DE69028189T2 - Wärmerohr aus Verbundgraphit - Google Patents

Wärmerohr aus Verbundgraphit

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmeleitrohre zur Kühlung von integrierten Schaltungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Wärmeleitrohr das einen Verbundstoff verwendet, der Graphitfasern enthähl in einer Gestalt, die an eine Halbkugel angenähert ist.
    • Abriß des Standes der Technik
  • In Fig. 1, auf die Bezug genommen wird, ist eine Querschnittsansicht eines Wärmeleitrohres nach dem Stand der Technik gezeigt. Wärmeleitrohre 10 verwendet man bekanntermaßen zur Kühlung von integrierten Schaltungen. Das Wesentliche eines Wärmeleitrohres 10 besteht darin, einen Verdampfer in unmittelbarer Nähe einer integrierten Schaltung mit hoher Leistung bereitzustellen, so daß Wärme von der integrierten Schaltung in Dampf verwandelt und schnell von der Wärmequelle weg befördert werden kann.
  • Ein Wärmeleitrohr 10 besteht hauptsächlich aus zwei Bereichen: dem Kondensator 11 und dem Verdampfer 12. Der Verdampfer 12 befindet sich entweder neben oder auf der Oberseite der integrierten Schaltung 13 (nachstehend manchmal als "Chip 13" bezeichnet). Manchmal ist zwischen den Chip 13 und den Verdampfer 12 ein Wärmeverteiler 14 gelegt. Der Wärmeverteiler 14 kann aus Kupfer (Cu) Molybdän, Keramik oder einem anderen Material bestehen und dient zur Vergrößerung der Oberfläche, auf der Wärme vom Chip 13 mit dem Verdampfer 12 in Verbindung tritt.
  • Im Verdampfer 12 befindet sich ein Fluid 16. Die Wärme wird vom Chip 13 auf den Verdampfer 12 übertragen, wo sie das Fluid 16 erwärmt und über den Siedepunkt bringt. Das siedende Fluid absorbiert Wärme, da ein Phasenübergang von Flüssigkeit zu Dampf Wärmeenergie benötigt. Der Fluiddampf wird das Wärmeleitrohr 10 hinauf von der Wärmequelle (dem Chip 13) wegtransportiert. Der Dampf überträgt Wärme auf den Kondensator 11. Am Kondensator 11 wird die Wärme auf die Kühlrippen 1 7 des Wärmeleitrohres übertragen, wo sie an die Umgebung abgegeben wird. Der Dampf kondensiert im Kondensator 11, und die Kondensationsflüssigkeit fließt den Verdampfer hinab zurück, wo sie erneut zum Siedepunkt gebracht werden kann, wodurch sich der Prozeß wiederholt.
  • Die Gestalt des Wärmeleitrohres 10, das zur Wärmeableitung Dampf verwendet wird verwendet, da Wärmetransport durch Massetransport in einem Dampf wirkungsvoller als Wärmeleitung in einem Festkörper sein kann. Wäre das Wärme leitrohr 10 beispielsweise nicht hohl, sondern aus massivem Cu, so würde sich die Wärme eine begrenzte Strecke in das Cu ausbreiten und nicht weiter. Das Ergebnis ist, daß die Wärmequelle (13) heißer laufen würde, was unerwünscht ist.
  • Ein Wärmeleitrohr 10 kann außerdem einen Docht 18 aufweisen. Ein Docht 18 ist normalerweise eine gewebte Matte aus Cu oder einem anderen Material, die Kondensationsfluid durch Kapillarwirkung aus dem Kondensatorbereich 11 in der Verdampfer 12 leitet. Die Verwendung eines Dochtes 18 erlaubt es, ein Wärmeleitrohr 10 beliebig in bezug auf die Schwerkraft anzuordnen. Die Oberflächenspannung befördert das Kondensationsfluid den Docht 18 entlang in Richtung auf trockene Stellen auf dem Docht 18, wodurch das Fluid in den Verdampfer 12 zurücktransportiert wird, wo es erneut zum Siedepunkt gebracht werden kann.
  • Diese Anordnung nach dem Stand der Technik weist Unzulänglichkeiten auf. Eine der Unzulänglichkeiten ist die Geschwindigkeit, mit der die Wärme von der Verdampferoberfläche 12a auf das Fluid 16 übertragen wird. Diese ist eine Funktion der Oberfläche der Verdampferoberfläche 12a. Je größer die Oberfläche, desto größer die Geschwindigkeit des Wärmeaustausches. Um die Fläche der Verdampferoberfläche 12a, welche die Wärme des Chips 13 empfängt, wirksam zu vergrößern, verwendet man zwar Wärmeverteiler 14 und mit Kührippen versehene Verdampfer, diese haben aber nur eine begrenzte Bedeutung, wenn es darum geht für eine wirksame Wärmeübertragung zu sorgen.
  • Die GB-2167550A beschreibt eine Kühlvorrichtung für ein Halbleiterbauelement die einen an dem Bauelement befestigten Kühlmittelbehälter enthält, in dem ein Docht den Verdampfungsteil und den Kondensationsteil miteinander verbindet.
  • Die EP-0298372 beschreibt eine Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente, in der rechteckige Wärmetransportteile mit poröser Struktur an den Bauelementen befestigt sind, um die Siedetätigkeit des an die Bauelemente angrenzenden Kühlmittels zu verstärken. Die Vorrichtung weist verschiedene geometrische Gestaltungen auf um den Wärmetransportteilen mit optimalen Gas-Flüssigkeit-Strömungen Fluid, zuzuführen.
    • ABRISS DER ERFINDUNG
  • Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmeleitrohr zu schaffen, das eine vergrößerte Verdampferoberfläche aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wärmeleitrohr mit einem Verdampfer zu schaffen, der aus einem Graphit-Verbundwerkstoff besteht und dadurch die Eigenschaften dieses Materials ausnutzt.
  • Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wärmeleitrohr zu schaffen, das einen wirkungsvoller geformten Verdampfer zur Kühlung einer integrierten Schaltung aufweist, wobei die Verdampferform an eine Halbkugel angenähert ist Diese und weitere Aufgaben lassen sich durch Verwendung der neuen Wärmeleitrohr-Vorrichtung mit einem Graphit-Verbundstoff und des Verfahrens lösen, die in den Patentansprüchen 1 bzw. 9 offenbart sind. Ein Wärmeleitrohr mit einem Graphit-Verbundstoff gemäß der Erfindung enthält ein Wärmeleitrohr mit einem Verdampfer, der aus einem Graphit-Metall-Verbundwerkstoff hergestellt ist und der eine allgemeine Halbkugelform aufweist. Zwei Verfahren zur Herstellung einer solchen Verdampfers umfassen (1) Bündeln und Verbinden einer Vielzahl von Fasern aus Graphit-Verbundstoff und (2) Bereitstellen einer Vielzahl von Fasermatten aus Graphit-Verbundstoff und Zusammenpressen der Matten um einen zentralen Punkt herum. In beiden Verfahren wird der Graphit-Verbundwerkstoff so gestaltet, daß er eine allgemein halbkugelförmige Außenfläche aufweist. Außerdem werden Verdampfer offenbart, die eine allgemein halbkugelförmige Außenfläche aufweisen und aus Metall bestehen, etwa Cu, ohne Graphit.
  • Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich für den Fachmann noch deutlicher aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen, in denen:
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Wärmeeitrohres nach dem Stand der Technik.
  • Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Wärmeleitrohres der bevorzugten Ausführungsform.
  • Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines alternativen Wärmeeitrohres der bevorzugten Ausführungsform.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • In Fig. 2, auf die Bezug genommen wird, ist eine Querschnittsansicht eines Wärmeleitrohres 30 der bevorzugten Ausführungsform gezeigt. in neuerer Zeit sind Graphitfasern verfügbar geworden, die eine außerordentliche axiale Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Sowohl Amoco als auch Dupont besitzen die Technologie zur Herstellung dieser auf Schleudern basierenden Fasern. Ein Beispiel ist das Material P-130x von Amoco, das eine Wärmeleitfähigkeit von 1100 W/m-K aufweist, dreimal so hoch wie Cu. Diese Graphitfasern werden verwendet, um Metallmatrix Verbundstoffe mit niedrigen ebenen Ausdehnungskoeffizienten und hoher Wärmeleitfähigkeit herzustellen. Sowohl Aluminium als auch Kupfer sind geeignete Matrixmaterialien, und es können auch andere Metalle verwendet werden. Der hierin verwendete Ausdruck Graphit-Verbundstoff soll einen Graphit-Metaii-Verbundstoff bedeuten, wenn nichts anders angegeben ist.
  • In der bevorzugten Ausführungsform werden Fasern aus Graphit-Verbundstoff verwendet, die aus Graphitfasern bestehen, die mit Cu beschichtet sind. Die kupferbeschichteten Graphitfasern können durch isostatisches Heißpressen oder Diffusions-Verbindungsherstellung miteinander verbunden werden. Die Verbundfasern liefern die hervorragende axiale Wärmeleitfähigkeit von Graphit zusammen mit der Verbindungsfestigkeit und den relativ guten thermischen Eigenschaften von Cu. Wie weiter unten beschrieben, werden die Fasern weiterhin so geformt, daß eine ideale Verdampferoberflächengestalt erzeugt wird.
  • Falls gewünscht ist, ein einzelnes Bauelement zu kühlen, würde die ideale Verdampferoberfläche zur Kühlung dieses Bauteils kugelförmig sein, mit einer Oberflächengestalt, die einer "unscharfen Kugel" ähnelt. Da integrierte Schaltungen eine ebene Gestalt aufweisen, wobei eine Seite an eine Leiterplatte angrenzt, weist die ideale Verdampferoberfläche Halkugelgestalt auf. Die Fasern werden dementsprechend als Faserbündel (Fig. 2) oder als Matten (Fig. 3) gestaltet, um diese Gestalt zu erzielen.
  • Um die gewünschte Gestalt zu erzeugen, werden Verbundfasern 31 zu einem Bündel gruppiert (alle als 31 gekennzeichnet, da sie eine ununterscheidbare Ansammlung von Fasern sind). Die Fasern 31 können in "Zügen" gruppiert oder gebündelt werden, die Ansammlungen einer Vielzahl von Fasern sind, häufig 1000 bis 2000 Fasern pro Zug. Diese Züge oder Garne, wie sie manchmal genannt werden, können außerdem gebündelt und geflochten werden. Die Fasern 31 werden mit einer Chipbefestigungsebene 34 des Verdampfers 33 verbunden. Das Verbindungsverfahren umfaßt entweder Löt-, Schmelz- oder Preßarbeiten. Das gewünschte Ergebnis, unabhängig vom Verbindungsverfahren, ist, die Wärme direkt in die Fasern 31 einzukoppeln.
  • Ein spezielleres Verfahren zur Herstellung der geeigneten Verdampfergestalt ist, ein Bündel von Fasern 31 zu nehmen und sie in einer kleinen Zone am Mittelpunkt miteinander zu verbinden. Diese verbundenen Faserbündel 31 werden dann zerschnitten, um zwei "Rasierpinsel" zu bilden. Ein Rasierpinsel (ein abgetrenntes Faserbündel 31) wird dann mit der Chipbefestigungsebene 34 verbunden. Die Chipbefestigungsebene 34 wird maschinell bearbeitet und/oder plattiert, um die tatsächliche Befestigungsebene zu bilden. Der Kondensatoraufbau 37 wird befestigt, und der gesamte Aufbau wird gesäubert. Danach werden ein Auspumpen, wobei die Vakuumwirkung das Wärmeleitrohr reinigt und Atmosphärengase absaugt, und eine Füllung mit Fluid durchgeführt, um den Aufbau des Wärmeleitrohres 30 zu vervollständigen. Alternative Verfahren zum Zusammenschließen der Fasern 31 umfassen Mittel wie Hämmern oder Wälzen eines Metallrings um sie herum, um eine Kontakteinheit herzustellen. Einkapseln in einem organischen oder anorganischen Kitt ist ebenfalls möglich.
  • Ein solches Wärmeleitrohr 30 mit Graphit-Verbundstoff bietet gegenüber eher konventionellen Aufbauten mehrere Vorteile. Die hohe axiale Leitfähigkeit der Fasern erlaubt eine gewaltige Vergrößerung der wirksamen Oberfläche. Weiter weg von der Chipbefestigungsebene verzweigen sich die Fasern in drei Dimensionen und breiten sich ungefähr halbkugelförmig aus, was wirkungsvoller als einem einfache ebene Ausbreitung ist. Falls diese Fasern vor der Verfestigung zu Gambündeln verflochten werden, wird außerdem ein Labyrinth von Durchgängen gebildet, die eine Fülle von Kristallisationsstellen liefern, was hohe Wärmeflüssiß mit geringer Wandüberhitzung ermöglicht.
  • Außerdem können Fasern 31 vorgesehen werden, die lang genug sind, um sich in den Kondensator 37 hinein zu erstrecken, wodurch ein Docht 39 gebildet wird. Die Dochtfasern 39 sind länger als die, die für die Verdampfungsfunktion benötigt werden, und der verlängerte Teil wird gegen die Wände im Kondensatorbereich 37 gehalten. Dies erlaubt einen Betrieb des Wärmeleitrohres 30 in einer beliebigen Orientierung. Die Faserbündel 31 und die Dochte 39 haben in diesem Fall die Hauptfunktion, die Oberfläche zur Wärmeableitung zu vergrößern, und die Zweitfunktion, kondensiertes Fluid an den Verdampfer 33 zurückzuleiten.
  • Zusätzlich können in der Umgebung der Chipbefestigungsebene 34 Verbundfasern hinzugefügt und rechtwinklig zu den Bündeln 31 angeordnet werden. Diese zusätzlichen Fasern verringern den ebenen Ausdehnungskoeffizienten, verringern die Beanspruchung des Chips und erlauben es, die ebene Wärmeausbreitung einigermaßen abzubauen.
  • Wärmeleitrohre mit dieser Gestalt, aber aus eher konventionellen Materialien, würden weitere Vorteile aufweisen. Beispielsweise könnte eine Gestaltung aus gelöteten regelmäßigen Anordnungen von Kupferdrähten zu einem gepackten hexagonalen Aufbau gepreßt und geschmolzen oder gelötet werden.
  • In Fig. 3, auf die Bezug genommen wird, ist eine Querschnittsansicht eines alternativen Wärmeleitrohres 50 der bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Das Wärmeleitrohr so ist im wesentlichen das gleiche wie das Wärmeleitrohr 30 (von Fig. 2), außer daß der Verdampfer 53 aus Matten aus Graphit-Verbundstoff statt aus individuellen oder Bündeln von Fasern 31 aus Graphit-Verbundstoff hergestellt ist. Die oben erwähnten Cu-beschichteten Graphitfasern können zu Matrizen 51 verflochten werden (nachstehend "Matten 51" genannt). Die Matten werden übereinandergelegt, bis sie einen Stapel bilden. Eine "C"-Klemme 55 wird verwendet, um auf die Mitte des Stapels eine starke Kraft auszuüben, wobei sich die Ränder der Matten gezwungenermaßen nach oben drehen, wodurch eine Halbkugel angenähert wird, ungefähr auf die gleiche Weise, in der Druck auf die Mitte einer Gewebemasse die Ränder des Gewebes nach oben bewegen läßt. Der durch die C- Klemme 55 verbundene Mattenstapel wird in einen Ofen gesetzt und dauerhaft zusammengeschmolzen. Wenn die C-Klemme 55 entfernt wird, bleiben die Material zusammengedrückt Ein alternatives Verfahren zur Erzeugung dieses Stapels ist, abwechselnde Schichten aus Graphit- und Cu-Folie vorzusehen, um einen Stapel herzustellen. Der Stapel wird dann wie oben zusammengepreßt und geschmolzen.
  • Die Matten 51 werden mit dem Chipbefestigungsbereich 34 verbunden, ungefähr auf die gleiche Weise, in der die Fasern 31 mit dem Chipbefestigungsbereich 34 verbunden werden. Der Verdampfer 53 liefert den gleichen Befestigungsbereich 34. Der Verdampfer 53 liefert die gleichen Vorteile und Unterstützungen wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Ein zusätzlicher Vorteil, den die Verwendung von Matten liefert, ist der, daß der Ausdehnungskoeffizient in der Mitte (oder dem zusammengepreßten Bereich) so ausgelegt werden kann, daß er (1) genauer mit dem Ausdehnungskoeffizienten von Silizium übereinstimmt und (2) die Matten 51 dazu bringt, sich eher wie individuelle Fasern zu verhalten.
  • Beide Techniken bilden wirksam eine "poröse" unscharfe Kugel, welche die Oberfläche des Verdampfers sehr vergrößert und die Zahl der Kristallisationsstellen vergrößert. Die Geschwindigkeit, mit der Wärme von einer integrierten Schaltung abgeleitet wird, wird ebenfalls vergrößert.
  • Die vorstehende Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen der vorliegen den Erfindung erfolgte zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen beschränken, und natürlich sind im Lichte der obigen Lehren viele Modifizierungen und Änderungen möglich. Die Ausführungsformen wurden gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung optimal zu erläutern und dadurch den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung und verschiedene Ausführungsformen optimal zu verwenden und verschiedene Modfizierungen ins Auge zu fassen, die für die bestimmte Verwendung geeignet sind. Der Rahmen der Erfindung soll durch die angefügten Patentansprüche definiert sein.

Claims (16)

1. Wärmeleitrohr-Vorrichtung, die folgendes enthält:
ein Behälterteil (33; 55) mit einer Befestigungsfläche (34); und
ein Wärmetransportteil in dem Behälterteil, das thermisch mit der Befestigungsfläche verbunden ist, um Wärme von der Befestigungsfläche weg zu leiten;
dadurch gekennzeichnet, daß
das Wärmetransportteil ein poröses Wärmetransportteil ist, das eine poröse Materialgestalt aufweist, die an eine Halbkugel angenähert ist, für eine verbesserte Wärmeableitung von der Befestigungsfläche.
2. Wärmeleitrohr-Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransportteil aus Graphit und Metall besteht.
3. Wärmeleitrohr-Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransportteil aus Graphitfasern (31) besteht, die mit Metall beschichtet sind.
4. Wärmeleitrohr-Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransportteil aus Graphitfasern (31) besteht, die mit Kupfer beschichtet sind.
5. Wärmeleitrohr-Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransportteil aus einer Vielzahl von Fasern (31) besteht, die mit der Befestigungsfläche verbunden und so angeordnet sind, daß sie an die Halbkugel angenähert sind.
6. Wärmeleitrohr-Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransportteil aus mehr als 1000 Fasern (31) aus Graphit-Metall-Verbundstoff besteht, die mit der Befestigungsfäche verbunden und so angeordnet sind, daß sie an die Halbkugel angenähert sind.
7. Wärmeleitrohr-Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransportteil aus einer Vielzahl von Matten (51) besteht, die um einen zentralen Bereich herum zusammengedrückt sind.
8. Wärmeleitrohr-Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransportteil aus einer Vielzahl von Matten (51) aus Graphit-Metall-Verbundstoff besteht, die um einen zentralen Bereich herum zusammengedrückt sind.
9. Verfahren zur Herstellung eines Verdampfers für ein Wärmeleitrohr, mit den folgenden Verfahrensschritten:
Befestigen eines Wärmetransportteils an einer Befestigungsfäche (34) in einem Behälterteil (33; 53), wobei das Wärmetransportteil dazu dient, Wärme von der Befestigungsfläche weg zu leiten;
gekennzeichnet durch
Gestalten des Wärmetransportteils mit einer porösen Materialgestalt zur Annäherung an eine Halbkugel für eine verbesserte Wärmeableitung von der Befestigungsfläche.
10. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransportteil aus Graphit und Metall gebildet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransporneil aus Graphitfasern (31) gebildet wird, die mit Metall beschichtet sind.
12. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransportteil aus Graphitfasern (31) gebildet wird, die mit Kupfer beschichtet sind.
13. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransportteil durch Verbinden einer Vielzahl von Fasern mit der Befestigungsfläche sowie dadurch gebildet wird, daß die Fasern so angeordnet werden, daß sie an die Halbkugel angenähert sind.
14. Verfahren nach Anspruch 13, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransportteil aus mehr als 1000 Fasern (31) aus Graphit-Metall- Verbundstoff gebildet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransportteil aus einer Vielzahl von Matten (51) gebildet wird, die um einen zentralen Bereich herum zusammengedrückt sind.
16. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß das poröse Wärmetransportteil aus einer Vielzahl von Matten (51) aus Graphit- Metall-Verbundstoff gebildet wird, die um einen zentralen Bereich herum zusammengedrückt sind.
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