DE4224450C2 - Aktive Temperaturkontrolle mittels eines elektrisch steuerbaren Wärmeflußreglers - Google Patents

Description

Die aktive Temperaturkontrolle von Hochleistungs-Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise Halbleiterlaserdioden, erfordert nach dem Stand der Technik Temperaturstellelemente, welche aber im allgemeinen einen gerin­ gen Wirkungsgrad aufweisen.

Ein gebräuchliches Verfahren ist die Peltierkühlung mit einem maximalen Wirkungsgrad von 50%. Derartige Regelelemente sind jedoch auf Bauele­ mente mit Verlustleistungen von weniger als etwa 50 W begrenzt und be­ dingen außerdem einen großen Aufbau. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der kurzen Regelzeit und in der Möglichkeit, das Halbleiterbauelement unter die Umgebungstemperatur abkühlen zu können.

Ein anderes Verfahren nach dem Stand der Technik besteht in der Ohmschen Heizung. Die Wirkungsgrade eines derartigen Systems sind mit denen der Peltierkühlung zu vergleichen, ebenso die erzielbaren Regelzeiten. Dieses System bietet den Vorteil, daß sein Einsatz auch bei sehr hohen Ver­ lustleistungen erfolgen kann. Allerdings wird die minimale Betriebstem­ peratur durch die Umgebungstemperatur bestimmt.

Auch eine Regelung der Kühlmitteltemperatur und der Anströmgeschwindig­ keit findet in Standardverfahren Verwendung. Derartige Regelmechanismen zeichnen sich durch eine sehr geringe Leistungsaufnahme, bzw. einen hohen Wirkungsgrad aus, jedoch erlauben sie keine schnellen Regelzeiten im Millisekundenbereich.

Aus den Druckschriften "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol 30, No. 12, Seite 146 und Vol. 23, No. 9, Seiten 4222-4223 ist es bekannt, viscose Substanzen zwischen Bauteilen zur Wärmeableitung zu bringen, wobei die Viskosität eines mit wärmeleitenden Partikeln vermischten Silikonöls mit derjenigen eines wärmeleitenden Fettes verglichen wird. Die Möglichkeit der Änderung der Wärmeleitung mittels der Viscosität ist jedoch nicht erkannt worden.

In der EP 0 406 853 A1 ist die Zusammensetzung einer speziellen elektrorheologischen Flüssigkeit und der allgemein bekannte Effekt der Viskositätsänderung derartiger Fluide unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes beschrieben.

In der Druckschrift Z: Elektronik 22/1990, Seite 28 ist die gute Wärmeleitungseigenschaft von Diamant beschrieben. Es ist jedoch nicht erkannt oder nahegelegt worden, daß Diamantstaub unter Einfluß eines elektrischen Feldes thermisch gut leitende Brücken innerhalb einer elektrorheologischen Flüssigkeit bildet.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur aktiven Tem­ peraturkontrolle moderner Hochleistungs-Halbleiterbauelemente vorzustel­ len, welches durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine kontrollierte Wärmeableitung ermöglicht. Dieses Verfahren läßt sich beim Herstellungs­ prozeß in das Bauelement integrieren und kann auch bei sehr hoher Ver­ lustleistung (im Bereich von einigen 100 W/cm²) Verwendung finden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Wärmeflußregler auf der Basis einer elektrorheologischen Flüssigkeit,

Fig. 2 den Effekt eines elektrischen Feldes auf ein ER-Fluid, in dem Diamtantstaub verteilt ist und

Fig. 3 einen integrierten Wärmeflußregler auf der Basis einer elektro­ rheologischen Flüssigkeit.

Grundlage der vorliegenden Erfindung ist es, daß die Wärmeleitung von dem Ordnungszustand des wärmeleitenden Mediums abhängt.

Die Eigenschaften elektrorheologischer Flüssigkeiten (kurz ER-Fluide) sind seit über 40 Jahren bekannt und z. B. in Physikalische Blätter, 47. Jahrgang, Nr. 11, Nov. 1991, pp. 983 oder im Informationsband "Elektro­ rheologische Flüssigkeiten", welcher beim VDI/VDE Technologiezentrum In­ formationstechnik GmbH erhältlich ist, beschrieben.

ER-Fluide weisen die Eigenschaft auf, daß sie bei Anlegen eines elektri­ schen Feldes in der Größenordnung von 2 kV/mm ihre Viskosität stark än­ dern. Die feldinduzierte Viskositätsänderung kann im Bereich einiger Millisekunden bewirkt werden. Diese Merkmale der ER-Fluide bilden die grundlegenden Merkmale der Erfindung und können zur elektrisch steuerba­ ren Wärmeleitung benutzt werden. Weitere zusätzliche optionale Eigen­ schaften bzw. Ausführungsformen, die im folgenden kurz aufgezählt und später genauer beschrieben werden, dienen zur Optimierung des im folgen­ den beschrieben Mechanismus. Derartige optionale Eigenschaften sind die Beimengung von Diamantstaub (Korngröße unter 10 µm), der bei sehr ho­ hen Feldstärken (< 2 kV/mm) eintretende Phasenübergang flüssig-fest, was beides zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit beiträgt, sowie die Ver­ wendung dünner Schichten, wodurch - aufgrund mangelnder Konvektion im niederviskosen Zustand - die Schalteigenschaften verbessert werden kön­ nen.

Die Änderung der Viskosität der ER-Fluide bei Anlegung eines elektri­ schen Feldes beruht auf einer Ausrichtung und Ansammlung in bestimmten Bereichen der in der Trägerflüssigkeit verteilten Festkörperteilchen, welche eine typische Größe von unter 10 µm aufweisen.

Dieser Effekt kann zur elektrisch steuerbaren Wärmeleitung, wie in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt ist, verwandt werden, wobei sich das ER-Fluid zwischen zwei Kondensatorplatten befindet, so daß bei Anlegen einer Spannung an die Kondensatorplatten das ER-Fluid einem elektrischen Feld ausgesetzt wird und somit seine Viskosität bzw. Wärmeleitung ändert.

Im Falle zunehmender Viskosität bei steigender Feldstärke bewirkt das Anlegen einer Spannung an den Kondensator eine zunehmende Ordnung der Festkörperteilchen, welche anfänglich isotrop verteilt sind derart, daß die Festkörperteilchen Säulen zwischen den Kondensatorplatten ausbilden, wie in Fig. 2 dargestellt ist.

Nach dem Stand der Technik finden für die Trägerflüssigkeit u. a. ver­ schiedenste Öle, wie Mineral-, Schmier- oder Paraffinöl, aber auch chlo­ rierte Kohlenwasserstoffe Verwendung. Die Feststoffteilchen, welche bei­ spielsweise aus Aluminium- oder Eisenoxid, sowie aus Gips, Karbon, Zel­ lulose und vielem mehr hergestellt werden, werden in einem Verhältnis von etwa 15-40 Volumenprozent der Trägerflüssigkeit beigemengt, welche - bei Anlegen eines elektrischen Feldes - Brücken zwischen den Feststoff­ teilchen bilden. Hier finden u. a. Wasser, Glycerol oder Elektrolyte An­ wendung.

Die Vielfalt der ER-Fluide bedingt eine Vielfalt deren Eigenschaften, wobei jedoch eine Einteilung in zwei Gruppen möglich ist, je nachdem ob sich die Viskosität unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes erhöht oder erniedrigt.

Eine feldinduzierte Erhöhung der Viskosität kann durch eine zunehmende Ordnung der Flüssigkeit beschrieben werden, worauf auch in vorliegender Erfindung eingegangen wird. Die feldinduzierte Viskositätserniedrigung ist zwar experimentell beobachtet worden, konnte aber noch nicht theore­ tisch zufriedenstellend geklärt werden. Auch derartige ER-Fluide lassen sich zur elektrisch steuerbaren Wärmeleitung ausnützen. Die Grundlagen der vorliegenden Erfindung werden hierdurch nicht verändert, jedoch stellt sich die gute Wärmeleitung in diesem Fall ohne elektrisches Feld ein, anstatt mit elektrischem Feld, wie in der Erfindung beschrieben.

Typische Viskositäten ohne elektrisches Feld liegen bei etwa 2 Pas, wo­ bei jedoch der Prozentsatz der beigemengten Feststoffteilchen und Addi­ tive eine entscheidende Rolle spielt. Die Viskosität ohne elektrisches Feld können somit bis zum Faktor 2-3 variiert werden.

Für einen Wärmeflußregler finden ER-Fluide Verwendung, welche zwar eine hohe Spannungsdurchschlagfestigkeit gewährleisten, aber herkömmlicher­ weise auch nur eine unbefriedigende Wärmeleitung, welche mit der von Gläsern vergleichbar ist besitzen. Die Wärmeleitung im geordneten Zu­ stand kann wesentlich erhöht werden, indem feiner Diamantstaub dem Fluid beigemischt wird. Das Anlegen eines elektrischen Feldes bedingt die Aus­ richtung der Silikatteilchen derart, daß diese Säulen zwischen den gela­ denen Flächen bilden. Dadurch werden die Diamantteilchen in bestimmte Bereiche verdrängt. Wird nun die Zusammensetzung des Fluids richtig ge­ wählt, so kann erreicht werden, daß die Diamantteilchen ebenfalls eine Brücke zwischen den geladenen Platten bilden, wie dies in Fig. 2 darge­ stellt ist. Hierdurch kann eine sehr gute Wärmeleitung erreicht werden, ohne Absenkung der Durchschlagsfestigkeit.

Zusätzlich kann noch ausgenutzt werden, daß in der flüssigen Phase die Wärmeleitung auf Konvektion beruht, während in der festen Phase die Wär­ meleitung durch Phononen erfolgt. Da jedoch die verwendete Schichtdicke im Bereich von wenigen 100 µm liegt, kann sich nur eine mangelhafte Konvektion ausbilden und die Wärmeleitung im niederviskosen Zustand wird sehr schlecht sein. Somit läßt sich der Wärmefluß bei Verwendung dünner Schichten in höherem Maße beeinflussen, je nachdem ob eine elektrische Spannung angelegt wird oder nicht.

Die feldinduzierte Änderung der Viskosität schafft somit die Möglich­ keit, den Wärmetransport von der Wärmequelle zum Kühler stark zu beein­ flussen. Wichtig hierbei ist, daß sich dieser Effekt in wenigen Millise­ kunden vollziehen läßt, wodurch sehr schnelle Regelzeiten realisierbar sind.

Ein derartiger Wärmeschalter läßt sich leicht in einen Mikrokühler nach dem Stand der Technik integrieren. Hierbei wird eine Schicht der ER-Fluide mit einer Dicke von etwa 200 µm in den Kühler integriert und durch elektrisch leitende Platten eingeschlossen, so daß ein Konden­ sator entsteht. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Die nötigen elektrischen Spannungen reduzieren sich aufgrund des geringen Plattenabstandes zu et­ wa 200 V. Die benötigte Spannung kann jedoch durch eine Optimierung des Systems noch weiter verringert werden.

Claims (2)

1. Wärmeflußregler aus einer zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden angeordneten elektrorheologischen Flüssigkeit, bei der sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes über die Elektroden an die elektrorheologische Flüssigkeit die Viskosität der Flüssigkeit und damit ihre Wärmeleitfähigkeit ändert, wodurch eine elektrische Steuerung des Wärmeflusses von einer Wärmequelle zu einem Kühler mit dem zwischen diesen Bauteilen angeordneten Wärmeflußregler erfolgt.

2. Wärmeflußregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrorheologischen Flüssigkeit Diamantstaub beigemischt ist, so daß unter Einfluß des elektrischen Feldes der Diamantstaub von der elektrorheologischen Flüssigkeit in definierte Bereiche der Flüssigkeit verdrängt wird und sich so Bereiche hoher Diamantstaubkonzentration entlang des elektrischen Feldes ausbilden.