DE69321070T2

DE69321070T2 - Struktur zur Kühlung einer integrierten Schaltung

Info

Publication number: DE69321070T2
Application number: DE69321070T
Authority: DE
Inventors: Shinya C/O Nec Corporation Tokyo Akamatsu; Shinji C/O Nec Corporation Tokyo Mine; Hideki C/O Y.D.K. Co. Ltd. Inagi-Shi Tokyo Seguchi
Original assignee: Y D K CO Ltd; NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-11-09
Filing date: 1993-11-08
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2013-11-09
Also published as: CA2102662C; EP0597425B1; US5420753A; EP0597425A2; EP0597425A3; DE69321070D1; CA2102662A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Struktur zur Kühlung eines integrierten Schaltkreises (IC) nach dem einführenden Teil von Anspruch 1 und Anspruch 15 und insbesondere auf eine Struktur zur Kühlung eines IC mittels Wärmeableitung von dem IC durch eine zirkulierende Kühlflüssigkeit.
Kühlstrukturen für die vorstehende Anwendung enthalten im allgemeinen einen Wärmeleiter zwischen einem IC und einer Kühlflüssigkeit oder einem Kühlmittel. Der Wärmeleiter hat entweder direkten Kontakt mit dem IG oder über ein Element mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Die Wärme, die von dem IC erzeugt wird, wird über den Wärmeleiter auf das Kühlmittel übertragen und daraufhin von dem Kühlmittel nach außen getragen. Mit einem derartigen Aufbau ist es möglich, die Kühlleistung zu steigern, indem die Wärmeisolation zwischen dem IC und dem Kühlmittel verringert wird. Die Wärmeisolation kann verringert werden, wenn der Wärmeleiter und der IC über einen großen Bereich in engem Kontakt gehalten werden.
Der enge Kontakt des Wärmeleiters mit dem IG wird jedoch von Unregelmäßigkeiten in der Höhe und der Neigung des ICs beeinträchtigt. Insbesondere, wenn die Höhe des ICs gering ist, verbleibt eine Lücke zwischen dem IC und dem Wärmeleiter. Wenn außerdem die obere Oberfläche des ICs geneigt ist, berührt der Wärmeleiter nur einen Teil der oberen Oberfläche des ICs. Nachfolgend werden Unregelmäßigkeiten der Höhe und Neigung des ICs als kontaktbeeinträchtigende Faktoren bezeichnet. Derartige kontaktbeeinträchtigende Faktoren sind insbesondere problematisch, wenn eine Vielzahl von Wärmeleitern Kontakt mit einer Vielzahl von ICs hat. In einem derartigen Fall muß die Höhe und Neigung jedes Wärmeleiters einzeln an die Höhe und Neigung des jeweiligen ICs angepaßt werden.
Eine Struktur zur Kühlung eines integrierten Schaltkreises, bei der kontaktbeeinträchtigende Faktoren vermieden werden und ein enger Kontakt des Wärmeleiters mit dem IC erreicht wird, ist beispielsweise aus dem US-Patent 5,023,695 bekannt. Fig. 1 dieses US-Patentes zeigt eine herkömmliche Kühlstruktur mit einem IC 101 auf einer gedruckten Leiterplatte 102, einem Kolben 104 mit einem sphärischen Abschnitt in Kontakt mit dem IC 101, eine Kühlplatte 106, in der der Kolben 104 angeordnet ist, eine Feder 105, die den Kolben 104 auf den IC 101 drückt, und ein Kühlmittel 109. Der Kolben 104 und die Kühlplatte 106 bilden in Kombination einen Wärmeleiter. Wärme, die von dem IC 101 erzeugt wird, wird über den Kolben 104 und die Kühlplatte 106 auf ein Kühlmittel 109 übertragen. Da die Feder 105 den Kolben 104 konstant gegen den IC 101 drückt, bleibt der Kolben 104 unabhängig der Höhe des ICs 101 in Kontakt mit dem IC 101. Da der Kolben 104 außerdem sphärisch ausgebildet ist, hat der Kolben 104 unabhängig der Inklination des ICs 101 über einen im wesentlichen konstanten Bereich Kontakt mit dem IC 101.
Fig. 2 des vorstehenden US-Patents zeigt eine andere herkömmliche Kühlstruktur. Bei der Kühlstruktur von Fig. 2 ist ein Chip 201 auf einer gedruckten Leiterplatte 202 angeordnet, und ein wärmeleitendes Substrat 203 auf dem Chip 201 angeordnet. Auf dem Substrat 203 ist ein elastisches wärmeleitendes Material 204 angeordnet. Auf dem wärmeleitenden Material 204 ist eine wärmeleitende Platte 205 angeordnet und wird von einem dünnen flexiblen Balg 207 aus Metall gehalten. Wärme, die von dem Chip 201 erzeugt wird, wird über das Substrat 203, das elastische Material 204 und die Platte 205 auf ein Kühlmittel übertragen. Die Platte 205 bildet den Wärmeleiter. Der Balg 207 ist flexibel nach oben und unten ausgebildet und hält die Platte 205 in Kontakt mit dem elastischen Material 204 unabhängig der Höhe des Chips 201. Außerdem neigt sich die Platte 205 in Übereinstimmung mit der Neigung des Chips 201. Daher hat die gesamte Oberfläche der Platte 205 Kontakt mit dem elastischen Material 204, selbst wenn der Chip 201 geneigt ist.
Die herkömmlichen Strukturen von Fig. 1 und 2 des vorstehenden US-Patentes haben jedoch die folgenden Nachteile. Bei der Struktur von Fig. 1 wird der Wärmeleiter aus zwei unabhängigen Elementen gebildet, d. h., dem Kolben 104 und der Platte 106. Um eine Wärmeübertragung zu gewährleisten, füllt Heliumgas 100 eine Lücke zwischen dem Kolben 104 und der Platte 106. Da jedoch der Wärmeleitungskoeffizient von Helium 100 geringer ist als der Wärmeleitungskoeffizient des Kolbens 104 und der Platte 106 ist die Wärmeisolation des Wärmeleiters hoch. Da außerdem bei dieser herkömmlichen Struktur der Kontakt des ICs 101 mit dem Kolben 104 über eine sphärische Oberfläche zustande kommt, ist der Kontaktbereich gering. Demzufolge ist die Wärmeisolation zwischen dem IC 101 und dem Kolben 104 erhöht.
Die Struktur von Fig. 2 enthält den dünnen Balg 207 aus Metall. Ein derartiger Balg 207 korrodiert leicht, wenn als Kühlmittel Wasser oder ein ähnliches Kühlmittel verwendet wird. Falls der Balg 207 aufgrund von Korrosion undicht wird, tritt Kühlflüssigkeit aus und elektronische Bauteile auf der gedruckten Leiterplatte 202 werden dadurch zerstört.
Weitere IC-Kühlstrukturen sind in EPA-0 374 479 und Patent Abstracts of Japan Vol. 13, Nr. 181 (E-750), 27. April 1989 und JP-A 100 7644 erwähnt. Diese Druckschriften offenbaren Klebstoffe, die zwischen einem Wärmeleiter und einer Grundplatte angeordnet sind. Die vorstehenden Klebstoffe halten den Wärmeleiter jedoch nicht elastisch.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine IC-Kühlstruktur bereitzustellen, die sowohl eine hohe Kühlleistung als auch eine hohe Zuverlässigkeit ermöglicht.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils der Ansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 14 erwähnt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung detailliert beschrieben, die von Zeichnungen begleitet wird. Hierzu zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der allgemeinen Bauart einer IC- Kühlstruktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt einer ersten Ausführung der erfindungsgemäßen Kühlstruktur;
Fig. 3 einen Teilschnitt einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 einen Teilschnitt der zweiten Ausführung angeordnet auf einem IC; und
Figuren Teilschnitte einer dritten bis vierzehnten Ausführung der 5 bis 16 vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der vorteilhaften Ausführungen

Fig. 1 der Zeichnungen zeigt die allgemeine Bauart einer IC-Kühlstruktur, in der alle vorteilhaften, nachstehend beschriebenen Ausführungen der Erfindung ausgebildet sind. Auf einer gedruckten Leiterplatte 1 sind eine Vielzahl von ICs angeordnet. Stützelemente 7 sind auf der oberen Oberfläche der gedruckten Leiterplatte 1 befestigt, und eine Kühlplatte 5 wird von den Stützelementen 7 gehalten. Verbinder 10 und 9 sind jeweils mit der gedruckten Leiterplatte 1 und einer Hauptplatine 8 verbunden. Wenn der Verbinder 10 in den Verbinder 9 eingeführt ist, ist die Leiterplatte 1 mit der Hauptplatine 8 elektrisch verbunden. Es sei erwähnt, daß die Anordnung von Fig. 1 lediglich die Hauptmerkmale der Struktur der vorliegenden Erfindung aufzeigt und bei ihrer Anwendung vielfältig variiert wird.

Erste Ausführung

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer gedruckten Leiterplatte 1, iCs 2, Wärmeleitern 3, Silikongel 4, der Kühlplatte 5, einer Verbindung 6, Halteelementen 7, einem Kühlmittelkanal 11, Ansatzrohren 14, O- Ringen 21, Hohlzylindern 22, einem Kühlmitteleingang 23 und einem Kühlmittelausgang 24. Die Zylinder 22 sind an der Kühlplatte 5 befestigt. Die O- Ringe 21 sind alle in einer Ausnehmung in einem Abschnitt angeordnet, in dem ein Zylinder 22 und die Kühlplatte 15 sich treffen. Der O-Ring 21 verhindert Flüssigkeitsaustritt aus dem Inneren des Zylinders 22. Die Zylinder 22 sind jeweils den ICs 2 einzeln zugeordnet und gerade über den ICs angeordnet.
Die Wärmeleiter 3 sind jeweils in den Zylindern 22 angeordnet und als zylindrischer Hohlraum ausgebildet, der an seinem einen Ende abgeschlossen ist. Die Wärmeleiter 3 haben einen größeren Durchmesser als die Zylinder 22. Das abgeschlossene Ende jedes Wärmeleiters 3 ist flach. Die Wärmeleiter 3 bestehen aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Beständigkeit gegenüber Wasser, und hoher Haftwirkung auf Silikongel 4. Kupfer ist ein Material, das diese drei Bedingungen erfüllt. Die Wärmeleiter 3 sind derart ausgebildet, daß sie den Druck eines Kühlmittels aushalten und nicht korrodieren. Erforderlichenfalls kann die Dicke der Wärmeleiter 3 erhöht werden. Die Wärmeleiter 3 sind jeweils in einem Zylinder 22 angeordnet, so daß ihre geschlossenen Enden gegenüber den ICs 2 liegen.
Das Silikongel 4 füllt die Lücken zwischen den Zylindern 22 und den jeweiligen Wärmeleitern 3, so daß sie miteinander verbunden sind. Jeder Zylinder 22 und jeweiliger Wärmeleiter 3 bildet ein tassenähnliches Gefäß. Das Silikongel 4 ist elastisch und gestattet den Wärmeleitern 3, sich nach oben und unten zu bewegen und sich zu neigen. Eine derartige Bewegung der Wärmeleiter 3 wird von einer externen Kraft verursacht. Wenn die äußere Kraft eingestellt wird, kehren die Wärmeleiter 3 aufgrund der Elastizität des Silikongels 4 in ihre ursprüngliche Position zurück. Der Bereich, in dem die Wärmeleiter 3 beweglich sind, hängt von dem Material und der Dicke des Silikongels 4 ab.
Das Silikongel 4 ist deswegen als Verbindung der Zylinder 22 und der Wärmeleiter 3 ausgewählt, da es chemisch stabil und hinreichend elastisch ist. Diese Eigenschaften des Silikongels werden nicht nur in Luft, sondern auch in Wasser erzielt. Das Silikongel 4, das bei den Ausführungen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, sollte vorzugsweise drei verschiedene Bedingungen erfüllen, d. h., hoher Widerstand gegenüber Scherspannungen, Anwendbarkeit über einen breiten Temperaturbereich, und Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasser. Vorzugsweise sollte das Silikongel 4 bei Temperaturen von -50ºC bis 200ºC verwendbar sein.
Die Kühlplatte 5 hat den Eingang 23, den Ausgang 24 und die Durchflußleitung 11 für ein Kühlmittel. Die Durchflußleitung 11 ist mit Ansatzrohren 14 verbunden, die sich alle in einen jeweiligen Wärmeleiter 3 erstrecken. Bei dieser Konfiguration fließt ein Kühlmittel aus jedem Ansatzrohr 14 in Richtung des flachen geschlossenen Endes des jeweiligen Wärmeleiters 3. Um die Durchflußleitung 11 in der Kühlplatte 5 anzuordnen, wird ein flaches Element 5-1 mit Ausnehmungen ausgebildet, die die horizontalen Abschnitte der Durchflußleitung 11 bilden. Ein weiteres flaches Teilstück 5-2 ist mit durchgehenden Löchern ausgebildet, um die vertikalen Abschnitte der Durchflußleitung 11 zu bilden. Schließlich sind die flachen Abschnitte 5-1 und 5-2 miteinander verbunden.
Die ICs 2 auf der gedruckten Leiterplatte 1 sind derart angeordnet, daß ihre wärmeabstrahlenden Oberflächen nach oben gerichtet sind. Die Verbindung 6 wird auf jeden IC 2 geklebt und besteht aus einer flexiblen Substanz, bereitgestellt aus einer Mischung aus Silikonöl oder ähnlichem Material als Grundmaterial und einem Füllmittel. Das Füllmittel besteht aus einem elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Material, wie z. B. Metalloxide oder Bornitride. Aufgrund des Füllmittels hat die Verbindung 6 eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Um eine gute Wärmeleitfähigkeit zu erzielen und aus ökonomischen Gesichtspunkten wird vorzugsweise als Grundmaterial ein Epoxid-Kunstharz verwendet, in das Silber als Füllmittel gemischt ist.
Die Stützelemente 7 werden auf der oberen Oberfläche der gedruckten Leiterplatte 1 befestigt. Die Kühlplatte 5 trägt die Zylinder 22 und Wärmeleiter 3 und ist auf den Stützelementen 7 befestigt. Die flachen Bereiche der Wärmeleiter 3 werden gegen die jeweiligen ICs 2 gedrückt, während die Wärmeleiter 3 alle derart bewegt werden, daß sie mit der Höhe und Neigung des unten liegenden ICs 2 übereinstimmen.
Resultat ist, daß die oberen Oberflächen der ICs 2 und die flachen Abschnitte der jeweiligen Wärmeleiter 3 in engen Kontakt miteinander gebracht sind. Außerdem wird die Verbindung 6 zwischen den ICs 2 und den Wärmeleitern 3 flachgedrückt, so daß sie die Lücke zwischen den oberen Oberflächen der ICs und den Wärmeleitern 3 ausfüllt. Dadurch wird der enge Kontakt der ICs 2 und der Wärmeleiter 3 weiter erhöht. Die Deformation des Silikongels 4 und der Verbindung 6 eliminieren so die vorstehend genannten kontaktmindernden Faktoren.
Beim Betrieb wird ein Kühlmittel in die Durchflußleitung 11 über den Einlaß 23 eingeführt. Das Kühlmittel strömt aus dem Ansatzrohr 14 der Durchflußleitung 11 in Richtung des flachen Abschnitts des Wärmeleiters 3, in dem das Ansatzrohr 14 angeordnet ist, und streicht über den flachen Abschnitt. Die von dem IC 2 erzeugte Wärme wird über den flachen Abschnitt des Wärmeleiters von dem Kühlmittel absorbiert, das den Wärmeleiter 3 füllt. Das Kühlmittel fließt daraufhin in den anschließenden Abschnitt der Durchflußleitung 11 und strömt in den nächsten Wärmeleiter 3 über das zugeordnete Ansatzrohr 14. Das Kühlmittel, das durch alle Wärmeleiter 3 geflossen ist, wird durch den Ausgang 24 nach außen abgeführt.
Bei Wartungsarbeiten können die Wärmeleiter 3 aus den jeweiligen Zylindern 22 herausgezogen werden. Auf diese Art und Weise ist es möglich, Verunreinigungen in den Wärmeleitern 3 zu entfernen. Nach der Wartung werden die Wärmeleiter 3 erneut in die Zylinder 22 eingesetzt, und das Silikongel 4 wird in die Lücken zwischen den Wärmeleitern 3 und den Zylindern 22 eingeführt.
Die vorstehend beschriebene Ausführung hat die folgenden Vorteile. Da die Wärmeleiter 3 alle als einzelne Teilstücke ausgebildet sind, haben sie eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Da die flachen Abschnitte der Wärmeleiter 3 in Kontakt mit den jeweiligen ICs 2 sind, haben die Wärmeleiter 3 und die ICs 2 einen großen Kontaktbereich. Außerdem sind die Wärmeleiter 3 robust genug, geringfügige Beschädigungen auszuhalten.

Zweite Ausführung

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung mit dem Wärmeleiter 3, Silikongel 4, der Kühlplatte 5, und der Durchflußleitung 11. Die Teilstücke dieser Ausführung sind aus den gleichen Materialien wie die Teilstücke der ersten Ausführung.
Die Kühlplatte 5 ist in ihrem unteren Abschnitt mit einem kreisförmigen Loch versehen, und ein Flansch 12 umgibt das Loch. Der Wärmeleiter 3 ist zylindrisch ausgebildet und in das Loch der Kühlplatte 5 eingeführt. Das Silikongel füllt die Lücke zwischen dem Flansch 12 und dem Wärmeleiter 3 und verbindet diese so. Der Wärmeleiter 3 ist aufgrund der Elastizität des Silikongels 4 beweglich.
Fig. 4 zeigt die Kühlplatte 5, die an der gedruckten Leiterplatte 1 befestigt ist. Der Wärmeleiter 3 wird in Übereinstimmung mit Höhe und Inklination gegen den IC 2 auf der gedruckten Leiterplatte 1 gedrückt. Resultat ist, daß die obere Oberfläche des ICs 2 und der flache Abschnitt des Wärmeleiters 3 miteinander in engem Kontakt sind. Außerdem ist die Verbindung 6 zwischen dem IC 2 und dem Wärmeleiter 3 flachgedrückt und füllt die Lücke zwischen der Oberfläche des IC 2 und dem flachen Abschnitt des Wärmeleiters 3. Dadurch wird der enge Kontakt von IC 2 und Wärmeleiter 3 weiter erhöht. Das Silikongel 4 und die Verbindung 6 eliminieren aufgrund ihrer Deformation daher die kontaktmindernden Faktoren.
Die vorstehend beschriebene Ausführung erzielt die gleiche Kühlleistung und Zuverlässigkeit mit einer einfacheren Bauweise wie die zuvor beschriebene Ausführung.

Dritte Ausführung

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer gedruckten Leiterplatte 1, einem IC 2, einem Wärmeleiter 3, Silikongel 4, einer Kühlplatte 5 und einer Verbindung 6. Die Kühlplatte 5 ist wie bei der zweiten Ausführung mit einem Loch ausgebildet. Der Wärmeleiter 3 ist in das Loch der Kühlplatte 5 eingeführt und mit einem Zylinder ausgestattet, der einen Flansch 12 hat. Das Silikongel 4 ist in die Lücke zwischen dem Flansch 12 und der Kühlplatte 5 derart eingeführt, daß Wärmeleiter 3 und Kühlplatte 5 verbunden sind. Der Wärmeleiter 2 ist aufgrund der Elastizität des Silikongels 4 beweglich.
Bei der ersten und zweiten Ausführung wird die Deformation des Silikongels 4 hauptsächlich von Scherspannungen bewirkt. Dies ist bei dieser Ausführung anders, bei der das Silikongel 4 hauptsächlich durch Normalspannung deformiert wird. Das ist vorteilhaft, um eine höhere Zuverlässigkeit der Verbindung der Oberfläche des Silikongels 4 zu erzielen.

Vierte Ausführung

Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführung der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen der zweiten Ausführung von Fig. 4 entspricht, mit der Ausnahme der Ausbildung des Wärmeleiters 3. Am oberen Ende des Wärmeleiters 3 erstrecken sich Kühlrippen 13. Der Wärmeleiter 3 ist derart positioniert, daß die Kühlrippen 13 sich in die gleiche Richtung erstrecken, wie die Flußrichtung des Kühlmittels, so daß das Kühlmittel nicht behindert wird.
Da die Kühlrippen 13 eine große Oberfläche haben, wird die Wärme von dem Wärmeleiter 3 wirksam von dem Kühlmittel abgeführt. Diese Ausführung erzielt daher eine höhere Kühlwirkung als die zweite Ausführung.

Fünfte Ausführung

Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführung der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen der dritten Ausführung von Fig. 5 entspricht, mit der Ausnahme der Ausbildung des Wärmeleiters 3. Am oberen Ende des Wärmeleiters 3 erstrecken sich Kühlrippen 13. Der Wärmeleiter 3 ist derart angeordnet, daß sich die Kühlrippen 13 in die gleiche Richtung wie der Fluß des Kühlmittels erstrecken, so daß das Kühlmittel nicht beeinträchtigt wird.
Da die Kühlrippen 13 eine große Oberfläche haben, wird Wärme von dem Wärmeleiter 3 wirksam abgeführt. Diese Ausführung erzielt daher eine höhere Kühlleistung als die dritte Ausführung.

Sechste Ausführung

Fig. 8 zeigt eine sechste Ausführung der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen der zweiten Ausführung von Fig. 4 entspricht, mit der Ausnahme der Ausbildung der Durchflußleitung 11. Die Durchflußleitung 11 ist von einer Wand in eine erste und zweite Durchflußleitung 11-a und 11-b geteilt. Die Wand, die die Durchflußleitungen 11-a und 11-b teilt, enthält ein Loch mit einem Ansatzrohr 14. Das Kühlmittel fließt durch die Durchflußleitung 11 und strömt über das Ansatzrohr 14 in den Wärmeleiter 3. Wenn das Kühlmittel gegen den Wärmeleiter 3 streicht, absorbiert es wirksam die Wärme des Wärmeleiters 3.
Diese Ausführung erzielt eine höhere Kühlleistung als die zweite Ausführung, da das Kühlmittel den Wärmeleiter 3 kühlt, indem es gegen den Wärmeleiter 3 streicht.

Siebte Ausführung

Fig. 9 zeigt eine siebte Ausführung der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen der dritten Ausführung von Fig. 5 entspricht, mit der Ausnahme der Ausbildung der Durchflußleitung 11. Die Durchflußleitung 11 ist in eine erste und zweite Durchflußleitung 11-a und 11-b von einer Wand geteilt. Die Wand, die die Durchflußleitungen 11-a und 11-b trennt, hat ein Loch mit einem Ansatzrohr 14. Das Kühlmittel fließt durch die Durchflußleitung 11 über das Ansatzrohr 14 in den Wärmeleiter 3. Wenn das Kühlmittel gegen den Wärmeleiter 3 streicht, absorbiert es wirksam die Wärme des Wärmeleiters 3.
Diese Ausführung erzielt eine höhere Kühlleistung als die dritte Ausführung, da das Kühlmittel den Wärmeleiter 3 kühlt, indem es gegen den Wärmeleiter 3 streicht.

Achte Ausführung

Fig. 10 zeigt eine achte Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Wärmeleiter 3 ist auf beiden, der oberen und der unteren Oberfläche der Kühlplatte 5 angeordnet. Die Kühlplatte 5 hat sowohl in ihrer oberen als auch in ihrer unteren Wand ein Loch.
Eine gedruckte Leiterplatte 1a, ein IC 2a, ein Wärmeleiter 3a, Silikongel 4a, eine Verbindung 6a und ein Flansch 12a sind unterhalb der Kühlplatte 5 angeordnet und entsprechend jeweils der gedruckten Leiterplatte 1, dem IC 2, dem Wärmeleiter 3, dem Gel 4, der Verbindung 6, und dem Flansch 12 der zweiten Ausführung. Die Teilstücke 1a, 2a, 3a, 4a, 6a und 12a sind auf gleiche Art und Weise zusammengesetzt wie bei der zweiten Ausführung. Eine gedruckte Leiterplatte 1b, ein IC 2b, ein Wärmeleiter 3b, Silikongel 4b, eine Verbindung 6b und ein Flansch 12b sind auf der Oberseite der Kühlplatte 6b vorgesehen und korrespondieren jeweils mit den Teilstücken 1, 2, 3, 4, 6 und 12 der zweiten Ausführung. Die Teilstücke 1b, 2b, 3b, 4b, 6b und 12b sind auch auf gleiche Art und Weise wie bei der zweiten Ausführung zusammengesetzt.
Diese Ausführung ist in der Lage, ICs auf gegenüberliegenden Oberflächen einer einzelnen Kühlplatte 5 zu kühlen und erhöht daher die Packungsdichte der Leiterplatte 1. Das Hauptmerkmal der vorliegenden Ausführung ist eine Kühlstruktur, die auf beiden Oberflächen der Kühlplatte 5 vorgesehen ist. Daher kann jede der Strukturen der Ausführungen der vorliegenden Erfindung anstelle der Struktur der zweiten Ausführung auf beiden Oberflächen der Kühlplatte 5 angeordnet sein.
Außerdem kann die Struktur auf der oberen und unteren Oberfläche der Kühlplatte 5 voneinander verschieden sein.

Neunte Ausführung

Fig. 11 zeigt eine neunte Ausführung der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführung entspricht im wesentlichen der sechsten Ausführung von Fig. 8 mit der Ausnahme der Ausbildung des Wärmeleiters 3. Der Wärmeleiter 3 hat eine Ausnehmung 20 und ist in den Flansch 12 derart eingesetzt, daß die Ausnehmung 20 gegenüber dem Ansatzrohr 14 angeordnet ist. Die Ausnehmung 20 reduziert verglichen mit der sechsten Ausführung den Abstand zwischen dem IC 2 und dem Kühlmittel. Das Kühlmittel fließt durch das Ansatzrohr 14 und streicht gegen den Boden der Ausnehmung 20 und absorbiert die Wärme des Wärmeleiters 3.
Bei dieser Ausführung ist der Abstand zwischen dem IC 2 und dem Kühlmittel, wie vorstehend gesagt, aufgrund der Ausnehmung 20 kürzer als bei der sechsten Ausführung. Daher erzielt diese Ausführung eine höhere Kühlleistung als die sechste Ausführung.

Zehnte Ausführung

Fig. 12 zeigt eine zehnte Ausführung der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen der ersten Ausführung entspricht, mit der Ausnahme der Ausbildung der Durchflußleitung 11. Die Durchflußleitung 11 ist in eine erste und eine zweite Durchflußleitung 11-a und 11-b geteilt. Im unteren Abschnitt der Kühlplatte 5 ist ein Loch ausgebildet, und ein hohler Zylinder 22 ist in dem Loch angeordnet. In der Wand, die die beiden Durchflußleitungen 11-a und 11-b teilt, ist ebenso ein Loch ausgebildet. Das Ansatzrohr 14 ist in dem Loch dieser Wand angeordnet und erstreckt sich durch das Loch der Kühlplatte 5 in den hohlen Zylinder 22. Das Kühlmittel steht unter Druck, fließt durch die Durchflußleitung 11 durch das Ansatzrohr 14 in Richtung auf den Wärmeleiter 3. Beim Streichen gegen den Wärmeleiter 3 absorbiert das Kühlmittel wirksam die Wärme des Wärmeleiters 3.
Das Kühlmittel, das die Wärme absorbiert hat, wird über die Durchflußleitung 11-b abgeführt.
Bei dieser Ausführung wird das Kühlmittel, das die Wärme eines Wärmeleiters 3 absorbiert hat, nicht zu einem anderen Wärmeleiter 3 geleitet. Dadurch wird die Kühlleistung gegenüber der ersten Ausführung erhöht. Da außerdem das Kühlmittel mit gleicher Temperatur zu allen Wärmeleitern 3 geleitet wird, können die ICs 2 gleichmäßig gekühlt werden.

Elfte Ausführung

Fig. 13 zeigt eine elfte Ausführung der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen der zehnten Ausführung entspricht, mit der Ausnahme der Ausbildung des Wärmeleiters 3. Der Wärmeleiter 3 hat einen größeren Durchmesser als der hohle Zylinder 22. Der Zylinder 22 ist innerhalb des Wärmeleiters 3 angeordnet. Das Silikongel 4 ist innerhalb der Lücke zwischen dem Wärmeleiter 3 und dem Zylinder 22 angeordnet.

Zwölfte Ausführung

Fig. 14 zeigt eine zwölfte Ausführung der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen der zehnten Ausführung entspricht, mit der Ausnahme der Ausbildung des Wärmeleiters 3. Der untere Abschnitt des Wärmeleiters 3 hat einen größeren Durchmesser als der obere Abschnitt. Das untere Ende des Wärmeleiters 3 ist breit genug, um den IC 2 hinreichend zu bedecken. Daher kann die gesamte Oberfläche des IC 2 gekühlt werden, selbst wenn der Zylinder 22 einen relativ kleinen Durchmesser hat. Da der Zylinder 22 einen relativ kleinen Durchmesser haben kann, ist es möglich, eine größere Anzahl von Zylindern 22 in einem gegebenen Bereich anzuordnen als bei der zehnten Ausführung. Daher ist diese Ausführung insbesondere für ICs mit hoher Packungsdichte geeignet.

Dreizehnte Ausführung

Fig. 15 zeigt eine dreizehnte Ausführung der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen der zehnten Ausführung entspricht, mit der Ausnahme der Ausbildung des Zylinders 22 und des Wärmeleiters 3. Der Zylinder 22 ist von seinem oberen Ende zu seinem unteren Ende nach außen hin erweitert, d. h. der Durchmesser nimmt mit dem Abstand von der Kühlplatte 5 zu. Der Wärmeleiter 3 ist ebenso von dem oberen Ende zu dem unteren Ende erweitert. Da der Zylinder 22 und der Wärmeleiter 3 beide nach unten erweitert sind, ist der flache Abschnitt des Wärmeleiters 3 groß genug, den IC 2 zu bedecken, obwohl der Durchmesser des Teilstücks 22 an der Kühlplatte 5 klein ist.
Diese Ausführung ist wie die zwölfte Ausführung vorteilhaft für ICs 2 mit hoher Packungsdichte geeignet.
Im wesentlichen ist die vorliegende Ausführung dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder 22 und der Wärmeleiter 3 nach unten erweitert ausgebildet sind. Eine derartige Ausbildung der Teilstücke 22 und 3 kann daher auch bei der elften Ausführung von Fig. 13 angewendet werden.

Vierzehnte Ausführung

Fig. 16 zeigt eine vierzehnte Ausbildung der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen der zehnten Ausführung entspricht, mit der Ausnahme der Ausbildung des hohlen Zylinders 22 und des Wärmeleiters 3. Der Zylinder 22 hat einen Flansch 12b an seinem oberen Ende. Der Wärmeleiter 3 hat ebenso einen Flansch 12a an seinem oberen Ende. Das Silikongel 4 füllt die Lücke zwischen den Flanschen 12a und 12b und verbindet so den Zylinder 22 und den Wärmeleiter 3. Bei dieser Ausführung wird das Silikongel 4 wie bei der dritten Ausführung hauptsächlich durch Normalspannung deformiert. Dadurch wird vorteilhaft eine Verbindung erreicht, die zuverlässig ist wie bei der dritten Ausführung.

Claims

1. Struktur zur Kühlung eines integrierten Schaltkreises (IC), bestehend aus:

einer gedruckten Leiterplatte (1);

einem IC, der auf der Leiterplatte (1) angeordnet ist;

einem Wärmeableiter (3) in Kontakt mit dem IC (2) und einer Kühlplatte (5), die mit einer Durchflußleitung (11) für eine Kühlflüssigkeit ausgestattet ist, die den Wärmeableiter (3) kühlt;

dadurch gekennzeichnet, daß

der Wärmeableiter (3) von der Kühlplatte (5) elastisch über ein Silicongel (4) gehalten wird.

2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

ein hohler Zylinder (22) auf der Kühlplatte (5) angeordnet ist;

der Wärmeableiter (3) besteht aus einem hohlen zylindrischen Abschnitt, und aus einem flachen Abschnitt, der ein Ende des hohlen zylindrischen Abschnitts abschließt;

der hohle zylindrische Abschnitt innerhalb des hohlen Zylinders (22) angeordnet ist, wobei der flache Abschnitt in Kontakt mit dem IC (2) ist;

und das Silicongel (4) eine Lücke zwischen dem hohlen Zylinder (22) und dem Wärmeableiter (3) füllt.

3. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Loch in der Kühlplatte (5) ausgebildet ist, und mit der Durchflußleitung (11) kommuniziert, und der Wärmeableiter (3) in dem Loch aufgenommen ist.

4. Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flansch (12) das Loch umgibt, und das Silicongel (4) eine Lücke zwischen dem Flansch (12) und dem Wärmeableiter (3) füllt.

5. Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flansch (12) den Wärmeableiter (3) umgibt, und das Silicongel (4) eine Lücke zwischen dem Flansch (12) und der Kühlplatte (5) füllt.

6. Struktur nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeableiter (3) mit Kühlrippen (13) ausgestattet ist.

7. Struktur nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußleitung (11) aus einer ersten Durchflußleitung (11b) besteht, in der das Loch ausgebildet ist, und aus einer zweiten Durchflußleitung (11a) besteht, in der eine Düse (14) befestigt ist, um die Kühlflüssigkeit in Richtung des Wärmeableiters (3) zu strahlen.

8. Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeableiter (3) eine Aussparung (20) hat, die gegenüber der Durchflußöffnung (11) angeordnet ist.

9. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Durchflußleitung (11) aus einer ersten Durchflußleitung (11a) und einer zweiten Durchflußleitung (11b) besteht;

ein Loch in der Kühlplatte (5) ausgebildet ist und mit der zweiten Durchflußleitung (11b) kommuniziert;

ein hohler Zylinder (22) indem Loch befestigt ist;

der Wärmeableiter (3) aus einem hohlen zylindrischen Abschnitt besteht und aus einem flachen Abschnitt besteht, der ein Ende des hohlen zylindrischen Abschnitts abschließt;

der hohle zylindrische Abschnitt ist innerhalb des hohlen Zylinders (22) angeordnet, während der flache Abschnitt in Kontakt mit dem IC (2) ist;

das Silicongel (4) füllt eine Lücke zwischen dem hohlen Zylinder (22) und dem Wärmeableiter (3); und

eine Düse (14) strahlt die Kühlflüssigkeit, die durch die erste Durchflußleitung (11a) strömt, in den Wärmeableiter (3).

10. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußleitung (11) besteht aus einer ersten Durchflußleitung (11a) und aus einer zweiten Durchflußleitung (11b);

ein Loch ist in der Kühlplatte (5) ausgebildet und kommuniziert mit der zweiten Durchflußleitung (11b);

ein hohler Zylinder (22) ist in dem Loch befestigt;

der Wärmeableiter (3) besteht aus einem hohlen zylindrischen Abschnitt und aus einem flachen Abschnitt, der ein Ende des hohlen zylindrischen Abschnitts abschließt;

der hohle Zylinder (22) ist innerhalb des hohlen zylindrischen Abschnitts angeordnet, während der flache Abschnitt in Kontakt mit dem Teil IC (2) ist; das Silicongel füllt eine Lücke zwischen dem hohlen Zylinder (22) und dem Wärmeableiter (3); und

eine Düse (14) strahlt die Kühlflüssigkeit, die durch die erste Durchflußleitung (11a) fließt, in den Wärmeableiter (3).

11. Struktur nach einem der Ansprüche 2, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeableiter (3) einen größeren Durchmesser an seinem abgeschlossenen Endabschnitt hat, als an seinem anderen Abschnitt.

12. Struktur nach einem der Ansprüche 2, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeableiter (3) einen Durchmesser hat, der mit zunehmendem Abstand von der Kühlplatte (5) sequentiell ansteigt, und der hohle Zylinder (22) einen Durchmesser hat, der mit zunehmendem Abstand von der Kühlplatte (5) sequentiell ansteigt.

13. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatte (5) mit einem Loch ausgebildet ist, das mit der Durchflußleitung (11) kommuniziert;

ein hohler Zylinder (22) in dem Loch befestigt ist und um sein eines Ende mit einem ersten Flansch (12a) ausgestattet ist;

der Wärmeableiter besteht aus einem hohlen zylindrischen Abschnitt und aus einem flachen Abschnitt, der ein Ende des hohlen zylindrischen Abschnitts abschließt, und ein zweiter Flansch (12b) umgibt das eine Ende des hohlen zylindrischen Abschnitts;

der flache Abschnitt ist in Kontakt mit dem IC (2);

und eine Düse (14) strahlt Kühlflüssigkeit, die durch die erste Durchflußleitung (11) strömt, in den Wärmeableiter (3).

14. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung (6) zwischen dem Wärmeableiter (3) und dem IC (2) angeordnet ist.

15. Struktur zur Kühlung eines integrierten Schaltkreises (IC), bestehend aus:

einer ersten gedruckten Leiterplatte (1a);

einem ersten IC (2a), der auf der ersten gedruckten Leiterplatte (1a) angeordnet ist;

einer zweiten gedruckten Leiterplatte (1b), die gegenüber der ersten gedruckten Leiterplatte (1a) angeordnet ist;

einem zweiten IC (2b), der gegenüber dem ersten IC (2a) auf der zweiten

gedruckten Leiterplatte (1b) angeordnet ist;

einem ersten Wärmeableiter (3a) in Kontakt mit dem ersten IC (2a);

einem zweiten Wärmeableiter (3b) in Kontakt mit dem zweiten IC (2b);

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Kühlplatte (5), die mit einer Durchflußleitung (11) für eine Kühlflüssigkeit ausgebildet ist, die den ersten und zweiten Wärmeableiter (3a) und (3b) kühlt, ist im Zentrum zwischen der ersten gedruckten Leiterplatte (1a) und der zweiten gedruckten Leiterplatte (1b) angeordnet, und der erste und zweite Wärmeableiter (3a) und (3b) wird von der Kühlplatte (5) elastisch über ein Silicongel (4) gehalten.