DE4312057A1 - Arrangement for cooling highly integrated multi=chip modules for data processing systems with high computing power - contains cooling plate and mechanical heat transfer devices, covering and sealing elastic plate - Google Patents

Arrangement for cooling highly integrated multi=chip modules for data processing systems with high computing power - contains cooling plate and mechanical heat transfer devices, covering and sealing elastic plate

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Abstract

Various mechanical devices transferring heat from the chip to a cooling plate and compensate for height differences arising when chips are mounted in a module. A large area cooling body suitable for cooling directly in a cooling liquid is stuck onto each chip with a very thin insulating and heat conducting adhesive film. The entire module is covered by an elastic, thermally and electrically insulating plate through which the cooling bodies are inserted via punched conical apertures. The plate provides sealing against the cooling medium. After the bodies are inserted they are entirely in the cooling liquid which is under forced convection. The liquid press. forces the plate against the bodies to give reliable sealing. USE/ADVANTAGE - The arrangement considerably reduces the thermal resistance between the chips and cooling liquid at reduced manufacturing and assembly costs.

Description

Meist wird die Kühlung von Multi-Chip-Moduls hoher Packungsdichte, dh die Kühlung der Chips, dadurch angestrebt, daß die Schaltungspackung mit einer durch ein Medium gekühlten Metallplatte auf unterschiedlichste Weisen in Verbindung gebracht wird. Usually the cooling of multi-chip module, a high packing density, that is, the cooling of the chips, characterized desirable that the circuit package is associated with a cooled metal plate by a medium in a variety of ways.

Die Probleme entstehen hierbei durch die, wenn auch äußerst geringen, doch entscheidenden Höhentoleranzen der Schaltungskomponenten. The problems arise in this case by, though extremely small, but significant height tolerances of the circuit components. Die Chips müssen aufgrund der großen freigesetzten Wärmemengen so direkt und fest als möglich mit der Kühlplatte in Verbindung gebracht werden und dabei gegenüber dieser elektrisch isoliert werden. The chips must be brought so directly and firmly as possible due to the large amounts of heat released to the cooling plate connected and are electrically insulated against this.

Oft wird zum Ausgleich dieser Toleranzen zwischen die kalte Platte und den Schaltungskomponente eine wärmeleitende und elektrisch isolierende Zwischenschicht eingefügt, welche nachgiebig ist und meist noch Pasten und einen Film enthält. Often, to compensate for these tolerances between the cold plate and the circuit component comprises a thermally conductive and electrically insulating intermediate layer is inserted, which is flexible and usually still contains pastes and a film.

Die Zwischenschicht weist jedoch einen hohen Wärmewiderstand auf. However, the intermediate layer has a high thermal resistance. Um diesen zu verringern, wird häufig durch ein kompliziertes Federnandrucksystem die Andruckkraft der Schaltungskomponenten auf die Kühlplatte erhöht. To reduce this, the pressing force of the circuit components is often increased to the cooling plate by a complicated Federnandrucksystem.

In Offenlegungsschrift 28 23 296 wird versucht, einige dieser Probleme zu lösen. In Offenlegungsschrift 28 23 296 is trying to solve some of these problems. Dabei wird die Oberfläche der Chips über flexible Bündel, in denen metallische Folien aus gut wärmeleitenden Material übereinandergestapelt sind, mit einer Kühlplatte in Verbindung gebracht, welche wiederum durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt wird. The surface of the chip is placed over flexible bundles in which metallic foils are stacked from highly thermally conductive material, with a cooling plate in connection, which in turn is cooled by a cooling liquid. In einem anderen Lösungsvorschlag (Offenlegungsschrift DE 3 40 402 711) wird auf die gesamte kalte Platte eine nachgiebige Matte aufgebracht und alle Schaltungskomponenten gleichzeitig mit Hilfe einer Unterlage durch eine Schraubverbindung an die Kühlplatte gepreßt. In another proposed solution (Offenlegungsschrift DE 3 40,402,711) is applied to the entire cold plate a resilient mat and pressed all the circuit components at the same time with the aid of a base by a screw connection to the cooling plate. Bei allen Varianten sind der Wärmewiderstand trotzdem noch sehr hoch sowie der technische Aufwand und somit die Herstellungskosten enorm In all variants, the thermal resistance are still very high anyway, and the technical complexity and thus the cost of enormous

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wärmewiderstand von Chips zur Kühlflüssigkeit stark zu verringern sowie die Konstruktions- und Herstellungskosten entscheidend zu senken. The invention has for its object to reduce the thermal resistance of chips to the cooling liquid and greatly reduce the design and manufacturing costs significantly.

Diese Probleme werden durch eine Vorrichtung zum Kühlen hochintegrierter Multi-Chip-Moduls für Datenverarbeitungsanlagen mit hoher Rechnerleistung gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Prinzip der Abdichtung von Ventilen und Öffnungen mittels flüssigkeitsabdichtenden Platinen durch Passung und den natürlichen Flüssigkeitsgegendruck genutzt wird, welches z. These problems are solved by an apparatus for cooling a highly integrated multi-chip module for data processing systems with high computing power in accordance with the invention in that the principle of the sealing of valves and openings by means of fluid sealing boards is used by fitting and the natural fluid backpressure which z. B. in der Sanitärtechnik bekannt und erprobt ist. is as known in sanitary technology and tested.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden erläutert. Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in the following.

Es zeigt It shows

Fig. 1 eine Draufsicht der Ausführungsform der Fig. 2 der Erfindung, Fig. 1 is a plan view of the embodiment of Fig. 2 of the invention,

Fig. 2 eine Gesamtschnittdarstellung einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 is an overall sectional view of an embodiment of the invention,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des Modulgehäuses der Erfindung. Fig. 3 is a sectional view of an embodiment of the module housing of the invention.

Gemäß Fig. 1 beinhaltet ein Modul eine unbestimmte Anzahl von Chips 1 mit durch einen Kleber 6 auf ihnen befestigten Kühlkörpern 2 , welche rund sind und deren Durchmesser der Diagonale eines Chips 1 entspricht, um den Wärmeübergang von Chip zu Kühlkörper durch maxiamle Flächenausnutzung optimal auszunutzen und gleichzeitig (betreffend der runden Form) das Prinzip der Abdichtung mit Hilfe des natürlichen Flüssigkeitsgegendrucks und einer geringen mechanischen Spannung zwischen Platinenmaterial 3 und Kühlkörper (Passung) möglich zu machen. Referring to FIG. 1, a module includes an indefinite number of chips 1 with attached by an adhesive 6 on them cooling bodies 2, which are round and the diameter of the diagonal of a chip 1 corresponds to exploit the heat transfer from chip to heat sink by maxiamle area utilization optimal and to make simultaneously (on the round shape), the principle of sealing by means of the natural fluid backpressure and a low mechanical tension between platinum material 3 and the heat sink (fit) possible. Desweiteren verringert eine runde Form der Kühlkörper den Strömungswiderstand für die Kühlflüssigkeit. Furthermore reduces a round shape of the cooling body the flow resistance for the cooling fluid.

Sie bestehen aus einem Material, welches besonders gut wärmeleitend ist und sich gegenüber dem Kühlmittel neutral verhält. They consist of a material which is highly heat conductive and is neutral with respect to the coolant.

Fig. 2 zeigt deutlich das Prinzip der Abdichtung. Fig. 2 clearly shows the principle of sealing.

Auf den vorgefertigten Träger 4 mit der Chip-Kühlkörper-Kombination wird von oben maschinell die konisch vorgestanzte Platine 3 aufgesteckt, bis diese bei jedem Kühlkörper 2 in die angeschrägte Phase 5 eingerastet ist. On the prefabricated support 4 with the chip and heatsink combination is mechanically plugged the conical pre-cut board 3 from above, until it is engaged with each heat sink 2 to the tapered phase. 5 Die konische Erweiterung bringt dabei den Vorteil, daß die Platine 3 zwischen den einzelnen Chips 1 auf dem Träger 4 dieser aufliegt und somit durch den Flüssigkeitsgegendruck von oben nicht weiter nach unten verschoben werden kann und somit in Gefahr gerät, unter den Kühlkörper 2 zu gelangen, was dann einer undichten Stelle gleichzusetzen wäre. The conical expansion brings the advantage that the plate 3 between the individual chips 1 on the carrier 4 of this rests and thus can not be further displaced downwards by the liquid counter-pressure from above, and thus is in danger, to pass under the heat sink 2, what would be equivalent to a leak.

Der natürliche Flüssigkeitsgegendruck preßt die Platine 3 gegen die Kühlkörper 2 , welche auf Passung zu diesen vorgestanzt ist. The natural fluid back pressure presses the board 3 against the heat sink 2, which is pre-cut to fit thereto. Diese zwei Komponenten garantieren eine zuverlässige Abdichtung des Kühlmittels gegenüber den Chips 1 . These two components guarantee a reliable sealing of the coolant over the chips. 1 Das Kühlmittel kann zur Sicherheit eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit (z. B. destilliertes Wasser) sein. The coolant may be for safety, an electrically non-conductive liquid (distilled z., Water).

Die aufgrund der Wärmeentwicklung eventuellen Auswirkungen auf die Platine 3 müßten rechnerisch berücksichtigt werden. The eventual result of the development of heat effects on the board 3 would have to be taken into account mathematically.

Die Modulgehäuse bestehen aus 3 Teilen. The module housings consist of three parts.

In das Unterteil 7 ist der Träger 4 mit den aufgelöteten Chips 1 und deren aufgeklebten Kühlkörpern 2 sowie den notwendigen Kontaktstiften 8 eingelegt. In the lower part 7 of the carrier 4 with the soldered chip 1 and the bonded cooling bodies 2 as well as the necessary contact pins 8 is inserted. Die Platine 3 wird zwischen Mittelteil 9 des Modulgehäuses und Unterteil 7 eingeklemmt, was durch eine Schraubverbindung 10 realisiert wird. The board 3 is clamped between the central portion 9 of the module housing and the lower part 7, which is realized by a screw connection 10th Damit übernimmt die Platine 3 gleichzeitig die Funktion eines Dichtmaterials zwischen den Gehäuseteilen, wie sie z. Thus, the board 3 assumes the function of a sealing material between the housing parts, as such. B. als Dichtringe 11 in der Praxis erprobt und gängig sind, und zwischen Mittelteil 9 und Deckel 12 verwendet wird. B. as the sealing rings 11 tested in practice and are common, and between the center part 9 and the cover of 12.

Die Platine 3 hat die Maße der Außenkanten des Modulgehäuses. The board 3 has the dimensions of the outer edges of the module housing. Das Mittelteil 9 enthält die Kühlmittelanschlüsse 13 , an welche z. The central portion 9 contains the coolant connectors 13, to which z. B. Schläuche angeschlossen werden, welche die Kühlflüssigkeit zu einem Kühlaggregat leiten. B. hoses are connected, which direct the cooling fluid to a cooling unit.

Die Wandung des Mittelteils 9 ist geringfügig stärker nach innen ausgelegt als die des Unterteils 7 und drückt durch die Schraubverbindung 10 somit den Träger 4 gegen das Unterteil 7 , welcher damit im Modulgehäuse befestigt ist. The wall of the central part 9 is designed slightly more inward than the the lower part 7 and thus suppressed by the screw 10 the support 4 against the lower part 7 which is thus fixed in the module housing.

Eine mögliche Ausführungsform, um das Kühlmittel gleichmäßig auf das ganze Modul zu verteilen, und somit eine einheitliche Umströmung der Kühlkörper 2 zu erreichen, ist die Trichterform der Gehäuseseiten, an denen sich die Kühlmittelanschlüsse 13 befinden, wie in Fig. 1 zu erkennen ist. To reach a possible embodiment, in order to distribute the refrigerant evenly to the entire module, and thus a uniform flow around the heat sink 2, the funnel shape of the casing sides, at which the coolant connectors 13 are located, as can be seen in FIG. 1.

Das Modul ist durch Schrauben 16 mit einem Deckel 12 verschlossen. The module is sealed by screws 16 with a lid 12th

Für hohe Konvektionsgeschwindigkeiten, welche den Kühleffekt erhöhen können, wie in Fig. 3 gezeigt, die Kühlkörper 2 zur mechanischen Stabilisierung in Vertiefungen 14 im Deckel 12 ragen, welche zur Fixierung der Kühlkörper 2 mit einem elastischen und gegen das Kühlmittel neutralen Material 15 ausgeschäumt sind, wodurch hohe Paßgenauigkeiten zwischen Kühlkörpern 2 und Vertiefungen 14 entfallen. Shown for high convection velocities, which can increase the cooling effect, as shown in Fig. 3, the heat sink 2 for mechanical stabilization in recesses 14 in the cover 12 protrude, which are filled with foam for fixing the heatsink 2 with a resilient and neutral against the coolant material 15, whereby high Paßgenauigkeiten between the cooling bodies 2 and recesses 14 be omitted.

Wenn aus Platzgründen die Module direkt aneinander angeordnet werden müssen, können die Kühlmittelanschlüsse 13 im Deckel 12 angeordnet sein. When the modules have to be arranged directly against one another for reasons of space, the coolant connections can be arranged in the lid 13 12th

Die elektrischen Verbindungen werden durch Steckkontakte 8 an der Unterseite des Trägers 4 realisiert, zu denen die Chipkontakte 15 , durch z. The electrical connections are realized by plug-in contacts 8 on the underside of the carrier 4, to which the chip contacts 15, through z. B. Flip-Chip-Montage, hingeführt sind. As flip chip, are guided to.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Wärmewiderstand in der Hauptsache nur noch von der Art des Klebers 6 und dessen Schichtdicke abhängt. The advantages achieved with the invention consist in particular in that the thermal resistance mainly depends only on the nature of the adhesive 6 and its film thickness.

Weitere geringe Abhängigkeiten bestehen bei der Wärmeleitung innerhalb der Kühlkörper 2 und des Wärmeaustauschers zwischen den Kühlkörpern 2 und der Kühlflüssigkeit. Other low dependencies exist in the heat conduction within the heat sink 2 and the heat exchanger between the cooling bodies 2 and the cooling liquid.

Ein entscheidender Vorteil liegt weiterhin in der technisch sehr einfachen Realisierung, wobei Toleranzen keine Rolle mehr spielen und die damit verbundene erhebliche Kostenreduzierung. One major advantage is still in the technically very simple realization, where tolerances are no longer relevant and the associated significant cost reduction.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Kühlen hochintegrierter Multi-Chip-Moduls für Datenverarbeitungsanlagen mit hoher Rechnerleistung durch eine Kühlplatte und mechanische Vorrichtungen unterschiedlichster Art, welche den Wärmeübergang von den Chips zur Kühlplatte ermöglichen bzw. unterstützen und dabei die Höhentoleranzen, welche beim Einbau der einelnen Chips in ein Modul entstehen, ausgleichen, dadurch gekennzeichnet, 1. An apparatus for cooling a highly integrated multi-chip module for data processing systems with high computing power by a cooling plate and mechanical devices unterschiedlichster type, which enable the transfer of heat from the chips to the cooling plate or support, while the height tolerances which during installation of the einelnen chips in a module arise offset, characterized in that
  • - daß auf jeden Chip ein großflächiger Wärmeleiter (Kühlkörper), welcher unmittelbar zur Kühlung in einer Kühlflüssigkeit geeignet ist, in an sich bekannter Weise durch eine möglichst dünne elektrisch isolierende und wärmeleitende Klebeschicht aufgeklebt wird, - that on each chip a large-area heat conductor (heat sink), which is directly suitable for cooling in a cooling liquid, is glued in a known manner by a very thin electrically insulating and thermally conductive adhesive layer,
  • - die (Kühlkörper) durch eine elastische, wärme- und elektrisch isolierende, das ganze Modul bedeckende und für die Dichtungszwecke gegen das verwendete Kühlmittel im verwendbaren Temperaturbereich geeignete Platine gesteckt sind, - the (heat sink) are plugged by an elastic, heat and electrically insulating, the entire module covering and for sealing purposes against the used coolant in the usable temperature range suitable board,
  • - welche (Platine) an den Durchbruchstellen der Kühlkörper auf Passung mit diesen ähnlich einer Tülle, konisch vorgestanzt ist, - which (board) is pre-cut to the predetermined breaking points of the cooling body to fit with these similar to a spout, conical,
  • - daß nach Durchstecken der Kühlkörper diese sich vollständig in der unter Zwangskonvektion stehenden Kühlflüssigkeit befinden und dessen Druck die Platine in an sich bekannter Weise an die durchgesteckten Kühlelemente preßt und somit im Verbund mit der Passung eine zuverlässige Abdichtung realisiert. - that, after cooling by inserting the body they are located completely in the under forced convection cooling liquid and the pressure thereof presses the circuit board in a conventional manner to the set-through cooling elements and thus realized in conjunction with the fit a reliable seal.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 2. Device according to claim 1, characterized in that
  • - daß die Kühlkörper an der Stelle, an der sie mit der Platine in Berührung stehen, eine angeschrägte Phase besitzen, unter welche die Platine rastet, - that the cooling body at the point where they are in contact with the circuit board, a chamfered phase possess, among which engages the printed circuit board,
  • - sowie eine an sich bekannte wärmeisolierende Beschichtung tragen. - and carry a known heat-insulating coating.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 3. A device according to claim 1, characterized in that
  • - daß die Kühlkörper in Vertiefungen des Gehäusedeckels ragen, - that the cooling body project into recesses of the housing cover,
  • - welche mit einem an sich bekannten gegen das Kühlmittel neutralen und elastischen Material ausgeschäumt sind. - which are foamed with a known neutral against the coolant and elastic material.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 4. The device according to claim 1, characterized in that
  • - daß sich die Kühlmittelanschlüsse an den Seiten des Modulgehäuses befinden, - that the coolant connections are on the sides of the module housing,
  • - und daß das Kühlmittel durch die an sich bekannte Trichterform der Gehäuseseiten, an denen sich die Kühlmittelanschlüsse befinden, über die gesamte Modulfläche gleichmäßig verteilt und an der gegenüberliegenden Seite abgeführt wird. - and in that the coolant is uniformly distributed by the known per se funnel shape of the sides of the housing at which the coolant connections are located over the entire module area and discharged at the opposite side.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel aus einer an sich bekannten elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit besteht. 5. The device according to claim 1, characterized in that the coolant consists of a known per se electrically non-conducting liquid.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelanschlüsse im Gehäusedeckel angeordnet sind. 6. Device according to claim 4, characterized in that the coolant connections are arranged in the housing cover.
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