EP1354352A2 - Kühleinrichtung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Kühleinrichtung und verfahren zu deren herstellung

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Publication number
EP1354352A2
EP1354352A2 EP01971879A EP01971879A EP1354352A2 EP 1354352 A2 EP1354352 A2 EP 1354352A2 EP 01971879 A EP01971879 A EP 01971879A EP 01971879 A EP01971879 A EP 01971879A EP 1354352 A2 EP1354352 A2 EP 1354352A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling device
substrate
heat
channels
particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01971879A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wilfried Hofmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NFT Nanofiltertechnik GmbH
Original Assignee
NFT Nanofiltertechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10041829A external-priority patent/DE10041829B4/de
Application filed by NFT Nanofiltertechnik GmbH filed Critical NFT Nanofiltertechnik GmbH
Publication of EP1354352A2 publication Critical patent/EP1354352A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/20—Arrangements for cooling
    • H10W40/22—Arrangements for cooling characterised by their shape, e.g. having conical or cylindrical projections
    • H10W40/226—Arrangements for cooling characterised by their shape, e.g. having conical or cylindrical projections characterised by projecting parts, e.g. fins to increase surface area
    • H10W40/228—Arrangements for cooling characterised by their shape, e.g. having conical or cylindrical projections characterised by projecting parts, e.g. fins to increase surface area the projecting parts being wire-shaped or pin-shaped
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0077—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for tempering, e.g. with cooling or heating circuits for temperature control of elements
    • F28D2021/0078—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for tempering, e.g. with cooling or heating circuits for temperature control of elements in the form of cooling walls

Definitions

  • the invention relates to a cooling device and a method for its production, and in particular to a passive cooling device for cooling electrical and electronic components.
  • electrical and electronic components such as Microprocessors
  • a loss of power occurs that limits or deteriorates the performance of such units.
  • the clock frequency can be increased by more than 30%.
  • failures occur due to overheating. Overheating such components also significantly reduces their lifespan.
  • passive and active cooling devices e.g. Heatsink with fins and / or fan with motors.
  • blower should be as low as possible Weight so that the circuit board is not mechanically loaded, which can lead to cracks in fine conductor tracks.
  • Active cooling devices such as blowers, have several disadvantages. For example, they need electrical energy, take up more space, cause noise and cause relatively high acquisition and later also operating costs. If the active cooling device fails, the component (eg the processor) heats up quickly and unnoticed, so that it is damaged or even destroyed.
  • Heat pipe structures are devices that are used to dissipate heat from one place of production to another.
  • a liquid with high latent heat of vaporization evaporates in the hot area of the arrangement.
  • the pressure created during evaporation drives the steam to the cold part of the arrangement. There the steam condenses into the liquid phase and releases the transported heat again.
  • DE 197 44 281 AI describes a cooling device for cooling semiconductor components according to the heat pipe principle, that is also a heat pipe structure with a housing which has a plurality of capillary structures saturated with cooling liquid, the permeability, cross-sectional area and effective pore diameter of which is set such that a high capillary pressure arises. Additional channels are provided within the housing, which have a larger cross-sectional area than the capillary structure, so that the channels have a significantly lower capillary pressure than the capillary structure.
  • DE 19641731 AI describes a device for cooling at least two electrodes having arc generators, of which at least one electrode is assigned a porous heat sink.
  • the porous heat sink is designed as a sintered body, which is either pressed into a mold and inserted into the anode, or is machined. Inside the sponge-like porous heat sink are fine channels, within which a gas flows. The heat sink is used there so that the heat is supplied to the combustion process, so that the
  • Tungsten is proposed as a particularly suitable material for this heat sink.
  • the object of the invention is to provide a cooling device which avoids the above disadvantages of the prior art and is inexpensive to produce with good cooling performance. It is a further object of the invention to provide a method for producing such a cooling device.
  • the basic principle of the invention is that the cooling device is a substrate with a predetermined structuring and with a large surface in relation to its projection surface.
  • a heat-conducting layer is preferably applied to at least part of the surface of the structured substrate.
  • the predetermined structuring of the substrate preferably includes a multiplicity of channels with a suitable geometry, which preferably extend through the thickness of the substrate, so that the heat dissipation area is greatly enlarged in relation to the heat introduction area and can certainly take orders of magnitude up to a factor of 700 and more .
  • the specified structuring relates to the shape, size, number and spatial distribution of the channels, which, in contrast to the sintered body of the prior art, is clearly predetermined and reproducible, so that all the cooling devices of the invention also reproducible
  • the master patent solves this problem in that the heat dissipation area is significantly larger than the heat introduction area due to a predetermined structuring.
  • Structuring is preferably formed there by channels which extend through the substrate. Some or all of the surfaces there can preferably be provided with a heat-conducting coating.
  • the present additional application improves the solution according to the parent patent in that the heat dissipation area is further increased by the fact that it has a rough surface.
  • This is preferably done by applying small particles made of a material with a good thermal conductivity coefficient, which can be done directly on the structured substrate or on the thermally conductive coating.
  • the particles are on the order of a few ⁇ m or smaller down to the range of a few nanometers (nm).
  • Such particles with heat conduction properties can
  • AI Cu, Ag, Au or also consist of metal oxides, such as Iron oxide. Instead of individual particles, a porous, sponge-like thin oxide layer can also be applied.
  • the manufacturing process includes the step:
  • the substrate is made of silicon or similar material.
  • the structuring of the substrate is carried out using etching methods as are known within the semiconductor industry.
  • the structuring and in particular the formation of channels is carried out in a precisely defined manner, for example by specifying the number, dimensions, geometry and spatial arrangement or spatial distribution of the channels.
  • a ratio of the heat dissipation area to the heat introduction area of 400 to 700 and more can be achieved, i.e. for an area of 1 cm 2 of a heat source (heat introduction area) there is an area of 400 to 700 cm 2 and more for the radiation of the heat available. This allows a very large amount of heat to be dissipated very easily from a heat source.
  • the heat-conducting layer is made of material with high thermal conductivity, e.g. Silver, copper, aluminum or the like. This layer is thin in relation to the thickness of the substrate, and preferably the ratio is less than 50%.
  • the heat introduction surface is also structured, preferably in the form of channels running parallel to this surface, which can be in flow connection with the channels extending through the thickness of the substrate.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a cooling device according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a perspective view similar to Figure 1 according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 4a and 4b show a perspective view similar to FIG. 3 with vertical channels with different cross sections;
  • FIG. 5 is a perspective view of a cooling device according to the invention.
  • Fig. 6 is a schematic cross section of a substrate according to the invention with inclined channel walls.
  • the substrate 1 shows a substrate 1 which has a multiplicity of channels 2 which extend through the thickness of the substrate 1.
  • the substrate here is a cuboid body, one surface of which has a layer 3 of thermally conductive material. This area is referred to below as the heat introduction area. It is in direct contact with an object 6 to be cooled, which can be, for example, a microprocessor, a chip, another electronic or electrical component or else another body to be cooled.
  • the substrate 1 consists, for example, of silicon or a similar material.
  • the structuring of the substrate in this case the production of the channels 2, is carried out with the aid of suitable lithography and etching processes, as are used in the semiconductor industry.
  • the structure formation can take place in a precisely defined manner, for example by specifying the number, dimensions and arrangement or spatial distribution of the channels 2. By choosing the parameters, a ratio of heat dissipation area to heat introduction area of 400 to 700 and more can be achieved.
  • the heat dissipation surface here is not only the surface 4 of the substrate, but primarily the much larger inner surface of the channels 2. These inner surfaces, the surface 4 and the side surfaces with the exception of the heat introduction surface form the heat dissipation surface.
  • the substrate provided with the thermally conductive layer 3 is preferably attached to the heat source 6 using a thermally conductive connection, for example with a thermally conductive adhesive.
  • the heat-conducting connection can, but does not have to be formed with the same material as the heat-conducting layer.
  • the diameter of the channels 2 is very small in relation to the heat introduction area and is preferably in the order of 10-50 ⁇ .
  • the ratio of the heat dissipation area to the heat introduction area is significantly greater than 1 and preferably significantly greater than 100.
  • the thermally conductive layer 3 has a high coefficient of thermal conductivity. Copper, for example, is suitable as the thermally conductive layer 3, which has a far higher thermal conductivity than aluminum. However, copper has a significantly higher specific weight than aluminum, which is why a heat sink made entirely of copper has a relatively high weight and therefore a circuit board, e.g. a motherboard of a computer would be exposed to considerable mechanical stress.
  • the thermally conductive layer 3 in relation to the thickness of the
  • Substrate 1 thin, and preferably the layer 3 has only a thickness of ⁇ 10 microns, while the thickness of the substrate 1st is on the order of 1mm.
  • This very thin layer of heat-conducting material such as copper, eliminates the problems of mechanical stress, since the total weight of the cooling device is very low.
  • the contact between the heat source 6 and the cooling device must exist completely, ie over the entire base area of the cooling device.
  • the heat-conducting layer 3 can be applied in a liquid or semi-liquid manner and then actively or passively solidified. By applying the heat-conducting layer in liquid or semi-liquid form, an optimal contact between the substrate and the heat source can be created.
  • any unevenness in the surface of a heat source which would only lead to selective contact between the substrate and the heat source and thus poor heat coupling between them, is caused by the liquid or semi-liquid balanced thermal layer.
  • Numerous materials are suitable as the material for the heat-conducting layer, such as silicone, heat-conducting paste, aluminum, copper, silver, etc.
  • the overall dimensions of the cooling device are relatively small.
  • the surface corresponds essentially to the radiating surface of the object to be cooled 6.
  • Thickness is significantly smaller than the length of the longer edge of the base area and is preferably in the range of 1 mm, which makes the heat conduction distance very short. Good heat coupling between the heat source or the heat introduction surface and the entire heat dissipation surface, which is extremely large in comparison, is thus achieved. The heat is therefore transported very quickly and the cooling performance is excellent.
  • the heat is derived from the heat source 6 by transferring the heat absorbed in the heat-conducting layer 3 of the structured substrate 1 Energy on the surrounding medium, for example air.
  • the ambient medium is heated and flows through the structured substrate into the ambient air.
  • the convection flow begins gradually because the heat source also only gradually warms up after it has been put into operation.
  • a further improvement is obtained if the entire heat dissipation surface is covered with the heat-conducting layer, that is to say also the inner walls of the channels 2, the surface 4 and the side surfaces.
  • FIGS. 2a to 2f Various variants are possible here, some of which are shown in FIGS. 2a to 2f.
  • all surfaces of the substrate 1 are coated with the thermally conductive layer, that is to say the underside with the layer 3, the inner walls of the channels 2 with the layer 7 and the surface with the layer 8.
  • the underside is coated with the layer 3 and the inner walls of the channels 2 with the layer 7, while the surface 4 is uncoated.
  • the entire underside of the substrate 1 is covered with the layer 3, i.e. the underside of the channels 2 is also closed by the layer 3. Otherwise, as in FIG. 2a, all other surfaces are also coated.
  • the channels 2 are in turn closed with the layer 3, but the surface 4 is not coated.
  • the entire underside of the substrate 1 is coated in such a way that the channels 2 are also closed at the bottom by the layer 3. The remaining areas have no coating.
  • the channels have a rectangular cross section.
  • other cross sections can also be used, e.g. Cylindrical shape or any other shape.
  • the cross section of the channels can - as shown in Fig. 4a - also taper, i.e. for example, have a decreasing diameter in the direction from the heat introduction surface to the surface.
  • This geometry in conjunction with the speed of the cooling medium (e.g. air), can create a pressure drop in the duct.
  • the lower pressure in the upper area of the channel supports the removal of the heated medium and thus the cooling efficiency of the cooling device.
  • the convection flow will also be particularly supported in that the channel dimensions are designed to decrease in the desired direction of flow over the entire path of the fluid.
  • 4a shows the preferred flow direction from the object 6 to be cooled through the channels 2 to the surface 4 of the substrate 1.
  • the Bernoulli equation provides the following relationship:
  • V is the flow rate of the fluid in the channel.
  • the direction of flow does not necessarily have to run vertically, but can also run laterally coming from above.
  • the structured substrate can be produced in various ways.
  • a first possibility is the formation of the structures in the substrate by different
  • Etching process Another possible method for forming the structures in the substrate is the use of embossing methods (hot or cold) to transfer structures onto a substrate.
  • embossing methods hot or cold
  • these two fundamentally different methods can also be used in combination.
  • the substructures provided with continuous pores or channels can be produced with the aid of etching processes and a structured substrate which is possibly placed between this structure and the heat source can be produced with the aid of embossing processes.
  • Another method for forming the structure in the substrate is the well-known LIGA method (lithography and electroplating).
  • a carrier layer made of a material coated with a heat-conducting material eg plastic
  • no etching steps are required.
  • the resulting benefits are obvious.
  • the only ones required Partial steps of this process variant are: mask production, lithography (eg X-ray lithography), electroplating, demolding, filling with eg plastic, demolding.
  • the plastic shape is identical to the mask.
  • This plastic form can then be coated with the heat-conducting material.
  • the shape created by electroplating then forms the production template for further cooling devices made of plastic with a thermally conductive coating.
  • the application of the heat-conducting layer or layers can e.g. done by vapor deposition. This creates an excellent contact between the heat source and the
  • Cooling device created because the formation of voids between them is avoided.
  • tapered channels can moreover be carried out, for example, by anisotropic wet-chemical etching solutions, it being possible, for example, to form V-shaped recesses in [100] silicon and U-shaped recesses in [110] silicon.
  • the heat introduction surface of the substrate has grooves or furrows 9 which are in flow connection with the channels 2.
  • Cooling medium e.g. Air with ambient temperature flows in these grooves 9 and conducts and dissipates heat from the surface of the object to be cooled to the channels 2.
  • the cooling device has a two-part structure, the first part of which is the structured substrate 1 described above, while the second part of the cooling device of this embodiment is a second substrate 10 which is between the heat source and the first substrate 1 is arranged and has a channel structure with the grooves or furrows 9. These grooves 9 run parallel to one another and parallel to the surface of the heat source and of course also parallel to the underside of the first substrate. Of course, other designs of the structure are also possible.
  • the second substrate 10 has the task of improving the supply of the ambient medium for heat dissipation. In stationary operation, a type of chimney fume is formed, in which heat is removed from the heat source by means of continuous convection.
  • the second substrate 10 is preferably made thinner than the first substrate 1 and also carries the heat-conducting layer 3 on its underside.
  • basically two variants are conceivable, namely one in which the grooves or furrows 9 are in flow connection with the channels 2, What is illustrated by the groove 9 'and the channel 2' in Fig. 3, the second substrate 10 also has vertically extending openings or pores and a second variant in which there is no flow connection between the grooves 9 and the channels 2, which can be seen at channel 2 "in Fig. 3.
  • the entire cooling device with the channels 2 and the grooves 9 can also be formed in one piece, which in turn by
  • the two substrates 1 and 10 are to be structured separately and then connected in a heat-conducting and aligned manner, for example with a heat-conducting adhesive. Coating can be done analogously to
  • Embodiments of FIG. 2 are performed. If the heat source is a microprocessor or another electronic component, the cooling device of the present invention can be provided on the microprocessor during the manufacture thereof. Especially if the heat source is a microprocessor or another electronic component, the cooling device of the present invention can be provided on the microprocessor during the manufacture thereof. Especially if the
  • the cooling device can be integrated in the microprocessor. This reduces the number of production steps, reduces the adjustment effort when attaching the cooling device to the microprocessor, speeds up production, increases the yield in processor production and lowers the overall costs. If the cooling device is integrated into the heat source, such as a microprocessor, this can be implemented in a simple manner known to the person skilled in the art, such as, for example, the above-mentioned etching and lithography processing, over the entire surface of the heat source. If desired, the cooling device can even be “embedded” in the microprocessor, ie the top of the cooling device is flush with the top of the microprocessor.
  • the substrate 11 which has a multiplicity of channels 12 which extend through the thickness of the substrate 11.
  • the substrate here is a cuboid body, the surface of which has a layer 13 of thermally conductive material. This area is referred to below as the heat introduction area. It is in direct contact with an object 16 to be cooled, which can be, for example, a microprocessor, a chip, another electronic or electrical component or else another body to be cooled.
  • the substrate 11 consists, for example, of silicon or a similar material.
  • the structuring of the substrate in this case the production of the channels 12, is carried out with the aid of suitable lithography and etching processes, as are used in the semiconductor industry.
  • the structure can be formed in a precisely defined manner, for example by specifying the number, dimensions and arrangement or spatial distribution of the channels 12. By choosing the parameters, a ratio of heat dissipation area to arm introduction area of, for example, 400 to 700 and more can be achieved.
  • the heat dissipation surface here is not only the surface 14 of the substrate, but primarily the much larger inner surface of the channels 12. These inner surfaces, the surface 14 and the side surfaces with the exception of the heat introduction surface form the heat dissipation surface.
  • all other embodiments of the structured substrate set out in the parent patent are also possible and are hereby included.
  • At least one surface of the heat dissipation surface is provided with a rough surface.
  • This roughening is e.g. by applying thermally conductive particles 21 to the already structured substrate. These particles can be applied directly to the substrate. If some surfaces of the substrate are provided with a heat-conducting layer 13, these particles 21 are applied to the heat-conducting layer 13. This roughening of the surface further increases the heat dissipation area.
  • the magnification factor compared to the exemplary embodiments in FIGS. 1 to 4 is at least 2, preferably more than 10 or higher. As a result, the ratio of the heat dissipation area to the heat introduction area can be 1000 to 7000 or more.
  • the dimensions of the particles 21 are of the order of a few micrometers or smaller, in particular up to a few nanometers.
  • Such particles can e.g. consist of metal oxides, such as iron oxide.
  • Other materials are of course also possible.
  • a porous, sponge-like thin oxide layer can also be applied.
  • the radiated power is proportional to the radiation area, here the heat dissipation surface, and the fourth power of the temperature (T 4 ). Accordingly, the net radiation power of a body with temperature T at an ambient temperature of T 0 is as follows:
  • the material properties of the coating are included in the emissivity e.
  • a good emissivity e is obtained with metals (AL, CU etc.) or oxide compounds that are applied by vapor deposition processes.
  • FIG. 6 schematically shows an enlarged section of a cross section of the substrate 11, in which channels 12 also run through the substrate, but whose side walls are inclined with respect to the vertical.
  • the channel walls form a trapezoidal shape directed away from the heat source 16.
  • the "slope angle" of this trapezoidal structure can be e.g. Be 54.76 °. This angle can be varied by changing the position of the crystal planes accordingly.
  • the channel walls are coated with particles 21, as a result of which the heat-radiating surface is enlarged. If the channel walls are coated with a heat-conducting layer 17, this is provided with the part no 21. This also applies to the surface 14 with the heat-conducting layer 8 and the underside with the heat-conducting layer 13.
  • the cooling device can of course be applied over the entire surface in one of the ways described above, for example with a small distance between the individual ones Cooling devices or partially adjoining each other.
  • cooling device according to the invention can also be used for other sources of heat than microprocessors.
  • fans or other ventilation devices can of course also be arranged. It is also possible to arrange the cooling device separately from the heat source after the invention and then to couple it to it by a heat conductor.

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Abstract

Die Kühlvorrichtung, insbesondere für elektronische Bauteile, wie Mikroprozessoren, besteht aus einem Substrat (1), das eine Wärmeeinleitungsfläche, die in thermischem Kontakt zu einem zu kühlenden Gegenstand (6) steht, und eine Wärmeabteilungsfläche aufweist. Die Wärmeableitungsfläche hat eine definierte Strukturierung, vorzugsweise in Form von durchgehenden Kanälen (2) und hat damit eine wesentlich grössere Oberfläche als die Wärmeeinleitungsfläche. Mindestens die Wärmeeinleitungsfläche, vorzugsweise aber auch alle oder wesentliche Teile der Wärmeableitungsfläche sind mit einer dünnen Beschichtung (3) aus wärmeleitfähigem Material versehen. Eine weitere Verbesserung erhält man dadurch, dass die Oberfläche eine Beschichtung aus feinen Partikeln (21), beispielsweise aus Metall oder Metalloxid, aufweist, die die Oberfläche weiter vergrössern.

Description

Kühleinrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung und insbesondere auf eine passive Kühleinrichtung zur Kühlung elektrischer und elektronischer Bauteile. Bei elektrischen und elektronischen Bauteilen, wie z.B. Mikroprozessoren, tritt eine Verlustlei- stung auf, die die Leistungsfähigkeit solcher Einheiten beschränkt oder verschlechtert. Wird beispielsweise die Betriebstemperatur eines Mikroprozessors von 100°C auf 0°C verringert, so kann die Taktfrequenz um mehr als 30% gesteigert werden. Abgesehen von einer Leistungssteigerung treten aufgrund von Überhitzungen Ausfälle auf . Überhitzungen solcher Bauteile reduzieren außerdem deren Lebensdauer beträchtlich. Zur Kühlung und Ableitung der Verlustwärme von elektronischen Bauteilen ist es üblich, passive und aktive Kühleinrichtungen zu verwenden, wie z.B. Kühlkörper mit Rippen und/oder Gebläse mit Motoren. Die Kühlkörper
(ggf. samt Gebläse) sollen dabei ein möglichst geringes Gewicht haben, damit die Platine mechanisch nicht belastet wird, was zu Rissen von feinen Leiterbahnen führen kann. Aktive Kühleinrichtungen, wie z.B. Gebläse, haben mehrere Nachteile. So brauchen sie elektrische Energie, haben einen höheren Platzbedarf, verursachen Geräusche und verursachen relativ hohe Anschaffungs- und später auch Betriebskosten. Bei einem etwaigen Ausfall der aktiven Kühleinrichtung erwärmt sich das Bauelement (z.B. der Prozessor) schnell und unbemerkt, so daß es beschädigt oder sogar zerstört wird.
Die DE 19626227 C2 beschreibt eine Kühleinrichtung, die nach dem Prinzip der "Heatpipes" arbeitet. Heatpipe-Struk- turen sind Vorrichtungen, die zur Abfuhr von Wärmemengen dienen von einem Ort der Erzeugung zu einem anderen Ort.
Am heißen Bereich der Anordnung verdampft eine Flüssigkeit mit hoher latenter Verdampfungswärme. Der bei der Verdampfung entstehende Druck treibt den Dampf zum kalten Teil der Anordnung. Dort kondensiert der Dampf in die flüssige Phase und gibt die transportierte Wärme wieder ab. Das flüssige
Kondensat wird wieder zur Verdampfungsstelle zurückgeführt, womit ein Kreislauf geschlossen ist. Aufbau und Herstellung einer solchen Kühleinrichtung sind sehr aufwendig und kompliziert und damit auch teuer.
Die DE 197 44 281 AI beschreibt eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Halbleiterbauelementen nach dem Wärmerohrprinzip, also ebenfalls eine Heatpipe-Struktur mit einem Gehäuse , das mehrere mit Kühlflüssigkeit gesättigte Kapillarstrukturen aufweist, deren Permeabilität, Querschnittsf lache und effektiver Porendurchmesser so eingestel lt ist , daß ein hoher Kapillardruck entsteht . Innerhalb des Gehäuses sind zusätzliche Kanäle vorgesehen, die eine größere Querschnittsf lache besitzen als die Kapillarstruktur , so daß die Kanäle einen wesentlich niedrigeren Kapillardruck als die Kapillar Struktur aufweisen . Auch hier sind Aufbau und Herstellung recht aufwendig . Die DE 19641731 AI beschreibt eine Vorrichtung zur Kühlung von mindestens zwei Elektroden aufweisenden Lichtbogengeneratoren, von denen mindestens einer Elektrode ein poröser Kühlkörper zugeordnet ist. Der poröse Kühlkörper ist dort als Sinterkörper ausgebildet, der entweder in eine Form gepreßt und in die Anode eingesetzt oder mechanisch bearbeitet wird. Innerhalb des schwammartig porösen Kühlkörpers sind feine Kanäle, innerhalb derer ein Gas strömt. Der Kühlkörper wird dort so eingesetzt, daß die anfallende Wärme dem Verbrennungsvorgang zugeführt wird, so daß die
Wärmeverluste auf ein Minimum reduziert sind. Als besonders geeignetes Material für diesen Kühlkörper wird Wolfram vorgeschlagen .
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühleinrichtung zu schaffen, die die obigen Nachteile des Standes der Technik vermeidet und bei guter Kühlleistung kostengünstig herstellbar ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kühleinrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 bzw. 13 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, daß die Kühleinrichtung ein Substrat mit vorgegebener Strukturierung und mit einer im Verhältnis zu dessen Projektionsfläche großen Oberfläche ist. Auf zumindest einem Teil der Oberflä- ehe des strukturierten Substrates ist vorzugsweise eine wärmeleitende Schicht aufgebracht ist. Die vorgegebene Strukturierung des Substrates beinhaltet vorzugsweise eine Vielzahl von Kanälen mit geeigneter Geometrie, die sich vorzugsweise durch die Dicke des Substrates hindurch er- strecken, so daß die Warmeableitungsflache im Verhältnis zur Wärmeeinleitungsfläche stark vergrößert ist und durchaus Größenordnungen bis zum Faktor 700 und mehr annehmen kann. Die vorgegebene Strukturierung bezieht sich dabei auf Form, Größe, Anzahl und räumliche Verteilung der Kanäle, die im Gegensatz zu dem Sinterkörper des Standes der Technik eindeutig vorbestimmt und reproduzierbar ist, so daß auch alle Kühleinrichtungen der Erfindung diese reproduzierbare
Kühlleistung haben.
Das Stammpatent löst diese Aufgabe dadurch, daß die Warmeableitungsflache aufgrund einer vorgegebenen Strukturierung wesentlich größer ist als die Wärmeeinleitungsfläche. Die
Strukturierung ist dort vorzugsweise durch Kanäle gebildet, die sich durch das Substrat hindurch erstrecken. Vorzugsweise können dort einige oder alle Flächen mit einer wärmeleitenden Beschichtung versehen sein.
Die vorliegende Zusatzanmeldung verbessert die Lösung nach dem Stammpatent dadurch, daß die Wärmeableitungsfläche dadurch weiter vergrößert wird, daß sie eine rauhe Oberfläche hat. Dies erfolgt vorzugsweise durch Aufbringen von kleinen Partikeln aus einem Material mit gutem Wärmeleitungskoeffizienten, was unmittelbar auf das strukturierte Substrat oder auf die wärmeleitende Beschichtung erfolgen kann. Die Partikel sind in der Größenordnung von wenigen μm oder kleiner bis in den Bereich von einigen Nano etern (nm) . Solche Partikel mit Wärmeleitungseigenschaften können aus
AI, Cu, Ag, Au oder auch aus Metalloxiden bestehen, wie z.B. Eisen-Oxid. Statt einzelner Partikel kann auch eine poröse, schwammartig ausgebildete dünne Oxidschicht aufgebracht werden.
Das Herstellungsverfahren umfaßt den Schritt:
definiertes Strukturieren eines Substrates, vorzugsweise mit Kanälen, deren Form, Größe, Anzahl und räumliche Vertei- lung eindeutig festgelegt ist,
und nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung den Schritt :
Aufbringen einer wärmeleitenden Schicht auf mindestens einen Teil der Oberfläche des strukturierten Substrates.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Substrat aus Silizium oder ähnlichem Material. Das Strukturieren des Substrates erfolgt mit Ätzverfahren, wie sie innerhalb der Halbleiterindustrie bekannt sind. Die Struktu- rierung und insbesondere die Ausbildung von Kanälen erfolgt in genau definierter Weise, indem beispielsweise Anzahl, Abmessungen, Geometrie und räumliche Anordnung bzw. räumliche Verteilung der Kanäle vorgegeben werden. Durch Wahl dieser Parameter kann ein Verhältnis von Wärmeableitungsfläche zu Wärmeeinleitungsfläche von 400 bis 700 und mehr erreicht werden, d.h. bei einer Fläche von 1 cm2 einer Wärmequelle (Wärmeeinleitungsfläche) steht für die Abstrahlung der Wärme eine Fläche von 400 bis 700 cm2 und mehr zur Verfügung. Dadurch kann eine sehr große Wärmemenge sehr einfach von einer Wärmequelle abgeführt werden.
Die wärmeleitende Schicht ist aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Silber, Kupfer, Aluminium oder dergleichen. Diese Schicht ist im Verhältnis zur Dicke des Substrates dünn, und vorzugsweise liegt das Verhältnis unter 50%.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist auch die Warmeeinleitungsflache strukturiert, und zwar vorzugsweise in Form von parallel zu dieser Fläche laufenden Kanälen, die mit den sich durch die Dicke des Substrates erstreckenden Kanälen in Strömungsverbindung stehen können. Damit entsteht für den Wärmeabtransport eine Strömung eines umgebenden Kühlmediums, wie z.B. Luft oder auch andere Gase oder Flüssig- keiten, was den Wärmetransport verbessert.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Kühlein- richtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2a-2f einen Querschnitt der Kühleinrichtung der
Fig. 1 mit verschiedenen Varianten der wär- meleitfähigen Schicht; Fig. 3 eine perspektivische Ansicht ähnlich Fig. 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4a und 4b eine perspektivische Ansicht ähnlich Fig. 3 mit vertikalen Kanälen mit unterschiedlichem Querschnitt;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Kühleinrichtung nach der Erfindung; und
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt eines Substrates nach der Erfindung mit geneigten Kanalwänden.
In Fig. 1 ist ein Substrat 1 zu erkennen, das eine Vielzahl von Kanälen 2 aufweist, die sich durch die Dicke des Substrates 1 hindurch erstrecken. Das Substrat ist hier ein quaderförmiger Körper, dessen eine Fläche eine Schicht 3 aus warmeleitfahigem Material aufweist. Diese Fläche sei im folgenden als Wärmeeinleitungsfläche bezeichnet. Sie steht in unmittelbarem Kontakt mit einem zu kühlenden Gegenstand 6, der beispielsweise ein Mikroprozessor, ein Chip, ein sonstiges elektronisches oder elektrisches Bauelement oder aber auch ein sonstiger zu kühlender Körper sein kann.
Das Substrat 1 besteht beispielsweise aus Silizium oder einem ähnlichen Material. Das Strukturieren des Substrates, hier also das Fertigen der Kanäle 2 erfolgt mit Hilfe geeigneter Lithographie- und Ätzverfahren, wie sie in der Halbleiterindustrie angewandt werden. Die Strukturbildung kann dabei in genau definierter Weise erfolgen, indem beispielsweise die Anzahl, Abmessungen sowie Anordnung bzw. räumliche Verteilung der Kanäle 2 vorgegeben werden. Durch Wahl der Parameter kann ein Verhältnis von Warmeableitungsflache zu ärmeeinleitungsfläche von 400 bis 700 und mehr erreicht werden. Die Wärmeableitungsfläche ist hier nicht nur die Oberfläche 4 des Substrates, sondern primär die demgegenüber sehr viel größere Innenfläche der Kanäle 2. Diese Innenflächen, die Oberfläche 4 sowie die Seitenflächen mit Ausnahme der Wärmeeinleitungsfläche bilden die Wärmeableitungsfläche.
Das mit der wärmeleitfähigen Schicht 3 versehene Substrat wird an der Wärmequelle 6 vorzugsweise unter Verwendung einer wärmeleitenden Verbindung befestigt, beispielsweise mit einem wärmeleitenden Klebstoff. Die wärmeleitende Verbindung kann, muß aber nicht mit dem gleichen Material wie die wärmeleitende Schicht ausgebildet werden. Der Durchmesser der Kanäle 2 ist - bezogen auf die Warmeeinleitungsflache - sehr klein und liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 10-50μ.
Das Verhältnis der Warmeableitungsflache zur Warmeeinleitungsflache ist deutlich größer als 1 und vorzugsweise deutlich größer als 100.
Die wärmeleitfähige Schicht 3 hat einen hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. Als wärmeleitfähige Schicht 3 bietet sich beispielsweise Kupfer an, das eine weitaus höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium hat. Allerdings hat Kupfer ein deutlich höheres spezifisches Gewicht als Aluminium, weshalb ein vollständig aus Kupfer bestehender Kühlkörper ein relativ hohes Gewicht hat und daher eine Platine, wie z.B. ein Motherboard eines Computers, erheblichen mechanischen Belastungen aussetzen würde. Bei der Erfindung ist die wärmeleitfähige Schicht 3 im Verhältnis zur Dicke des
Substrates 1 dünn, und vorzugsweise hat die Schicht 3 nur eine Dicke von < lOμ, während die Dicke des Substrates 1 in der Größenordnung von 1mm liegt. Mit dieser sehr dünnen Schicht aus wärmeleitendem Material, wie z.B. Kupfer, eliminiert man die Probleme der mechanischen Belastung, da das Gesamtgewicht der Kühleinrichtung sehr gering ist. Der Kontakt zwischen der Wärmequelle 6 und der Kühleinrichtung muß vollständig, d.h. über die gesamte Grundfläche der Kühlvorrichtung, bestehen. Dazu kann die wärmeleitende Schicht 3 in flüssiger oder semi-flüssiger Weise aufgebracht und anschließend aktiv oder passiv verfestigt werden. Durch die Aufbringung der wärmeleitenden Schicht in flüssiger oder semi-flüssiger Form kann ein optimaler Kontakt zwischen dem Substrat und der Wärmequelle geschaffen werden. Da die Oberfläche der Wärmequelle in der Regel nicht vollkommen planar und glatt ist, werden etwaige Unebenheiten der Ober- fläche einer Wärmequelle, die nur zu punktuellem Kontakt zwischen Substrat und Wärmequelle und damit schlechter Wärmekopplung zwischen diesen führen würde, durch die flüssige oder semi-flüssige wärmeleitende Schicht ausgeglichen. Als Material für die wärmeleitende Schicht eignen sich zahlreiche Stoffe, wie z.B. Silikon, Wärmeleitpaste, Aluminium, Kupfer, Silber etc.
Die Gesamtabmessungen der Kühleinrichtung sind verhältnismäßig klein. Die Fläche entspricht im wesentlichen der abstrahlenden Fläche des zu kühlenden Gegenstandes 6. Die
Dicke ist dagegen deutlich kleiner als die Länge der längeren Kante der Grundfläche und liegt vorzugsweise im Bereich von 1mm, womit die Wärmeleitstrecke sehr kurz ist. Damit wird eine gute Wärmekopplung zwischen der Wärmequelle bzw. der Wärmeeinleitungsfläche und der gesamten demgegenüber äußerst großen Wärmeableitungsfläche erreicht. Der Wärmetransport erfolgt daher auch sehr schnell und die Kühlleistung ist hervorragend.
Die Ableitung der Wärme von der Wärmequelle 6 erfolgt im einfachsten Fall durch Übertragung der in der wärmeleitenden Schicht 3 des strukturierten Substrates 1 aufgenommenen Energie auf das Umgebungsmedium, also beispielsweise Luft. Das Umgebungsmedium wird erhitzt und strömt durch das strukturierte Substrat in die Umgebungsluft. Die Konvektionsströ- mung setzt allmählich ein, da sich auch die Wärmequelle nach ihrer in Betriebnahme nur allmählich erwärmt. Eine weitere Verbesserung erhält man, wenn die gesamte Warmeableitungsflache mit der wärmeleitenden Schicht überzogen ist, also auch die Innenwandungen der Kanäle 2 , die Oberfläche 4 und die Seitenflächen. Hier sind diverse Varianten möglich, von denen einige in den Figuren 2a bis 2f dargestellt sind.
In Fig. 2a sind alle Flächen des Substrates 1 mit der wärme- leitfähigen Schicht beschichtet, also die Unterseite mit der Schicht 3, die Innenwände der Kanäle 2 mit der Schicht 7 und die Oberfläche mit der Schicht 8.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2b sind die Unterseite mit der Schicht 3 und die Innenwände der Kanäle 2 mit der Schicht 7 beschichtet, während die Oberfläche 4 unbeschichtet ist.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2c ist die gesamte Unterseite des Substrates 1 mit der Schicht 3 bedeckt, d.h. auch die Unterseite der Kanäle 2 ist durch die Schicht 3 verschlossen. Ansonsten sind wie bei Fig. 2a auch alle übrigen Flächen beschichtet.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2d sind die Kanäle 2 wiederum mit der Schicht 3 verschlossen, die Oberfläche 4 ist dagegen nicht beschichtet.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2e ist die gesamte Unterseite des Substrates 1 beschichtet und zwar so, daß auch die Kanäle 2 nach unten durch die Schicht 3 verschlossen sind. Die übrigen Flächen haben keine Beschichtung.
In Fig. 2f ist nur die Unterseite mit der Schicht 3 versehen aber so, daß die Kanäle 2 nach unten offen sind. Alle übrigen Flächen sind wieder nicht beschichtet.
In den Fig. 1 und 2 haben die Kanäle einen rechteckigen Querschnitt. Selbstverständlich können auch andere Querschnitte verwendet werden, wie z.B. Zylinderform oder sonstige beliebige Formen.
Um die Strömung des erwärmten Mediums im Kanal in vertikaler Richtung zu unterstützen, kann - wie in Fig. 4a gezeigt - der Querschnitt der Kanäle sich auch verjüngen, d.h. beispielsweise in Richtung von der Wärmeeinleitfläche zur Oberfläche hin abnehmenden Durchmesser haben. Durch diese Geometrie kann in Verbindung mit der Geschwindigkeit des Kühlmediums (z.B. Luft) in dem Kanal ein Druckgefälle erzeugt werden. Der im oberen Bereich des Kanals geringere Druck unterstützt den Abzug des erwärmten Mediums und damit die Kühleffizienz der Kühlvorrichtung. In dem Fall, daß die Kanäle über die Kanallänge veränderlichen Querschnitt haben, wird die Konvektionsströmung auch dadurch besonders unterstützt werden, daß die Kanalabmessungen in der gewünschten Strömungsrichtung über die gesamte Wegstrecke des Fluids abnehmend ausgestaltet sind. In Fig. 4a ist damit die bevorzugte Strömungsrichtung von dem zu kühlenden Gegenstand 6 durch die Kanäle 2 hindurch zur Oberfläche 4 des Substrates 1. Die Bernoulli-Gleichung liefert folgenden Zusammenhang:
A '
P P =4 P v2 [ -1]
2 A
p und p0 sowie A und A0 stehen für die Brücke bzw. Querschnittsflachen an zwei räumlich getrennten Stellen in den Kanälen. V ist die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in dem Kanal. Die Strömungsrichtung muß dabei nicht unbedingt vertikal verlaufen, sondern kann auch von oben kommend seitlich verlaufen.
In Fig. 4b sind die Kanäle 2 an dem dem zu kühlenden Gegenstand 6 benachbarten Bereich enger und erweitern sich kontinuierlich in Richtung zur Oberfläche 4. Es tritt dann ein umgekehrter Kamineffekt auf.
Andere zweckmäßige Geometrien sind natürlich ebenfalls denkbar.
Die Herstellung des strukturierten Substrates kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. Eine erste Möglichkeit ist die Ausbildung der Strukturen im Substrat durch verschiedene
Ätzverfahren. Ein anderes mögliches Verfahren zur Ausbildung der Strukturen im Substrat ist die Anwendung von Prägeverf hren (heiß oder kalt) , um Strukturen auf ein Substrat zu übertragen. Diese beiden grundsätzlich verschiedenen Ver- fahren können auch in Kombination verwendet werden. Beispielsweise können die mit durchgängigen Poren bzw. Kanälen versehenen Teilstrukturen mit Hilfe von Ätzverfahren und ein eventuell zwischen dieser Struktur und der Wärmequelle angebrachtes strukturiertes Substrat mit Hilfe von Prägever- fahren hergestellt werden.
Ein weiteres Verfahren zur Ausbildung der Struktur im Substrat ist das bekannte LIGA-Verfahren (Lithographie und Galvanik) . Dieses Verfahren eignet sich ebenfalls zur Her- Stellung tiefer vertikaler Strukturen. Es sind Tiefen bis ca. 1 mm (= lOOOμ) zu erreichen. Hierbei kann eine Trägerschicht aus einem mit einem wärmeleitenden Material beschichteten Material (z.B. Kunststoff) direkt abgeformt werden. Bei dieser Variante bzw. bei der Herstellung eines Elementes der gesamten Kühlvorrichtung mit Hilfe des LIGA-Verfahrens sind keine Ätzschritte erforderlich. Die daraus resultierenden Vorteile sind offensichtlich. Die einzigen erforderlichen Teilschritte dieser Verfahrensvariante sind: Maskenherstellung, Lithographie (z.B. Röntgen-Lithographie) , Galvanisieren, Entformen, Füllen mit z.B. Kunststoff, Entformen. Die Kunststofform ist mit der Maske identisch. Diese Kunst- stofform kann abschließend mit dem wärmeleitenden Material beschichtet werden. Die durch Galvanisieren geschaffene Form bildet danach die Fertigungsvorlage für weitere Kühlvorrichtungen aus Kunststoff mit wärmeleitender Beschichtung. Ansonsten gelten alle vorher angegebenen Sachverhalte und alle oder einzelne Teile der vorher beschriebenen Verfahren können nach Bedarf übernommen bzw. einbezogen werden.
Das Aufbringen der wärmeleitenden Schicht bzw. Schichten kann z.B. durch Aufdampfen erfolgen. Hierdurch wird ein ausgezeichneter Kontakt zwischen der Wärmequelle und der
Kühlvorrichtung geschaffen, da die Ausbildung von Hohlräumen zwischen diesen vermieden wird.
Das Ausbilden von sich verjüngenden Kanälen kann im übrigen beispielsweise durch anisotrope naßchemische Ätzlösungen erfolgen, wobei man beispielsweise in [100] -Silizium V-förmige und in [ 110] -Silizium U-förmige Vertiefungen ausbilden kann.
Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung, bei der die Wärmeeinleitungsfläche des Substrates Rillen bzw. Furchen 9 aufweist, die mit den Kanälen 2 in Strömungsverbindung stehen. Dadurch kann Kühlmedium, wie z.B. Luft mit Umgebungstemperatur in diesen Rillen 9 strömen und Wärme von der Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes zu den Kanälen 2 leiten und abführen.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 hat die Kühlvorrichtung einen zweiteiligen Aufbau, dessen erster Teil das oben beschriebene strukturierte Substrat 1 ist, während der zweite Teil der Kühlvorrichtung dieser Ausführungsform ein zweites Substrat 10 ist, das zwischen der Wärmeguelle und dem ersten Substrat 1 angeordnet ist und eine Kanalstruktur mit den Rillen oder Furchen 9 aufweist. Diese Rillen 9 verlaufen hier parallel zueinander und parallel zur Oberfläche der Wärmequelle sowie natürlich auch parallel zur Unter- seite des ersten Substrates. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungen der Struktur möglich. Das zweite Substrat 10 hat die Aufgabe, die Zufuhr des Umgebungsmediums zur Wärmeableitung zu verbessern. Im stationären Betrieb bildet sich dann eine Art Kaminabzug aus, bei dem durch kontinuierliche Konvektion Wärme von der Wärmequelle abgeführt wird. Das zweite Substrat 10 ist vorzugsweise dünner als das erste Substrat 1 ausgebildet und trägt auch an seiner Unterseite die wärmeleitende Schicht 3. Auch hier sind grundsätzlich zwei Varianten denkbar, nämlich eine, bei der die Rillen oder Furchen 9 in Strömungsverbindung mit den Kanälen 2 stehen, was durch die Rille 9 ' und den Kanal 2' in Fig. 3 verdeutlicht wird, das zweite Substrat 10 also auch vertikal verlaufende Öffnungen oder Poren hat und eine zweite Variante, bei der zwischen den Rillen 9 und den Kanälen 2 keine Strömungsverbindung besteht, was beim Kanal 2" in Fig. 3 zu sehen ist.
In Abwandlung des Ausführungsbeispieles der Fig. 3 kann die gesamte Kühlvorrichtung mit den Kanälen 2 und den Ril- len 9 auch einteilig ausgebildet sein, was wiederum durch
Ätzverfahren möglich ist. Bei der zweiteiligen Struktur der Fig. 3 sind die beiden Substrate 1 und 10 separat zu strukturieren und anschließend wärmeleitend und in zueinander ausgerichteter Form zu verbinden, beispielsweise mit einem wärmeleitenden Klebstoff. Das Beschichten kann analog den
Ausführungsbeispielen der Fig. 2 durchgeführt werden. Falls die Wärmequelle ein Mikroprozessor oder ein sonstiges elektronisches Bauteil ist, kann die Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung schon bei der Herstellung des Mikroprozes- sors auf diesem vorgesehen werden. Insbesondere, wenn der
Mikroprozessor auf einem Siliziumchip aufgebaut ist, kann die Kühlvorrichtung im Mikroprozessor integriert sein. Dies reduziert die Zahl der Fertigungsschritte, verringert den Justieraufwand bei der Anbringung der Kühlvorrichtung auf dem Mikroprozessor, beschleunigt die Fertigung, erhöht die Ausbeute bei der Prozessorfertigung und senkt die Gesamt- kosten. Wird die Kühleinrichtung in die Wärmequelle, wie z.B. einen Mikroprozessor integriert, so kann dies in einfacher, dem Fachmann bekannter Weise, wie z.B. die oben genannten Ätz- und Lithographiebearbeitung, über der gesamten Oberfläche der Wärmequelle realisiert werden. Nach Wunsch kann die Kühleinrichtung sogar in den Mikroprozessor "eingelassen" ausgebildet werden, d.h. die Oberseite der Kühleinrichtung fluchtet mit der Oberseite des Mikroprozessors.
In Fig. 5 ist ein Substrat 11 zu erkennen, das eine Vielzahl von Kanälen 12 aufweist, die sich durch die Dicke des Substrates 11 hindurch erstrecken. Das Substrat ist hier ein quaderför iger Körper, dessen eine Fläche eine Schicht 13 aus warmeleitfahigem Material aufweist. Diese Fläche sei im folgenden als Wärmeeinleitungsfläche bezeichnet. Sie steht in unmittelbarem Kontakt mit einem zu kühlenden Gegenstand 16, der beispielsweise ein Mikroprozessor, ein Chip, ein sonstiges elektronisches oder elektrisches Bauelement oder aber auch ein sonstiger zu kühlender Körper sein kann.
Das Substrat 11 besteht beispielsweise aus Silizium oder einem ähnlichen Material. Das Strukturieren des Substrates, hier also das Fertigen der Kanäle 12 erfolgt mit Hilfe geeigneter Lithographie- und Ätzverfahren, wie sie in der Halbleiterindustrie angewandt werden. Die Strukturbildung kann dabei in genau definierter Weise erfolgen, indem beispielsweise die Anzahl, Abmessungen sowie Anordnung bzw. räumliche Verteilung der Kanäle 12 vorgegeben werden. Durch Wahl der Parameter kann ein Verhältnis von Wärmeableitungs- fläche zu ärmeeinleitungsfläche von z.B. 400 bis 700 und mehr erreicht werden. Die Warmeableitungsflache ist hier nicht nur die Oberfläche 14 des Substrates, sondern primär die demgegenüber sehr viel größere Innenfläche der Kanäle 12. Diese Innenflächen, die Oberfläche 14 sowie die Seitenflächen mit Ausnahme der Wärmeeinleitungsfläche bilden die Warmeableitungsflache. Natürlich sind auch alle anderen, im Stammpatent dargelegten Ausführungsformen des strukturierten Sub- strates möglich und hiermit mit einbezogen.
Zusätzlich wird mindestens eine Oberfläche der Warmeableitungsflache, vorzugsweise jedoch alle Wärmeableitungsflächen, also auch die Kanäle, mit einer rauhen Oberfläche versehen. Dieses Aufrauhen wird z.B. durch Aufbringen von wärmeleitfä- higen Partikeln 21 auf das bereits strukturierte Substrat durchgeführt. Diese Partikel können unmittelbar auf das Substrat aufgebracht werden. Sind einige Oberflächen des Substrates mit einer wärmeleitenden Schicht 13 versehen, so werden diese Partikel 21 auf die wärmeleitende Schicht 13 aufgebracht. Durch diese Aufrauhung der Oberfläche wird die Warmeableitungsflache weiter vergrößert. Der Vergrößerungsfaktor beträgt gegenüber den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 4 mindestens 2, vorzugsweise mehr als 10 oder höher. Hierdurch kann das Verhältnis von Warmeableitungsflache zu ärmeeinleitungsfläche 1000 bis 7000 oder mehr betragen .
Die Abmessungen der Partikel 21 liegen in der Größenordnung von wenigen Mikrometern oder kleiner, insbesondere bis in den Bereich von einigen Nanometern. Solche Partikel können z.B. aus Metalloxiden bestehen, wie beispielsweise Eisen-Oxid. Andere Materialien sind natürlich auch möglich.
Statt einzelner Partikel kann auch eine poröse, schwammartig ausgebildete dünne Oxidschicht aufgebracht werden.
Durch die vergrößerte Oberfläche erhält man eine bessere Wärmekopplung zwischen der Oberfläche und einem anströmenden Fluid, wie z.B. Luft. Zusätzlich wird auch die Wärmeabstrah- lung verbessert. Die abgestrahlte Leistung ist gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz proportional der Abstrahlflache, hier also der Wärmeableitungsfläche, und der vierten Potenz der Temperatur (T4) . Demzufolge stellt sich die Nettostrah- lungsleistung eines Körpers mit der Temperatur T bei einer Umgebungstemperatur von T0 wie folgt dar:
Pncio = e σ A (T4 - Tu 4) ,
wobei e der Emissionsgrad (0 < e < 1) und σ die Stefan-Boltz- mann-Konstante (= 5,6703 x 10-8 W m"2 K"4) ist. Die Material- eigenschaften der Beschichtung gehen in den Emissionsgrad e ein.
Einen guten Emissionsgrad e erhält man mit Metallen (AL, CU etc.) oder Oxidverbindungen, die durch Bedampfungsverfah- ren aufgebracht werden.
Fig. 6 zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt eines Querschnittes des Substrates 11, bei dem ebenfalls Kanäle 12 durch das Substrat verlaufen, deren Seitenwände jedoch gegenüber der Vertikalen geneigt sind. Die Kanalwände bilden im Querschnitt eine von der Wärmequelle 16 weggerichtete trapezartige Form. Der "Böschungswinkel" dieser trapezartigen Struktur (Pyramidenstümpfe) kann bei Silizium als Grundmaterial z.B. 54,76° betragen. Dieser Winkel kann durch entsprechend veränderte Lage der Kristallebenen variiert werden. Auch hier sind die Kanalwände mit Partikeln 21 beschichtet, wodurch die wärmeabstrahlende Oberfläche vergrößert ist. Wenn die Kanalwände mit einer wärmeleitenden Schicht 17 beschichtet sind, so ist diese mit den Parti- kein 21 versehen. Dies gilt auch in Bezug auf die Oberfläche 14 mit der wärmeleitenden Schicht 8 sowie die Unterseite mit der wärmeleitenden Schicht 13.
Selbstverständlich kann die Kühleinrichtung im Fall ohne Integration mit der Wärmequelle über die gesamte Oberfläche auf eine der oben beschriebenen Arten angebracht werden, beispielsweise mit geringem Abstand zwischen den einzelnen Kühleinrichtungen oder auch tei lweise aneinandergrenzend .
Selbstverständlich kann die Kühlvorrichtung nach der Erfindung auch für andere Wärmequel len als Mikroprozessoren verwendet werden . Als zusätzliche Unterstützung der Funktion können natürlich auch noch Gebläse oder sonstige Ventilationseinrichtungen angeordnet werden . Weiter ist es möglich, die Kühlvorrichtung nach der Erf indung räuml ich getrennt von der Wärmequelle anzuordnen und sie dann durch einen Wärmeleiter mit ihr zu koppeln .

Claims

Patentansprüche
1. Kühlvorrichtung mit einem Substrat (1) , das eine Warmeeinleitungsflache, die in thermischem Kontakt zu einem zu kühlenden Gegenstand (6) bringbar ist, und eine Wärmeableitungsfläche aufweist, wobei die Warmeableitungsflache aufgrund einer vorgegebenen Strukturie- rung (2) wesentlich größer ist als die Warmeeinleitungsflache.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wärmeableitungsfläche zur Warmeeinleitungsflache größer 10 ist.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wärmeableitungsfläche zur Warmeeinleitungsflache etwa 400 bis 700 oder größer ist.
4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung durch Kanäle (2) gebildet ist, die sich durch das Substrat hindurch erstrecken und im wesentlichen senkrecht zur Wärmeeinleitungsfläche stehen.
5. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens die Warmeeinleitungsflache mit einer
Beschichtung (3) aus warmeleitfahigem Material versehen ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet , daß die Innenwände der Kanäle (2) mit einer Beschichtung (7) aus warmeleitfahigem Material versehen sind.
7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der ärmeeinleitungsfläche gegenüberliegende Oberfläche (4) des Substrates (1) mit einer Beschichtung (8) aus wärmeleitendem Material versehen ist.
8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kanäle (2) quadratischen, rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt haben.
9. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeeinleitungsfläche eine definierte Strukturierung in Form von Furchen (9) aufweist.
10. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Furchen (9) in Strömungsverbindung mit den
Kanälen (2) stehen.
11. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, daß die Furchen (9) parallel zueinander und parallel zur Wärmeeinleitungsfläche verlaufen.
12. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Substrat (10) in wärmeleitendem Kontakt mit dem Substrat (1) vorgesehen ist, wobei die Furchen (9) in dem zweiten Substrat (10) vorhanden sind und die Beschichtung aus warmeleitfahigem Material (3) auf dem zweiten Substrat (10) aufgebracht ist.
13. Kühlvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Substrat (10) dünner ist als das erste Substrat.
14. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 4, dadurch gekennzeichne , daß die Kanäle (2) in ihrer Längsrichtung (Strömungsrichtung) einen veränderlichen Querschnitt haben.
15. Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfaßt:
definiertes Strukturieren eines Substrates.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturieren des Substrates durch Ätzen von Kanälen erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 , dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturieren des Substrates alternativ oder zusätzlich durch ein Prägeverfahren erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturieren des Substrates durch ein Lithographie- und Galvanikverfahren erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15, dadurch gekenn- zeichnet, daß eine wärmeleitende Schicht auf mindestens einen Teil der Oberfläche des definiert strukturierten Substrates aufgebracht wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähige Schicht durch Aufdampfen aufge- bracht wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähige Schicht aus Silber, Kupfer,
Aluminium oder Materialien mit mindestens ähnlich guter Wärmeleitfähigkeit (λ) besteht.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13, dadurch gekenn- zeichnet, daß die wärmeleitfähige Schicht dünner ist als das Substrat (1) .
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähige Schicht eine Dicke von ca. lOμ hat.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen der Kanäle durch anisotropes Ätzen erfolgt, womit die Kanäle über ihre Längsrichtung einen sich ändernden Durchmesser bzw. Querschnitt haben.
25. Kühlvorrichtung mit einem Substrat (11) , das eine Wärmeeinleitungsfläche, die in thermischen Kontakt zu einem zu kühlenden Gegenstand (16) bringbar ist, und eine Wärmeableitungsfläche aufweist, wobei die Wärmeableitungsfläche aufgrund einer vorgegebenen Strukturierung (12) wesentlich größer ist als die Wärmeeinleitungsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitungsfläche durch eine Aufrauhung (21) weiter vergrößert ist.
26. Kühlvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeich- net, daß die Aufrauhung durch aufgebrachte Partikel (21) erzeugt ist.
27. Kühlvorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (21) wärmeleitend sind.
28. Kühlvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (21) Metall- oder Metalloxidpartikel sind.
29. Kühlvorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Partikel (21) in der Größenordnung von Mikrometern oder Nanometern liegt.
30. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (21) direkt auf das strukturierte Substrat (11) aufgebracht sind.
31. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (21) auf eine auf das strukturierte Substrat (11) aufgebrachte wärmeleitende Beschichtung (13, 14, 17) aufgebracht ist.
32 . Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 25 , dadurch gekennzeichnet , daß das strukturierte Substrat ( 11) eine trapezartige
Querschnittsform aufweist , wobei geneigte Seitenwän- de ebenfalls mit den Partikeln ( 21 ) beschichtet sind .
33 . Kühlvorrichtung nach Anspruch 25 , dadurch gekennzeichnet , daß die Aufrauhung ( 21) der ärmeableitungsf läche durch eine aufgebrachte schwammartig , poröse Schicht erfolgt .
34. Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfaßt:
definiertes Strukturieren eines Substrates, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des Substrates Partikel oder eine schwammartig, poröse Schicht aufgebracht werden, die die Oberfläche aufrauhen und damit vergrößern.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel bzw. die poröse Schicht aus wärmeleitendem Material sind.
36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel bzw. die poröse Schicht wärmeleitende
Metalle, Metallverbindungen, wie z.B. Metalloxide, sind.
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