DE4121447C2 - Luftgekühlter Wärmeaustauscher für Vielchip-Baugruppen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine luftgekühlte Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 Kühlen schaltungsintegrierter Computerchips und insbesondere 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 modernen 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 zu dem Problem, daß eine große Fläche als Wärmesenke zur Wärmedissipation erforderlich ist.

Versuche sind unternommen worden, um erzwungenes Flüssig­ keitskühlen als Mittel zum Kühlen von Chips hoher Leistung zu verwenden. Eine erzwungene 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 erzwungene Flüssigkeitsküh­ lung.

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

Weitere Systeme wie z. B. der Cray-2-Computer verwenden ein direktes Tauchbadsystem mit erzwungener Konvektion, das eine Flüssigkeit verwendet, die nicht 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 siedbaren 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.

Eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der US 3,476,175 bekannt.

Gegenüber diesem gattungsbildenden Stand der Technik liegt der Erfindung im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Kühlvorrichtung derart weiterzubilden, daß bei einfachem Aufbau der Kühlvorrichtung die Wirksamkeit der Kühlung verbessert wird.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Aus der DE-OS 21 07 010 ist bereits eine Einrichtung zur Kühlung von Leistungs-Halbleiterbauelementen bekannt, bei der zwischen den Bauelementen und der Kühlkammer ein isolierender dielektrischer Körper angeordnet ist. Aus der DE 31 17 758 A1 ist weiterhin eine Kühlvorrichtung für elektronische Bauteile bekannt, bei der sich der Kondensator über die gesamte Breite einer Kammer bzw. einer Vielzahl von parallel angeordneten Kühlkanälen erstreckt. Schließlich ist es aus der US 3,852,805 im Zusammenhang mit einer Kühleinrichtung für Halbleiter­ bauteile bekannt, zur Vergrößerung der Verdampfungsoberfläche Strukturen wie Zylinder und Pfosten vorzusehen.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

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

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

Fig. 2 ist eine 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 Wärmeübertragungskörpern und der Leiterplatte, und

Fig. 4 eine vergrößerte, teilweise Schnittansicht, die einen Abschnitt der Kühlplatte der Kühlvorrichtung und einen einzelnen Chip der Leiterplatte zeigt.

In Fig. 1 wird eine luftgekühlte Verdampfer- und Kondensationsvorrichtung 10 gezeigt, neben der eine Multichip-Einheit 12 abgebildet ist, die um eine Verti­ kalachse herum zur Darstellung ihrer Innenfläche gedreht ist, auf der Halbleiterchips 14 angeordnet sind.

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

Die Einheit 10 ist eine hermetisch abgedichtete Einheit, die eine isolierte Verdampfungskammer 16 mit einer sied­ baren Kühlflüssigkeit aufweist, die gehäuseähnlich in der Form mit einer geöffneten Oberseite ausgebildet ist und eine im wesentlichen rechtwinklige Kühl­ platte 20 in parallel beabstandeter Anord­ nung zu einer ähnlich ausgebildeten Rückwand 22 ent­ hält. Die Kühlplatte 20 weist auf der Verdampfungsseite Rippen 21 auf, die die Wärmeübertragungsoberfläche auf der Verdampfungsseite erhöht bzw. ver­ größert, wie im nachfolgenden deutlich wird. Eine Boden­ wand 24 und Seitenwände 26 und 28 verbinden die gegenüber­ liegenden Kanten der Kühlplatte 20 und der Rückwand 22, um die an der Oberseite offene Kammer 16 zu bil­ den.

Die Kammer 16 ist mit einer geöffneten Oberseite oder einem Durchlaß 30 versehen, der in Übereinstimmung mit der dargestellten Ausführungsform in einem Winkel zu der Be­ festigungsfläche der Kühlplatte 20 angeordnet ist. Der Durchlaß 30 ist als kanalähnlicher Abschnitt ausgebil­ det, der mit einer oberen Kammer 32 verbindet, die eine Vielzahl von Rohren bzw. Röhren oder andere Kondensationskanäle 34 aufweist, die von der Kammer 32 weggehen und in Verbindung mit der Kammer 32 stehen. Dabei sind alle Kanäle 34 aus Rohren oder anderen Teilen mit Rippen 36 auf ihrer Außenfläche ausgebildet. Weitere Rippen können in geeig­ neter Weise an den Innenwänden der Kanäle 34 befestigt werden, wenn gewünscht. Die rohrähnlichen Kondensations­ kanäle 34 dienen als Kondensationskammer, wobei die Kanäle 34 langgestreckt sind, zur Kam­ mer 32 hin offen sind und am gegenüberliegenden bzw. anderen Ende durch Kappen 34a abgedeckt, verstöpselt oder irgendwie anders abgeschlossen sind, wie z. B. durch U-förmige Kuppen.

Obwohl die obere Kammer 32 mit Abstand relativ zu der Verdampfungskammer 16 dargestellt ist, und zwar mit dem angewinkelten Durchlaß 30, ist es klar, daß die Kammer auch unmittelbar oberhalb der Verdampfungskammer ausgebildet sein kann, wobei der verbindende Durchlaß 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., die Kühlplatte 20 ist im wesentlichen vertikal zu den Kanälen 34 der Kon­ densationskammer mit der Kammer 32 ausgerichtet, und zwar in einer horizontalen Richtung in einer Ebene oberhalb des oberen offenen Durchlasses 30 der unte­ ren Kammer 16. Der Grund dafür besteht darin, daß es erforderlich ist, daß die Kammer 16 die siedbare Flüssigkeit 40 auf Grund des Schwerkraftgesetzes aufnimmt, d. h., daß die Kammer 16 am unteren Punkt des Systems positioniert ist, wohingegen die Kanäle 34 der Kondensationskammer in einem höheren Punkt in dem System angeordnet sind. Eine andere Ausrich­ tung beim Einsatz der Einheit 10 besteht darin, die Kühl­ platte 20 in einer Horizontalrichtung be­ züglich der Kanäle 34 der Kondensationskammer ausge­ richtet zu haben und die obere Kammer 32 in einer Vertikalrichtung in einem Bereich oberhalb der weiter unten liegenden Kammer 16 ausgerichtet zu haben.

Die Kammer 16 bildet die Verdampfungskammer und die Kanäle 34 bilden die Kondensationskammer, die intern miteinan­ der innerhalb der Einheit 10 durch den Durchlaß 30 verbun­ den sind. Die Kammern 16 und 32 zusammen mit dem verbin­ denden Durchlaß 30 und den Kanälen 34 sind als hermetisch angedichtete Einheit zum Ausbilden eines geschlossenen Weges zum Fortleiten von Dämpfen von der Verdampfungskammer 16 zu der Kammer 32 ausgebil­ det, wo der Dampf die Kanäle 34 erreicht und nach der Luftkühlung über die Rippen bzw. Lamellen 36 kondensiert und die Kanalflüssigkeit dann zur unten liegenden Kammer 16 auf Grund der Schwerkraft zu­ rückkehrt.

Die Kühlplatte 20 hat einen Aufbau, der zum Teil durch die Konfiguration der Multichipeinheit 12 festgelegt ist. Wie nachfolgend beschrieben wird, ist die äußere Ober­ fläche der Kühlplatte 20 für eine Anbringung an der freiliegenden Oberfläche der Einheit 12 (siehe auch Fig. 4) ausgelegt. Dabei ist der Rand 13 der Einheit 12 etwas erhöht relativ zu einer Ebene, die durch die äußere, freiliegende Oberfläche der Chips 14 auf der Ein­ heit 12 gezogen ist. Fig. 3 zeigt, daß um den Rand 13 herum Einrichtungen wie ein Netzstecker 17 und gewisse Befestigungseinrichtungen 19 vorhanden sind. In der Praxis stehen die Chips 14 ungefähr 0,6604 mm über die Oberfläche der gedruckten Leiterplatte 15, auf der sie angebracht sind, hervor. Die Chips 14 können in irgendeiner Weise auf der Oberfläche der Leiterplatte 15 angeordnet sein. Wie in Fig. 1 gezeigt wird, sind die Chips 14 in einer symmetrischen Matrix bzw. Feld aus 4 Chips pro Reihe in 4 Reihen angeordnet, und zwar mit gleichem Seitenabstand zwischen den Chips. Die Abmessungen des Umfangs der Kühlplatte 20 werden durch die Dimensionen des erhöhten Randes 13 der Einheit 12 bestimmt. Die äußere Oberfläche der Kühlplatte 20 kann zumindest eine Ausnehmung 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 Ausnehmungen 50 vorhanden, und zwar entsprechend der Anzahl und dem Ort für das Feld von Chips 14 auf der Einheit 12. Die Ausnehmungen 50 sind zum Aufnehmen von keramischen Substraten wie z. B. Aluminium­ nitridkörpern 52 ausgelegt, die einen äußeren Umfang haben, der leicht kleiner ist als der innere Umfang der Ausnehmungen 50, und einen vergrößerten Flanschabschnitt 52a mit einer planaren Ober­ fläche, die gegenüber der freiliegen­ den Oberfläche der Chips 14 liegt. Die Körper 52 können aus irgend­ einer anderen Keramik gebildet werden, die eine hohe thermi­ sche Leitfähigkeitseigenschaft hat.

Wie in Fig. 4 gezeigt wird, werden die Aluminiumnitridkörper 52 innerhalb der Ausnehmungen 50 aufgenommen und in geeigneter Weise gesichert, wie z. B. durch den Einsatz von Lot 54 oder irgendeines anderen befestigenden Materialien mit niedrigem thermischem Widerstand. Die Oberfläche des Flanschabschnitts 52a ist an der Oberfläche des Chips 14 durch ein geeignetes Mittel befestigt, wie z. B. einem thermisch leitenden Epoxidkleber oder einem Si/Au-Eutektikum oder einem Lot.

Die Auswahl des Aluminiumnitrids als Material für die Körper 52 beruht auf den Eigenschaften dieses Materials, d. h., daß das Aluminiumnitrid ein Dielektrikum ist, mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, daß es thermische Ausdeh­ nungseigenschaften zeigt, die zu denjenigen der Chips 14 passen, und daß es einen ausreichenden elektrischen Widerstand hat, um eine geeignete elektrische Isolation zwischen dem Chip und dem Kühlsystem zu bewerkstelligen, der auf elektri­ schem Massepotential bzw. Erdpotential ist. Alternativ 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 Körper 52 innerhalb der Ausnehmungen 50 beschrieben. Wie es ersichtlich ist, ist jede Ausnehmung 50 in der Nähe ihres freien Endes abgesetzt, um eine nach außen sich erstreckende Schul­ terfläche 50a zu bilden. Diese Schulter stellt ein zusätz­ liches Volumen innerhalb der Ausnehmungen 50 dar, um ein Löten ohne irgendeine kritische Lotmenge zu erleichtern, die pro Ausnehmung 50 eingesetzt wird.

Um das Lot 54 für die Befestigung der Körper 52 anzuwenden, wird die Einheit 10 vertikal so angeordnet, daß die Kühl­ plattenausnehmungen 50 innerhalb der Kühlplatte 20 nach oben schauen. Eine vorgegebene Menge von Lot 54 mit niedri­ gem Schmelzpunkt wird dann in jede Ausnehmung 50 eingebracht, und zwar in Abhängigkeit von der Ausnehmungsgröße und -tiefe, für die der Körper 52 in der Ausnehmung 50 eingesetzt werden soll. Das Lot 54 wird dann geschmolzen und die Körper 52 werden eingefügt. Während dieses Einfügens bzw. Einsetzens fließt das Lot in Richtung des geöffneten Endes der Ausnehmung 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 Körpern 52 und den inneren Wänden der Ausnehmungen 50 existieren. Das Vorhandensein von Lufttaschen bei dieser Verbindung verschlechtert die thermischen Übertragungseigenschaften. Mit den Körpern 52, die so innerhalb der Ausnehmungen 50 untergebracht bzw. befe­ stigt sind, ermöglicht die Verbindung den Ausnehmungen 50, die Kühlplattenstruktur der Kühlplatte 20 nach unten und um den Körper 52 herum zu erweitern, wodurch ein verminder­ ter thermischer Widerstandsweg von der Oberfläche des Chips 14 über den Körper 52 um die Seiten und die Oberseite des Körpers 52 herum und über die Kühlplatte 20 in sein Inneres erzeugt wird.

Bevorzugterweise werden die Körper 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 befestigt. Die Chips 14 werden entweder gelötet, mit Epoxidharz verklebt oder in irgendeiner anderen Art und Weise auf den Körpern 52 ange­ bracht, wobei das Lot um den gesamten Körper herumfließt.

Um eine optimale Übertragung von Wärme von den Chips 14 zu bewirken, wird die Wärme, die über die Kühlplatte 20 übertragen wird, dann zu der inneren Oberfläche der Kühl­ platte 20 übertragen, die als eine Wand der Verdampfungskam­ mer 16 dient, die über einen verbindenden Durchlaß 30 und über die Kammer 32 mit den Kanälen 34 kommuniziert, die als luftgekühlter Kondensator wirken. Die Kammer 16 enthält auch eine Menge des 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 Äußeren 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 Kühlplattenausnehmungen 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 Kammer 16 hineinragen. Die inneren Rippen können jede geeignete Form oder Anordnung einnehmen, wie z. B. eine Balkenform, eine Triangularform und können parallel zueinander angeordnet sein, sich schneiden oder irgendeine andere geeignete Anordnung haben. In der darge­ stellten Ausführungsform sind die Rippen 21 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. Die Rippen 21 sind ausge­ legt, den Wärmetransport von der Kühlplatte zu einer siedbaren Kühlflüssigkeit 40 zu verbessern, die innerhalb der Siede- oder Verdampfungskammer 16 eingeschlossen ist. Die Rippen 21 vergrößern die Kontaktfläche zwischen der siedbaren Flüssigkeit 40 und dem Inneren der Kühlplatte 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 bezeich­ net. Das Kühlmittel oder die Kühlflüssigkeit 40 wird bevorzugter­ weise 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 Aluminiumnitridkörper 52 zu der Kühlplatte 20 und zu den internen Kühlkörperrippen 21 transportiert, wo sie dann zur Kühlflüssigkeit 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, der Luftströmung 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 Erfindung. Das heißt, es können andere, weniger teuere Kühlmittel mit besseren thermischen Eigenschaften eingesetzt werden.

Beim Betrieb verdampft die freigesetzte Wärmeenergie, die der Verdampfungskammer 16 zugeführt wird, das Kühlmittel 40, wobei der erzeugte Dampf bzw. das Gas nach oben aus der Flüssigkeit heraussteigt. Dieses Verdampfen oder Phasenändern der Flüssigkeit erfordert eine hohe Energie bei konstanter Temperatur, wobei diese Energie von der Kühlplatte 20 und den Rippen 21 abtransportiert wird. Wegen seiner niedrigen Dichte wandert der Dampf nach oben von der Kammer 16 über den Durchlaß 30 durch die Kammer 32 in den Kondensator­ abschnitt, der durch die Kanäle 34 definiert ist. Der Kondensator besteht aus einer Vielzahl von kühlenden Kanälen 34 mit der gerippten Struktur 36. Die Kanäle 34 und die gerippte Struktur 36 (siehe auch Fig. 2) sind zur Luftkühlung über die offenen Abstände bzw. Räume zwischen den Kanälen 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 Kondensator-Kanälen 34 ansteigt, kommt er mit deren Oberflächen in Kontakt. Kühlende Luft, die außerhalb der Kanäle 34 und der Rippen 36 vorbeiströmt, kühlt die Innen­ seite der Kanäle 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 Serien­ widerstand bis zu dem Punkt, wo die luftgekühlten Rohre, die aus den Komponenten 34 und 36 gebildet sind, dafür 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 Durchlaß 30 und die Kammer 32 in die Kondensa­ torkanäle 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 zu wiederholen. Dadurch entfällt 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 Hardware sind außerhalb zu der Kühlplatte 20 und kom­ men nicht mit der Kühlflüssigkeit 40 in Kontakt. Es besteht keine Notwendigkeit, jemals die Kühlplatte 20 oder die Ein­ heit 10 zu öffnen oder auseinanderzubauen. Die Einheit 10, mit Kühlmittel 40 gefüllt, 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, ist die hier beschriebene Vorrichtung vom Herstellungsgesichtspunkt oder vom Außendienstgesichtspunkt her vorteilhaft.

Durch die Trennung 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 Kühlung, die keine Materialkompati­ bilitätsvoraussetzungen zwischen den Chips 14 und dem Kühl­ mittel 40 benötigt. Die Chips 14 sind in thermischer Verbindung nur mit der äußeren Oberfläche der Kühl­ platte 20, wodurch jede Entfernung oder jedes Erset­ zen irgendeines Chips vereinfacht wird. Schließlich verbes­ sert das Design der Kühlplattenausnehmung 50 und der Einsatz der Körper 52 den Wärmeübertragungsweg zwischen den Chips 14 und der Kühlplatte 20 so, daß, wenn Blasen oder Hohlräume in den Ausnehmungen 50 vorhanden sind, die thermische Leistungsfähigkeit nur leicht verschlechtert wird.

Kurz gesagt 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 beinhaltet, 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 Ausnehmungen 50 erlaubt der Vorrichtung das Kühlen von Chips 14 hohen Leistungsverbrauchs, wobei Kühlluft über die Rippen 36 der Einheit 10 strömt und der resultierende thermische Widerstand sehr gering ist. Es 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 Kanäle 34 aus geeignetem wärmeübertragendem Metallmaterial, wie z. B. Aluminium, Messing, Kupfer o. ä. In der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Kühlplatte 20 und die Rippen 21 aus Kupfer, um eine maximale Wärmeübertragungsfähigkeit der Einheit 10 zu gewährleisten.

Claims (7)

1. Luftgekühlte Anordnung zum Kühlen zumindest eines während des Betriebes Wärme erzeugenden elektronischen Bauelements, das eine wärmeabgebende Oberfläche aufweist, mit

• - einem ersten wärmeleitenden Element (20), das mit dem elektronischen Bauelement (14) wärmeleitend verbunden ist,
• - zumindest einem zweiten Element (52), das aus einem thermisch leitenden dielektrischen Material besteht,
• - einer Kammer (16), die teilweise von zumindest einem Abschnitt (21) des ersten wärmeleitenden Elements (20) gebildet ist,
• - einer siedbaren Kühlflüssigkeit (40) innerhalb der Kammer, wobei die Kühlflüssigkeit gegenüber dem zumindest einen elektronischen Bauelement (14) getrennt ist und in Abhängigkeit von der von dem zumindest einen Bauelement (14) über das erste wärmeleitende Element (20) übertragenen Wärme Kühlflüssigkeit (40) verdampft, und
• - einem Kondensator (34, 36), der mit der Kammer (16) in Fluidverbindung steht, um die selbsttätige Kondensation der verdampften Kühlflüssigkeit zu ermöglichen, wobei der Kondensator so angeordnet ist, daß die Rückkehr der kondensierten Kühlflüssigkeit (40) zu der Kammer (16) mittels Schwerkraft bewirkt wird,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß das zumindest eine zweite Element (52) aus dielektrischem Material die wärmeabgebende Oberfläche des elektronischen Bauelements (14) kontaktiert,
• - daß das zumindest eine zweite Element (52) aus dielektrischem Material zwischen dem elektronischen Bauelement (14) und dem ersten wärmeleitenden Element (20) angeordnet ist,
• - daß das erste wärmeleitende Element (20) eine Kühlplatte mit Rippen (21) zum Vergrößern der Kontaktfläche zwischen dem ersten wärmeleitenden Element (20) und der siedbaren Kühlflüssigkeit (40) aufweist, und
• - daß der Kondensator (34, 36) über die gesamte Breite der Kammer (16) mit der Kammer in Fluidverbindung steht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (16) und der Kondensator (34, 36) als hermetisch abgedichtete Einheit mit der Kühlflüs­ sigkeit (40) darin ausgebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (34, 36) auf seiner Außenseite zur Kühlung der Dämpfe innerhalb des Kondensators eine zusätzliche Wärmeüber­ tragungseinrichtung (36) zum Aussetzen gegen­ über der Luftzirkulation hat.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (34, 36) rohrförmige Kondensations­ kanäle (34) umfaßt.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material des zweiten Elements (52) Aluminiumnitrid ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element (52) aus einem thermisch leiten­ den Metall besteht, das zumindest teilweise mit einem di­ elektrischen Material überzogen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator äußere Rippen (36) aufweist, die der Luftzirkulation ausgesetzt sind.