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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektronische Vorrichtungen,
insbesondere auf Verfahren zum Integrieren von Fluidkühlungssystemen in
elektronische Vorrichtungen, siehe zum Beispiel
US-A-5901037 .
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
integrierte Kühlungssystem
kann ferner wenigstens einen Anschluss zum Einleiten des Kühlungsfluids
aus einer Fluidquelle in den Fluidkanal umfassen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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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:
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1 ein
Schaltbild einer elektrischen Anordnung der vorliegenden Erfindung
ist;
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2 eine
Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
Seitenansicht der elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit der in 2 gezeigten
Ausführungsform
ist;
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4 ein
Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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5 ein
Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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6 ein
Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung
mit alternativen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist;
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7 ein
Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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8 ein
Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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9 ein
Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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10 eine
Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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11 eine
Draufsicht auf eine Basis der elektrischen Anordnung in Übereinstimmung
mit der in 10 gezeigten Ausführungsform
ist;
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12 eine
Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wobei die Anordnung eine Kappe aufweist;
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13 eine
Seitenansicht der elektrischen Anordnung in Übereinstimmung mit der in 12 gezeigten
Ausführungsform
ist;
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14 ein
Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung
mit einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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15 ein
Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung
mit einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist;
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16 ein
Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung
mit einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist;
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17 ein
Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung
mit einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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18 ein
Ausschnitt einer Seitenansicht einer elektrischen Anordnung in Übereinstimmung
mit einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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19 eine
Seitenansicht eines Anschlusses in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der
Erfindung ist;
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20 eine
Seitenansicht eines Anschlusses in Übereinstimmung mit einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung ist; und
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21 eine
Seitenansicht eines Anschlusses in Übereinstimmung mit einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung ist.
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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.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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.
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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.
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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 2–3)
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.
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Wie
in 2–3 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.
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Vertikale
und horizontale Kanäle 20–21,
die Abschnitte des Fluidkanals 11 wie etwa die in 2–3 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.
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Ähnlich können in
der LTCC- oder der HTCC-Basis vertikale und horizontale Kanäle 20–21 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.
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Wie
in 2–3 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.
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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 2–3 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 2–3)
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.
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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.
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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.
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In 4–9 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 4–6 gezeigt
ist, sind Fluidmikrokanäle 32 am
obersten Abschnitt, im mittleren Abschnitt bzw. im untersten Abschnitt
der elektrischen Komponente 30 angeordnet. Wie in 7–8 gezeigt
ist, sind Fluidmikrokanäle 33 innerhalb
des obersten Abschnitts bzw. im untersten Abschnitt der wärmeleitenden
Schicht 24 gefertigt. Es wird davon ausgegangen, dass Fluidmikrokanäle 32–33 in
Fluidverbindung mit dem Fluidkanal 11 in der Basis 18 stehen
(siehe 2–3), 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 4–9).
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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.
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Bei
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wie sie in 10–11 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 2–3).
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.
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Bei
einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, wie sie in 12–13 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.
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In 14–18 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.
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Alternativ
kann, wie in 15–18 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.
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16–17 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.
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In 18 erstreckt
sich der Fluidkanal 611 vertikal durch die Basis 618 und
ist im Gehäusekörper 620 horizontal
eingebettet.
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Wie
in 19–21 gezeigt
ist, können Anschlüsse zum
Aufnehmen von Kühlungsfluid
in das integrierte Kühlungssystem
in Form und Größe variieren.
In 19–20 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.
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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.
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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.