingesetzt werden soll. Das Lot 54 wird dann geschmolzen und die Sockel 52 werden eingefügt. Während dieses Einfügens bzw. Einsetzens fließt das Lot in Richtung des geöffneten Endes der Tasche 52, wobei der Überschuß an Lot dann auf die Schulterfläche 50a fließt. Danach kühlt das Lot ab. Eine gewisse Vibration kann nützlich sein, um sicherzustellen, daß keine Luftta­ schen bzw. Lufteinschlüsse zwischen den Sockeln 52 und den inneren Wänden der Taschen 50 existieren. Das Vorhandensein von Lufttaschen bei dieser Verbindung verschlechtert die thermischen Übertragungseigenschaften. Mit den Sockeln 52, die so innerhalb der Taschen 50 untergebracht bzw. befe­ stigt sind, ermöglicht die Verbindung den Taschen 50, die Kühlplattenstruktur des Kühlplattenteils 20 nach unten und um den Sockel 52 herum zu erweitern, wodurch ein verminder­ ter thermischer Widerstandsweg von der Oberfläche des Chips 14 über den Sockel 52 um die Seiten und die Oberseite des Sockels 52 herum und über das Kühlplattenteil 20 in sein Inneres erzeugt wird.

Bevorzugterweise werden die Sockel 52 zuerst an den Chips 14 angebracht, wobei die Chips 14 dann elektrisch auf der Leiterplatte 15 angebracht werden. Dann wird die gesamte Anordnung an der Kühlplatte 20 gesichtert. Die Chips 14 werden entweder gelötet, mit Epoxidharz verklebt oder in irgendeiner anderen Art und Weise auf den Sockeln 52 ange­ bracht, wobei das Lot um den gesamten Sockel herumfließt.

Um eine optimale Übertragung von Wärme von den Chips 14 zu bewirken, wird die Wärme, die über das Kühlplattenteil 20 übertragen wird, dann zu der inneren Oberfläche der Kühl­ platte 20 übertragen, die als eine Wand der Verdampfungskam­ mer 16 dient, welche eine kochende Kammer definiert, die über einen verbindenden Passierweg 30 und über die Empfangs­ kammer 32 mit den Passierwegen 34 kommuniziert, die als luftgekühlter Kondensierer wirken. Die Kammer 16 enthält auch eine Menge eines Arbeitsfluids oder Kühlmittels, das bereits als siedbare Flüssigkeit 40 bezeichnet worden ist. Die zu kühlenden Einrichtungen, d. h. die Chips 14 der Ein­ heit 12, sind auf einer Wärmeübertragungsoberfläche befe­ stigt, die dem Außeren der Kühlplatte 20 entspricht, wobei die andere Oberfläche der Kühlplatte 20 im Inneren der Kam­ mer 16 liegt.

Die Wärme strömt durch die Wände der Kühlplattentaschen 50 in die Kühlplatte 20, wobei die innere Oberfläche von dieser eine Vielzahl von Rippen 21 aufweist, die einstückig mit der Platte ausgebildet sind und in die Boilerkammer 16 hineinragen. Die inneren Rippen können jede geeignete Form oder Anordnung einnehmen, wie z. B. eine Balkenform, eine Triangularform oder irgendeine andere Form, und können parallel zueinander angeordnet sein, sich schneiden oder irgendeine andere geeignete Anordnung haben. In der darge­ stellten Ausführungsform sind die Rippen 21 allgemein bal­ kenförmige Metallteile in eng zueinander beabstandeter para­ leller Anordnung, die in integraler d. h. einstückiger Form auf der Rückseite der inneren Oberfläche des Kühlplatten­ teils 20 ausgebildet sein können, wobei die Rippen 21 ausge­ legt sind, die Wärmeenergieverteilung von dem Kühlplatten­ teil zu einem Pool siedbarer Flüssigkeit 40 zu verbessern, die innerhalb der Siede- oder Verdampfungskammer 16 abge­ dichtet ist. Die Rippen 21 vergrößern im wesentlichen die Oberflächenkontaktfläche zwischen der siedbaren Flüssigkeit 40 und dem Inneren des Kühlplattenteils 20.

Das Kühlmittel oder die siedbare Flüssigkeit 40 kann z. B. ein flüssiges Kühlmittel sein, das unter dem Namen Fluor­ inert bekannt ist. Fast jedes andere Fluid kann wegen sei­ ner thermodynamischen Eigenschaften ausgewählt werden, wie z. B. Wasser, Glykol, Alkohol und sogar flüssige Metalle mit niedrigerem Schmelzpunkt. Alle diese Fluide werden im folgenden kollektiverweise als siedbare Flüssigkeiten bezei­ chnet. Das Kühlmittel oder die Flüssigkeit 40 wird bevorzug­ terweise in der Siedekammer 16 untergebracht, und zwar in einer Menge, die ausreicht, um vollständig die Rippen 21 abzudecken. Damit wird Wärmeenergie von den Chips 14 über die Aluminiumnitridsockel 52 zu dem Kühlplattenteil 20 und zu den internen Kühlkörperrippen 21 transferiert, wo sie dann zum Kühlmittel oder der Flüssigkeit 40 verteilt wird.

Die Höhe der Temperaturdifferenz zwischen den Kühlkörperrip­ pen 21 und der Kühlluft ist eine Funktion der siedbaren Flüssigkeit, der Kondensatorgröße und des Rippenaufbaus, des Luftflusses durch den Kondensator und anderer Parame­ ter. Da es keine Elektronik gibt, die in dem Kühlmittel 40 untergetaucht ist, sind die dielektrischen Eigenschaften von Fluorinert oder einer anderen siedbaren Flüssigkeit nicht kritisch für die vorliegende Erfindung. D. h., daß andere, weniger teuere Kühlmittel mit besseren thermischen Eigenschaften eingesetzt werden können, wie schon oben aus­ geführt worden ist.

Beim Betrieb verdampft die freigesetzte Wärmeenergie, die der Verdampfungskammer 16 zugeführt wird, das Kühlmittel 40, wobei der sich ergebende Dampf bzw. das sich ergebende Gas nach oben steigt und der Flüssigkeit entkommt. Dieses Verdampfen oder Phasenändern der Flüssigkeit erfordert ei­ nen Eingang hoher Energie bei konstanter Temperatur, wobei diese Energie von der Kühlplatte 20 und den Rippen 21 abge­ zogen wird. Wegen seiner niedrigen Dichte wandert der Dampf nach oben von der Kammer 16 über den duktähnlichen Passier­ weg 30 durch die Empfangskammer 32 in den Kondensatorab­ schnitt, der durch die Passierwege 34 definiert ist. Der Kondensator besteht aus einer Vielzahl von kühlenden Pas­ sierwegen 34 mit der angebrachten gerippten Struktur 36, die betriebsmäßig mit einem Kühlluftsystem verbindet. D. h., die Teile 34 und die gerippte Struktur 36 (siehe auch Fig. 2) sind zum Erzeugen von Luftkühlungspfaden über die offe­ nen Abstände bzw. Räume zwischen den Teilen 34 und den Rip­ pen 36 ausgelegt, wobei dieses Luftkühlen durch Ventilato­ ren in dem Computergehäuse erzeugt wird. Wenn der Dampf von der Siedekammer 16 zu den Kondensatorpassierwegen 34 ansteigt, kommt er mit deren Oberflächen in Kontakt. Kühlen­ de Luft, die durch die offenen Kühlwege außerhalb der Pas­ sierwege 34 und der Rippen 36 vorbeiströmt, kühlt die Innen­ seite der Teile 34, wodurch der Dampf kondensiert und eine Phasenänderung zurück in die flüssige Phase bewirkt wird, in welcher das Kühlmittel unter Schwerkraft zu der Siedekam­ mer 16 zurückkehrt, um den Zyklus zu wiederholen. Diese Konstruktion der Einheit 10 reduziert den thermischen Se­ rienwiderstand bis zu dem Punkt, wo die lufgekühlten Türme, die aus den Komponenten 34 und 36 gebildet sind, dafür aus­ reichend sorgen, die Wärme abzuführen, die von den Chips 14 mit hohem Leistungsverbrauch erzeugt wird. Anders ausge­ drückt, während des Betriebs erzeugen die Flüssigkeit und der Wärmeeingang Dampf. Die Chips 14 erzeugen Wärme, die in die Kühlplatte 20 und die Kühlkörperrippen 21 geleitet wird. Diese erwärmt dann das Kühlmittel 40 bzw. bringt dann das Kühlmittel 40 zum Sieden, um Dampf zu erzeugen. Der sich ergebende Dampf steigt durch das flüssige Kühlmittel 40 über den Passierweg 30 und die Kammer 32 in die Kondensa­ torpassierwege 34 auf, wo der Dampf seine Wärme abgibt und in die flüssige Phase zurückkehrt. Die Flüssigkeit kehrt dann unter Schwerkraft in die Siedekammer 16 zurück, wo der Zyklus fortfährt, sich selbst zu wiederholen. Dies besei­ tigt das Erfordernis einer Pumpe.

Elektrische Verbindungen von den Chips 14 zu dem Gehäuse oder der gedruckten Leiterplatte 15 können durch den Ein­ satz von TAB, PGA oder jeder anderen vergleichbaren Technik ausgeführt werden. Die Chips 14 und die gesamte zugewiesene Hardware sind außerhalb zu dem Kühlplattenteil 20 und kom­ men nicht mit dem Fluid 40 in Kontakt. Es besteht keine Notwendigkeit, jemals das Kühlplattenteil 20 oder die Ein­ heit 10 zu öffnen oder auseinanderzubauen. Die Einheit 10, vollständig mit Kühlmittel 40, kann eigenständig als voll­ ständig hermetisch abgedichtete Einheit zusammengebaut wer­ den. Da es keine Fluidverbindungen gibt, die hergestellt werden müssen oder brechen bzw. ausfallen könnten, ähnelt die hier beschriebene Vorrichtung einem luftgekühlten Sy­ stem von einem Herstellungsgesichtspunkt oder von einem Außendienstgesichtspunkt her gesehen.

Durch Separieren der zu kühlenden Chips 14 gegenüber dem Kühlmittel 40 wird eine Anzahl von wichtigen Vorteilen er­ reicht. Aus der Einheit 10 ergibt sich eine luftgekühlte Vorrichtung zur Wärmeentfernung, die keine Materialkompati­ bilitätsvoraussetzungen zwischen den Chips 14 und dem Kühl­ mittel 40 benötigt. Die Chips 14 sind in thermischer Über­ tragungsbeziehung nur mit der äußeren Oberfläche des Kühl­ plattenteils 20, wodurch jede Entfernung oder jedes Erset­ zen irgendeines Chips vereinfacht wird. Schließlich verbes­ sert das Design der Kühlplattentasche 50 und der Einsatz der Sockel 52 den Wärmeübertragungsweg zwischen den Chips 14 und dem Kühlplattenteil 20 so, daß, wenn Blasen oder Hohlräume in den Taschen 50 vorhanden sind, die thermische Leistungsfähigkeit nur leicht verschlechtert wird.

Kurz gesagt, wie es oben ausführlich beschrieben worden ist, wird das Kühlen der Chips 14 auf der Multichipeinheit 12 durch den Einsatz einer isolierten, hermetisch abgedich­ teten Einheit 10 mit einer abgedichteten Kammer 16 ausge­ führt, die eine siedbare Flüssigkeit 40 beeinhaltet, welche physikalisch gegenüber den Chips 14 isoliert ist, damit die Auswahl einer Flüssigkeit streng bezüglich ihrer ökono­ mischen und wärmeübertragenden Eigenschaften stattfinden kann. Das Koppeln der Flüssigkeiten mit den Kühlplattenauf­ nahmen oder Taschen 50 erlaubt der Vorrichtung das Kühlen von Chips 14 hohen Leistungsverbrauchs, wobei getriebene Kühlluft über die Rippen 36 der Einheit 10 strömt und der resultierende thermische Widerstand sehr gering ist. Anders ausgedrückt, müssen im Vergleich zum Stand der Technik die dielektrischen und korrosiven Eigenschaften des Fluids 10 nicht mit Bezug auf eine mögliche Beschädigung oder Ver­ schlechterung der Chips 14 in Betracht gezogen werden, da die Chips 14 physikalisch gegenüber dem siedbaren Fluid 40 getrennt sind und nicht in dieses eingetaucht sind, und brauchen deshalb nur mit Bezug auf die Eigenschaf­ ten des Materials, aus dem die Kammern aufgebaut sind, be­ achtet werden. In der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Kammern und Passierwege einschließlich der Passierwege 34 aus geeignetem wärmeübertragendem Metallmaterial, wie z. B. Aluminium, Messing, Kupfer o. ä. In der bevorzugten Ausführungsform bestehen das Kühlplattenteil 20 und die Rippen 21 aus Kupfer, um eine maximale Wärmeübertragungs­ effizienz der Einheit 10 zu gewährleisten.

Claims (20)

1. Vorrichtung zum Entfernen von Wärme von zumindest einem wärmeverbrauchenden elektronischen Bauelement bei Betrieb, die aufweist:
eine Wärmeübertragungseinrichtung (20), die in leiten­ der Wärmetransferbeziehung mit dem elektronischen Bauele­ ment angeordnet ist, gekennzeichnet durch:
zumindest ein Element (52), das aus einem thermisch leitenden dielektrischen Material besteht, das zwischen dem elektronischen Bauelement (12) und der Wärmeübertra­ gungseinrichtung (20) angeordnet ist,
eine Kammereinrichtung (16) die als einen Teil zumin­ dest einen Abschnit (21) der Wärmeübertragungseinrichtung aufweist,
eine siedbare Flüssigkeit (40) innerhalb der Kammerein­ richtung, wobei die Flüssigkeit gegenüber zumindest dem einen elektronischen Bauelement separiert ist und die Eigen­ schaft des Siedens hat, um Dämpfe bzw. Gase in Antwort auf den Wärmetransfer von zumindest einem Bauelement zu der Flüssigkeit über die Wärmeübertragungseinrichtung zu erzeu­ gen, und
eine Kondensatoreinrichtung (34, 36) in fluider Flußver­ bindung mit der Kammereinrichtung zum Ermöglichen der Kon­ densation des Dampfes und der Rückkehr des kondensierten Fluids zu der Kammereinrichtung.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammereinrichtung und die Kondensatoreinrichtung als hermetisch abgedichtete Einheit mit der siedbaren Flüs­ sigkeit darin ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtung ein plattenförmiges Teil aufweist, daß eine Wand der Kammereinrichtung bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das plattenförmige Teil eine zusätzliche Wärmetransfer­ einrichtung auf seiner Oberfläche innerhalb der Kammerein­ richtung hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoreinrichtung eine zusätzliche Wärmeüber­ tragungseinrichtung auf ihrer Außenseite zum Aussetzen ge­ genüber der Luftzirkulation hat um eine Kühlung der Dämpfe innerhalb der kondensierenden Einrichtung zu ermöglichen.

6. Vorrichtung zum Entfernen von Wärme von zumindest einer wärmeerzeugenden elektronischen Einrichtung, gekennzeichnet durch:
ein Kühlteil mit einer ersten Oberfläche, die zum Emp­ fangen der wärmefreisetzenden elektrischen Einrichtung in Wärmeübertragungsbeziehung damit konfiguriert ist und mit einer zweiten Oberfläche, die allgemein gegenüber der er­ sten Oberfläche ist,
zumindest ein thermisch leitendes Teil (52), das aus dielektrischem Material gebildet ist und in einer wärmelei­ tenden Beziehung zwischen dem Kühlteil und der elektroni­ schen Einrichtung angeordnet ist,
eine Einrichtung zum Bilden einer Kammer, die gegenüber der ersten Oberfläche isoliert ist und die zweite Oberflä­ che aufweist,
ein siedbares Kühlmittel, das in der Kammer unterge­ bracht ist und in Wärmeübertragungsbeziehung zu der zweiten Oberfläche ist, wobei Wärme durch das Kühlteil zu dem Kühl­ mittel zum Bewirken eines Phasenübergangs des Kühlmittels von einer flüssigen Phase in eine gasförmige Phase übertra­ gen wird, und,
eine Kondensatoreinrichtung, die betriebsmäßig mit der Kammer zum Kondensieren des Kühlmittels von seiner gasförmi­ gen Phase in seine flüssige Phase verbunden ist, während Wärmeenergie abgeführt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Passierwegeinrichtung zum Zurückführen des flüssi­ gen Kühlmittels von der Kondensatoreinrichtung zu der Kam­ mer vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoreinrichtung eine Kammereinrichtung auf­ weist und daß die Kammereinrichtung, die Kammer und die Passierwegeinrichtung als hermetisch abgedichtete Einheit mit dem Kühlmittel darin ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer eine gerippte Einrichtung als Wärmesenke in thermischer Ubertragungsbeziehung mit der zweiten Ober­ fläche aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Tascheneinrichtung innerhalb der ersten Oberfläche des Kühl­ teils und zumindest ein thermisch leitendes Teil das dafür ausgelegt ist, innerhalb der Tascheneinrichtung aufgenommen zu werden, wobei das thermisch leitende Teil eine Oberflä­ che hat, die dafür ausgelegt ist, daß sie an der Oberfläche der zumindest einen elektronischen Einrichtung in Wärmeüber­ tragungsbeziehung mit diesem angebracht werden kann.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leitende Teil aus dielektrischem Material besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material Aluminiumnitrid ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leitende Teil aus einem thermisch leiten­ den Metall besteht, das zumindest teilweise mit einem di­ elektrischen Material überzogen ist.

14. Luftgekühlte Vorrichtung zum Abführen von Wärme von einer Matrix von wärmeerzeugenden Halbleitereinrichtungen, gekennzeichnet durch:
eine Behältereinrichtung zum Bilden einer Kammer, wobei die Behältereinrichtung eine Befestigungsoberfläche für Wärmeübertragung außerhalb der Kammer aufweist und wobei die Befestigungsoberfläche für Wärmeübertragung eine ähnli­ che Matrix aus Taschen, die darin ausgebildet sind, hat,
ein thermisch leitendes Substrat, das an jeder der Halb­ leitereinrichtungen angebracht ist,
ein Lotmittel mit niedrigem Schmelzpunkt zum Bonden jedes dieser Substrate mit der jeweiligen elektronischen Einrichtung in die Taschen, wodurch jede dieser elektri­ schen Einrichtungen gegenüber der Kammer isoliert wird,
eine Wärmesenkeeinrichtung, die sich in die Kammer von einer Oberfläche erstreckt, welche gegenüber der Befesti­ gungsoberfläche für Wärmeübertragung liegt,
ein siedbares Kühlmittel, das in der Kammer unterge­ bracht ist und vollständig die Wärmesenkeeinrichtung zum Bewirken eines Phasenübergangs abdeckt, um Wärme von der Wärmesenkeeinrichtung zu entfernen, und
eine Kondensatoreinrichtung, die betriebsmäßig mit der Behältereinrichtung verbunden ist, um das siedbare Kühlmit­ tel von einer gasförmigen Phase in seine flüssige Phase zu kondensieren.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Passierwegeinrichtung zum Zurückführen des flüssigen Kühl­ mittels von der Kondensatoreinrichtung zu der Kammer.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoreinrichtung eine innere Kammereinrich­ tung aufweist und daß die Kammereinrichtung, die Kammer und die Passierwegeinrichtung als eine hermetisch abgedich­ tete Einheit mit dem Kühlmittel darin ausgebildet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus elektrischem Material gebildet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine dielektrische Beschichtung auf der Halbleitereinrichtung aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material ein Aluminiumnitridsockel ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoreinrichtung eine Passierwegeinrichtung mit äußeren Rippen enthält und daß die äußeren Rippen der Luftzirkulation ausgesetzt sind.