DE4121534A1

DE4121534A1 - Kuehlvorrichtung

Info

Publication number: DE4121534A1
Application number: DE4121534A
Authority: DE
Inventors: Katsumi Hisano; Tomiya Sasaki; Masaru Ishizuka
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-06-30
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1992-01-09
Anticipated expiration: 2011-06-29
Also published as: US5198889A; DE4121534C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, und sie betrifft im einzelnen eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Halbleiter-Chips oder dgl.

Da der wärmeerzeugende Teil eines Halbleiterchips während des Betriebes des Halbleiters Wärme erzeugt, wird es mit Hilfe einer Kühlvorrichtung gekühlt, um auf diese Weise eine gleichmäßige Wirkung aufrechtzuerhalten.

Üblicherweise werden verschiedene Bauarten von Kühlvorrichtungen zum Kühlen von Halbleiter-Chips verwendet, wie sie beispielsweise in den Fig. 1 bis 5 dargestellt sind.

Eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Halbleiter-Chips, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt einen Rippenaufbau 101, der auf dem Oberteil des Halbleiter-Chips 102 befestigt ist. Mehrere Halbleiter-Chips 102 sind auf einem Trägermaterial 103 befestigt. Ein Fluid, wie z. B. Luft oder dgl., wird mit Hilfe eines Gebläses 105 durch einen Behälter 104 geleitet, in dem wiederum die Halbleiter-Chips 102 mit den Rippenaufbauten 101 und den Trägermaterialien 103 enthalten sind, um auf diese Weise die Wärme von den Halbleiter-Chips in die Luft abzuleiten.

Bei dieser Bauart einer Kühlvorrichtung, bei der die Kühlung durch einen Luftstrom vom Gebläse 105 über die Rippen 101 an den Halbleiter-Chips 102 bewerkstelligt wird, entsteht jedoch dann, wenn die Halbleiter-Chips sehr dicht auf dem Trägermaterial 103 angeordnet sind, wie dies bei modernen Chips der Fall ist, aufgrund der Tatsache, daß die vereinigten Halbleiter-Chips eine erhebliche Wärmemenge produzieren, das Problem, daß es nicht möglich ist, die Halbleiter-Chips 102 wirkungsvoll auf eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu kühlen.

Bei der Kühlvorrichtung zum Kühlen von Halbleiter-Chips gemäß Fig. 2 sind mehrere Halbleiter-Chips 111 (in der Zeichnung sind drei dargestellt) auf einem Trägermaterial 112 angebracht, und zwar innerhalb eines Raumes 115, der zwischen einer Grundplatte 113, die auf der Innenseite das Trägermaterial 112 trägt, und dem Wärmeübertragungsblock 114 ausgebildet ist.

In einem Raum innerhalb eines Loches 114a ist eine Kühlstange 116 eingesetzt, die ihrerseits mit dem oberen Abschnitt des Halbleiter-Chips innerhalb des im Wärmeübertragungsblock 114 ausgebildeten Loch 114a in Berührung steht. Die Kühlstange 116 wird mit Hilfe einer im Loch 114a angeordneten Feder 117 gegen den Halbleiter-Chip 111 gedrückt. Im Wärmeübertragungsblock 114 ist ferner ein Kanal 118 eingeformt, durch den ein Kühlmittel fließt. In den Raum, der zwischen der Grundplatte 113 und dem Wärmeübertragungsblock 114 gebildet ist, ist Helium-Gas eingefüllt.

Bei üblichen Bauarten von Kühlvorrichtungen, wie sie oben beschrieben sind, wird die Wärme, die vom Halbleiter-Chip 111 erzeugt wird, auf die Kühlstange 116 übertragen, und sie wird weiter über das Helium-Gas auf den Wärmeübertragungsblock 114 übertragen. Der Halbleiter-Chip 111 wird durch Kühlen des Wärmeübertragungsblocks 114 durch das Kühlmittel gekühlt, das seinerseits durch den Kanal 118 hindurchfließt.

Bei der oben beschriebenen üblichen Kühlvorrichtung besteht jedoch wegen der geringen Genauigkeit des Aufbaus dann, wenn die Kühlstange 116 den oberen Abschnitt des Halbleiter-Chips 111 in einem Winkel berührt, ein erheblicher Wärme-Übergangs-Widerstand am Berührungspunkt, so daß die Kühlwirkung vermindert wird; zusätzlich begegnet die Wärme im Halbleiter-Chip 111 einem hohen Maß an Wärmewiderstand beim Übertragen der Wärme auf den Wärmeübertragungsblock 114 durch die Wärmeleitung durch das Gas, das z. B. aus Helium bestehen kann.

Bei der Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Halbleiter-Chips, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, ist ein Wärmeübertragungsblock 122 mit der Oberfläche eines Halbleiter-Chips 121 thermisch verbunden. Auf derjenigen Seite des Wärmeübertragungsblocks 120, der dem Halbleiter-Chips 121 gegenüberliegt, sind durch mehrere Rippen 123 mehrere Kanäle 124 ausgebildet, wobei jede Rippe linear ausgebildet ist und einen Querschnitt hat, der zwischen mehreren 10 und mehreren 100 µm² hat (s. Fig. 4). Die Rippen sind durch einen Ätz-Vorgang hergestellt.

Die Rippen 123 am Wärmeübertragungsblock 122 sind durch eine Abdeckplatte 125 eingeschlossen. Am einen Ende der Abdeckplatte 125 ist ein Einlaßstutzen 126 vorgesehen und am anderen Ende ein Auslaßstutzen 127, so daß durch die Kanäle 124 ein Kühlmittel zirkulieren kann.

Wenn bei der oben beschriebenen, üblichen Kühlvorrichtung durch den Halbleiter-Chip 121 Wärme erzeugt wird, wird diese Wärme auf die Rippen 123 des Wärmeübertragungsblocks 122 übertragen. Die Rippen 123 des Wärmeübertragungsblocks 122 werden dann durch das Kühlmittel gekühlt, das in den Kanälen 124 fließt, so daß auf diese Weise der Halbleiter-Chip 121 gekühlt wird.

Da die Rippen 123 jedoch zwischen dem Einlaßstutzen 126 und dem Auslaßstutzen 127 bei der oben beschriebenen bekannten Kühlvorrichtung linear ausgebildet sind, fällt der Wärmeübertragungskoeffizient der Rippen 123 ab, und darüber hinaus ist der Fließwiderstand in den Kanälen 124, die durch die Rippen 123 gebildet werden, groß, so daß die Wirksamkeit der Kühlung des Halbleiter-Chips 121 herabgesetzt wird.

Bei einer Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Halbleiter-Chips, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, sind mehrere Halbleiter-Chips 131 (drei sind in der Zeichnung dargestellt) auf einem Trägermaterial 132 angebracht, und auf der Rückseite des Trägermaterials 132 (der Seite, die der Seite gegenüberliegt, an der die Halbleiter-Chips nach der Zeichnung angebracht sind) ist ein Behälter 136 angebracht, in dem ein Arbeits-Fluid 135 dichtend eingeschlossen ist, und dieser Behälter ist an einen Rohrabschnitt 134 angeschlossen, so daß ein Wärmerohr gebildet wird. An der Außenseite des Rohrabschnitts 134 sind mehrere Rippen 130 angebracht.

Wenn bei einer so aufgebauten Kühlvorrichtung, wie sie oben beschrieben worden ist, durch den Halbleiter-Chip 131 Wärme erzeugt wird, dann geht die Wärme durch das Trägermaterial 132 hindurch und wird auf das Arbeits-Fluid 135 übertragen, das in dem Behälter 136 enthalten ist, wodurch das Arbeits-Fluid 135 aufgeheizt wird. Das aufgeheizte Arbeits-Fluid 135 steigt innerhalb des Rohrabschnittes 134 nach oben, und dann, wenn die Wärme durch Abstrahlung von den Rippen 133 abgeführt worden ist, wird es verflüssigt und kehrt zum Behälter 136 zurück.

Wenn bei der oben beschriebenen, üblichen Kühlvorrichtung der Koeffizient der Wärmeleitung des Trägermaterials 132 jedoch schlecht ist, dann entsteht das Problem, daß der Wärmewiderstand groß ist und daß die Wärme im Halbleiter-Chip 131 nicht wirksam auf das Arbeits-Fluid 135 in der Kappe 136 übertragen werden kann. Auf diese Weise wird die Wirksamkeit der Kühlung des Halbleiter-Chips 131 verhindert.

Bei Bauarten von Kühlvorrichtungen zum Kühlen von Halbleiter-Chips, wie sie in den Fig. 1 bis 5 dargestellt sind, ist eine gute Kühlung der Halbleiter-Chips mithin dann nicht möglich, wenn die Halbleiter-Chips in hoher Dichtigkeit montiert werden und wenn sie hohe Wärmemengen erzeugen, wie dies bei modernen Chips der Fall ist.

Der Erfindung liegt hiernach die Aufgabe zugrunde, in Anbetracht der Nachteile der üblichen Kühlvorrichtungen eine Kühlvorrichtung mit vermindertem Wärmewiderstand anzugeben, die in der Lage ist, in entsprechender Weise ein wärmeerzeugendes Teil eins Halbleiter-Chips zu kühlen.

Diese Aufgabe wird gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung durch eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teiles 1 zum Abführen der erzeugten Wärme gelöst, die ihrerseits aus folgenden Teilen besteht:
eine Kühl-Stange 3, 4, 6, 14, 16, 21, die thermisch mit dem wärmeerzeugenden Teil 1 verbunden ist;
ein Arbeits-Fluid, mit dessen Hilfe die auf die Kühlstangen übertragene Wärme dadurch entfernt wird, daß das Arbeits-Fluid verdampft;
eine Fluid-Quelle zum Zuführen eines Arbeits-Fluids in flüssiger Phase zu den Kühl-Stangen 3, 4, 6, 14, 16, 21 und
eine Passage, die von dem Arbeits-Fluid während der Verdampfung zum Entfernen der Wärme durchlaufen wird, wobei das Arbeits-Fluid in flüssiger Phase den Kühlstangen durch die Fluid-Quelle 8 zugeführt wird.

Durch Zuführen des Arbeits-Fluids zu den Kühlstangen, auf die die Wärme vom wärmeerzeugenden Teil übertragen worden ist, wird die Wärme dann, wenn das Arbeits-Fluid in der Passage verdampft, von den Kühlstangen entfernt, weil das Arbeits-Fluid Wärme zum Verdampfen benötigt.

Die Wärme wird von den Kühlstangen demzufolge nicht nur durch Konvektion des Arbeits-Fluids, sondern auch durch dessen Verdampfung entfernt. Der Wärmeübertragungskoeffizient bei der Verdampfung ist normalerweise erheblich größer als der bei der Konvektion. Die Kühlvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann demzufolge den Wärmewiderstand erheblich vermindern und ein wärmeerzeugendes Teil in entsprechender Weise kühlen.

Die Kühlstangen 4, 6, 14 bestehen vorzugsweise aus einem porösen Material, und die Passage kann aus Poren bestehen, die in dem porösen Material eingeformt sind.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform kann das Arbeits-Fluid, das in die Kühlstange angeliefert wird, leicht durch diese hindurchgehen. Der wärmeübertragende Bereich besteht daher nicht nur aus der Oberfläche der Kühlstange, sondern aus der gesamten Oberfäche der Poren.

Die Wärme kann demzufolge über die Kühlstange schneller vom wärmeerzeugenden Element entfernt werden.

Die Passage kann vorzugsweise auch durch Löcher 9 gebildet werden, durch die das Arbeits-Fluid in flüssiger Phase aus dem Inneren der Kühlstange 4 auf deren Außenseite gelangt.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform gelangt das den Kühlstangen zugeführte Arbeits-Fluid durch die Löcher auf die Außenseite der Kühlstange. Der Wärmeaustausch wird daher auch in der Kühlstange vollzogen.

Auf diese Weise kann die Wärme vom wärmeerzeugenden Teil über die Kühlstange leicht abgeführt werden.

Vorzugsweise besteht die Kühlstange 14 aus einem porösen Material mit Rippen 10b und die Passage besteht aus Poren, die in dem porösen Material eingeformt sind.

Bei der obigen Ausführungsform wird die Wärme der Kühlstange von der Oberfläche der Rippen abgeführt. Da jede Rippe einen großen Wärmeübertragungsbereich hat, wird die Wärme von der Kühlstange dadurch abgeführt, daß der Wärmeübertragungsbereich groß ist.

Auf diese Weise kann die Wärme, die im wärmerzeugenden Teil erzeugt worden ist, über die Kühlstange leichter abgeführt werden als dann, wenn keine Rippen auf der Kühlstange angebracht wären.

Die Passage kann vorzugsweise auch aus dünnen Dochten 16a bestehen, die in die Oberfläche der Kühlstange 16, 21 eingedrückt sind, wobei das Arbeits-Fluid auf die Oberfläche der Kühlstange 16, 21 aufgegossen wird.

Bei einer solchen Ausführungsform wird das auf die Oberfläche der Kühlstange gegossene Arbeits-Fluid über den gesamten Umfang der Kühlstange aufgebracht, weil das Arbeits-Fluid längs der schmalen Dochte fließt. Die Wärmeabfuhr kann daher am Umfang der Kühlstange zuverlässig durchgeführt werden.

Die Kühlstange 21 kann vorzugsweise aber auch ein dünnes, plattenförmiges und poröses Metallstück sein, und das Arbeits-Fluid wird auf die Oberfläche der Kühlstange 21 aufgegossen. Bei dieser Ausführungsform wird die Wärme in einem engen Raum abgeführt, weil die Kühlstange dünn ist. Demzufolge kann die Wärme wirkungsvoll abgeführt werden.

Die obengenannte Aufgabe wird ferner durch eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teiles 1 dadurch gelöst, daß die Wärme von diesem Teil 1 abgeführt wird, wobei die Vorrichtung aus folgenden Teilen besteht:
einer Kühlstange 23, die thermisch mit dem wärmeerzeugenden Teil 1 verbunden ist;
einem Kühlmittel zum Abführen der auf die Kühlstange 23 übertragenen Wärme durch Konvektionskühlung;
einer Fluid-Quelle 8 zum Zuführen des Kühlmittels zur Kühlstange 23;
einem biegsamen Blatt 27 zum Isolieren der Kühlflüssigkeit gegenüber dem wärmeerzeugenden Teil 1;
einem Blatt-Beaufschlagungsteil 26, 23b, 29 zum Andrücken des Blattes 27 gegen die Kühlstange 23; und
einem Zusatzteil 30 zum Fördern der Isolation des biegsamen Blattes 27 dadurch, daß das Blatt-Beaufschlagungsteil 26, 23b, 29 unterstützt wird.

Bei der obigen Ausführungsform ist das den Kühlstangen zugeführte Kühlmittel von dem wärmeerzeugenden Teil durch das biegsame Blatt isoliert. Es entsteht daher keine gegenteilige Wirkung beim Betrieb des wärmeerzeugenden Teils. Beim Stand der Technik wird nur das Blatt-Beaufschlagungsteil dazu benutzt, um die Isolierung des Blattes zu erreichen. Das Blatt-Beaufschlagungsteil genügt jedoch nicht dazu, die Kühlflüssigkeit vom wärmeerzeugenden Teil zu isolieren. Nach der vorliegenden Erfindung unterstützt ein Zusatzteil die Isolierung des biegsamen Blattes. Auf diese Weise kann die Kühlflüssigkeit zuverlässig vom wärmeerzeugenden Teil getrennt werden.

Die Aufgabe wird ferner durch eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teiles durch Abführen der erzeugten Hitze gelöst, wobei diese Vorrichtung aus folgenden Teilen besteht:
einer Kühlstange 51, die mit dem wärmeerzeugenden Teil 1 thermisch verbunden ist;
einer Kühlflüssigkeit zum Abführen der auf die Kühlstange 51 übertragenen Wärme durch forcierte Konvektionskuhlung;
einem biegsamen Blatt 50 zum lsolieren der Kühlflüssigkeit vom wärmeerzeugenden Teil 1; und
einer Wärmequelle 8 zum Zuführen eines Kühlmittels unter Druck zur Kühlstange 51, wobei die Kühlstange 51 durch den Druck des Kühlmittels gegen das wärmeerzeugende Teil 1 gedrückt wird.

Bei dieser Ausführungsform wird die Kühlstange gegen das wärmeerzeugende Teil gedrückt. Der Wärmewiderstand zwischen der Kühlstange und dem wärmeerzeugenden Teil ist daher selbst dann klein, wenn keine Feder vorhanden ist. Auf diese Weise kann die Kühlvorrichtung leicht zusammengesetzt werden.

Die obengenannte Aufgabe wird ferner durch eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teiles durch Abführen der in dem Teil erzeugten Wärme gelöst, die folgende Teile umfaßt:
eine Kühlstange 34, 40, 44, die thermisch mit dem wärmeerzeugenden Teil 1 verbunden ist;
ein Kühlmittel zum Entfernen der auf die Kühlstange 34, 40, 44 übertragenen Wärme durch forcierte Konvektionskühlung;
eine Kühlmittelquelle zum Zuführen eines Kühlmittels zu den Kühlstangen 34, 40, 44; und
ein Rührwerk 38 zum Unterstützen des Abführens der Wärme durch Aufwirbeln des Kühlmittels.

Bei dieser Ausführungsform wirbelt das Rührwerk das Kühlmittel auf, so daß sich der Fluß in einen turbulenten Fluß verwandelt. Das Abführen der Wärme wird auf diese Weise unterstützt. Die Wärme kann demzufolge schnell von dem wärmeerzeugenden Teil über die Wärmestange abgeführt werden.

Die obengenannte Aufgabe wird ferner durch eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teils 1 durch Abführen der im wärmeerzeugenden Teil 1 erzeugten Wärme gelöst, die folgende Teile umfaßt:
ein Arbeits-Fluid 60 zum Absorbieren der im Teil 1 erzeugten Wärme und zum Verdampfen;
ein wärmeübertragendes Blatt 62, 71, 76, 82 zum Übertragen der im Teil 1 erzeugten Wärme auf das Arbeits-Fluid 60;
einen Fluid-Behälter 61, 65, 70, 73, 75, 75a, 78, 81, 81a zum Aufnehmen des Arbeits-Fluids 60, wobei das Arbeits-Fluid 60 die Wärme über das wärmeübertragende Blatt 62, 71, 76, 82 aufnimmt;
einen Rohrabschnitt 61a, 65, 67, 67a, 73a, 78a, 81b, in dem das Arbeits-Fluid 60, das im Fluid-Behälter 61, 65, 70, 73, 75, 75a, 78, 81, 81a emporsteigt; und
einen Wärmeverteilungsabschnitt 63, 68, 72, 77, 83 zum Verteilen der in dem verdampften Arbeits-Fluid 60 enthaltenen Wärme, die im Rohrabschnitt 61a, 64, 67, 67a, 73a, 78a, 81b emporsteigt, wobei das verdampfte Arbeits-Fluid 60 durch Abführen seiner Warme im Wärmeverteilabschnitt kondensiert wird.

Bei der obigen Ausführungsform wird das verdampfte Fluid, das die Wärme in sich aufgenommen hat, im Wärmeverteilungsabschnitt kondensiert und tropft in den Fluid-Behälter herab. Im allgemeinen ist der Wärmeübertragungskoeffizient dann sehr groß, wenn das Arbeits-Fluid kondensiert wird. Die Hitze wird demzufolge in derselben Art abgeführt, wie es dem Prinzip des Wärmerohrs entspricht.

Die zu lösende Aufgabe wird ferner durch eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teils zum Abführen der in dem Teil 1 erzeugten Wärme gelöst, die folgende Teile umfaßt:
ein Arbeits-Fluid 204 zum Aufnehmen der im Teil 1 erzeugten Wärme, mit deren Hilfe es verdampft;
einen Fluid-Behälter 203 zum Aufnehmen des Arbeits-Fluids 204; und
einen aus einem Rippenrohr bestehenden Wärmeaustauscher 210 zum Abführen der Wärme aus dem Fluid, das im Fluid-Behälter 203 verdampft ist, um die im wärmeerzeugenden Teil 1 produzierte Wärme abzuführen.

Bei der obigen Ausführungsform ist die Kühlvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit einem aus einem Rippenrohr bestehenden Wärmeaustauscher versehen. Das Abführen der Wärme wird dabei im Vergleich zu einer Bauart, deren Rohr keine Rippen hat, wesentlich unterstützt. Die Wärme wird demzufolge zuverlässig abgeführt.

Die Aufgabe wird ferner durch eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teiles 1 erfüllt, das folgende Teile umfaßt:
Ein Arbeitsfluid 60 zum Aufnehmen der im Teil 1 erzeugten Wärme, mit deren Hilfe es verdampft wird;
einen Fluidbehälter 85 zum Aufnehmen des Arbeitsfluids 60,
einem ersten Wärmeaustauscher 85a, 86 mit einem Rippenrohr zum Abführen der Wärme aus dem Fluid 60, das im Fluidbehälter 85 verdampft ist, um auf diese Weise die Wärme, die im wärmeerzeugenden Teil 1 erzeugt worden ist, zu absorbieren; und
einem zweiten Wärmeaustauscher 85a, 86 mit einem Rippenrohr zum Abführen der Wärme des Fluids 60, das im Flüssigkeitsbehälter 85 in der flüssigen Phase gehalten ist.

Bei der obigen Ausführungsform wird die Wärme des flüssigen Fluids an der Unterseite abgeführt, während die Wärme des verdampften Fluids an der Oberseite abgeführt wird. Durch den Wärmeaustauscher mit dem mit Rippen bestückten Rohr kann auf diese Weise bei fast gleichmäßiger Temperaturverteilung eine gute Kühlwirkung erzielt werden.

Die Aufgabe wird ferner durch eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teiles 1 gelöst, die aus folgenden Teilen besteht:
Einem wärmeübertragenden Block 90, der thermisch mit dem wärmeerzeugenden Teil 1 verbunden ist;
einer Gruppe von Wärmeverteilungsrippen 91, die am Außenumfang des wärmeübertragenden Blockes 90 in versetzte Anordnungen angeordnet sind; und
einem Kühlmittel zum Abführen der auf den Wärmeübertragungsblock 90 übertragenen Wärme, wobei das Kühlmittel durch die Wärmeverteilungsrippen 91 fließt.

Bei der obigen Ausführungsform fließt das Kühlmittel durch die Wärmeverteilungsrippen, die in versetzter Anordnung ausgebildet sind, während die Wärme von den Wärmeverteilungsrippen abgeführt wird. Die Zahl der Rippen kann demzufolge durch die versetzte Anordnung der Rippen klein gehalten werden. Der Widerstand der Rippen gegenüber dem Durchfluß des Kühlmittels kann ferner vermindert werden.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise beschrieben. Dabei werden weitere Merkmale und Vorteile hervortreten. Es zeigen:

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer ersten Kühlvorrichtung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht einer zweiten Küzhlvorrichtung nach dem Stande der Technik;

Fig. 3 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer dritten Kühlvorrichtung nach dem Stande der Technik;

Fig. 4 ist eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Kühlvorrichtung nach Fig. 3;

Fig. 5 ist eine schematische Schnittansicht, die eine vierte Kühlvorrichtung nach dem Stande der Technik zeigt;

Fig. 6 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 7 ist eine teilweise geschnittene Ansicht der Kühlvorrichtung nach Fig. 6;

Fig. 8 ist eine schematische Schnittansicht, die die wesentlichen Bestandteile einer Kühlvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 9 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 10 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 11 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 12 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 13 ist eine teilweise geschnittene Ansicht der Kühlvorrichtungen nach Anspruch 12;

Fig. 14 ist eine teilweise geschnittene Ansicht einer anderen Ausführungsform der Kühlvorrichtung nach Fig. 12;

Fig. 15 ist eine teilweise geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Kühlvorrichtung nach Fig. 12;

Fig. 16 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 17 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 18 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 19 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 20 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 21 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 22 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 23 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 24 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer fünfzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 25 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer sechzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 26 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer siebzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 27 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer achzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 28 ist eine schematische Schnittansicht der Kühlvorrichtung nach Fig. 27, wobei der Balg-Teil ausgedehnt ist;

Fig. 29 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer neunzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 30 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer zwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 31 ist eine perspektivische Ansicht eines Wärmeaustauschers mit Rippenrohren für die Kühlvorrichtung nach Fig. 30;

Fig. 32 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Rippen des Wärmeaustauschers nach Fig. 31;

Fig. 33 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer einundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 34 ist eine schematische Draufsicht auf die Kühlvorrichtung nach Fig. 33;

Fig. 35 ist eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Kühlvorrichtung nach einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 36 ist eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Kühlvorrichtung nach Fig. 35;

Fig. 37 ist eine teilweise geschnittene Draufsicht, die eine Abwandlung der Kühlvorrichtung nach Fig. 35 darstellt.

Erste Ausführungsform

Fig. 6 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, sind mehrere Halbleiterchips 1 (drei in der Zeichnung) in Längsrichtung auf einem Trägermaterial 2 angebracht, zum Beispiel durch eine Erhebung oder durch einen nicht dargestellten Verbindungsdraht und ein Paar von Kühlstangen 3, 4 sind mit der Oberfläche jedes Halbleiterchips 1 thermisch verbunden.

Die Kühlstangen 3, 4 sind abdichtend in einen Behälter 5 eingebaut, so daß das Ende der Kühlstange 4 die Innenseite des Behälters 5 berührt. Derjenige Teil der Kühlstange 4, der innerhalb des Behälters 5 liegt, besteht aus einem porösen Material 6, z. B. aus einem porösen Metall, und in diesem Teil ist ein Loch 4a eingeformt. Als Beispiele für ein poröses Material 6 können ein Sintermetall oder ein geschäumtes Metall aus Kupfer oder Nickel oder dergleichen angegeben werden.

Mit den Löchern 4a in den Kühlstangen 4 sind jeweils ein Paar von Rohren 7a, 7b verbunden. Die Rohre 7a, 7b sind mit einem Rohr 7c verbunden, das seinerseits mit einem Kondensator 8 verbunden ist, und das andere Ende des Rohres 7c steht mit dem Inneren des Behälters 5 in Verbindung. Ein Arbeitsfluid (z. B. eine Alternative zu Freon, also ein Fluorcarbon) läuft durch die Rohre 7a, 7b, 7c und durch das poröse Material 6 der Kühlstange 4 um. An der Kühlstange 3 ist ferner einstückig eine Rippe 3a angeformt.

Da die Kühlvorrichtung nach dieser Ausführungsform den oben beschriebenen Aufbau hat, wird dann, wenn Wärme im Halbleiterchip 1 erzeugt wird, diese Wärme auf die Kühlstangen 3, 4 übertragen, die mit den Halbleiterchips 1 in Verbindung stehen.

Gleichzeitig wird ein Arbeitsfluid, wie z. B. ein Fluorcarbon, als Freon-Alternative in verflüssigter und im Kondensator 8 gekühlter Form in das poröse Material der Kühlstange 6 über die Rohre 7a, 7b eingebracht, und dieses Arbeitsfluid fließt durch das poröse Material 6 hindurch in den Behälter 5, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Wenn das verflüssigte und gekühlte Arbeitsfluid durch das poröse Material 6 hindurchgeht, wird das Arbeitsfluid verdampft und führt die Wärme von der Wärmestange 4 ab, wobei eine wirkungsvolle Kühlung des Halbleiterchips 1 erreicht wird. Das Arbeitsfluid, das aus dem porösen Material der Kühlstange 4 hindurch in den Behälter 5 abfließt, wird darüber hinaus verdampft. Der Dampf fließt dann durch das Rohr 7c und wird wiederum in den Kondensator 8 eingeführt, wo er durch Abkühlung verflüssigt wird. Die Wärme, die in die Kühlstange 3 hinein übertragen worden ist, wird von der Rippe 3a über das Arbeitsfluid abgestrahlt, das durch adiabatische Ausdehnung des Arbeitsfluids im Behälter 5 gekühlt wird.

Zweite Ausführungsform

Fig. 8 ist eine schematische Schnittansicht, die die Hauptteile der Kühlvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Bei dieser Ausführungsform sind anstelle des porösen Materials, das bei der ersten Ausführungsform nach Fig. 6 für die Kühlstange 4 verwendet worden ist, mehrere Löcher 9 mit kleinem Durchmesser vorgesehen. Die Löcher 9 durchdringen denjenigen Teil der Kühlstange 4 in radialer Richtung, der innerhalb des Behälters 5 liegt. Der Rest dieser zweiten Ausführungsform ist derselbe wie bei der ersten Ausführungsform.

Wenn bei der Ausführungsform nach dieser Ausbildung das verflüssigte und gekühlte Arbeitsfluid durch die Löcher 9 hindurchgeht, die mit kleinem Durchmesser in der Kühlstange 4 ausgebildet sind, verdampft das Arbeitsfluid und führt die Wärme von der Kühlstange 4 ab, wodurch auf diese Weise der Halbleiterchip 1 wirkungsvoll gekühlt wird.

Dritte Ausführungsform

Fig. 9 zeigt eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, sind mehrere Halbleiterchips 1 (vier in der Zeichnung) zum Beispiel mit Hilfe einer kleinen Erhöhung oder eines nicht dargestellten Verbindungsdrahtes an dem Trägermaterial 2 befestigt, und ein Paar von Kühlstangen 10, 11 sind thermisch jeweils mit der Oberfläche jedes Halbleiterchips 1 verbunden.

Die Kühlstange 10 ist innerhalb eines Kanals 13 angeordnet, der innerhalb einer Leitung 12 liegt, und das Ende der Kühlstange 10 berührt die lnnenfläche der Leitung 12. Derjenige Teil der Kühlstange 10, der innerhalb des Kanals 13 angeordnet ist, besteht aus porösem Material (z. B. aus einem porösen Metall) 14, und innerhalb der Kühlstange 10 ist ein Loch 10a ausgebildet.

Ein mit einem nicht dargestellten Kondensator verbundenes Rohr ist in das Loch 10a der Kühlstange 10 eingesetzt, und ein verflüssigtes und gekühltes Arbeitsfluid (z. B. Freon-Alternative) wird durch das Rohr 15 aus einer Verflüssigungs/Kühl-Vorrichtung in die Kühlstange 10 eingeführt.

Zusätzlich ist in dem Kanal 13 ein Gebläse 16b angeordnet, um den Durchstrom eines Fluids, wie z. B. Luft, durch den Kanal 13 zu gewährleisten. Es sind auch mehrere Rippen 10b, 11a vorgesehen, wobei diese Rippen jeweils an den Kühlstangen 10, 11 angeordnet sind.

Aufgrund des beschriebenen Aufbaus dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird Wärme, die im Halbleiterchip 1 erzeugt wird, auf die Kühlstangen 10, 11 übertragen, die mit den Halbleiterchips 1 verbunden sind. Gleichzeitig wird ein Arbeitsfluid, das in einem nicht dargestellten Kondensator verflüssigt und gekühlt worden ist, in das poröse Material 14 der Kühlstange 10 durch das Rohr 15 hindurch eingeführt, und dieses Arbeitsfluid fließt durch das poröse Material 14 hindurch in den Kanal 13 aus.

Wenn das verflüssigte und gekühlte Arbeitsfluid durch das poröse Material 14 hindurchfließt, wird dieses Arbeitsfluid gleichzeitig verdampft und führt die Wärme von der Kühlstange 10 ab, so daß auf diese Weise das Halbleiterchip 1 wirksam gekühlt werden kann.

Die Wärme im Arbeitsfluid, die in den Kanal 13 hinein ausströmt, wird gleichzeitig durch den Fluidstrom im Kanal 13 mit Hilfe des Gebläses 16 in die Atmosphäre ausgeblasen. Gleichzeitig kann das Kühlmittel, das längs der Oberfläche der Kühlstange 10 herabfließt, mit hoher Wirksamkeit vom Fluid-Strom im Kanal 13 mit Hilfe des Gebläses 16 verdampft werden. Die Wärme, die auf die Kühlstange 11 übertragen worden ist, wird in den Kanal 13 hinein über die Rippe 11a abgestrahlt.

Vierte Ausführungsform

Fig. 10 ist eine schematische Schnittdarstellung, die eine Kühlvorrichtung nach einer vierten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, sind mehrere Halbleiterchips 1 (zwei in der Zeichnung) an einem Trägermaterial, beispielsweise durch eine kleine Erhöhung oder durch einen nicht dargestellten Verbindungsdraht, befestigt, und mit der Oberseite jedes Halbleiterchips 1 ist eine Kühlstange 16 thermisch verbunden, an deren Oberseite wiederum ein schmaler Docht 16a eingeformt ist.

Die Kühlstange 16 liegt innerhalb eines Kanales 18, der durch eine Leitung 17 gebildet wird und eine Flüssigkeitszuführvorrichtung 19 zum Zuführen verschiedener Kühlmittel, z. B. von Wasser, zum Kühlen der Kühlstange 16 an der Leitung 17 in der Mitte des oberen Abschnitts der Kühlstange 16 angebracht ist. Der obere Abschnitt der Kühlstange 16 und des Dochts 16a ist darüber hinaus abfallend ausgeformt, damit ein Kühlmittelfilm über die gesamte Umfangsfläche der Kühlstange 16 herabfließen kann.

Aufgrund der oben beschriebenen Ausbildung dieser Ausführungsform der Erfindung kann Wärme, die im Halbleiterchip 1 entstanden ist, auf die Kühlstangen 16 übertragen werden, die mit den Halbleiterchips 1 verbunden sind.

Gleichzeitig wird der Kühlstange 16 ein Kühlmittel von der Fluid-Zuführvorrichtung 19 zugeführt. Das Kühlmittel wird verdampft und mit Hilfe des Dochtes 16a über die gesamte Fläche der Kühlstange 16 verteilt, so daß die Wärme aus der Kühlstange 16 abgeführt wird, wobei der Halbleiterchip 2 wirkungsvoll gekühlt wird.

Durch die Durchlüftung des Kanals 18 mit Hilfe des Gebläses 20 kann das außen an der Fläche der Kühlstange 16 herabfließende Kühlmittel zusätzlich mit hoher Wirksamkeit verdampft werden. Das verdampfte und in den Kanal 18 hinein abgegebene Kühlmittel kann entweder in die Atmosphäre abgeblasen oder in einer Wiedergewinnungsvorrichtung wiedergewonnen werden. Die Kühlmittelmenge, die durch die Fluid-Zuführvorrichtung 19 auf die Kühlstange 16 abgegeben wird, wird entsprechend der Wärmemenge gesteuert, die im Halbleiterchip 1 erzeugt wird.

Fünfte Ausführungsform

Fig. 11 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist anstelle der Kühlstange 16, wie sie bei der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 10 verwendet worden ist, ein poröses Metallstück 21 thermisch mit der Oberfläche jedes Halbleiterchips 1 verbunden. Der Rest dieser Ausführungsform ist dieselbe wie bei der vierten Ausführungsform.

Auch bei der Ausführungsform nach dieser Darstellung wird die Wärme vom Halbleiterchip 1 durch Zuführen eines Kühlmittels, zum Beispiel Wasser, durch die Fluid-Zuführvorrichtung 19 auf das poröse Metallstück 21 bewirkt, wobei das Kühlmittel verdampft und innerhalb des porösen Metallstücks 21 durch Kapillar-Druck alle Flächen benetzt; auf diese Weise ist es möglich, den Halbleiterchip 1 wirkungsvoll zu kühlen.

Anstelle des porösen Metallstückes 21 ist es darüber hinaus möglich, zum Beispiel ein Teil aus verbundenen metallischen Fasern, ein Teil, in dem Metall und Fasern miteinander verbunden sind oder ein Non-Woven-Gewebe oder dergleichen zu verwenden.

Sechste Ausführungsform

Fig. 12 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer sechsten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, sind mehrere Halbleiterchips 1 (drei in der Zeichnung) auf einem Trägermaterial 2 an einer Grundplatte 22 angebracht, zum Beispiel durch eine kleine Erhöhung oder einen Verbindungsdraht; mit der Oberfläche jedes Halbleiterchips 1 ist eine Kühlstange 23 thermisch verbunden.

Die Kühlstangen 23 sind innerhalb eines Kanalblocks 25 angeordnet, der mit Hilfe eines plattenförmigen Blocks 24 auf die Grundplatte 22 aufgesetzt ist. Der obere Abschnitt jeder Kühlstange 23 ist jeweils in einem Loch 25a eingesetzt, das im Kanalblock 25 ausgebildet ist, und die Kühlstange 23 wird an den Halbleiterchip 1 durch eine im Loch 25a angeordnete Feder 26 angedrückt. Zwischen dem Block 24 und dem Kanalblock 25 ist ein biegsames Blatt 27 eingesetzt. Der Mittelabschnitt jeder Kühlstange liegt in einem Kanal 28, der zwischen dem Kanalblock 25 und dem Blatt 27 ausgebildet ist, und in dem ein Kühlmittel, wie z.B. Wasser, strömt.

Die Kühlstangen 23 werden so durch einen oberen Abschnitt gebildet sowie durch einen unteren Abschnitt, der einen größeren Durchmesser wie der obere Abschnitt hat. Das Blatt 27 ist auf die oberen Flächen der unteren Abschnitte der Kühlstangen 23 aufgesetzt, und es liegt zwischen den unteren Abschnitten der Kühlstangen 23 und mehreren Haltegliedern 29, die auf die jeweiligen Kühlstangen 23 aufgeschraubt sind. In jedem Halteteil 29 ist ein O-Ring vorgesehen (siehe Fig. 13). Die O-Ringe 30 stellen eine Dichtung zwischen dem Blatt 27 und den Kühlstangen 23 dar, so daß die Halbleiterchips mit dem im Kanal 28 fließenden Kühlmittel nicht in Berührung stehen. Zwischen zwei benachbarten Kühlstangen 23 wird die Unterseite des Blattes 27 durch den plattenförmigen Block 24 abgestützt, um eine Zerstörung des Blattes 27 zu verhindern, da der Druck des Kühlmittels auf das Blatt 27 nach unten gerichtet ist. Das Blatt 27 besteht aus einem Kunststoff- oder einem Metall-Film.

Aufgrund des geschilderten Aufbaus der Kühlvorrichtung nach der beschriebenen Ausführungsform wird Wärme, die in den Halbleiterchips 1 erzeugt ist, auf die Kühlstangen 23 übertragen, die ihrerseits die Halbleiterchips 1 berühren. Die Wärme, die auf die Kühlstangen 23 übertragen worden ist, wird dann durch direkte Wärmeübertragung auf das Kühlmittel übertragen, das im Kanal 28 fließt, so daß auf diese Weise die Halbleiterchips 1 wirksam gekühlt werden.

Es ist möglich, den Wärmewiderstand dadurch zu vermindern, daß mit Hilfe einer Feder 26 Druck auf die Kühlstangen 23 ausgeübt wird, so daß sie ihrerseits in engem Kontakt mit den Halbleiterchips 1 stehen.

Die oben beschriebenen Kühlstangen 23 sind einstückig ausgebildet; es ist jedoch auch möglich, die Kühlstangen 23 in einer solchen, unterschiedlichen Form herzustellen, wie dies in Fig. 14 dargestellt ist. Die Kühlstange 23 besteht dort aus einem Gewindeansatz 23a, der auf dem Halbleiterchip 1 anliegt sowie einer Schraubhülse 23b, die im Kanal 28 und im Loch 25a im Kanalblock 25 liegt und die etwa denselben Außendurchmesser wie der Gewindeansatz hat. Bei dieser Kühlstange 23 ist der Gewindeansatz 23a, der durch das Blatt 27 hindurchreicht, in die Gewindebohrung 23c eingeschraubt, die in der Gewindehülse 23b ausgebildet ist. Das biegsame Blatt 27 liegt mithin zwischen dem Gewindeansatz 23a und der Schraubhülse 23b. Im unteren Abschnitt der Gewindebohrung 23c in der Schraubhülse 23b ist ein angephaster Abschnitt 23d ausgebildet. In den Raum, der durch den angephasten Abschnitt 23d und den Gewindeansatz 23a gebildet wird, ist ein O-Ring 30 eingesetzt, um das Blatt 27 abzudichten. Der Außendurchmesser der Kühlstange 23 ist bei dieser Ausführungsform etwa so groß oder geringfügig kleiner als der Halbleiterchip 1.

Bei dieser Ausführungsform geht die Gewindebohrung 23c der Schraubhülse 23b der Kühlstange 23 durch den oberen Teil der Schraubhülse 23b hindurch; wie dies in Fig. 15 dargestellt ist, ist es jedoch auch möglich, die Kühlstange 23 so auszubilden, daß der Gewindeansatz 23a in eine Gewindebohrung 23c eingeschraubt ist, die als Sackbohrung in der Schraubhülse 23b ausgebildet ist. Bei der in Fig. 12 dargestellten Ausführungsform kann ferner ein dünnes Metallblech mit elastischen Eigenschaften als Blatt 27 verwendet werden. In diesem Falle ist es möglich, die Wirkung der Abdichtung mit Hilfe des Halteteiles 29 dadurch zu verbessern, daß die Kühlstange 23 fest angezogen und danach verschweißt wird.

Siebente Ausführungsform

Fig. 16 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer siebten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, sind mehrere Halbleiterchips 1 (drei in der Zeichnung) an einem Trägermaterial befestigt und mit der jeweiligen Oberfläche eines Halbleiterchips 1 steht eine Kühlstange 31 in thermischer Verbindung, die ihrerseits einstückig mit Rippen 31a ausgebildet ist.

Die Kühlstangen 31 befinden sich in einem Behälter 34, der mit einem Kühlmittel, zum Beispiel mit Wasser, gefüllt und abgedichtet ist. Im Behälter 34 sind sowohl ein mit einem Wärmetauscher 35 verbundenes und mit Rippen 36 versehenes Rohr 37 als auch ein Rührwerk 38 zum Umrühren des Kühlmittels angeordnet.

Aufgrund der beschriebenen Ausführungsform wird Wärme, die in den Halbleiterchips 1 erzeugt wird, auf die Kühlstangen 31 übertragen, die ihrerseits mit den Halbleiterchips 1 in Verbindung stehen. Die Wärme, die auf die Kühlstangen 31 übertragen worden ist, wird dann durch direkte Wärmeübertragung auf das Kühlmittel im Behälter 34 übertragen, so daß auf diese Weise die Halbleiterchips 1 wirksam gekühlt werden. Das Kühlmittel, das durch den Wärmeaustausch erwärmt worden ist, wird dann durch Wärmeaustausch mit einem Arbeitsfluid (z. B. einer Alternative zu Freon, etwa Fluorcarbon) abgekühlt, die ihrerseits in dem mit dem Wärmeaustauscher 35 verbundenen Rohr 37 zirkuliert und ferner wird es durch das Rührwerk 38 verwirbelt, so daß die Halbleiterchips 1 wirkungsvoll gekühlt werden können.

Achte Ausführungsform

Fig. 17 ist eine schematische Schnittdarstellung, die eine Kühlvorrichtung nach einer achten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Bei dieser Ausführungsform zirkuliert das Kühlmittel im Behälter 34 der Kühlvorrichtung über ein Rohr 37 zum Wärmetauscher 35 und zurück zum Behälter 34 in derselben Weise wie bei der siebenten Ausführungsform gemäß Fig. 16. Der Rest der achten Ausführungsform ist derselbe wie bei der siebten Ausführungsform. An der Kühlstange 40 sind ebenso Rippen 40a angeformt, wohingegen die Kühlstange 41 ohne Rippen ausgebildet ist. Beide Kühlstangen stehen mit Halbleiterchips 1 in Verbindung und sind im Behälter 34 angeordnet.

Aufgrund der geschilderten Ausbildung der Ausführungsform wird Wärme, die in den Halbleiterchips 1 erzeugt worden ist, auf die Kühlstangen 40, 41 übertragen, die mit den Halbleiterchips 1 in Verbindung stehen. Die auf die Kühlstangen 40, 41 übertragene Wärme wird dann durch direkte Wärmeübertragung auf das Kühlmittel im Behälter 34 übertragen, so daß die Halbleiterchips 1 wirkungsvoll gekühlt werden. Das Kühlmittel, das durch den Wärmeaustausch erwärmt worden ist, wird dann durch Zirkulation durch das Rohr 37 zum Wärmetauscher 35 abgekühlt und darüber hinaus durch das Rührwerk 38 verwirbelt, so daß die Halbleiterchips 1 wirkungsvoller gekühlt werden können.

Neunte Ausführungsform

Fig. 18 ist eine schematische Schnittdarstellung, die eine Kühlvorrichtung nach einer neunten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind mehrere Halbleiterchips 1a, 1b, 1c, 1d an einem Paar von Trägermaterialien auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Behälters 34 angebracht (links und rechts in der Zeichnung) der seinerseits mit einem Kühlmittel, z. B. mit Wasser, gefüllt ist.

Zwischen den einander gegenüberliegend angeordneten Halbleiterchips 1a und 1c erstreckt sich eine Kühlstange 42 und berührt diese Chips 1a und 1c; mit den Halbleiterchips 1b und 1d sind jeweils unabhängige Kühlstangen 42, 43 thermisch verbunden. Die Kühlstangen 42, 43 befinden sich im Behälter 34 und sind gegenüber diesem abgedichtet. Ein Rohr 37 verbindet den Behälter 34 mit dem Wärmetauscher 35 und das Kühlmittel zirkuliert durch das Rohr 37 zwischen dem Behälter 34 und dem Wärmetauscher 35.

Aufgrund des geschilderten Aufbaus der dargestellten Ausführungsform wird Wärme, die in den Halbleiterchips 1a, 1b, 1c und 1d erzeugt wird, auf die Kühlstangen 42 und 43 übertragen, die mit den Halbleiterchips in Verbindung stehen. Die Wärme, die auf die Kühlstangen 42, 43 übertragen worden ist, wird dann durch direkte Wärmeübertragung auf das Kühlmittel im Behälter 34 übertragen, so daß auf diese Weise eine wirksame Kühlung der Halbleiterchips 1a, 1b, 1c und 1d ermöglicht wird, die auf zwei Seiten des Behälters 34 angeordnet sind, wobei gleichzeitig Raum gespart wird. Das Kühlmittel, das durch den Wärmeaustausch erwärmt worden ist, wird durch einen Wärmeaustausch abgekühlt, indem es durch das Rohr 37 zum Wärmetauscher 35 zirkuliert, so daß die Halbleiterchips 1 wirkungsvoll gekühlt werden können.

Zehnte Ausführungsform

Fig. 19 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer zehnten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist der Behälter 34 mit einem Kühlmittel, z. B. mit Wasser, gefüllt, während ein plattenförmiges Gleichrichterblech 45 sich quer über die Kühlstangen 44 erstreckt, von denen jede mit einer Rippe 44a versehen ist. Der Wärmetauscher 35 ist mit dem Rohr 37 verbunden. Zusätzlich ist ein Rührwerk 38 seitlich des Rohres 37 im Behälter 34 angebracht, mit dessen Hilfe das Kühlmittel im Behälter 34 längs der Vorderseite der Gleichrichterplatte 45 umgepumpt wird. Der Rest der zehnten Ausführungsform ist derselbe wie bei der siebten Ausführungsform gemäß Fig. 16.

Aufgrund des geschilderten Aufbaus der beschriebenen Ausführungsform wird Wärme, die in den Halbleiterchips 1 erzeugt ist, auf die Kühlstangen 44 übertragen. Die Wärme, die auf die Kühlstangen 44 übertragen worden ist, wird dann durch direkte Wärmeübertragung auf das Kühlmittel im Behälter 34 übertragen, so daß auf diese Weise eine wirkungsvolle Kühlung der Halbleiterchips 1 möglich ist.

Das Kühlmittel, das durch Wärmetausch erwärmt worden ist, wird danach durch Wärmetausch mit einem Arbeitsfluid (z. B. einer Freon-Alternative, wie Fluorcarbon) gekühlt, das seinerseits in dem mit dem Wärmetauscher 35 verbundenen Rohr zirkuliert, und ferner wird das Kühlmittel durch ein Rührwerk 38 parallel zur Gleichrichterplatte 45 im Behälter 34 gepumpt, so daß die Halbleiterchips 1 noch wirkungsvoller gekühlt werden können.

Elfte Ausführungsform

Fig. 20 ist eine schematische Schnittdarstellung, die eine Kühlvorrichtung nach einer elften Ausführungsform der Erfindung darstellt. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, sind mehrere Halbleiterchips 1 (drei in der Zeichnung) auf einem Trägermaterial 2 an einer Grundplatte 21 angebracht, und mit jedem Halbleiterchip 1 steht über ein biegsames Blatt 50 eine Kühlstange 51 in thermischer Verbindung, an der wiederum Rippen 50a ausgeformt sind. Die Kühlsstangen 51 liegen innerhalb eines Kanalblocks 52, der auf der Grundplatte 21 aufgebaut ist, und die Kühlstangen 51 werden über das Blatt 50 an die Halbleiterchips 1 mit Hilfe von Blattfedern 53 angedrückt, die zwischen den Kühlstangen 51 und der Innenfläche des Kanalblocks 52 angeordnet sind. Die beiden Enden des Blattes 50 liegen zwischen der Grundplatte 21 und dem Kanalblock 52, wodurch das Blatt 50 veranlaßt wird, sich zusammenzuziehen und eine Abdichtung zu bilden. Zwischen dem Kanalblock 52 und dem Blatt 50 ist ein Kanal 54 ausgeformt, in dem ein Kühlmittel fließt.

Durch die beschriebene Ausbildung der abgebildeten Ausführungform wird Wärme, die in den Halbleiterchips 1 erzeugt wird, auf die Kühlstangen 51 übertragen, die ihrerseits mit den Halbleiterchips 1 über das Blatt 50 in Berührung stehen. Die Wärme, die auf die Kühlstangen 51 übertragen wird, wird dann durch direkte Wärmeübertragung auf das Kühlmittel übertragen, das im Kanal 54 fließt, so daß eine wirkungsvolle Kühlung der Halbleiterchips 1 möglich ist.

Zusätzlich ist es möglich, den Wärmewiderstand dadurch zu vermindern, daß die Kühlstangen 51 über das flexible Blatt 50 in enger Berührung mit den Halbleiterchips 1 stehen.

Zwölfte Ausführungsform

Fig. 20 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer zwölften Ausführungsform der Erfindung darstellt. Diese Ausführungsform hat einen Aufbau, bei dem das biegsame Blatt 50 durch Zusammenziehung in einer Nut abgedichtet ist, die rund um den Umfang der Unterseite jeder Kühlstange ausgebildet ist, die ihrerseits mit der Oberseite jedes Halbleiterchips 1 gemäß der elften Ausführungsform nach Fig. 16 in Verbindung steht. Bei der zwölften Ausführungsform werden die Kühlstangen 51 zusätzlich durch den Druck der Kühlflüssigkeit gegen die Halbleiterchips 1 gedrückt. Blattfedern zum Blattbeaufschlagen der Kühlstangen 51 sind unnötig. Der übrige Aufbau ist derselbe wie bei der elften Ausführungsform.

Wärme, die bei dieser Ausführungsform auf die Kühlstangen 51 von den Halbleiterchips 1 her übertragen wird, wird durch direkten Wärmetausch mit dem Kühlmittel abgeführt, das im Kanal 34 umläuft, so daß eine wirkungsvolle Kühlung der Halbleiterchips 1 möglich ist.

Dreizehnte Ausführungsform

Fig. 22 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer dreizehnten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform hat einen Aufbau, bei dem jede Kühlstange 51 durch eine Feder 55 auf den Halbleiterchip 1 gedrückt wird, die ihrerseits zwischen der Innenseite des Kanalblocks 52 und der Oberseite jeder Kühlstange 51 gemäß der zwölften Ausführungsform nach Fig. 21 angeordnet ist. Bei der vorliegenden, dreizehnten Ausführungsform, werden die Kühlstangen 51 zusätzlich durch die Kraft der Feder 55 gegen die Halbleiterchips 1 gedrückt, so daß die Kühlstangen 51 mit noch größerem Druck gegen die Halbleiterchips 1 anliegen, wie bei der zwölften Ausführungsform. Der übrige Aufbau ist derselbe wie bei der zwölften Ausführungsform.

Auch bei dieser Ausführungsform wird die Wärme, die von den Halbleiterchips 1 auf die Kühlstangen 51 übertragen worden ist, durch direkten Wärmetausch mit dem Kühlmittel abgeleitet, das im Kanal 54 umläuft, so daß eine wirkungsvolle Kühlung der Halbleiterchips 1 möglich ist. Zusätzlich ist es möglich, den Wärmewiderstand deshalb zu vermindern, weil die Kühlstangen 51 durch den Druck der Federn 55 in enger Berührung mit den Halbleiterchips 1 stehen.

Vierzehnte Ausführungsform

Fig. 23 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, sind mehrere Halbleiterchips 1 (vier in der Zeichnung) auf einem Trägermaterial 2 angebracht, und oberhalb der Oberflächen der Halbleiterchips 1 befindet sich ein Fluidbehälter 61, in dem sich abgedichtet ein Arbeitsfluid, zum Beispiel eine Freon-Alternative, befindet. Die Unterseite des Fluidbehälters 61 ist mit einem biegsamen Blatt 62 abgedichtet, das eine gute Wärmeleitfähigkeit hat und in Berührung mit jedem einzelnen der Halbleiterchips 1 steht; ferner sind mehrere Rohre 61a vorgesehen, von denen jedes Rippen 63 aufweist und seinerseits einstückig mit dem oberen Abschnitt des Fluidbehälters 61 ausgebildet ist. Aufgrund des geschilderten Aufbaus dieser Ausführungsform wird Wärme, die in den Halbleiterchips 1 erzeugt wird, über das Blatt 62 auf das Arbeitsfluid 60 im Fluidbehälter 61 übertragen. Das Arbeitsfluid 60 verdampft dann durch die Wärme von den Halbleiterchips 1, und das verdampfte Arbeitsfluid steigt in den Rohren 61a nach oben. Da die Rohre 61a durch die Rippen 63 gekühlt sind, gibt der Dampf des Arbeitsfluids 60, der in die Rohre 61a aufgestiegen ist, seine Wärme ab und kondensiert, worauf der kondensierte Dampf des Arbeitsfluids 60 wieder zurück in den Fluidbehälter 61 läuft. Diese Zirkulation des Arbeitsfluids 60 wird zu einer fortlaufenden Kühlung wiederholt.

Fünfzehnte Ausführungsform

Fig. 24 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrrichtung nach einer fünfzehnten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Anstatt die Rohre 61a auf dem Fluidbehälter 61 so auszubilden wie bei der in Fig. 23 dargestellten vierzehnten Ausführungsform, sind auf der Oberseite des Fluidbehälters 61 Rippen 64 ausgebildet. Der übrige Aufbau ist derselbe wie bei der vierzehnten Ausführungsform. Auch bei dieser Ausführungsform wird Wärme, die in den Halbleiterchips 1 entstanden ist, über das Blatt 62 in das Arbeitsfluid 60 in dem Behälter 61 in derselben Weise abgeleitet wie bei der vierzehnten Ausführungsform, die in Fig. 23 dargestellt ist. Das Arbeitsfluid 60 verdampft dann durch die Wärme aus den Halbleiterchips 1, und das verdampfte Arbeitsfluid steigt im Behälter 61 nach oben. Dadurch, daß der obere Abschnitt des Behälters 61 durch die Rippen 64 gekühlt ist, kondensiert der Dampf des Arbeitsfluids 60, der in den oberen Abschnitten des Behälters 61 aufgestiegen ist, gibt seine Wärme ab und fließt herunter.

Sechzehnte Ausführungsform

Fig. 25 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Kühlvorrichtung nach einer sechzehnten Ausführungsform der Erfindung. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, sind mehrere Halbleiterchips 1 (vier in der Zeichnung) an einem Trägermaterial 2 angebracht, und ein Behälter 65, in dem ein Arbeitsfluid 60 eingeschlossen ist (z. B. eine Freon-Alternative) ist auf der Oberseite der Halbleiterchips 1 befestigt. An der Unterseite des Behälters 65 ist ein biegsames Blatt 62 vorgesehen, das in dichtender Berührung mit jedem der Halbleiterchips 1 steht.

Oberhalb des Behälters 65 ist ein schräg abfallender Verbindungsbehälter 67 vorgesehen. Ein Ende des Verbindungsbehälters, nämlich das Ende, welches im schräg abfallenden Abschnitt oben ist, steht mit dem oberen Abschnitt einer Seitenwand des Behälters 65 in Verbindung. Das andere Ende des Verbindungsbehälters 67, nämlich das tiefer gelegene Ende des schrägen Abschnittes, steht mit dem unteren Ende der anderen Seite des Behälters 65 in Verbindung. An dem schrägen Abschnitt des Verbindungsbehälters 67 sind darüber hinaus mehrere kohle-, Rippen tragende Säulen 67a ausgebildet, an denen mehrere Rippen 68 einstückig befestigt sind.

Aufgrund des geschilderten Aufbaus der beschriebenen Ausführungsform wird Wärme, die in den Halbleiterchips 1 entsteht, über das Blatt 66 auf das Arbeitsfluid 60 im Behälter 65 übertragen. Das Arbeitsfluid 60 verdampft dann aufgrund der Wärme von dem Halbleiterchips 1, und das verdampfte Arbeitsfluid 60 steigt dann durch den Verbindungsbehälter 67 hindurch in die mit Rippen versehenen Säulen 67a auf. Da die Säulen 67a durch die Rippen 68 gekühlt werden, gibt der Dampf des Arbeitsfluids 60 innerhalb der Säulen 67a seine Wärme ab und kondensiert, und das Kondensat läuft über den Verbindungsbehälter 67 in den Behälter 65 zurück.

Siebzehnte Ausführungsform

Fig. 26 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer siebzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, sind mehrere Halbleiterchips 1 (zwei in der Zeichnung) auf einem Trägermaterials 2 angebracht, und an der Oberfläche der Halbleiterchips 1 ist ein Behälter 70 befestigt, in dem ein Arbeitsfluid 60 (z. B. eine Freon-Alternative) dichtend eingeschlossen ist. Auf der Oberfläche des Behälters 70 ist ein flexibles Blatt 71 mit guter Wärmeleitfähigkeit angeordnet, das mit jedem einzelnen der Halbleiterchips 1 in abdichtender Berührung steht. In einer Längsrichtung parallel zum Behälter 70 ist ein Verbindungsbehälter 73 angeschlossen, der einstückig mit einer hohlen Säule 73a ausgebildet ist, auf der ihrerseits mehrere Rippen 72 befestigt sind. Ein Ende des Verbindungsbehälters 73 steht mit dem oberen Teil des Behälters 70 in Verbindung, während das andere Ende des Verbindungsbehälters 73 mit dem unteren Teil des Behälters 70 in Verbindung steht.

Aufgrund des beschriebenen Aufbaus der dargestellten Ausführungsform wird Wärme, die in den Halbleiterchips 1 erzeugt wird, über das Blatt 71 auf das Arbeitsfluid 60 im Behälter 70 übertragen. Das Arbeitsfluid 60 verdampft aufgrund der Wärme von den Halbleiterchips 1, und das verdampfte Arbeitsfluid steigt in der mit Rippen versehenen Säule 73a über den Verbindungsbehälter 73 nach oben. Da die Rippen tragenden Säulen 73a durch die Rippen 72 gekühlt werden, gibt der Dampf des Arbeitsfluids, der in die Rippen tragenden Säulen 73a aufgestiegen ist, seine Wärme ab und kondensiert und kehrt über den Verbindungsbehälter 73 in den Behälter 70 zurück.

Achtzehnte Ausführungsform

Fig. 27 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer achzehnten Ausführungsform der Erfindung. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, sind mehrere Halbleiterchips 1 (drei in der Zeichnung) an einem Trägermaterial 2 befestigt, und ein Behälter 75, in dem ein Arbeitsfluid 60 (z. B. eine Freon-Alternative) dichtend eingeschlossen ist, ist auf der Oberseite jedes Halbleiterchips 1 befestigt. An einer Seite des Behälters 75 befindet sich ein biegsames Abdichtungsblatt 76 mit guter Wärmeleitfähigkeit, das mit jedem der Halbleiterchips 1 in Berührung steht. Ferner steht ein Verbindungsbehälter 78, der einstückig mit einer hohlen, Rippen tragenden Säule 78a ausgeformt ist und auf dem mehrere Rippen 77 befestigt sind, in Längsrichtung parallel zum Behälter 75 in Verbindung mit diesem. Ein Ende des Verbindungsbehälters 78 steht mit dem oberen Teil des Behälters 75 in Verbindung. Das andere Ende des Verbindungsbehälters 78 steht mit dem unteren Teil des Behälters 75 in Verbindung.

An beiden Seitenflächen des Behälters 75 (also an der oberen und unteren Fläche in der Zeichnung) ist jeweils ein Balg-Teil 75a mit elastischen Eigenschaften ausgeformt, und dann, wenn keine Wärme in den Halbleiterchips 1 erzeugt wird, ziehen sich die Balg-Teile 75 zusammen, wodurch das innere Volumen des Behälters 75 so verkleinert wird, daß das Arbeitsfluid den Behälter 75, den Verbindungsbehälter 78 und die rippenbestückte Säule 78a voll ausfüllt.

Aufgrund der dargestellten Konstruktion der beschriebenen Ausführungsform wird Wärme, die in den Halbleiterchips 1 erzeugt wird, über das Blatt 76 auf das Arbeitsfluid 60 im Behälter 75 übertragen. Wenn die Wärme von den Halbleiterchips 1 auf das Arbeitsfluid 60 übertragen ist, verdampft es, und die Balg-Teile 75a dehnen sich aufgrund des ansteigenden Druckes aus und das Volumen des Behälters 75 steigt an (siehe Fig. 28).

Wenn sich das Volumen des Behälters 75 ausdehnt, dann steigt das verdampfte Arbeitsfluid 60 über den Verbindungsbehälter 78 in die mit Rippen versehene Säule 78a auf, da die Oberfläche des Arbeitsfluids nur um den Betrag der Volumenvergrößerung absinkt. Die mit Rippen versehene Säule 78a wird durch die Rippen 77 gekühlt, so daß dann, wenn der Dampf des Arbeitsfluids 60 in den mit Rippen versehenen Säulen 78a aufgestiegen ist, er seine Wärme abgibt und kondensiert und über den Verbindungsbehälter 78 in den Behälter 75 zurückkehrt. Wenn die in den Halbleiterchips 1 erzeugte Wärme abgeführt ist, hält die Verdampfung des Arbeitsfluids 60 an, der Druck sinkt ab und die Balgteile 75a kehren in ihren ursprünglichen Zustand zurück, in dem das Arbeitsfluid den Behälter 75, den Verbindungsbehälter 78 und die mit Rippen versehene Säule 78a vollständig ausfüllt (siehe Fig. 27).

Vor dem Einfüllen des Arbeitsfluids 60 in den Behälter 75 ist es notwendig, den Behälter 75, den Verbindungsbehälter 78 und die mit Rippen versehene Säule 78a zeitweise zu entleeren, um unsaubere Gase daraus zu entfernen. Insbesondere dann, wenn unsaubere Gase im Behälter 75, dem Verbindungsbehälter 78 oder in der mit Rippen versehenen Säule 78a verbleiben, dann wird die Kondenssationsfläche für das Arbeitsfluid 60 durch die unsauberen Gase vermindert und es entsteht eine größere Verminderung der Abstrahlungswirksamkeit der mit Rippen versehenen Säule 78a. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Kühlvorrichtung wird eine Vermischung unsauberer Gase nach dem Einfüllen des Arbeitsfluids 60 in den Behälter 75, den Verbindungsbehälter 78 und die Säule 78a dadurch vermieden, daß das Abdichten bei einer leicht erhöhten Temperatur erfolgt, so daß es auf diese Weise möglich ist, die Abstrahlungs-Wirksamkeit zu erhöhen.

Neunzehnte Ausführungsform

Fig. 29 ist eine schematische Querschnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer neunzehnten Ausführungsform der Erfindung. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, sind mehrere Halbleiterchips 1 (drei in der Zeichnung) an einem Trägermaterial 2 befestigt, und ein Behälter 81, in dem ein Arbeitsfluid 60 (z. B. eine Freon-Alternative) dichtend eingeschlossen ist, ist auf der Oberseite von jedem der Halbleiterchips 1 befestigt. Auf der dem Halbleiterchip 1 zugewandten Seite des Behälters 81 ist ein Balgteil 81 mit elastischen Eigenschaften angeformt, und zwischen dem Boden des Balgteils 81a und den Halbleiterchips 1 liegt in Verbindung mit diesen ein flexibles Blatt 82 mit guten Wärmeleitungseigenschaften. Darüber hinaus sind mehrere Rohrabschnitte 81b vorgesehen. An jedem Rohrabschnitt 81b, der einstückig im oberen Teil des Behälters 81 ausgeformt ist, sind Rippen 83 befestigt.

Die Halbleiterchips 1 sind durch das Vorhandensein eines Raumes 84 zwischen den Seitenflächen 81c, 81d des Behälters 81 und dem Trägermaterial 2 als LSI-Module ausgebildet. Der Raum 84 ist mit einem inerten Gas mit guten Wärmeübertragungseigenschaften, wie z. B. mit Helium, gefüllt.

Aufgrund des beschriebenen Aufbaus der dargestellten Ausführungsform der Kühlvorrichtung wird Wärme, die in den Halbleiterchips 1 erzeugt wird, über das Blatt 82 auf das Arbeitsfluid 60 in dem Behälter 81 übertragen. Wenn die Wärme von den Halbleiterchips 1 auf das Arbeitsfluid 60 übertragen wird, verdampft dies und steigt in die Rohrabschnitte 81 auf. Die Rohrabschnitte 81 werden durch die jeweiligen Rippen 83 gekühlt, so daß dann, wenn das verdampfte Arbeitsfluid 60, das in die Rohrabschnitte 81b aufgestiegen ist, seine Wärme abgegeben hat, dieser Dampf kondensiert und in den Behälter 81 zurücktropft. Ein Teil der Wärme der Halbleiterchips 1 wird darüber hinaus dadurch abgekühlt, daß sie in den Behälter 81 hinein über das inerte Gas mit guter Wärmeübertragungsfähigkeit, wie z. B. Helium, übertragen wird.

Bei der Ausführungsform mit dem beschriebenen Aufbau kann der auf die Halbleiterchips 1 ausgeübte Druck durch Einstellen des Balgabschnittes 81a des Behälters 81 so gleichförmig angewandt werden, daß die Halbleiterchips 1 eine gute, innige Berührung mit der Unterseite des Balgabschnittes 81a des Behälters 81 behalten, so daß der Wärmeübergangswiderstand herabgesetzt wird.

Auch bei dieser Ausführungsform kann die Rückkehr des kondensierten Arbeitsfluids 60 in den Behälter 81 durch das Vorhandensein eines Dochts an der Innenseite des Rohrabschnitts 81b des Behälters 81 erleichtert werden.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist es auch einfach, durch Vorsehen kleiner Unregelmäßigkeiten an der Bodenfläche des Balgabschnitts 81a des Behälters 81 einen Siedevorgang in Gang zu bringen. Ferner können an den Innenwänden des Rohrabschnitts 81b des Behälters 81 Nuten angebracht werden, um die wärmeübertragende Fläche auszudehnen, so daß auf diese Weise die Wärmeübertragung vom Dampf des Arbeitsfluids 60 auf den Rohrabschnitt 81b gefördert wird.

Zwanzigste Ausführungsform

Fig. 30 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung, die eine zwanzigste Ausführungsform der Erfindung darstellt.

Ein Halbleiterelement 201 ist auf ein Trägermaterial 202 aufgesetzt. Die Wärme, die durch das Halbleiterelement 201 erzeugt wird, wird auf ein Arbeitsfluid 204 in einem hohlen Behälter 203 übertragen und dann als Folge einer Phasen-Veränderung in dem Arbeitsfluid 204 (z. B. flüssig zu Dampf) auf mehrere Rippen 205, von wo aus sie in die Atmosphäre abgegeben wird.

Ein erstes Merkmal der beschriebenen Kühlvorrichtung ist die Form der Rippen 205. Die Fig. 31 und 32 sind jeweils eine schematische, perspektivische Darstellung und eine Explosionsdarstellung der Rippen 205. Die Rippen 205 sind aus einem dünnen, plattenförmigen Folienteil 208 herausgeformt, das aus vielen Laminierungsschichten, z. B. aus Aluminium (Aluminiumfolie) besteht. In den einzelnen Blättern des Folienteiles 208 sind zusätzlich mehrere Schlitze 208a eingeformt mit dem Zweck, die Wirksamkeit der Wärmeabstrahlung zu erhöhen. Die Schlitze 208a sind speziell zu dem Zweck ausgeformt, die Bereiche der Wärmeabstrahlung zu vergrößern, wie dies in Fig. 32 dargestellt ist.

Diese Vorrichtungsbauart, die aus einem hohlen Rohr besteht, mit dem Rippen 205 thermisch verbunden sind, ist insbesondere als Rippenrohr-Wärmetauscher bekannt. Der Rippenrohr-Wärmetauscher 210 ist mit dem Wärmetauscher identisch, der bei Klimaanlagen benutzt wird. Bei der vorliegenden Erfindung dient das Rohr 209, an dem die Rippen durch ein thermisches Verfahren befestigt sind, um auf diese Weise einen Rippenrohrwärmetauscher 210 zu bilden, als Teil eines Wärmerohres und ist am hohlen Behälter 203 so angebracht, daß eine Verbindung zwischen den beiden in der Weise möglich ist, daß das Arbeitsfluid 204 frei in das Rohr 209 eintreten kann.

Die Rippen 205 der Kühlvorrichtung der oben beschriebenen Erfindung sind dünne Rippen, in die mehrere Schlitze eingeformt sind, so daß auf diese Weise eine hohe Wirksamkeit durch eine extrem hohe Strahlungfähigkeit erreicht wird.

Die Richtung, in der ein kühlender Dampf, z. B. Luft, über die in Fig. 30 dargestellten Rippen hinwegstreicht, liegt im wesentlichen parallel zu den Trägermaterialien 202, auf denen die Halbleiterelemente 201 befestigt sind. Der Raum, der zwischen den Trägermaterialien 202 ausgebildet ist, ist so ausgerichtet, daß ein leitungsähnlicher Schlitz gebildet wird, der als Kanal 207 für ein kühlendes Fluid dient. Da die Rippen 205 nach der vorliegenden Erfindung konzentriert und im leitungsförmigen Kanal 207 für das kühlende Fluid angeordnet sind, berührt das kühlende Fluid die Rippen 205 mit hohem Wirkungsgrad.

Auf diese Weise wird in der Kühlvorrichtung, in der die Rippen 205 befestigt sind, eine hohe Kühlwirksamkeit dadurch erreicht, daß die im wesentlichen ebenen Trägermaterialien 202 als Leitungswand in dem Raum zwischen ähnlichen Trägermaterialien 202 dienen. Zusätzlich können mehrere kleine, einen Siedevorgang fördernde Rippen 206 an der Innenseite des wärmeabsorbierenden Abschnittes des hohlen Behälters angebracht sein, um die wärmeabsorbierende Fläche auszudehnen und den Kühleffekt ferner zu verbessern.

Einundzwanzigste Ausführungsform

Fig. 33 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Kühlvorrichtung nach einer einundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, sind mehrere Halbleiterchips 1 (acht in der Zeichnung) an einem Trägermaterial angebracht, und ein Behälter 85, in dem ein Arbeitsfluid 60 dichtend eingeschlossen ist (z. B. eine Freon-Alternative), ist an der Oberseite der Halbleiterchips 1 befestigt.

Sowohl an mehreren Rohrabschnitten 85a als auch an mehreren Rohrabschnitten 85b, die jeweils im oberen und unteren Abschnitt des Behälters 85 auf einer Seite gegenüber den Halbleiterchips 1 angebracht sind, sind Rippen 86 einstückig angeformt.

Gemäß Fig. 34 kann durch Aufklemmen eines Paares von Klemmabschnitten 85c, 85d, die jeweils auf beiden Seitenabschnitten des Behälters 85 vorgesehen sind, ein geeigneter Druck gegen das Trägermaterial 2 ausgeübt werden, so daß zwischen den Halbleiterchips 1 und dem Tragermaterial 2 ein guter thermischer Kontakt aufrechterhalten wird.

Bei einer Kühlvorrichtung nach der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird Wärme, die in den Halbleiterchips 1 erzeugt wird, auf das Arbeitsfluid 60 im Behälter 85 übertragen. Wenn die Wärme von den Halbleiterchips 1 auf das Arbeitsfluid 60 übertragen ist, verdampft das Arbeitsfluid und steigt in den Rohrabschnitten 85a im oberen Abschnitt des Behälters 85 empor. Nachdem die Rohrabschnitte 85a durch die Rippen 86 gekühlt worden sind, gibt das verdampfte Arbeitsfluid 60, das in die Rohrabschnitte 85a aufgestiegen ist, seine Wärme ab, kondensiert und fließt in den Behälter 85 zurück.

Die Wärme in den Halbleiterchips 1, die auf das Arbeitsfluid 60 in den Rohrabschnitten 85b im unteren Abschnitt des Behälters 85 übertragen worden ist, wird über die Rippen 86 nach außen abgestrahlt. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann im Vergleich mit der Kühlvorrichtung nach der zwanzigsten Ausführungsform eine gute Kühlwirkung mit fast gleichförmiger Temperaturverteilung über alle in Längsrichtung befestigten Halbleiterchips hinweg durch einen Wärmeaustausch mit den mit Rippen versehenen Rohrabschnitten 85a, 85b im oberen und unteren Abschnitt des Behälters 85 erreicht werden.

Auf diese Weise kann die Wärme von den Halbleiterchips 1 mit geringem thermischem Widerstand übertragen werden, so daß der Kühlvorgang der Halbleiterchips 1 gemäß den Ausführungsformen 14 bis 20 nach dem Prinzip des Wärmerohres wirksam durchgeführt werden kann.

Darüber hinaus kann bei der vierzehnten bis neunzehnten Ausführungsform wegen der biegsamen Blätter 62, 71, 76, 82 mit guter Wärmeleitfähigkeit, die in inniger Berührung mit den Halbleiterchips 1 sind, die Wärme von den Halbleiterchips 1 auf das Arbeitsfluid 60 bei geringem thermischem Widerstand übertragen werden.

Da bei der vierzehnten bis neunzehnten Ausführungsform Blätter mit guter Biegsamkeit und elektrischer Isolation thermisch mit den Halbleiterchips 1 verbunden sind, ist eine elektrische Verbindung unnötig. Es bestehen demnach bei dem Betrieb der Halbleiterchips 1 keine gegenteiligen Wirkungen.

Zweiundzwanzigste Ausführungsform

Fig. 35 ist eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung nach einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung. Wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, steht ein wärmeübetragender Block 90 mit der gesamten Innenfläche (mit der oberen Fläche in der Zeichnung) mit dem Halbleiterchip 1 in Verbindung. An der Fläche des wärmeübertragenden Blocks 90, die gegenüber dem Halbleiterchip 1 liegt, sind mehrere, sehr kleine Rippen 91 in versetzter Anordnung mit Hilfe eines Ätzvorganges eingeformt (siehe Fig. 36).

Auf den wärmeübertragenden Block 90 ist eine Deckelplatte 92 dichtend aufgesetzt, um auf diese Weise die Rippen 91 auf der Außenseite des wärmeübertragenden Blockes 90 abzudecken. Darüber hinaus ist ein Zuführrohr 93 zum Zuleiten eines Kühlmittels, wie zum Beispiel Wasser, zu den Rippen 91 vorgesehen sowie ein Auslaßrohr 94 zum Auslassen des Kühlmittels, die beide jeweils in der Mittellinie des wärmeübertragenden Blockes 90 an zwei Seiten (der oberen und unteren Seite in der Zeichnung) der Rippen 91 im wärmeübertragenden Block 90 angeordnet sind.

Aufgrund der beschriebenen Konstruktion wird bei der genannten Ausführungsform die Wärme, die in den Halbleiterchips 1 erzeugt ist, auf die Rippen 91 im wärmeübertragenden Block 90 übertragen. Danach wird ein Kühlmittel durch das Zuführrohr 93 in den wärmeübertragenden Block 90 eingeleitet, an dem die Rippen 91 angeformt sind, um auf diese Weise die Wärme aus den Rippen 90 abzuleiten. Das erwärmte Kühlmittel wird dann durch das Auslaßrohr 94 ausgelassen, so daß auf diese Weise die Halbleiterchips 1 wirksam gekühlt werden.

Durch die versetzte Anordnung der Rippen 91 im wärmeübertragenden Block 90 kann darüber hinaus die Zahl der Rippen in jeder Reihe klein gehalten werden, und der Widerstand der Rippen gegenüber dem Durchfluß des kühlenden Wasers im Kanal wird vermindert.

Fig. 37 ist eine teilweise geschnittene Draufsicht auf eine Abwandlung der oben beschriebenen Ausführungsform der Kühlvorrichtung nach der Erfindung. Bei dieser Abwandlung ist eine Innenwandfläche 90a an den Seiten (den oberen und unteren Seiten der Zeichnung), an denen das Zuführrohr 93 und das Ablaßrohr 94 zum Zuführen und Ablassen des Kühlwassers zu den Rippen im wärmeübertragenden Block angebracht sind, in Richtung des Flusses von dem Zuführrohr 93 zum Ablaßrohr 94 geneigt, und die Rippen sind so geformt, daß sie der Form der Innenwandfläche 90a entsprechen. Der Rest des Aufbaus ist derselbe wie bei der zweiundzwanzigsten Ausführungsform nach den Fig. 34 und 35.

Bei dieser Ausführungsform fließt, wie bei der vorigen Ausführungsform, das Kühlwasser entlang der inneren Wandfläche 90a des wärmeübertragenden Blockes mit einem geringen Fließwiderstand zwischen den Rippen 91, so daß eine wirksame Kühlung der Halbleiterchips 1 erreicht wird.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Kühlvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung sind besonders dann wirkungsvoll, wenn sie im Zusammenhang mit wärmeerzeugenden Elementen benutzt werden, die große Mengen elektrischer Energie benötigen.

Nachdem die Prinzipien unserer Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben und dargestellt worden sind, sollte für Fachleute klar sein, daß die Erfindung in ihrer Anordnung und in Einzelheiten verändert werden kann, ohne von den beschriebenen Prinzipien abzuweichen. Wir beanspruchen alle Abweichungen, die innerhalb des Geistes und dem Schutzumfang der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

1. Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teiles (1) durch Abführen der im Teil (1) erzeugten Wärme, gekennzeichnet durch
eine Kühlstange (3, 4, 6, 14, 16, 21), die thermisch mit dem wärmeerzeugenden Teil (1) verbunden ist;
ein Arbeitsfluid zum Abführen der auf die Kühlstange (3, 4, 6, 14, 16, 21) übertragenen Wärme, dadurch, daß das Arbeitsfluid verdampft;
eine Fluid-Quelle (8) zum Zuführen des Arbeitsfluis zu den Kühlstangen (3, 4, 6, 14, 16, 21) in flüssiger Phase; und
eine Passage, durch die das Arbeitsfluid während der Verdampfung hindurchtritt, um die Wärme abzuführen, während das Arbeitsfluid in flüssiger Phase durch die Fluidquelle (8) in eine Passage in den Kühlstangen (3, 4, 6, 14, 16, 21) eingeführt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlstange (4, 6, 14) aus porösem Material besteht und daß die Passage Poren enthält, die in dem porösen Material eingeformt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Passage Durchgangslöcher (9) hat und daß das Arbeitsfluid in flüssiger Phase durch die Durchgangslöcher (9) von der Innenseite der Kühlstange (4) auf die Außenseite hindurchtritt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlstange (14) aus einem porösen Material mit Rippen (14b) besteht und daß die Passage Poren aufweist, die in das poröse Material eingeformt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Passage schmale Dochte (16a) aufweist, die in die Oberfläche der Kühlstange (16, 21) eingesenkt sind und daß das Arbeitsfluid auf die Oberfläche der Kühlstange (16, 21) aufgegossen wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlstange (21) ein dünnes, plattenförmiges poröses Metallstück ist und daß das Arbeitsfluid auf die Oberfläche der Kühlstange (21) aufgegossen wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Metall ein Sintermetall oder ein geschäumtes Metall ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material aus porösem Metall besteht.

9. Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teiles durch Abführen der im wärmeerzeugenden Teil (1) erzeugten Wärme, gekennzeichnet durch
eine Kühlstange (23), die thermisch mit dem wärmeerzeugenden Teil (1) verbunden ist;
ein Kühlmittel zum Abführen der auf die Kühlstange (23) übertragenen Wärme durch Konvektionskühlung;
eine Kühlmittelquelle (8) zum Zuführen eines Kühlmittels zu der Kühlstange (23);
ein biegsames Blatt (27) zum Isolieren des Kühlmittels vom wärmeerzeugenden Teil (1);
ein blattandrückendes Teil (26, 23b, 29) zum Andrücken des Blattes (27) gegen die Kühlstange (23); und
ein Zusatzteil (30) zum Fördern der Isolation des biegsamen Blattes (27) durch Unterstützung des blattbeaufschlagenden Teiles (26, 23b, 29).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzteil (30) aus einem O-Ring zum Abdichten des Raumes besteht, der zwischen dem biegsamen Blatt (27) und der Kühlstange (23) besteht und daß das Blattbeaufschlagungsglied (26, 23b, 29) aus einem Halteteil (23b, 29) besteht, das mit der Kühlstange (23) in Eingriff steht, um den O-Ring gegen den Raum zu drücken.

11. Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teiles (1) durch Abführen der von diesem Teil erzeugten Wärme, gekennzeichnet durch:
eine Kühlstange (51), die thermisch mit dem wärmeerzeugenden Teil (1) verbunden ist;
ein Kühlmittel zum Abführen der auf die Kühlstange übertragenen Wärme durch forcierte Konvektionskühlung;
ein biegsames Blatt (50) zum Isolieren des Kühlmittels vom wärmeerzeugenden Teil (1); und
eine Kühlmittelquelle (8) zum Zuführen eines Kühlmittels unter Druck zur Kühlstange (51), wobei die Kühlstange (51) durch den Druck des Kühlmittels gegen das wärmeerzeugende Teil (1) gedrückt wird.

12. Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teils (1) durch Abführen der im Teil (1) erzeugten Wärme, gekennzeichnet durch:
eine Kühlstange (34, 40, 44), die thermisch mit dem wärmeerzeugenden Teil (1) verbunden ist;
ein Kühlmittel zum Abführen der auf die Kühlstange (34, 40, 44) übertragenen Wärme durch forcierte Konvektionskühlung;
eine Kühlmittelquelle (8) zum Zuführen eines Kühlmittels zur Kühlstange (34, 40, 44); und
ein Rührwert zum weiteren Abführen der Wärme durch Umwälzen des Kühlmittels.

13. Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teiles (1) durch Abführen der im Teil (1) erzeugten Wärme, gekennzeichnet durch:
ein Arbeitsfluid (60) zum Aufnehmen der im Teil (1) erzeugten Wärme und zum Verdampfen;
ein wärmeübertragendes Blatt (62, 71, 76, 82) zum Übertragen der im Teil (1) erzeugten Wärme auf das Arbeitsfluid (60);
ein Fluid-Behälter (61, 65, 70, 73, 75, 75a, 78, 81, 81a) zum Aufnehmen des Arbeitsfluids (60), wobei das Fluid (60) die Wärme über das wärmeübertragende Blatt (62, 71, 76, 82) aufnimmt;
einen Rohrabschnitt (61a, 64, 67, 67a, 73a, 78a, 81b) , in dem das Fluid (60), das im Fluidbehälter (61, 65, 70, 73, 75, 75a, 78, 81, 81a) verdampft ist, emporsteigt; und
ein Wärmeverteilungsabschnitt (63, 68, 72, 77, 83) zum Verteilen der Wärme, die in dem verdampften Fluid (60) enthalten ist, das im Rohrabschnitt (61a, 64, 67, 67a, 73a, 78a, 81b) emporsteigt, wobei das verdampfte Fluid (60) durch Verteilung seiner Wärme im Wärmeverteilungsabschnitt (63, 68, 72, 77, 83) kondensiert.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeverteilungsabschnitt (63, 68, 72, 77, 83) Rippen umfaßt, die einstückig am Rohrabschnitt (61a, 64, 67, 67a, 73a, 78a, 81b) angeformt sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidbehälter (65, 70, 73, 75, 75a, 78, 81, 81a) eine Dampfpassage umfaßt, durch die hindurch das verdampfte Fluid (60) strömt, bevor es in den Rohrabschnitt (61a, 64, 67, 67a, 73a, 78a, 81b) emporsteigt und eine Flüssigkeits-Rückkehrpassage, durch die hindurch das im Wärmeverteilungsabschnitt (63, 68, 72, 77, 83) kondensierte Fluid (60) hindurchgeht, um in den Fluidbehälter (61, 65, 70, 73, 75, 75a, 78, 81, 81a) zurückzukehren.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidbehälter (70, 73, 75, 75a, 78, 81, 81a) eine vertikale Bauart hat, in der im Arbeitsfluid (30) eine Konvektion entsteht, weil das verdampfte Fluid (60) durch die Dampfpassage entweicht und das kondensierte Fluid (60) aus der Flüssigkeits-Rückkehrpassage zugeführt wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidbehälter (75, 75a, 78, 81, 81a) einen Balg-Teil (75a, 81a) umfaßt, der sich zusammenziehen kann, um sein Volumen so zu verkleinern, daß das Fluid (60) den Fluidbehälter (75, 75a, 78, 81, 81a) und den Rohrabschnitt (78a, 81b) dann ausfüllt, wenn keine Wärme im wärmeerzeugenden Teil (1) erzeugt wird und dessen Volumen sich dann ausdehnt, um das verdampfte Fluid (60) in sich aufzunehmen, wenn im wärmeerzeugenden Teil Wärme erzeugt wird.

18. Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teiles (1) durch Abführen der im Teil (1) erzeugten Wärme, gekennzeichnet durch:
ein Arbeitsfluid (204) zum Aufnehmen der im Teil (1) erzeugten Wärme und zum Verdampfen;
einen Fluidbehälter (203) zum Aufnehmen des Arbeitsfluids (204) und
einen Rippenrohr-Wärmetauscher (210) zum Abführen der Wärme aus dem Fluid (204), das im Fluidbehälter (203) verdampft ist, um die Wärme zu absorbieren, die im wärmeerzeugenden Teil (1) erzeugt worden ist.

19. Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teiles (1) durch Abführen der im Teil (1) erzeugten Wärme, gekennzeichnet durch:
ein Arbeitsfluid (60) zum Absorbieren der im Teil (1) erzeugten Wärme und zum Verdampfen;
einen Fluidbehälter (85) zum Aufnehmen des Arbeitsfluids (60);
einen ersten Rippenrohr-Wärmetauscher (85a, 86) zum Abführen der Wärme des Fluids (60), das im Fluidbehälter (85) verdampft ist, um auf diese Weise die Wärme abzuführen, die im wärmeerzeugenden Teil (1) erzeugt worden ist; und
einen zweiten Rippenrohr-Wärmetauscher (85a, 86) zum Abführen der Wärme des Fluids (60), das in flüssiger Phase im Fluidbehälter (85) enthalten ist.

20. Kühlvorrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Teiles (1) durch Abführen der Wärme, die im Teil (1) erzeugt worden ist, gekennzeichnet durch:
einen wärmeübertragenden Block (90), der thermisch mit dem wärmeerzeugenden Teil (1) verbunden ist;
eine Gruppe von Wärmeverteilungsrippen (91), die auf der äußeren Fläche des wärmeübertragenden Blockes (90) vorgesehen ist, wobei die Rippen (91) in versetzter Anordnung ausgeformt sind; und
ein Kühlmittel zum Abführen der Wärme, die auf den wärmeübertragenden Block (90) übertragen worden ist, wobei das Kühlmittel zwischen den Wärmeverteilungsrippen (91) hindurchfließt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch
einen Kühlmittel-Zuführabschnitt (93) zum Zuführen eines Kühlmittels zur Außenfläche des wärmeübertragenden Blocks (90), einen Abschnitt (93), der auf einer ersten Seite der Rippen (91) angeordnet ist und
einen Kühlmittel-Auslaßabschnitt (94) zum Ablassen des Kühlmittels von der Außenseite des wärmeübertragenden Blockes (90), wobei der Abschnitt (94) an einer zweiten Seite gegenüber der ersten Seite angeordnet ist und
wobei die Wärmeverteilungsrippen (91) in einem Sektor angeordnet sind, der längs des Durchflusses des Kühlmittels vom Zuführabschnitt (93) zum Ablaßabschnitt (94) angeordnet ist.