DE69821779T2

DE69821779T2 - Kühlmodul für elektronische bauelemente

Info

Publication number: DE69821779T2
Application number: DE69821779T
Authority: DE
Inventors: J. William MILLER; A. Imran BHUTTA
Original assignee: Advanced Energys Voorhees Operations
Current assignee: Advanced Energys Voorhees Operations
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2018-07-24
Also published as: EP1018159B1; JP2001516973A; WO1999014807A1; AU8758398A; US20020043716A1; DE69821779D1; EP1018159A1; US6400012B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bauelement zum Kühlen von elektronischen Hochleistungsbauelementen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise integrierte Schaltungen, Leistungsfeldeffekttransistoren und dergleichen, sind üblicherweise auf einem dielektrischen Substrat angebracht, das eine oder mehrere elektrische Verbindungsschichten enthält. Das Substrat besteht im Allgemeinen aus einem Keramik-, Kunststoff- oder einem anderen organischen Material. Das Substrat enthält ein elektrisches Verbindungsnetzwerk, das gestattet, dass das Halbleiterbauelement mit anderen Bauelementen elektrisch gekoppelt wird, die sich entweder auf dem Substrat oder nicht auf diesem befinden. Das Substrat stellt außerdem die strukturelle Halterung für das Halbleiterbauelement bereit. Im Allgemeinen wird ein Substrat, das ein oder mehrere Halbleiterbauelemente enthält, als ein „Package" bezeichnet.
1 stellt ein herkömmliches Package dar, bei welchem ein Halbleiterbauelement 10 auf der Oberfläche eines Substrats 12 angebracht ist. Ein Lötmetall- oder Thermoklebstoff 14 wird im Allgemeinen verwendet, um das Bauelement 10 auf dem Substrat 12 anzubringen oder mit diesem zu koppeln. Um die Abführung der Wärme weg von dem Bauelement 10 zu ermöglichen, enthalten einige Packages eine Wärmeableitmetallplatte 16, die mit der Rückseite des Substrats 12 durch einen Thermoklebstoff 18 thermisch gekoppelt ist.
Bei Hochleistungsanwendungen ist das Anbringen einer Wärmeableitmetallplatte an der Rückseite des Package-Substrats nicht ausreichend, um das Halbleiterbauelement im zulässigen Betriebstemperaturbereich zu halten. Um die Rate der Wärmeübertragung von Hochleistungsbauelementen zu erhöhen, wurden Flüssigkeits-gekühlte Kühlkörper an der Rückseite des Package-Substrats angebracht. (Siehe 2). Wie in 2 gezeigt, weist ein herkömmlicher, Flüssigkeits-gekühlter Kühlkörper 30 im Allgemeinen ein Gehäuse 32 auf, das einen Strömungskanal 36 mit einem gleichmäßigen Querschnitt enthält, der eine Kühlflüssigkeit durch den Kühlkörper leitet. Die Wärme wird aus dem Bauelement 10 durch eine Lötmetallschicht 14, das Substrat 12, die Klebestoffschicht 18 und das Kühlkörpergehäuse 32 abgeleitet. Die Wärme wird schließlich durch Konvektionswärmeübertragung in das Kühlmedium abgeführt, das durch Kanal 36 strömt.
Da sich die Technologie für integrierte Schaltungen verbessert hat, wurde eine wesentlich größere Funktionalität in die Bauelemente eingebracht. Und da integrierte Schaltungen ihre Funktionalität erweitert haben, hat sich die Größe der Bauelemente auch verringert, was zu höheren Taktfrequenzen und erhöhtem Energieverbrauch führt. Infolge dessen erzeugen heutige IC-Bauelemente mehr Wärme, während sie kleinere Oberflächen zum Ableiten der Wärme haben. Daher ist es von Bedeutung, eine hohe Rate der Wärmeübertragung aus dem IC-Package zu haben, um die Grenzschichttemperaturen der integrierten Schaltung in sicheren Betriebsgrenzen zu halten. Zu hohe Grenzschichttemperaturen können die Leistung der Schaltung beeinträchtigen und eine permanente Qualitätsverschlechterung des Chips verursachen. Andere Arten von Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise Leistungsfeldeffekttransistoren, verbrauchen extrem hohe Energiemengen (üblicherweise im Bereich von 1 bis 3 Kilowatt). Diese Bauelemente benötigen ebenfalls eine hohe Rate der Wärmeübertragung aus den Bauelementen, um ihre Grenzschichttemperaturen in sicheren Betriebsgrenzen zu halten. Obwohl sich herkömmliche, Flüssigkeits-gekühlte Kühlkörper in der Vergangenheit als ausreichend erwiesen haben, macht sie der Pfad mit hohem Wärmewiderstand zwischen dem Wärme abgebenden Bauelement und dem Kühlmedium für viele der heutigen Komponenten mit hohem Energieverbrauch ungeeignet.
Jedes der Patente US-A-5606201, DE-A-37 44 353 und US-A-5142441 offenbart ein Kühlmodul für Hochleistungshalbleiterbauelemente.
Daher wird eine Bauelement benötigt, die in der Lage ist, Hochleistungshalbleiterbauelemente zu kühlen.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung umfasst eine Kühleinrichtung in Übereinstimung mit Anspruch 1.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Halbleiterbauelement auf der Oberseite eines Substrats montiert. Ein Flüssigkeitsströmungskanal, der zumindest teilweise durch einen Teil der Rückseite des Substrats definiert wird, wird für den Durchfluss eines Kühlmediums bereitgestellt. Diese Konfiguration gestattet, dass das Kühlmedium in direktem Kontakt mit der Rückseite des Substrats steht und somit der gesamte Wärmewiderstand zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Kühlmedium reduziert wird.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Flüssigkeitsströmungskanal in wenigstens zwei Regionen unterteilt. Die erste Region befindet sich in der Nähe des Kanaleinlasses, wohingegen die zweite Region angrenzend an die Rückseite des Substrats an einer Stelle gegenüber dem Wärme erzeugenden Halbleiterbauelement angeordnet ist. Der Strömungsquerschnitt der zweiten Region ist geringer als der gesamte Strömungsquerschnitt der ersten Region. Der reduzierte Kanalströmungsquerschnitt in der zweiten Region verursacht eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit und steigert somit die Konvektionswärmeübertragung in der zweiten Region.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere Regionen mit reduziertem Strömungsquerschnitt in einem Kühlkanal strategisch angeordnet werden, welcher sich unter einem Substrat befindet, das eine oder mehrere Wärme erzeugende Komponenten enthält. Die Regionen des Kanals mit reduziertem Strömungsquerschnitt sind angrenzend an die Rückseite des zur Montage vorgsehenen Substrats an Stellen direkt gegenüber den eine hohe Wärme erzeugenden Komponenten positioniert, die auf der Oberseite des Substrats angeordnet sind. Neben anderen Vorteilen gestattet dieses Merkmal, dass die thermische Leistung des Wärmeabführungssystems optimiert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Beispielen dargestellt und wird nicht durch die Figuren der zugehörigen Zeichnungen beschränkt, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und in welchen:
1 ein dem Stand der Technik entsprechendes Halbleiter-Package mit einem an der Unterseite des Packages angebrachten Kühlkörper darstellt;
2 ein Halbleiter-Package darstellt, das auf einem dem Stand der Technik entsprechenden, Flüssigkeits-gekühlten Kühlkörper angebracht ist;
3A eine Kühleinrichtung darstellt, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist;
3B eine Kühleinrichtung darstellt, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist;
4 eine Seitenansicht eines Kühlmoduls darstellt, das für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist;
5A eine perspektivische Ansicht des in 4 bildlich dargestellten Kühlmoduls zeigt;
5B eine Draufsicht des in 4 und 5A bildlich dargestellten Kühlmoduls zeigt;
6 ein weiteres Beispiel für eine Kühleinrichtung darstellt;
7 ein Kühlmodul in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 eine Draufsicht des in 7 gezeigten Kühlmoduls darstellt;
9 eine Mehrzahl von Kühlmodulen darstellt, die in einer Parallelkonfiguration angeordnet sind;
10 eine Mehrzahl von Kühlmodulen darstellt, die in einer Reihenkonfiguration angeordnet sind;
11 ein Kühlmodul darstellt;
12 ein Kühlmodul darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es wird eine Einrichtung zum Abführen von Wärme aus einer Wärme erzeugenden Komponente beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche, spezielle Details – wie beispielsweise Materialarten, Abmessungen, Prozessschritte etc. – dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu gewährleisten. Für einen Fachmann wird jedoch ersichtlich sein, dass die Erfindung ohne diese speziellen Details ausgeführt werden kann. In anderen Fällen wurden bekannte Elemente und Verarbeitungstechniken nicht in allen Einzelheiten dargestellt, um eine unnötige Verschleierung der vorliegenden Erfindung zu vermeiden. Diese Beschreibung wird hauptsächlich auf jene Anforderungen beschränkt sein, die mit dem Abführen von Wärme aus Halbleiterbauelementen verbunden sind, welche auf einem Montagesubstrat angebracht sind. Es ist jedoch zu erkennen, dass eine derartige Beschränkung nur Beschreibungszwecken dient und dass die Bauelement der vorliegenden Erfindung auf andere Arten von elektronischen Bauelementen und andere Packageformen anwendbar ist.
3 zeigt eine Querschnittansicht einer Kühleinrichtung 50. Die Einrichtung 50 enthält ein Substrat 52 mit einem Halbleiterbauelement 51, das auf der Oberseite 55 des Substrats angebracht ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Halbleiterbauelement 51 mechanisch und elektrisch mit der Oberseite 55 des Substrats 52 über eine Lötverbindung 54 gekoppelt. Ein Thermoklebstoff oder ein anderes Wärme leitendes Material kann ebenfalls verwendet werden, um das Bauelement 51 auf dem Substrat 52 anzubringen. Es ist klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Art und Weise beschränkt ist, auf welche das Halbleiterbauelement 51 thermisch und/oder elektrisch mit dem Substrat 51 gekoppelt ist. Ein Flüssig keitsströmungskanal 60, der zumindest teilweise durch die Rückseite 56 des Substrats 52 definiert wird, wird für den Durchfluss eines Kühlmediums bereitgestellt. Ein Kühlkanalgehäuse 58 definiert den übrigen Teil des Kanals 60. Indem gestattet wird, dass das Kühlmedium in direktem Kontakt mit der Rückseite 56 des Substrats 52 steht, wird der Gesamtwärmewiderstand zwischen dem Kühlmedium und dem Bauelement 51 effektiv reduziert. Durch Minimieren des Wärmewiderstands zwischen dem Kühlmedium und dem Halbleiterbauelement 51 stellt die vorliegende Erfindung ein elektronisches Package mit verbessertem thermischen Verhalten bereit.
Das Substrat 52 besteht üblicherweise aus einem dielektrischen Material, wie beispielsweise einem Keramik-, Kunststoff- oder einem anderen organischen Material, und enthält eine oder mehrere Verdrahtungsschichten (nicht dargestellt), die das Bauelement 51 mit den anderen Komponenten elektrisch verbinden, welche sich entweder auf dem Montagesubstrat 52 oder nicht auf diesem befinden. Das Substrat 52 kann ein Halbleiter-Package, ein Mehr-Chip-Modul, eine Leiterplatte oder dergleichen enthalten.
Bei einem Beispiel besteht das Kühlkanalgehäuse 58 aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff. Der Metall-Matrix-Verbundwerkstoff hat ein wesentlich geringeres Gewicht als herkömmliche Metallwerkstoffe. Außerdem weist der Metall-Matrix-Verbundwerkstoff einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der dem des Substrats 52 im Vergleich zu herkömmlichen Metallwerkstoffen – wie beispielsweise Kupfer- sehr viel näher kommt. Das Gehäuse 58 kann auf dem Substrat durch jedes einer Vielzahl von Befestigungsverfahren, die in der Technik bekannt sind, angebracht sein. Bei einem Beispiel sind Substrat 52 und Kanalgehäuse 58 mit Hilfe einer Blei/Zinn/Antimon(Sn/Ag/Sb)-Lötmetallverbindung befestigt. Da die von dem Bauelement 51 erzeugte Wärme von der Rückseite 56 des Substrats 52 direkt in das durch Kanal 60 strömende Kühlmedium übertragen wird, ist es nicht erforderlich, dass das Kanalgehäuse aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebaut wird. Dies bietet einen deutlichen Vorteil gegenüber den dem Stand der Technik entsprechenden Kühlverfahren und gestattet eine größere Flexibilität bei der Auswahl der Materialien für das Kanalgehäuse. Da beispielsweise das Kanalgehäuse 58 nicht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebaut werden muss, kann ein Material ausgewählt werden, das einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Substrat 52 aufweist. Dies reduziert die Spannungen an der Grenzfläche zwischen Kanalgehäuse 58 und Substrat 52. Durch Reduzierung dieser Spannungen wird auch die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Rissen entlang der Grenzfläche reduziert, was die gesamte Zuverlässigkeit der Kühleinrichtung erhöht. Außerdem können Materialien mit geringerem Gewicht, wie beispielsweise Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe, ausgewählt werden.
Das Kühlmedium, das durch Kanal 60 geleitet wird, ist im Allgemeinen Wasser, kann aber jede einer Vielzahl anderer Kühlsubstanzen enthalten.
In 3A wird der Kühlkanal 60 als ein einzelner Kanal mit einer gleichmäßigen Querschnittsfläche gezeigt. Wie in 3B gezeigt, kann der Kühlkanal in eine Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Strömungskanälen 70a, 70b und 70c unterteilt werden. Die Kanäle 70a–c werden durch die Wandabschnitte 72a und 72b getrennt. Die Wandabschnitte 72a und 72b können mit dem Kanalgehäuse 58 einteilig ausgebildet sein oder können separat daran angebracht werden. Jeder Wandabschnitt hat eine Oberseite 74a und 74b, die an der Rückseite 56 des Substrats 52 anliegt und/oder an dieser angebracht ist. Die Wandabschnitte 72a und 72b bieten zusätzliche Unterstützung zwischen Substrat 52 und Kanalgehäuse 58. Zusätzlich zur Vergrößerung der Fläche, die für die Befestigung des Substrats 52 an dem Gehäuse 58 zur Verfügung steht, reduzieren die Wandabschnitte 72a und 72b das Durchbiegen des Substrats, das durch die auf das Substrat einwirkende Druckkraft des Kühlmediums verursacht wird. Da das Substrat 52 üblicherweise aus einem zerbrechlichen Material – wie beispielsweise Keramik – besteht, reduziert das Einbringen von einem oder mehreren Wandabschnitten in den Kühlkanal die durchschnittliche Durchbie gungsstrecke des Substrats, wodurch die Rissbildung im Substrat gehemmt wird.
Es wird nun zu 4 übergegangen; es wird eine Querschnittseitenansicht einer Wärmeabführungseinrichtung 100 gezeigt. Die Kühleinrichtung enthält ein Wärme erzeugendes Bauelement 104, das mit einer Oberseite 103 eines Substrats 102 thermisch gekoppelt ist. Ein Kühlmodul 110, das einen Flüssigkeitsströmungskanal enthält, ist an der Rückseite 105 des Substrats 102 angebracht. Der Strömungskanal des Kühlmoduls 110 enthält einen ersten Abschnitt 112, einen zweiten Abschnitt 114 und einen dritten Abschnitt 116. Der erste Abschnitt 112 des Kühlkanals ist am Einlass des Kühlmoduls angeordnet. Ihm folgt der zweite Abschnitt 114, welcher einen reduzierten Strömungsquerschnitt aufweist. Der dritte Abschnitt 116 befindet sich am Auslass des Moduls 110 an einer stromabwärts vom zweiten Abschnitt 114 gelegenen Stelle. Abschnitt 114 ist angrenzend an die Rückseite des Substrats 102 an einer Stelle gegenüber dem Wärme erzeugenden Bauelement 104 angeordnet. Der Strömungsquerschnitt des zweiten Kanalabschnitts ist geringer als der Strömungsquerschnitt des ersten und dritten Kanalabschnitts. Der reduzierte Kanalströmungsquerschnitt in Abschnitt 114 verursacht, dass die Geschwindigkeit des Kühlmediums in dem Abschnitt erhöht wird. Da der Konvektionswärmeübergangskoeffizient an der Grenzfläche zwischen Kanal und Substrat proportional der Geschwindigkeit des durch den Kanal strömenden Kühlmediums ist, steigert die Zunahme der Geschwindigkeit des Kühlmediums im Kanalabschnitt 114 effektiv die Übertragung der Wärme von der Rückseite 105 des Substrats 102 in das Kühlmedium. Durch die strategische Anordnung des Hochgeschwindigkeitsabschnitts des Kühlströmungskanals gegenüber jenen Bauelementen, die entlang der Oberseite des Substrats 102 angeordnet sind und die die meiste Kühlung benötigen, stellt die vorliegende Erfindung eine Kühleinrichtung bereit, bei welcher sowohl die Wärme- als auch die Flüssigkeitsdruckdifferenzanforderungen des Systems optimal ausgeglichen werden können, damit ein thermisch effizientes und strukturell zuverlässiges Kühlsystem entsteht. Die Möglichkeit, die Hochgeschwindigkeitsabschnitte des Kühlkanals strategisch anzuordnen, führt zu einem reduzierten Druckabfall in der gesamten Kühleinrichtung. 5A und 5B zeigen eine perspektivische Ansicht beziehungsweise eine Draufsicht des in 4 bildlich dargestellten Kühlmoduls 110.
Bei einem Ausführungsbeispiel besteht das Substrat 102 aus einem Keramikmaterial und hat eine Stärke von ungefähr 25 bis 40 mil. In einigen Fällen kann das Substrat 102 ein Kupferblech 120 oder ein anderes Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit enthalten, das an der Rückseite 105 angebracht ist, wie in 6 gezeigt. Um den Wärmeübertragungsquerschnitt entlang der Rückseite des Substrats zu vergrößern, kann das Kupferblech 120 geätzt oder maschinell bearbeitet werden, damit eine Mehrzahl von Rippen 122 entsteht, die in Längsrichtung entlang der Rückseite des Substrats 102 verlaufen. Durch die Vergrößerung des Wärmeübertragungsquerschnitts wird die Wärmeabführungskapazität der Bauelement ebenfalls erhöht.
Es wird auf die 7 und 8 Bezug genommen; es wird ein Kühlmodul 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Kühlmodul 200 enthält zwei separate Strömungskanäle, die im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Jeder Strömungskanal ist in drei Abschnitte unterteilt: einen ersten Abschnitt 212a und 212b, einen zweiten Abschnitt 214a und 214b und einen dritten Abschnitt 216a und 216b. Jeder Strömungskanal hat eine Einlassöffnung 222a und 222b und eine Auslassöffnung 224a und 224b, die an den gegenüberliegenden Enden des Kühlmoduls angeordnet sind. Jeder der Strömungskanäle ist durch eine Region mit einem reduzierten Strömungsquerschnitt in den Abschnitten 214a und 214b charakterisiert. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Mehr-Chip-Modul, eine Leiterplatte, ein Halbleiter-Package oder ein ähnliches Substrat, das ein oder mehrere Wärme erzeugende Baugruppen enthält, auf der Oberseite 220 des Kühlmoduls angebracht. Wie vorher diskutiert, sind die Komponenten, die mehr Wärme erzeugen, üblicherweise entlang der Oberseite des Substrats direkt über den reduzierten Strömungsquerschnitten des Kühlflüssigkeitskanals angeordnet.
Die Oberseite 220 des Kühlmoduls 200 enthält einen Mittelabschnitt 218, der die Kühlkanalöffnungen entlang der Oberseite des Moduls trennt. Der Mittelabschnitt 218 der Oberseite 220 gestattet, dass ein Substrat sowohl am Rand als auch in der Mitte des Substrats mit dem Kühlmodul 200 verklebt wird. Der Druck des durch die Kanäle des Kühlmoduls strömenden Kühlmediums wirkt auf das Substrat auf eine Art und Weise, die dazu führt, dass sich das Substrat biegt. Die Möglichkeit, das Mittelteil des Substrats an dem mittleren Flächenabschnitt 218 des Kühlmoduls zu befestigen, vermindert die gegen die Ebene des Substrats gerichtete Beanspruchung und die Spannung, die durch den Druck des Kühlmediums verursacht werden, der auf die Rückseite des Substrats wirkt – im Vergleich zu dem Fall, wenn das Substrat nur um den Rand des Substrats herum am Modul befestigt wird. Obwohl das Kühlmodul 200 mit zwei parallelen Kühlströmungskanälen gezeigt wird, ist die Anmerkung wichtig, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Ausführung beschränkt ist. Beispielsweise kann ebenfalls ein Kühlmodul verwendet werden, das drei oder mehr parallele Strömungskanäle enthält.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat das Kühlmodul 200 eine Länge und eine Breite von ungefähr 2 Zoll. Die Kanalabschnitte 212a, 212b, 216a und 216b haben jeweils eine Länge von ungefähr 0,65 Zoll und eine Breite von ungefähr 0,5 Zoll. Die Höhe der Kanalabschnitte 214a und 214b liegt üblicherweise im Bereich von 40 bis 60 mil. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel beträgt die Durchflussrate des Kühlmediums durch jeden Kanal ungefähr 1 bis 2 Gallonen pro Minute. Es ist davon auszugehen, dass die Abmessungen des Kühlmoduls 200 und die Durchflussrate des durch das Modul strömenden Kühlmediums von einer Anwendung zur anderen beträchtlich variieren können.
In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, zwei oder mehr Kühlmodule der vorliegenden Erfindung in einer Parallel- oder Reihenkonfiguration zu kombinieren. 9 stellt eine Kühleinrichtung 300 dar, bei welcher zwei Kühlmodule 302 und 304 in einer Parallelkonfiguration angeordnet sind. Ein Einlassübergangsstück 306 wird an der Einlassseite der Kühlmodule 302 und 304 bereitgestellt, um ein Kühlmedium in jeden der Strömungskanäle des Kühlmoduls zu leiten. Ein Auslassübergangsstück 308 wird entlang der gegenüberliegenden Seite der Module 306 und 308 bereitgestellt, um das ausfließende Kühlmedium von den Modulen wegzuleiten. Bei einem Ausführungsbeispiel werden in jedem der Kühlmodule 302 und 304 Durchgangsbohrungen 320 bereitgestellt, um das Anbringen der Module mit den Gewindebolzen 322 und den Muttern 324 zu ermöglichen. Die Module 302 und 304 können ebenfalls mittels jeder einer Vielzahl von Klemm- oder Klebetechniken angebracht werden.
10 zeigt eine Kühleinrichtung 400, bei welcher zwei Kühlmodule 402 und 404 in einer Reihenkonfiguration angebracht sind. Bei einem Ausführungsbeispiel enthalten die Module 402 und 404 einen Satz von Durchgangsbohrungen 412, die entlang der Länge der Module verlaufen. Die Gewindebolzen 410 werden in den Durchgangsbohrungen positioniert und mit den Muttern 414 befestigt. Dichtungen, O-Ringe oder andere Dichtungsmittel werden an der Grenzfläche der Kühlmodule bereitgestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel werden O-Ringe in den ringförmigen Aussparungen der Einlass- und Auslassanschlüsse der Module bereitgestellt.
Wie vorher angemerkt, sind üblicherweise zwei oder mehr Halbleiterbauelemente auf einem einzelnen Substrat untergebracht. Ein derartiges Beispiel ist ein Mehr-Chip-Modul. 11 zeigt ein Substrat 502 mit drei Wärme erzeugenden Bauelementen 504, 505 und 506, die entlang der Oberseite des Substrats angeordnet sind. Das Substrat 502 ist auf einem Kühlmodul 520 angebracht, das einen Strömungskanal enthält, der zumindest teilweise durch die Rückseite 510 des Substrats 502 gebildet wird. Der Strömungskanal des Kühlmoduls 520 enthält einen ersten Abschnitt 522, einen zweiten Abschnitt 524 und einen dritten Abschnitt 526. Der erste Abschnitt 522 des Strömungskanals ist am Einlass des Kühlmoduls angeordnet; ihm folgt der zweite Abschnitt 224, welcher einen reduzierten und variierenden Strömungsquerschnitt aufweist. Der dritte Abschnitt 526 ist am Auslass des Moduls 520 an einer stromabwärts vom zweiten Abschnitt 524 gelegenen Stelle angeordnet. Abschnitt 524 ist angrenzend an die Rückseite 510 des Substrats 502 an einer Stelle gegenüber den Wärme erzeugenden Bauelementen 504, 505 und 506 angeordnet. Wie vorher diskutiert, verursacht der reduzierte Strömungsquerschnitt von Abschnitt 524, dass sich die Geschwindigkeit des Kühlmediums erhöht, wodurch die Übertragung der Wärme von der Rückseite 510 des Substrats 502 in das Kühlmedium gesteigert wird.
Der Strömungskanalabschnitt 524 des Kühlmoduls 520 wird durch einen variierenden Strömungsquerschnitt charakterisiert. Wie in 11 bildlich dargestellt, verändert sich der Strömungsquerschnitt des Kanalabschnitts 524 von einem größeren ersten Querschnitt an der Stelle 530 zu einem kleineren zweiten Querschnitt an der Stelle 531. Der variierende Strömungsquerschnitt des Strömungskanalabschnitts 524 dient dazu, den Effekt der sich verstärkenden Wärmegrenzschicht des Kühlmediums auszugleichen, wenn es die Wärme aus den wärme erzeugenden Bauelementen sammelt, die sich an der Oberseite des Substrats 502 befinden. Durch die Erhöhung der Geschwindigkeit des Kühlmediums, wenn es durch den Kanalabschnitt 524 strömt, erhöht sich die Wärmeübertragungsrate zwischen der Rückseite des angrenzenden Substrats und dem Kühlmedium entlang der Länge des Abschnitts 524. Ein entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Möglichkeit, die Geometrie des Kühlkanals zu optimieren, um die Temperaturen der wärme abgebenden Bauelemente unabhängig von ihrer Position entlang des Kanals konstant und einheitlich zu halten.
Eine alternative Ausführung des oben beschriebenen Konzepts der variierenden Strömungsquerschnitte wird in 12 gezeigt. In 12 ist eine Mehrzahl von Wärme erzeugenden Bauelementen 604–607 mit der Oberseite 603 eines Substrats 602 thermisch gekoppelt. Das Substrat 602 ist auf einem Kühlmodul 620 angebracht. Die Rückseite 601 des Substrats 602 und das Kühlmodul 620 definieren einen Strömungskanal 630 mit einem Einlass 623 und einem Auslass 624. Der Strömungsquerschnitt des Kanals 630 verändert sich von einem größeren ersten Querschnitt bei Einlass 623 zu einem kleineren zweiten Strömungsquerschnitt bei Auslass 624. Wenn ein Kühlmedium durch den Kanal 630 geleitet wird, wird die Geschwindigkeit des Kühlmediums allmählich erhöht, um den Effekt einer sich verstärkenden Wärmegrenzschicht auszugleichen.
Somit ist eine Einrichtung zum Abführen von Wärme von der Rückseite eines Substrats beschrieben worden, auf welchem ein oder mehrere Wärme abgebende Bauelemente untergebracht sind. In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung ist die Einrichtung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische beispielhafte Ausführungsbeispiele derselben beschrieben worden. Es wird jedoch ersichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen daran vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Beschreibung und die Figuren sind dementsprechend als Beispiele und nicht als Beschränkungen zu verstehen.

Claims

Eine Kühleinrichtung, umfassend: ein Halbleiter-Package-Substrat mit einer Oberseite und einer der Oberseite entgegengesetzten Rückseite, wobei ein Halbleiterchip auf der Oberseite montiert ist; und ein Kühlkanalgehäuse (220) mit einer erste und zweite Wärmeübertragungsöffnungen aufweisenden Oberseite, wobei die Oberseite des Kanalgehäuses zusammen mit zumindest einem Teil der Rückseite des Halbleiter-Package-Substrats einen ersten Strömungskanal mit einer ersten Strömungsrichtung definiert und einen zweiten Strömungskanal mit einer zweiten Strömungsrichtung, wobei der erste und zweite Strömungskanal im wesentlichen parallel und durch eine Trennwand getrennt sind, die von dem Kanalgehäuse gebildet ist und in unmittelbarem Kontakt mit der Rückseite des Halbleiter-Package-Substrats steht und diese trägt, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strömungskanal eine erste Einlaßöffnung (222a), einen ersten Wärmeübertragungsabschnitt (214a) und eine erste Auslaßöffnung (224a) aufweist, wobei die erste Einlaßöffnung und die erste Auslaßöffnung an entgegengesetzten Enden des Kühlkanalgehäuses angeordnet sind, der erste Wärmeübertragungsabschnitt (214a) eine zu der ersten Strömungsrichtung senkrechte Querschnittsfläche aufweist, die kleiner als die zu der ersten Strömungsrichtung senkrechte Querschnittsfläche der ersten Einlaßöffnung ist; der zweite Strömungskanal eine zweite Einlaßöffnung (222b), einen zweiten Wärmeübertragungsabschnitt (214b) und eine zweite Auslaßöffnung (224b) aufweist, wobei die zweite Einlaßöffnung und die zweite Auslaßöffnung an entgegengesetzten Enden des Kühlkanalgehäuses angeordnet sind, der zweite Wärmeübertragungsabschnitt (214b) eine zu der zweiten Strömungsrichtung senkrechte Querschnittsfläche aufweist, die kleiner als die zu der zweiten Strömungsrichtung senkrechte Querschnittsfläche der zweiten Einlaßöffnung ist; die ersten und zweiten Wärmeübertragungsabschnitte (214a, 214b) angrenzend an einen im wesentlichen gegenüber von dem Halbleiterchip vorgesehenen Bereich der Rückseite des Halbleiter-Package-Substrats angeordnet sind und durch die Trennwand des Kühlkanalgehäuses getrennt sind, die an die Rückseite des Halbleiter-Package-Substrats angrenzt.
Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Kanalgehäuse aus einem Metall-Matrix-Verbundmaterial hergestellt ist.
Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das Metall-Matrix-Verbundmaterial einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der demjenigen des Halbleiter-Package-Substrats ähnlich ist.
Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ferner wärmeleitende Rippen vorgesehen sind, die auf dem Bereich der Rückseite angeordnet sind, der dem Halbleiterchip gegenüberliegt.
Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die wärmeleitenden Rippen Kupfer enthalten.
Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei ferner zumindest ein sich durch das Kühlkanalgehäuse erstreckendes Bolzenloch vorgesehen ist, wobei das mindestens eine Loch im wesentlichen parallel zu der Ebene der Rückseite verläuft und weder auf die ersten noch die zweiten Strömungskanäle trifft, wobei das zumindest eine Bolzenloch zum Einführen von mindestens einem durch mindestens eine Mutter gesicherten Bolzen vorgesehen ist, um die Verbindung der Kühleinrichtung mit einer zweiten Kühleinrichtung zu ermöglichen.
Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das zumindest eine Bolzenloch im wesentlichen parallel zu der ersten oder der zweiten Strömungsrichtung verläuft.
Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das zumindest eine Bolzenloch im wesentlichen senkrecht zu entweder der ersten oder der zweiten Strömungsrichtung verläuft.
Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 1, ferner mit einem O-Ring oder einer Dichtung, der/die eine oder mehrere der Auslaß- oder Einlaßöffnungen der ersten und zweiten Strömungskanäle an einer oder mehreren Seitenflächen des Kühlkanalgehäuses umgibt.
Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Verbindung eine der folgenden Konfigurationen aufweist: eine Parallel-Verbindungskonfiguration, eine Reihen-Verbindungskonfiguration und eine Kombination aus Parallel- und Reihen-Verbindungskonfigurationen.
Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Kühleinrichtung und die zweite Kühleinrichtung eine Einlaß-Sammelleitung aufweisen.
Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Kühleinrichtung und die zweite Kühleinrichtung eine Auslaß-Sammelleitung aufweisen.
Die Kühleinrichtung gemäß Anspruch 6, ferner das Sichern der Verbindung durch Klemmen oder Kleben umfassend.
Ein Verfahren zum Leiten einer Kühlflüssigkeit über die Rückseite eines Halbleiter-Package-Substrats, wobei: die Kühlflüssigkeit zu einem Kühlkanalgehäuse mit einer erste und zweite Wärmeübertragungsöffnungen aufweisenden Oberseite geleitet wird, wobei die Oberseite des Kanalgehäuses zusammen mit zumindest einem Teil der Rückseite des Halbleiter-Package-Substrats einen ersten Strömungskanal mit einer ersten Strömungsrichtung und einen zweiten Strömungskanal mit einer zweiten Strömungsrichtung definiert, wobei die ersten und zweiten Strömungskanäle im wesentlichen parallel und durch eine Trennwand getrennt sind, die von dem Kanalgehäuse gebildet ist und in unmittelbarem Kontakt mit der Rückseite des Halbleiter-Package-Substrats steht und diese trägt; und die Kühlflüssigkeit durch den ersten Strömungskanal übertragen wird; und die Kühlflüssigkeit durch den zweiten Strömungskanal mit einer zweiten Strömungsrichtung übertragen wird, wobei der erste Strömungskanal eine erste Einlaßöffnung (222a), einen ersten Wärmeübertragungsabschnitt (214a) und eine erste Auslaßöffnung (224a) aufweist, wobei die erste Einlaßöffnung und die erste Auslaßöffnung an entgegengesetzten Enden des Kühlkanalgehäuses angeordnet sind und wobei der erste Wärmeübertragungsabschnitt (214a) eine zu der ersten Strömungsrichtung senkrechte Querschnittsfläche der ersten Einlaßöffnung aufweist; und wobei der zweite Strömungskanal eine zweite Einlaßöffnung (222b), einen zweiten Wärmeübertragungsabschnitt (214b) und eine zweite Auslaßöffnung (224b) aufweist, wobei die zweite Einlaßöffnung und die zweite Auslaßöffnung an entgegengesetzten Enden des Strömungskanalgehäuses angeordnet sind und der zweite Wärmeübertragungsabschnitt (214b) eine zu der zweiten Strömungsrichtung senkrechte Querschnittsfläche aufweist, die kleiner als die zu der zweiten Strömungsrichtung senkrechte Querschnittsfläche der zweiten Einlaßöffnung ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Kanalgehäuse aus einem Metall-Matrix-Verbundmaterial hergestellt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Metall-Matrix-Verbundmaterial einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der demjenigen des Halbleiter-Package-Substrats ähnlich ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei ferner wärmeleitfähige Rippen auf dem Bereich der Rückseite angeordnet werden, der dem Halbleiterchip gegenüberliegt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei die wärmeleitfähigen Rippen Kupfer enthalten.
Das Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei ferner: zumindest ein Bolzenloch durch das Kühlkanalgehäuse hindurch geführt wird, wobei das zumindest eine Loch im wesentlichen parallel zu der Ebene der Rückseite verläuft und weder auf die ersten noch auf die zweiten Strömungskanäle trifft; mindestens ein Bolzen durch das mindestens eine Bolzenloch eingeführt wird; und zumindest eine Mutter an dem mindestens einen Bolzen befestigt wird, um das Verbinden der Kühleinrichtung mit einer zweiten Kühleinrichtung zu ermöglichen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei das zumindest eine Bolzenloch im wesentlichen parallel zu entweder der ersten oder der zweiten Strömungsrichtung verläuft.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei das zumindest eine Bolzenloch im wesentlichen senkrecht zu entweder der ersten oder der zweiten Strömungsrichtung verläuft.
Das Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei ferner ein O-Ring oder eine Dichtung um eine oder mehrere der Auslaß- oder Einlaßöffnungen der ersten und der zweiten Strömungskanäle an einer oder mehreren Seitenflächen des Kühlkanalgehäuses gelegt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei die Verbindung eine der folgenden Konfigurationen aufweist: eine Parallel- Verbindungskonfiguration, eine Reihen-Verbindungskonfiguration und eine Kombination aus Parallel- und Reihen-Befestigungskonfigurationen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei die Kühleinrichtung und die zweite Kühleinrichtung eine Einlaß-Sammelleitung aufweisen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei die Kühleinrichtung und die zweite Kühleinrichtung eine Auslaß-Sammelleitung aufweisen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei ferner die Verbindung durch Klemmen oder Kleben gesichert wird.