DE602005002507T2 - Integriertes Kühlsystem für elektronische Geräte - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektronische Vorrichtungen, insbesondere auf Verfahren zum Integrieren von Fluidkühlungssystemen in elektronische Vorrichtungen, siehe zum Beispiel US-A-5901037 .
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Elektronische Komponenten und Anordnungen können während des Betriebs große Mengen an Abwärme erzeugen. Wenn diese Wärme nicht effizient abgeführt werden kann, können die Temperaturen von elektronischen Komponenten und Anordnungen auf Niveaus ansteigen, die ihre normale Funktion verhindern, und können auch Ausfälle verursachen. Dieses Problem ist insbesondere bei elektronischen Anwendungen ernst, die große Mengen von Abwärme abgeben oder unter Umgebungsbedingungen mit hohen Temperaturen arbeiten.
  • Derzeitige Lösungen können das Abführen von Wärme unter Ausnutzung eines von vier Wärmeabfuhrmechanismen oder einer Kombination der vier Mechanismen einbeziehen. Diese Mechanismen umfassen Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung und Verdampfung.
  • Die Wärmeleitung ist die Eigenschaft von Materialien, durch die sie Wärmeenergie von heißen zu kälteren Stellen übertragen. Dies ist ein kostengünstiges und zuverlässiges Verfahren zur Wärmeabfuhr. Jedoch ist die Wärmemenge, die abgeführt werden kann, durch die den verwendeten Materialien eigene Wärmeleitfähigkeit und durch die Größe der Flächen, die an den Materialien zum Abführen der Wärme verfügbar sind, begrenzt.
  • Diese Einschränkungen werden noch wichtiger, wenn die Größe der Komponente und der Anordnung geringer wird und wenn die Dichte der auf der Ebene der Komponente wie der Anordnung erzeugten Wärme ansteigt.
  • Strahlung ist die Eigenschaft von Materialien, durch die sie Wärmeenergie von heißen zu kälteren Umgebungen abstrahlen. Die Effizienz der Strahlung für die Wärmeabfuhr hängt von mehreren Variablen ab. Die wichtigste von diesen ist die Differenz in der Temperatur zwischen der heißen Oberfläche und der kalten Umgebung. Bei vielen elektronischen Anwendungen ist diese Temperaturdifferenz zu gering, um eine effiziente Übertragung von Wärmeenergie von den wärmeerzeugenden Komponenten weg zu ermöglichen.
  • Verdampfung von Flüssigkeiten zu Dampf (gasförmiger Phase) kann ein sehr effizientes Verfahren zur Wärmeabfuhr sein. Wenn eine Flüssigkeit verdampft, ist Wärmeenergie erforderlich, damit die Flüssigkeit in einen Dampf überführt wird. Die erforderliche Wärmeenergie wird als latente Wärme der Verdampfung bezeichnet. Diese Eigenschaft wird in Vorrichtungen wie etwa Wärmeübertragungsrohren, Thermosiphons und Kühlsystemen ausgenutzt. Der wichtigste Aspekt bei allen diesen Systemen ist die Notwendigkeit, die verdampfte Flüssigkeit während der Lebensdauer des Produkts einzuschließen. Bei Wärmeübertragungsrohren und Thermosiphons kann für einen korrekten Betrieb auch eine richtige Orientierung relativ zur Schwerkraft erforderlich sein. Dies kann zu hohen Gehäusekosten bei diesen Systemen führen. Da bei den meisten dieser Ansätze zur Kühlung relativ geringe Fluidmengen verwendet werden, kann bei Anwendungen mit großen Wärmemengen ein "Austrocknen" eintreten, wenn die gesamte verfügbare Flüssigkeit verdampft wird. Wenn dies geschieht, ist das System nicht mehr in der Lage, Wärme aus der elektroni schen Komponente oder Anordnung abzuführen, sodass das System ausfallen kann.
  • Konvektion ist die Eigenschaft der Wärmeübertragung, durch die bewegliche Fluide (Flüssigkeiten und Gase) Wärme von Oberflächen weg abführen. Die Wärme wird im Fluid auf Grund von dessen spezifischer Wärmekapazität aufgenommen und von der heißen Oberfläche abgeführt, indem sich das Fluid weg bewegt. Bei manchen Fluidkühlungssystemen kann Wärme durch die Bildung von kleinen Dampfblasen aufgenommen werden, die durch teilweises Sieden der Flüssigkeit entstehen. Dieser Effekt kann die Fähigkeit der Flüssigkeit steigern, Wärmeenergie aufzunehmen. Diese kleinen Blasen werden danach wieder zu Flüssigkeit kondensiert, wenn das Fluid abgekühlt wird. Die Konvektion ist das effizienteste Verfahren zur Wärmeabfuhr und wird bei einer Anzahl von elektronischen Anwendungen ausgenutzt, bei denen es auf die Abfuhr großer Mengen oder hoher Dichten an Wärmeenergie ankommt. Die konvektive Kühlung kann gemäß dem Ansatz mit offener Schleife oder gemäß dem Ansatz mit geschlossener Schleife erfolgen. Beim Ansatz mit offener Schleife strömt das bewegliche Fluid durch die heiße Vorrichtung und wird dann verworfen sowie durch frisches kühleres Fluid ersetzt. Beim Ansatz mit geschlossener Schleife wird der über die heiße Oberfläche verlaufende Kühlmittelstrom durch einen "Wärmetauscher" geführt, der das Fluid abkühlt, und wird dann im Umlauf wieder zur heißen Oberfläche zurück geführt, wo er erneut erwärmt wird. Das häufigste Beispiel für eine Kühlung mit offener Schleife ist die Luftkühlung mit erzwungener oder mit natürlicher Konvektion. Jedoch kann, da die Gase eine geringe spezifische Wärmekapazität haben, die Flüssigkeitskühlung die Kühlungsanforderungen wesentlich besser erfüllen, wenn es um große Mengen oder hohe Dichten an Wärmeenergie geht.
  • Herkömmliche Kühlungssysteme mit Umlauf des Fluids bestehen aus vier Hauptteilen. Der erste ist die Wärmesenke, die dazu dient, die Wärmeenergie aus der elektronischen Komponente oder Anordnung abzuführen. Der zweite Teil ist ein Wärmetauscher, der dazu dient, das Fluid abzukühlen und diese Wärme in die Umgebung zu übertragen. Der dritte Teil ist eine Pumpe, die dazu dient, das Fluid in den Umlauf durch das Kühlungssystem zu treiben. Der vierte Teil besteht aus den Kanälen oder Rohrleitungen, die dazu dienen, das Fluid durch das Kühlungssystem zu befördern.
  • All diese Teile des Kühlungssystems müssen so konstruiert sein, dass sie das Fluid im System für die Lebensdauer des Produkts aufnehmen. Herkömmliche Systeme bestehen aus einzelnen Komponenten, die mittels verschiedener Fügeverfahren zusammengebaut sind, wobei die Verbindungsstellen zwischen den Komponenten fluiddicht sein müssen. Die Herstellung und die Anordnung dieser einzelnen Komponenten können kostspielig und relativ kompliziert sein. Außerdem sind die Verbindungsstellen zwischen den verschieden Komponenten der Gefahr von Leckagen ausgesetzt, die zum Ausfall des Kühlungssystems führen. Diese Fragen hinsichtlich der Kosten, des Zusammenbaus und der Zuverlässigkeit werden durch die folgende Erfindung behandelt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten elektronischen Anordnung geschaffen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Das Verfahren umfasst die Schritte (a) des Herstellens einer Basis, die ein integriertes Kühlungssystem zum Abführen von Wärme definiert; und (b) des Befestigens wenigstens einer elektri schen Komponente auf der Basis und in thermischem Kontakt mit dem Kühlungssystem.
  • Der Schritt (a) kann das Herstellen von miteinander verbundenen Kanälen in der Basis umfassen, um den Fluidkanal zum Aufnehmen und Transportieren eines Kühlungsfluids zu bilden.
  • Der Schritt (a) kann ferner umfassen: die Positionierung eines ersten Wärmetauschers in thermischer Verbindung zwischen der elektrischen Komponente und dem Fluidkanal; und das Positionieren eines zweiten Wärmetauschers mit thermischer Verbindung zwischen dem Fluidkanal und der äußeren Umgebung.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann das Befestigen einer Pumpe an der Basis umfassen, um eine Strömung eines Fluids zu lenken. Über der elektrischen Komponente kann eine Kappe vorgesehen sein, die einen Kappenraum in Verbindung mit dem Fluidkanal bildet.
  • Die Herstellung des ersten und des zweiten Wärmetauschers kann das Erzeugen von thermischen Durchgangslöchern innerhalb der Basis umfassen, wobei ein wärmeleitendes Material wie etwa Silber, Gold, Wolfram, Molybdän oder Kupfer verwendet wird.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann den Schritt umfassen, dass ein Gehäusekörper bereitgestellt wird, der die Basis und die elektrische Komponente einschließt. Innerhalb des Gehäusekörpers können miteinander verbundene Kanäle ausgebildet sein, um das Kühlungsfluid aus dem Fluidkanal in die Basis zu transportieren. Die miteinander verbundenen Kanäle können sich durch den Gehäusekörper erstrecken, um Fluid zu einer äußeren Kühlungskomponente zu transportieren.
  • Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektronische Anordnung geschaffen, wie sie in Anspruch 5 definiert ist. Die elektronische Anordnung hat ein integriertes Kühlungssystem mit Fluidumlauf, in dem viele oder sämtliche Komponenten als Teil der elektronischen Anordnung integriert sind. Wenigstens eine Kühlungssystemkomponente ist auf oder innerhalb der Basis abgedichtet. Die elektronische Anordnung kann eine laminierte gedruckte Leiterplatte oder ein doppelt gebranntes Hochtemperatur-Keramikmodul (HTCC) oder ein doppelt gebranntes Niedrigtemperatur-Keramikmodul (LTCC) sowie eine daran befestigte elektrische Komponente enthalten.
  • Das integrierte Kühlungssystem kann einen Fluidkanal zum Aufnehmen und Transportieren von Kühlungsfluid innerhalb der Basis und wenigstens einen Wärmetauscher in thermischem Kontakt mit dem Fluidkanal enthalten. Der wenigstens eine Wärmetauscher kann einen ersten Wärmetauscher in thermischem Kontakt mit der elektrischen Komponente zum Übertragen von Wärme im Fluidkanal von der elektrischen Komponente zum Fluid sowie einen zweiten Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme im Fluidkanal vom Fluid nach außen enthalten. Die elektronische Anordnung kann ferner eine Pumpe zum Antreiben der Strömung des Fluids entlang des Fluidkanals enthalten.
  • Die Basis kann eine leitfähige Schicht definieren, die zwischen der elektrischen Komponente und der Basis angeordnet ist, um die Übertragung von Wärme aus der elektrischen Komponente zu verbessern.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die elektronische Anordnung eine Kappe enthalten, die die elektrische Komponente auf der Basis einschließt. Die Kappe kann einen Kappenraum in Fluidverbindung mit dem Fluidkanal definieren.
  • Die elektrische Komponente kann Mikrokanäle zum Transportieren des Fluids durch sie hindurch definieren. Die Mikrokanäle können relativ zur obersten Oberfläche der elektrischen Komponente, in der Mitte der elektrischen Komponente oder relativ zur untersten Oberfläche der elektrischen Komponente angeordnet sein. Alternativ können die Mikrokanäle an der obersten Oberfläche, in der Mitte oder an der untersten Oberfläche der leitenden Schicht unterhalb der elektrischen Komponente angeordnet sein.
  • Der erste Wärmetauscher kann mehrere thermische Durchgangslöcher definieren, die innerhalb der Substratschicht oder der Basis angeordnet sind. Der zweite Wärmetauscher kann mehrere thermische Durchgangslöcher für die Übertragung von Wärme aus dem Fluid an die äußere Umgebung der Struktur definieren. Die thermischen Durchgangslöcher können mit einem Metall wie etwa Kupfer ausgekleidet oder hergestellt sein.
  • Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann das integrierte Kühlungssystem mit wenigstens einer äußeren Kühlkomponente verbunden sein. Die äußere Kühlkomponente kann eine Pumpe, einen Wärmetauscher oder eine Kombination hiervon enthalten.
  • Bei einer Form der vorliegenden Erfindung kann die elektronische Anordnung einen Gehäusekörper zum Einschließen der Basis und der elektronischen Komponente enthalten. Der Gehäusekörper kann einen Fluidkanal und/oder Konvektionskühlrippen definieren, die vom Gehäusekörper nach außen vorstehen, um Wärme durch den Gehäusekörper in die äußere Umgebung abzuführen.
  • Das integrierte Kühlungssystem kann ferner wenigstens einen Anschluss zum Einleiten des Kühlungsfluids aus einer Fluidquelle in den Fluidkanal umfassen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die oben erwähnten und andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, sie zu erzielen, werden besser offenbar, und die Erfindung wird unter Bezug auf die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung besser verstanden, wobei die Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung gegeben wird, in der:
  • 1 ein Schaltbild einer elektrischen Anordnung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3 eine Seitenansicht der elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit der in 2 gezeigten Ausführungsform ist;
  • 4 ein Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 5 ein Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 6 ein Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist;
  • 7 ein Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 8 ein Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 9 ein Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 10 eine Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 11 eine Draufsicht auf eine Basis der elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit der in 10 gezeigten Ausführungsform ist;
  • 12 eine Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wobei die Anordnung eine Kappe aufweist;
  • 13 eine Seitenansicht der elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit der in 12 gezeigten Ausführungsform ist;
  • 14 ein Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 15 ein Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 16 ein Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 17 ein Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 18 ein Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 19 eine Seitenansicht eines Anschlusses in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 20 eine Seitenansicht eines Anschlusses in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist; und
  • 21 eine Seitenansicht eines Anschlusses in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist.
  • In den verschiedenen Ansichten bezeichnen entsprechende Bezugszeichen durchgehend entsprechende Teile. Obwohl die Darstellungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen, sind die Darstellungen nicht unbedingt maßstäblich, und bestimmte Merkmale können übertrieben dargestellt sein, um die vorliegende Erfindung besser zu veranschaulichen und zu erläutern. Die hierin gebotene Veranschaulichung stellt eine Ausführungsform der Erfindung in einer Form dar, und derartige Veranschaulichungen dürfen nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Erfindung auf irgendeine Weise einschränken.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein integriertes elektronisches Kühlungssystem mit einer oder mehreren Kühlungssystem-Komponenten, die während des Zusammenbaus der elektronischen Vorrichtung an oder in einer Basis oder Substratschicht(en) integriert werden.
  • In 1 ist nun ein Systemschaltplan des Kühlungssystems 10 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Kühlungssystem 10 enthält miteinander verbundene Kühlungssystem-Komponenten. Diese Kompo nenten umfassen einen Fluidkanal 11 zum Transportieren eines Kühlungsfluids, einen ersten Wärmetauscher 12 zum Übertragen von Wärme von einer wärmeerzeugenden Quelle zum Kühlungsfluid und einen zweiten Wärmetauscher 13 zum Übertragen von Wärme des heißen Fluids von der elektronischen Anordnung nach außen. Wie gezeigt, ist eine Pumpe 14 vorgesehen, um die Strömung des Kühlungsfluids in die Richtung zu lenken, die durch den Pfeil 15 angegeben ist, also vom ersten Wärmetauscher 12 zum zweiten Wärmetauscher 13 und im Umlauf wieder zurück zur Pumpe 14 und zum ersten Wärmetauscher 12. Außerdem sind mehrere Anschlüsse 16 gezeigt, die mit dem Fluidkanal 11 zum Aufnehmen von Fluid aus einer äußeren Quelle verbunden sind. Jede der Kühlungssystem-Komponenten kann in das Kühlungssystem 10 während der Zusammenbaus des Kühlungssystems 10 durch Herstellen innerhalb der Basis 18 oder durch Befestigen an der Basis 18 mittels einer Befestigungsschicht aus einem geeigneten Material integriert werden, was nachstehend weiter beschrieben wird.
  • Die Basis 18 kann unter Verwendung irgendeines geeigneten Materials und Verfahrens hergestellt werden, wie sie für bestimmte elektronische Vorrichtungen auf dem Gebiet allgemein bekannt sind. Beispielsweise kann die Basis 18 einer gedruckten Leiterplatte (PCB) mit einer einzigen oder mit mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden, die eine Platine umfassen können, die aus Papier-Phenol oder Glasfaser-Epoxid, Kupferschichten, Komponentenschichten und Maskierungsschichten gefertigt ist. Die Basis 18 anderer elektronischer Anordnungen kann mehrere Schichten aus Substrat (siehe 23) definieren, wie etwa doppelt gebrannte Niedrigtemperaturkeramiken (LTCC) oder doppelt gebrannte Hochtemperaturkeramiken (HTCC). Während des Zusammenbauprozesses können die passiven Elemente, wie etwa Widerstände, Kondensatoren und Induktionsspulen, in die keramischen Schichten eingebettet werden, um ein keramisches Verbindungsmodul zu bilden.
  • Wie in 23 gezeigt ist, enthält die elektronische Anordnung 100 eine elektrische Komponente 30, die auf der Basis 18 oberflächenbestückt ist. Die elektrische Komponente 30 kann einen Chip, ein Halbleiterplättchen, eine Spannungsvorrichtung oder irgendeine Kombination hiervon sowie hiermit verbundene elektrische Schaltungen aufweisen. Die elektrische Komponente 30 erzeugt gewöhnlich Wärme, die die normale Funktion der elektrischen Komponente 30 stören kann, wenn sie nicht abgeführt wird. Wärme kann von der Komponente 30 über integrierte Kühlungssystem-Komponenten abgeführt werden, die einen Fluidkanal 11, einen ersten Wärmetauscher 12 und einen zweiten Wärmetauscher 13 umfassen. Der Fluidkanal 11 wird von miteinander verbundenen vertikalen Kanälen 20 und horizontalen Kanälen 21 gebildet, die sich innerhalb der Basis 18 erstrecken.
  • Vertikale und horizontale Kanäle 2021, die Abschnitte des Fluidkanals 11 wie etwa die in 23 gezeigten definieren, können vor der PCB-Laminierung durch Schneiden oder Ätzen in Laminatkernen oder vorimprägnierten Schichten oder einer PCB-Platine erzeugt werden. Diese Kanäle können mit einer Schicht aus einem Material beschichtet werden, das für das Fluid undurchlässig ist. Diese Schicht wird durch herkömmliche Beschichtungs- oder Laminierungsverfahren gefertigt, die bei einer PCB gewöhnlich angewendet werden.
  • Ähnlich können in der LTCC- oder der HTCC-Basis vertikale und horizontale Kanäle 2021 des Fluidkanals 11 hergestellt werden, indem Schichten des Substrats durchstanzt oder indem vor dem Aufeinanderbringen der Schichten Leerstellenmuster gebildet werden. Danach werden alle Schichten laminiert und bei geeigneten Temperaturen doppelt gebrannt, um eine sehr kompakte keramische Struktur zu erzeugen. Die Kanäle können außerdem vor oder nach dem Brennen mit einem für das Fluid undurchlässigen Material beschichtet werden.
  • Wie in 23 gezeigt, ist der erste Wärmetauscher 12 innerhalb der obersten Schicht 22 der Basis 18 oder unter der elektrischen Komponente 30 angeordnet. Der erste Wärmetauscher 12 definiert mehrere thermische Durchgangslöcher 40, damit Wärme von der elektrischen Komponente 30 zum Kühlungsfluid geleitet wird, das im Fluidkanal 11 strömt (siehe Pfeil 15). Der zweite Wärmetauscher 13 ist relativ zum Boden der Basis 18 angeordnet. Der zweite Wärmetauscher 13 definiert mehrere thermische Durchgangslöcher 42, damit Wärme vom Fluid im Fluidkanal 11 von der Basis 18 nach außen übertragen wird.
  • Der erste Wärmetauscher 12 und/oder der zweite Wärmetauscher 13 können auf dem PCB- oder HTCC- oder LTCC-Substrat hergestellt und mit daran befestigten Komponenten wie etwa der elektronischen Komponente 30 abgedichtet werden, wie in 23 gezeigt ist. Alternativ können der erste Wärmetauscher 12 und/oder der zweite Wärmetauscher 13 vollständig in der Basis 18 enthalten sein. Eine oberflächenleitende oder metallische Schicht wie etwa die leitende Schicht 24 (siehe 23) kann dazu dienen, den Austauscher in der Basis abzudichten. Thermische Durchgangslöcher 40 und 42 des ersten und des zweiten Wärmetauschers 12 und 13 können durch Ätzen oder Stanzen durch einen Abschnitt des Basismaterials oder des Substrats auf ähnliche Weise hergestellt werden, wie sie oben für die Herstellung des Fluidkanals beschrieben wurde. Leitfähige Metallschichten können oberhalb und unterhalb der Durchgangslöcher ausgebildet sein, um die Wärmeübertragung zu und von den Wärmetauschern zu verbessern. Thermische Durchgangslöcher 40 und 42 können mit einem wärmeleitenden Material gefüllt sein. Außerdem kann ein zusätzlicher oder externer Wärmetauscher als eine alternative oder eine zusätzliche Möglichkeit angesehen werden.
  • Wie wiederum in 2 gezeigt, ist die Pumpe 14 an der obersten Oberfläche 19 der Basis 18 mit einer Befestigungsschicht 29 befestigt, die aus einem Lötmittel oder einem elektrisch leitenden Polymer oder irgendeinem anderen ähnlichen Befestigungsmaterial bestehen kann. Die Pumpe 14 ist mit einem elektrischen Eingang 44 und einem elektrischen Ausgang 45 verbunden, die sie mit einer äußeren elektrischen Quelle verbinden, damit die Leistung für die Pumpe 14 bereitgestellt wird. Die Pumpe 14 ist mit dem Fluidkanal 11 funktional verbunden. Wenn die Pumpe 14 in Betrieb ist, wird Kühlungsfluid im Fluidkanal 11 in Richtung zum ersten Wärmetauscher 12 (siehe Pfeil 15) zwangsweise umgewälzt, um die elektrische Komponente 30 zu kühlen. Wärme von der elektrischen Komponente 30 wird durch thermische Durchgangslöcher 40 des ersten Wärmetauschers 12 übertragen, sodass das Fluid im Fluidkanal 11 erwärmt wird. Dann wird das heiße Fluid in eine Bewegung zum zweiten Wärmetauscher 13 getrieben. Die Wärme des heißen Fluids wird über den zweiten Wärmetauscher 13 übertragen und nach außen abgegeben. Im Ergebnis wird das Fluid, das sich durch den zweiten Wärmetauscher 13 bewegt, gekühlt. Das kühle Fluid wird dann zur Pumpe 14 zurück getrieben, sodass ein Abkühlungszyklus vervollständigt wird.
  • Die Pumpe kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung auf der PCB integriert werden. Durch Befestigen der Pumpe an der Basis mittels Lötung stellen die Lötverbindungen sowohl elektrische Verbindungen als auch abgedichtete Leitungsverbindungen bereit. In diesem Fall kann die Pumpenkammer von einer Kombination eines Basishohlraums und des Pumpenkörpers gebildet werden, oder die Pumpe kann selbst ständig, lediglich mit Anschlüssen für den Einlass und den Auslass von Fluid, ausgeführt sein.
  • In 49 sind Ausschnitte von Seitenansichten alternativer Ausführungsformen veranschaulicht. Bei diesen Ausführungsformen sind Fluidmikrokanäle 32 oder 33 an alternativen Positionen innerhalb der elektrischen Komponente 30 oder innerhalb der leitenden Schicht 24 unterhalb der elektrischen Komponente 30 gefertigt. Wie in 46 gezeigt ist, sind Fluidmikrokanäle 32 am obersten Abschnitt, im mittleren Abschnitt bzw. im untersten Abschnitt der elektrischen Komponente 30 angeordnet. Wie in 78 gezeigt ist, sind Fluidmikrokanäle 33 innerhalb des obersten Abschnitts bzw. im untersten Abschnitt der wärmeleitenden Schicht 24 gefertigt. Es wird davon ausgegangen, dass Fluidmikrokanäle 3233 in Fluidverbindung mit dem Fluidkanal 11 in der Basis 18 stehen (siehe 23), sodass das Kühlungsfluid aus dem Fluidkanal 11 durch Fluidmikrokanäle 32 und/oder 33 strömt, um die elektrische Komponente 30 zu kühlen, und zum Fluidkanal 11 zurück strömt. Die Vorrichtung 30 ist an der wärmeleitenden Schicht 24 mittels der Befestigungsschicht 29 elektrisch befestigt, die aus Lötmittel oder einem elektrisch leitenden Polymer oder einem ähnlichen Material bestehen kann (siehe 49).
  • In 9 sind Mikrokanäle 33 vollständig innerhalb der Basis 18 angeordnet. Außerdem ist der erste Wärmetauscher 12 mit thermischer Verbindung zwischen der elektrischen Komponente 30 und den Mikrokanälen 33 vorgesehen.
  • Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in 1011 gezeigt ist, umfasst die elektrische Anordnung 200 eine Basis 218 einer PCB und eine elektrische Komponente 230 in Form eines Flip-Chips oder einer anderen Vorrichtung, die auf der Ba sis 218 oberflächenbestückt und abgedichtet ist, wobei eine Lötmittelabdichtung 235 oder irgendein anderes Dichtungsmaterial oder eine Kombination hiervon verwendet wird, wie auf dem Gebiet bekannt ist. Zum Hindurchleiten elektrischer Signale sind Metall- oder Lötmittelhöcker 234 vorgesehen. Die Löthöcker 234 bilden ein Netz eines Verbindungsraums 236 zwischen der Basis 218 und der elektrischen Komponente 230. Der Verbindungsraum 236 steht mit einem in der Basis 218 vorgesehenen Fluidkanal 211 über einen Einlass 237 und einen Auslass 238 in Fluidverbindung. Eine Pumpe, ein erster Wärmetauscher und ein zweiter Wärmetauscher können vorgesehen sein, wie oben beschrieben (siehe 23). Die Pumpe kann ein Kühlungsfluid so lenken, dass es durch den Fluidkanal 211 (siehe Pfeil) in den Verbindungsraum 236 strömt, um die elektrische Komponente 230 zu kühlen. Heißes Fluid aus dem Verbindungsraum 236 strömt durch den Auslass 238, sodass es mit einem (nicht gezeigten) entfernt angeordneten Wärmetauscher in Verbindung kommt.
  • Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, wie sie in 1213 gezeigt ist, umfasst die elektrische Anordnung 300 eine Basis 318, die eine PCB, eine Keramik oder ein anderes Substrat sein kann, und eine elektrische Komponente 330 in Form eines Flip-Chips, der oberflächenbestückt und mit einem Dichtungsmittel 335 auf der Basis 318 abgedichtet ist. Außerdem ist über der elektrischen Komponente 330 eine Kappe 340 so vorgesehen, dass die elektrische Komponente 330 innerhalb eines Raums 336 unter der Kappe 340 abgedichtet ist. Wie gezeigt, definiert die Basis 318 durch einen Einlass 337 und einen Auslass 338 einen Fluidkanal 311 in Verbindung mit dem Raum 336. Zusätzlich kann die elektrische Komponente 330 Fluidmikrokanäle 333 in Fluidverbindung mit dem Raum 336 definieren. Außerdem ist zwischen der elektrischen Komponente 330 und der Kappe 340 im Raum 336 eine Abschirmung 344 so vorgesehen, dass das gesamte Fluid durch die Kanäle 333 strömen muss und die elektrische Komponente im Raum 336 nicht umgeht. Ähnlich zu dem oben Beschriebenen können eine Pumpe, ein erster Wärmetauscher und ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen und voneinander entfernt auf der Basis 318 angeordnet sein. Die Pumpe kann ein Kühlungsfluid so lenken, dass es durch den Fluidkanal 311 (siehe Pfeile) sowie durch den Einlass 337 in den Raum 336 und in Mikrokanäle 333 strömt, um die elektrische Komponente 330 zu kühlen. Heißes Fluid aus dem Raum 336 strömt durch den Auslass 338 aus dem Raum 336 heraus, sodass es mit einem (nicht gezeigten) Wärmetauscher in Verbindung kommt.
  • In 1418 sind Ausschnitte von Seitenansichten der elektronischen Anordnung in Übereinstimmung mit alternativen Ausführungsformen gezeigt. Wie in 14 gezeigt ist, umfasst eine elektronische Anordnung 600 einen Gehäusekörper 620, der eine Basis 618 einschließt. Es können andere (nicht gezeigte) Kühlungssystem-Komponenten angeordnet sein, wie oben beschrieben. Außerdem erstreckt sich ein in der Basis 618 definierter Fluidkanal 611 durch den Gehäusekörper 620, um mit einem (nicht gezeigten) äußeren Wärmetauscher zu verbinden, der außerhalb des Gehäusekörpers 620 angeordnet ist. Heißes Fluid strömt durch den Fluidkanal 611 in der durch den Pfeil angegebenen Richtung. Die Wärme des Fluids kann über den äußeren Wärmetauscher abgeführt werden.
  • Alternativ kann, wie in 1518 gezeigt ist, ein zusätzlicher Wärmetauscher in Form von Konvektionskühlrippen 621 vorgesehen sein, die auf der äußeren Oberfläche des Gehäusekörpers 620 angeordnet sind. In 15 ist außerdem ein Wärmetauscher 622 in Form von thermischen Durchgangslöchern vorgesehen, die mit dem Fluidkanal 611 in der Basis 618 verbinden. Wärme im heißen Fluid, das im Fluidkanal 611 (siehe Pfeil) strömt, kann über den Wärmetauscher 622 an Konvektionskühlrip pen 621 übertragen werden, um vom Gehäusekörper 620 nach außen abgegeben zu werden.
  • 1617 demonstrieren zwei Möglichkeiten für die Positionierung des Fluidkanals 611 an der Verbindungsstelle der Basis 618 und des Gehäusekörpers 620. Bei der Option A (16) wird der Fluidkanal 611 durch eine Aussparung gebildet, die an der untersten Oberfläche der Basis 618 definiert ist, und bei der Option B (17) wird der Fluidkanal 611 durch eine Aussparung gebildet, die an der obersten Oberfläche des Gehäusekörpers 620 definiert ist. Wärme aus dem heißen Fluid im Fluidkanal 611 wird über Konvektionskühlrippen 621 vom Gehäusekörper 620 nach außen abgeführt.
  • In 18 erstreckt sich der Fluidkanal 611 vertikal durch die Basis 618 und ist im Gehäusekörper 620 horizontal eingebettet.
  • Wie in 1921 gezeigt ist, können Anschlüsse zum Aufnehmen von Kühlungsfluid in das integrierte Kühlungssystem in Form und Größe variieren. In 1920 ist der Anschluss 16 mittels Ätzung oder Bearbeitung durch mehrere Schichten des Substrats oder durch die Basis 18 ausgebildet und ist mit dem Fluidkanal 11 verbunden. Wie der Fluidkanal 11 sollte der Anschluss 16 mit hygroskopischem Material ausgekleidet oder abgedichtet sein, das für das Fluid undurchlässig ist, damit ein Auslaufen von Fluid verhindert wird. Der Anschluss 16 kann unter Verwendung eines metallischen Lötmittels oder irgendeines anderen Abdichtungsmittels ausgekleidet oder abgedichtet sein, das auf dem Gebiet bekannt ist. Wie gezeigt, ist der Anschluss 16 mit einer Schicht 16A ausgekleidet, die aus Kupfer gefertigt sein kann.
  • In 21 ist der Anschluss 16 an der Basis 18 mithilfe von metallischem Lötmittel und/oder mechanisch festem Klebstoff befestigt. Der Anschluss 16 erstreckt sich von der Oberfläche der Basis 18 aus und steht mit dem Fluidkanal 11 in Verbindung, der innerhalb der Basis 18 verläuft.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung so beschrieben wurde, dass sie beispielhafte Ausführungsformen hat, kann die vorliegende Erfindung außerdem innerhalb des Geistes und des Umfangs dieser Offenbarung modifiziert werden. Diese Anmeldung ist daher dazu bestimmt, jegliche Abwandlungen, Verwendungen oder Anpassungen der Erfindung abzudecken, die ihre allgemeinen Prinzipien verwenden. Ferner ist die Anmeldung dazu bestimmt, derartige Abweichungen von der vorliegenden Offenbarung als innerhalb bekannter oder üblicher Praxis auf dem Gebiet abzudecken, auf das sich diese Erfindung bezieht.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Herstellen einer elektronischen Anordnung (10, 100, 200, 300, 600) mit einem integrierten Kühlungssystem, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Herstellen einer Basis (18, 218, 318, 618), die ein integriertes Kühlungssystem definiert; und (b) Befestigen wenigstens einer elektrischen Komponente (30, 230, 330, 630) an der Basis (18, 218, 318, 618) und in einer thermischen Verbindung mit dem integrierten Kühlungssystem, wodurch Wärme, die von der wenigstens einen elektrischen Komponente (30, 230, 330, 630) erzeugt wird, an das integrierte Kühlungssystem übertragen werden kann, um abgeführt zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Befestigens der elektrischen Komponente (30, 230, 330, 630) an der Basis (18, 218, 318, 618) den Schritt des Herstellens von Mikrokanälen (236, 333) umfasst, die einen ersten Wärmetauscher in der elektrischen Komponente definieren, um ein Kühlungsfluid durch sie hindurch zu transportieren, um Wärme von der elektrischen Komponente (30, 230, 330, 630) an das Kühlungsfluid zu übertragen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt (a) mehr als einen der folgenden Schritte umfasst: (c) Herstellen von miteinander verbundenen Kanälen in der Basis (18, 218, 318, 618), um einen Fluidkanal (11, 211, 311, 611) zu bilden, um das Kühlungsfluid aufzunehmen und zu transportieren; (d) Herstellen eines zweiten Wärmetauschers (13) relativ zu einer äußeren Oberfläche der Basis (18, 218, 318, 618), um Wärme von dem Kühlungsfluid an eine äußere Umgebung zu übertragen; (e) Befestigen einer Pumpe (14) an der Basis (18, 218, 318, 618), um eine Fluidströmung in dem Fluidkanal (11, 211, 311, 611) zu lenken; (f) Herstellen wenigstens eines Anschlusses (16) an der Basis (18, 218, 318, 618), um das Kühlungsfluid in die Fluidkanäle (11, 211, 311, 611) aufzunehmen; (g) Befestigen einer Kappe (340) an der Basis (18, 218, 318, 618) über der wenigstens einen elektrischen Komponente (30, 230, 330, 630), um das Kühlungsfluid in dem Kappenraum (336) zu halten; und (h) Herstellen einer wärmeleitenden Schicht (24) zwischen der wenigstens einen elektrischen Komponente (30, 230, 330, 630) und der Basis (18, 218, 318, 618).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, das ferner den Schritt des Einschließens der Basis (18, 218, 318, 618) und der elektrischen Komponente (30, 230, 330, 630) mit einem Gehäusekörper (620) umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt (c) ferner den Schritt des Herstellens mehrerer miteinander verbundener Kanäle in dem Gehäusekörper (620) in einer Fluidverbindung mit dem Fluidkanal (11, 211, 311, 611) in der Basis (18, 218, 318, 618); und optional des Herstellens von Konvektionskühlrippen (621), die von einer äußeren Oberfläche des Gehäusekörpers (602) nach außen vorstehen, um Wärme vom Gehäusekörper (620) nach außen zu übertragen, umfasst.
  5. Elektronische Anordnung (10, 100, 200, 300, 600), die umfasst: eine Basis (18, 218, 318, 618); und wenigstens eine elektrische Komponente (30, 230, 330, 630), die an der Basis (18, 218, 318, 618) befestigt ist, wobei die Basis (18, 218, 318, 618) ein integriertes Kühlungssystem definiert, das in einer thermischen Verbindung mit der wenigstens einen elektrischen Komponente (30, 230, 330, 630) steht, um Wärme von der wenigstens einen elektrischen Komponente (30, 230, 330, 630) abzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente (30, 230, 330, 630) Mikrokanäle (236, 333) definiert, die einen ersten Wärmetauscher in der elektrischen Komponente (30, 230, 330, 630) schaffen, um ein Kühlungsfluid durch sie hindurch zu transportieren, um Wärme von der elektrischen Komponente (30, 230, 330, 630) an das Kühlungsfluid zu übertragen.
  6. Elektronische Anordnung (10, 100, 200, 300, 600) nach Anspruch 5, bei der das integrierte Kühlungssystem umfasst: einen Fluidkanal (11, 211, 311, 611), der die Basis (18, 218, 318, 618) überspannt, um darin ein Kühlungsfluid aufzunehmen und zu transportieren; und wenigstens einen Wärmetauscher (12, 13), der in der Basis (18, 218, 318, 618) abgedichtet und mit dem Fluidkanal (11, 211, 311, 611) in einem thermischen Kontakt ist, um Wärme abzuführen.
  7. Elektronische Anordnung (10, 100, 200, 300, 600) nach Anspruch 6, bei der der wenigstens eine Wärmetauscher umfasst: einen zweiten Wärmetauscher (13), der in die Basis (18, 218, 318, 618) integriert ist und mit dem Fluidkanal (11, 211, 311, 611) in einer Wärmeaustauschverbindung steht, um Wärme von dem Fluid zu übertragen, um sie nach außen abzugeben.
  8. Elektronische Anordnung (10, 100, 200, 300, 600) nach Anspruch 6, die ferner umfasst: eine Pumpe (14), die an der Basis (30, 230, 330, 630) befestigt und mit dem Fluidkanal (11, 211, 311, 611) funktional verbunden ist, um eine Strömung des Fluids anzutreiben.
  9. Elektronische Anordnung (10, 100, 200, 300, 600) nach Anspruch 5, bei der die Basis (18, 218, 318, 618) so beschaffen ist, dass sie wenigstens eines der folgenden Elemente bildet: eine laminierte gedruckte Leiterplatte (PCB), ein doppelt gebranntes Hochtemperatur-Keramikmodul (HTCC-Modul) und ein doppelt gebranntes Niedrigtemperatur-Keramikmodul (LTCC).
  10. Elektronische Anordnung (10, 100, 200, 300, 600) nach Anspruch 7, bei der das integrierte Kühlungssystem ferner eine Kappe (340) umfasst, die an der Basis (18, 218, 318, 618) abgedichtet ist und die wenigstens eine elektrische Komponente (30, 230, 330, 630) an der Basis (18, 218, 318, 618) umschließt, wobei die Kappe (340) einen Kappenraum (336) definiert, der die wenigstens eine elektrische Komponente (30, 230, 330, 630) umgibt.
  11. Elektronische Anordnung (10, 100, 200, 300, 600) nach Anspruch 10, bei der das integrierte Kühlungssystem ferner umfasst: eine wärmeleitende Schicht (24), die zwischen der wenigstens einen elektrischen Komponente (30, 230, 330, 630) und der Basis (18, 218, 318, 618) angeordnet ist, um Wärme von der wenigstens einen elektrischen Komponente (30, 230, 330, 630) an die Basis (18, 218, 318, 618) zu übertragen, wobei die wärmeleitende Schicht (24) in dem Kappenraum (336) angeordnet ist.
  12. Elektronische Anordnung (10, 100, 200, 300, 600) nach Anspruch 8, bei der der zweite Wärmetauscher (13) mehrere thermische Durchgangslöcher (40, 42) definiert, die in der Basis (18, 218, 318, 618) angeordnet sind und mit dem Fluidkanal (11, 211, 311, 611) in einer Wärmeaustauschverbindung stehen.
  13. Elektronische Anordnung (10, 100, 200, 300, 600) nach Anspruch 5, die ferner einen Gehäusekörper (620) umfasst, der die Basis (18, 218, 318, 618) und die wenigstens eine elektrische Komponente (30, 230, 330, 630) umschließt, wobei der Gehäusekörper (620) optional einen Wärmetauscher (622, 621) enthält, um Wärme an die äußere Umgebung des Gehäusekörpers (620) abzuführen.
  14. Elektronische Anordnung (10, 100, 200, 300, 600) nach Anspruch 13, bei der sich der Fluidkanal (11, 211, 311, 611) durch den Gehäusekörper (620) erstreckt und so beschaffen ist, dass er mit einem äußeren Wärmetauscher in einem thermischen Kontakt ist.
  15. Elektrische Anordnung (10, 100, 200, 300, 600) nach Anspruch 6, bei der das Kühlungssystem ferner wenigstens einen Anschluss (16) umfasst, um das Fluid von einer Fluidquelle in das integrierte Kühlungssystem einzuleiten, wobei der wenigstens eine Anschluss (16) mit dem Fluidkanal (11, 211, 311, 611) in einer Fluidverbindung steht.
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