FR2664033A1

FR2664033A1 - Echangeur de chaleur refroidi par air pour assemblages multi-puces.

Info

Publication number: FR2664033A1
Application number: FR9108102A
Authority: FR
Inventors: Berenholz Jack; Bowman John Kevin
Original assignee: Digital Equipment Corp
Current assignee: Digital Equipment Corp
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1992-01-03
Anticipated expiration: 2011-06-28
Also published as: GB2247073B; FR2664033B1; GB9112887D0; CA2046009A1; US5168919A; JPH0744246B2; GB2247073A; DE4121447A1; JPH04233259A; DE4121447C2

Abstract

Dans un appareil évaporateur et condenseur en un seul bloc, refroidi par air, sans alimentation extérieure, pour refroidir une unité composée de plusieurs puces, l'appareil inclut une plaque froide ayant une première surface avec des cavités formées dedans (ces cavités pouvant avoir des noyaux en nitrure d'aluminium pour le transfert de la chaleur), dans une matrice ou un arrangement correspondant à la matrice ou à l'arrangement des puces sur un module ou unité à plusieurs puces. La surface opposée de la plaque froide inclut un arrangement à ailettes qui, en combinaison avec la plaque froide, forme une partie d'une chambre d'évaporation isolée de l'unité de refroidissement, la chambre abritant un fluide pouvant être porté à ébullition, qui passe de la phase liquide à la phase vapeur. Au-dessus et à côté de la chambre isolée se trouve une chambre de condensation, qui inclut une pluralité de voies de passage tubulaires à ailettes. La chaleur est transférée depuis les puces à travers les noyaux, et à travers la plaque froide pour provoquer l'ébullition du fluide à l'intérieur de la chambre, les vapeurs dégagées sont condensées dans la partie supérieure de l'unité de refroidissement, afin de retourner ensuite, sous forme de fluide, vers la chambre.

Description

1 -

ECHANGEUR DE CHALEUR REFROIDI PAR AIR POUR ASSEMBLAGES

MULTI-PUCES.

Cette invention se rapporte à une méthode et à un appareil pour le refroidissement par air des puces de circuit intégré d'ordinateur, et p Lus particulièrement à une méthode et à un appareil pour refroidir par air un arrangement de ces puces par l'utilisation d'un appareil évaporateur refroidi par air, et d'un condenseur, l'évaporateur et Le condenseur étant en un seul bloc et ne nécessitant aucune alimentation extérieure. Dans les ordinateurs de grande puissance de conception moderne, il est nécessaire de satisfaire aux demandes du marché pour le refroidissement par air de ces systèmes d'ordinateur de grande puissance Les tentatives d'utilisation de l'air pour refroidir des dispositifs semi-conducteurs ou des puces à grande consommation d'énergie, se sont révélées inefficaces, dans la mesure o L'air n'est pas un milieu très efficace pour le transfert de la chaleur Le transfert de chaleur entre une puce à grande consommation d'énergie et un système refroidi par air nécessite une très grande aire de dissipation de chaleur, ou déchargeur thermique Les techniques modernes de conditionnement des puces, qui permettent le rangement de plusieurs puces à grande consommation d'énergie dans une surface très petite posent le problème qu'elles rendent nécessaire une grande surface de déchargement thermique pour la dissipation de

la chaleur.

Des tentatives ont été faites pour utiliser le refroidissement par liquide forcé, comme moyen de

refroidir des puces à grande consommation d'énergie.

Cependant, le refroidissement par liquide forcé nécessite des pompes et des tubes, et dans de nombreux cas, un emplacement supplémentaire pour accepter ce type de refroidissement De plus, les utilisateurs de ces ordinateurs font peu confiance au refroidissement par

liquide forcé.

2 - Un de ces essais de refroidissement par liquide de composants électroniques est le transfert de chaleur excessive par immersion directe, à l'intérieur d'un liquide diélectrique Le degré de refroidissement dépend de la découverte d'un liquide diélectrique présentant des caractéristiques diélectriques et des caractéristiques d'échange de phase adaptées Un autre système de refroidissement d'un composant par immersion utilise traditionnellement une bobine de condenseur à ailettes à l'intérieur de l'espace rempli de vapeur pour l'enlèvement de la chaleur Les condenseurs pour ces systèmes excessifs peuvent être placés dans l'espace rempli de vapeur au-dessus des composants ou être placés

à distance.

D'autres systèmes, tel que dans l'ordinateur Cray 2 (marque déposée), utilisent un système d'immersion directe à convection forcée, utilisant un fluide qui ne bout pas Le liquide circule derrière les composants, o il prend la chaleur puis il circule vers un échangeur de chaleur extérieur o il est -refroidi Le flux de fluide dans ce système nécessite des pompes et des tubes externes. Avec les systèmes dans lesquels les pastilles de circuit intégré sont immergées dans un liquide réfrigérant ou qui peut ttre porté à ébullition, il faut être attentif au choix du liquide, c'est-à dire que les propriétés diélectriques et corrosives du liquide, ainsi que les caractéristiques de transfert de chaleur et de changement de température en phase vapeur doivent être considérées pour fournir un système de refroidissement

très fiable.

D'autres systèmes ont utilisé des structures classiques de déchargeur de chaleur à ailettes, dans un arrangement refroidi par air, mais ces systèmes ne peuvent être utilisés que pour des dispositifs de dissipation de faible puissance Dans la mesure o l'air n'est pas un milieu de refroidissement très efficace, la quantité de chaleur enlevée est faible Ainsi, à moins que ne soient 3 - fournies une plus grande surface de contact avec l'air ou une plus grande dissipation de chaleur, cette approche n'est adaptée que pour des pastilles à consommation d'énergie relativement faible L'invention dans sa forme large, réside dans un dispositif pour enlever la chaleur d'au moins un composant électronique, dissipant de la chaleur, en fonctionnement, comprenant: des moyens de transfert de chaleur disposés dans une relation conductrice de transfert de chaleur avec ledit composant électronique; caractérisés par: au moins un élément en matériau diélectrique conducteur de chaleur interposé entre ledit composant électronique et lesdits moyens de transfert de chaleur, des moyens de chambre incluant, comme partie de cette chambre, au moins une partie desdits moyens de transfert de chaleur; un liquide pouvant être porté à ébullition à l'intérieur desdits moyens de chambre, ledit liquide étant séparé dudit composant électronique, et présentant la caractéristique de bouillir pour générer des émissions de vapeur en réponse au transfert de chaleur, depuis ledit composant vers ledit liquide, par l'intermédiaire desdits moyens de transfert de chaleur; et des moyens de condensation en relation de flux fluide avec lesdits moyens de chambre pour permettre la condensation de ladite vapeur et le retour dudit fluide

condensé vers lesdits moyens de chambre.

Ce qui est décrit ici est un dispositif qui fournit un appareil à évaporateur et condenseur en un seul bloc refroidi par air, sans aucune alimentation extérieure, l'appareil incluant une plaque froide ayant une première surface pourvue de cavités, ou emplacements de puces, formés dedans selon une matrice ou une disposition de puces sur un module ou une unité à plusieurs puces La surface opposée de la plaque froide inclut un arrangement à ailettes qui, en conjonction avec la plaque froide forme une partie d'une chambre d'évaporation isolée de l'unité de refroidissement, la chambre abritant un fluide pouvant être porté à 4 - ébullition qui passe de la phase liquide à la phase vapeur Placée au-dessus de la chambre isolée et contigue avec celle-ci se trouve une chambre de condensation, incluant une pluralité de passages tubulaires, dont les parties externes sont pourvues d'ailettes pour l'enlèvement rapide de la chaleur Pour fixer la partie de l'unité constituée de la plaque froide, aux pastilles, des noyaux de transfert de chaleur appropriés, en matériau diélectrique, tels que des noyaux en nitrure d'aluminium, sont soudés dans les cavités, les surfaces opposées de ces noyaux étant collées de façon appropriée aux faces exposées des puces La chaleur est transférée depuis les puces, à travers les noyaux, la fixation par soudure, et la plaque froide, de manière à provoquer l'ébullition du fluide à l'intérieur de la chambre, les vapeurs dégagées s'élèvent dans la chambre de condensation, dans la partie supérieure de l'unité de refroidissement, o la vapeur est condensée et renvoyée,

sous forme liquide, vers la chambre de l'évaporateur.

Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, un module multi-puces est fourni avec une unité de refroidissement en un seul bloc pouvant être fixée mécaniquement. Une compréhension plus détaillée de l'invention peut

être obtenue à partir de la description qui suit d'un

mode de réalisation préféré, donné uniquement à titre d'exemple, et qui doit être lu en conjonction avec les dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la Fig I 1 est une vue isométrique d'un appareil de refroidissement selon l'invention, montré en mode éclaté face à un module à plusieurs puces; la Fig 2 est une vue en coupe schématisée de l'appareil de refroidissement de la Fig 1, comme on le voit dans son ensemble le long de la ligne 2-2 de la Fig. 1; la Fig 3 est une vue en coupe de la partie de la plaque froide, lorsque l'assemblage est réalisé avec les noyaux de transfert de chaleur et la carte; et - la Fig 4 est une vue en coupe fragmentaire agrandie montrant une partie de la plaque froide de l'appareil de refroidissement et une seule pastille de la carte à

plusieurs pastilles.

En se référant maintenant aux dessins, à la Fig 1, est illustré un appareil à évaporateur et condenseur en un seul bloc, refroidi par air, portant dans son ensemble la référence 10, l'appareil 10 étant illustré adjacent à une unité à plusieurs puces, portant dans son ensemble la référence 12, l'unité 12 étant en rotation autour d'un axe vertical, pour l'illustration de la face de cette unité ayant des puces à semi-conducteur assemblées dessus. Brièvement, en se référant aux Figs 1 et 2, l'appareil 10 est un échangeur de chaleur ou unité de refroidissement en un seul bloc, refroidi par air, avec des chambres formées en son intérieur, et des passages configurés, dimensionnés, adaptés et orientés de manière à fournir une unité d'évaporation et de condensation fermée hermétiquement qui, comme cela va ltre décrit, lorsqu'elle est thermiquement attachée à une matrice de pastilles de circuits intégrés, permet la dissipation de grandes quantités de chaleur, sans alimentation extérieure, et

sans pompe ou autre dispositif mécanique ou électrique.

L'unité 10 est une unité scellée hermétiquement qui inclut une chambre d'évaporation isolée 16 pour un fluide pouvant être porté à ébullition, généralement en forme de boite avec un haut ouvert, et qui inclut généralement un élément de plaque froide 20 en forme de plaque, généralement rectangulaire, généralement espacé parallèlement à une paroi arrière 22 configurée de la même façon Du côté du système d'ébullition, l'élément de plaque froide 20 contient un arrangement d'ailettes 21 qui augmente la surface de transfert de chaleur du côté du système d'ébullition, pour des raisons qui vont devenir évidentes dans la suite du texte Une paroi de fond 24 et des parois latérales 26 et 28 retiennent les 6- bords opposés de l'élément de p Laque froide 20 et de la paroi arrière 22 pour définir la chambre à haut ouvert 16. La chambre 16 est dotée d'un haut ouvert ou passage 30, qui, selon le mode de réalisation illustré, est formé dans un angle opposé à la face de fixation de l'élément de plaque froide 20 Le passage 30 a la forme d'un conduit, qui effectue la liaison avec une chambre de réception supérieure, portant dans son ensemble la référence 32, incluant, comme en faisant partie, une pluralité de passages tubulaires ou autres passages de condensation 34, dépassant de la chambre 32 et en communication fluide avec celle-ci, chacune des voies de passage 34 en forme de tube étant formée d'éléments tubulaires ou autres éléments, avec des ailettes 36 à l'extérieur de ces éléments Si on le désire, d'autres ailettes peuvent être fixées de façon appropriée aux parois internes des voies de passage 34 Les passages de condensation en forme de tubes 34 font office de chambre de condensation, les voies de passage 34 étant allongées, ouvertes dans la zone de la chambre de réception 32 et terminées à l'autre extrémité par un capuchon, un bouchon ou un autre système, c'est-à dire par des éléments de fermeture 34 a, des coudes en forme de U, ou autres

systèmes similaires.

Bien que la chambre de réception supérieure 32 soit décrite comme étant décalée par rapport à la chambre d'évaporation 16, et le passage en forme de conduit 30 étant dans l'angle, il convient de comprendre que la chambre peut être formée immédiatement au-dessus de la chambre d'évaporation, le passage de liaison entre les deux chambres étant vertical De plus, bien que le terme tubulaire soit utilisé pour qualifier les voies de passage 34 de la chambre de condensation, dans ce qui suit, il convient que ce terme tubulaire soit interprété comme incluant tout élément en forme de tube, de coupe circulaire ou rectangulaire Une orientation pour l'utilisation de l'unité 10 est 7 - telle qu'illustrée à La Fig 2, c'est-à dire que l'élément de plaque froide 20 est aligné dans une direction généralement verticale, les voies de passage 34 vers la chambre de condensation de La chambre de réception 32 étant alignées dans une direction généralement horizontale, dans un plan au-dessus de L'extrémité ouverte supérieure 30 de La chambre inférieure 16 Comme cela va être décrit dans ce qui suit, ceci est motivé par la nécessité que La chambre 16 abrite Le Liquide pouvant être porté à ébullition 40, selon les lois de la pesanteur, c'est-à dire que la chambre 16 est placée au point bas du système alors que les voies de passage 34 de la chambre de condensation sont p Lacées au point haut du système Une autre orientation pour L'utilisation de l'unité 10 consisterait à aligner l'élément de plaque froide 20, dans une direction généralement horizontale, avec les voies de passage 34 de la chambre de condensation, et la chambre supérieure 32 étant alignée dans une direction généralement verticale dans un espace

au-dessus de la chambre inférieure 16.

La chambre 16 forme la chambre d'évaporation et les voies de passage 34 forment la chambre de condensation, et ces deux chambres sont intérieurement reliées ensemble, à l'intérieur de l'unité 10 par L'intermédiaire du passage 30 Les chambres 16 et 32, ainsi que Le passage 30 effectuant la connexion et Les passages de condensation 34 sont formés comme une unité scellée de façon hermétique, de manière à constituer un chemin fermé qui dirige les vapeurs depuis la chambre d'évaporation 16 vers la chambre de réception 32, o la vapeur pénètre dans les passages de condensation 34, et après refroidissement par air, par L'intermédiaire des ailettes 36, passe en phase liquide, et le liquide est renvoyé à

La chambre inférieure 16, du fait de la pesanteur.

L'élément de plaque froide 20 a une configuration qui est déterminée en partie, par La configuration d'une unité 12 constituée de plusieurs puces Comme cela va être décrit, la surface extérieure dudit élément de 8 plaque froide 20 est configurée de manière à pouvoir être fixée à la surface exposée de l'unité 12 (voir également Fig 4), o la configuration du périmètre 13 de l'unité 12 est quelque peu relevée par rapport à un plan dessiné à travers les surfaces externes exposées des puces 14 sur l'unité 12 En se référant à la Fig 3, les adjonctions au périmètre 13 incluent des dispositifs tels que le connecteur d'alimentation 17 et certains matériels de montage 19, qui ne relèvent pas de l'invention En pratique, les puces 14 vont dépasser d'environ 26 millièmes de pouce au-dessus de la surface de la carte de circuit imprimé 15 à laquelle elles sont fixées Les puces 14 peuvent être disposées selon n'importe quelle disposition sur la surface de la carte 15, mais, comme cela est illustré à la Fig 1, les puces 14 sont arrangées selon une matrice ou un arrangement symétrique, de quatre puces par rang, sur quatre rangs, avec un espacement latéral égal entre les puces. Les dimensions du périmètre de l'élément de plaque froide 20 sont généralement déterminées par les dimensions du périmètre relevé 13 de l'unité 12 La surface externe de l'élément de plaque froide 20 peut inclure au moins une cavité ou poche 50 de plaque froide, en un emplacement correspondant à l'emplacement de la puces 14 devant être refroidie Comme cela est illustré à la Fig 1, il existe une matrice ou arrangement de poches 50, qui correspond, quant au nombre et à l'emplacement, à l'arrangement des puces 14 sur l'unité 12 Les poches 50 sont configurées pour recevoir, en leur intérieur, des substrats céramiques, tels que des noyaux en nitrure d'aluminium 52, dont une partie principale du corps a un périmètre extérieur légèrement inférieur au périmètre intérieur des poches 50, et une portion d'embase 52 a élargie, avec une surface plane faisant face à la surface exposée des puces 14 Les noyaux 52 peuvent être formés de toute autre céramique présentant des caractéristiques de conductivité thermique 9 - élevées. Comme cela est illustré à la Fig 4, les parties principales du corps des noyaux 52 en nitrure d'aluminium sont reçues à l'intérieur des poches 50 et sont attachées de façon appropriée, en utilisant par exemple une soudure 54 ou un autre matériau adhésif à basse résistance thermique La surface de la portion d'embase 52 a adhère à la surface de la puce 14 par un moyen approprié, tel qu'un adhésif époxy conducteur de chaleur, ou un matériau

Si/Au eutectique ou une soudure.

Le choix du nitrure d'aluminium comme matériau pour la constitution des noyaux 552 a été fondé sur la propriété de ce matériau qui est que le nitrure d'aluminium est un matériau diélectrique ayant une haute conductivité thermique, démontre des caractéristiques de dilatation thermique concordant avec celles des puces 14, et a une résistance électrique suffisante pour fournir une isolation électrique appropriée entre la puce et le

système de refroidissement, qui est au potentiel élec-

trique de la terre Une autre solution consisterait à ce que l'isolation électrique soit fournie par le revttement de la surface de la plaque froide avec un matériau diélectrique, ou par l'utilisation d'un noyau métallique

enduit d'un diélectrique de surface.

En se référant à la Fig 4, on va décrire la méthode de fixation des noyaux 52 à l'intérieur des poches 50 Comme on peut le voir, chaque poche 50 est relevée près de l'extrémité ouverte de celle-ci de manière à fournir une zone 50 a d'épaulement périphérique s'étendant vers l'extérieur Cet épaulement fournit un volume supplémentaire à l'intérieur de la poche 50, pour faciliter le soudage, sans que la quantité de soudure employée pour chaque poche ne représente un caractère critique. Pour appliquer la soudure 54 destinée à fixer les noyaux 52, l'unité 10 est placée verticalement de telle sorte que les poches 50 de plaque froide à l'intérieur de l'élément de plaque froide 20 fassent face au haut Une quantité prédéterminée de soudure 54 à point de fusion bas est ensuite placée dans chaque poche 50, en fonction de la taille de la poche, et de la profondeur à laquelle le noyau 52 sera inséré dans la poche 50 La soudure 54 est ensuite fondue et les noyaux 52 sont insérés Pendant cette insertion, la soudure s'écoule vers l'extrémité ouverte de la poche 52, l'excédent se déplaçant ensuite vers la zone d'épaulement 50 a Après cela, la soudure est refroidie Une vibration peut s'avérer utile pour s'assurer qu'aucune poche d'air n'existe entre les noyaux 52 et les parois internes des poches 50 L'existence de poches d'air dans cet assemblage nuit aux caractéristiques de transfert thermique Lorsque les noyaux 52 sont ainsi fixés à l'intérieur des poches 50, l'assemblage permet aux poches 50 d'étendre La structure de plaque froide à l'élément de plaque froide 20 en dessous et autour du noyau 52, ce qui par là-même fournit une voie de résistance thermique réduite à partir de la surface de la puce 14 par l'intermédiaire du noyau 52, autour des côtés et du haut du noyau 52, et par l'intermédiaire de l'élément de plaque froide 20 vers

l'intérieur de celui-ci.

Il est préférable que les noyaux 52 soient tout d'abord fixés aux puces 14, les puces 14 étant ensuite fixées électriquement à la carte 15 Puis l'assemblage, dans son ensemble est fixé à l'élément de plaque froide Les puces 14 sont soudées, collées avec de l'époxy ou fixées par tout autre moyen adapté aux noyaux 52, le matériau de soudure circulant tout autour du

noyau.

Pour effectuer un transfert de chaleur optimal à partir des puces 14, la chaleur transférée par l'intermédiaire de l'élément de plaque froide 20 est ensuite transférée vers la surface intérieure de la plaque froide 20, qui sert comme l'une des parois de la chambre d'évaporation 16, la chambre d'évaporation 16 définissant une chambre d'ébullition, qui communique, par l'intermédiaire du passage 30 et de la chambre de 11 - réception 32 qui sont reliées, avec les voies de passage 34, qui sont utilisées comme condensateur refroidi par air La chambre 16 contient également une quantité de fluide travaillant ou réfrigérant, auquel il a été fait référence jusqu'à présent sous la forme du liquide pouvant ttre porté à ébullition 40 Le dispositif devant être refroidi, constitué par les puces 14 de l'unité 12, sont montées sur une surface de transfert de chaleur, qui est l'extérieur de la plaque froide 20, dont l'autre

surface est interne à la chambre 16.

La chaleur passe à travers les parois des poches 50 de la plaque froide et à l'intérieur de la plaque froide 20, dont la surface interne inclut une pluralité d'ailettes 21 formant partie intégrante de celle- ci, lesdites ailettes faisant saillie à l'intérieur de la chambre d'ébullition 16 Les ailettes internes peuvent prendre toute forme ou disposition qui convient, c'est-à dire qu'elles peuvent être en forme de barre, ou de forme triangulaire ou libre, et elles peuvent ttre disposées en parallèle, se croiser ou toute autre disposition qui convienne Dans le mode de réalisation illustré, les ailettes 21 sont généralement des éléments métalliques en forme de barre, avec un positionnement parallèle à faible espacement, et ces ailettes peuvent faire partie intégrante de la surface arrière ou de la surface intérieure de l'élément de plaque froide 20, les ailettes 21 étant conçues de manière à améliorer la distribution de l'énergie thermique à partir de l'élément de plaque froide vers une masse commune de liquide pouvant être porté à ébullition 40 contenue à l'intérieur de la chambre d'ébullition ou d'évaporation 16 Les ailettes 21 augmentent sensiblement l'aire de contact de surface entre le liquide pouvant être porté à ébullition 40 et

l'intérieur de l'élément de plaque froide 20.

Le liquide pouvant être porté à ébullition 40 ou liquide réfrigérant peut être par exemple un liquide réfrigérant vendu sous la marque Fluorinert Pratiquement tout autre fluide peu être choisi pour ses propriétés -12 thermodynamiques, tel que L'eau, les glycoles, les alcools, et même les métaux liquides à point de fusion inférieur Dans la suite du texte, il sera fait collectivement référence à tous ces produits comme liquides pouvant être portés à ébullition Le liquide réfrigérant 40 est de préférence placé dans la chambre d'ébullition 16, dans une quantité suffisante pour couvrir complètement les ailettes 21 Ainsi, l'énergie sous forme de chaleur est transférée depuis les puces 14, par l'intermédiaire des noyaux 52 en nitrure d'aluminium, vers l'élément de plaque froide 20 et vers les ailettes 21 du déchargeur de chaleur interne, o il est ensuite distribué vers le réfrigérant ou vers le

liquide 40.

L'amplitude de la différence de température entre les ailettes 21 du déchargeur de chaleur et l'air de refroidissement est fonction du liquide pouvant être porté à ébullition, de la taille du condenseur et de la configuration d'ailette, de la circulation d'air à travers le condenseur et d'autres paramètres Dans la mesure o aucun circuit électronique n'est immergé dans le liquide réfrigérant 40, les propriétés diélectriques du Fluorinert ou de tout autre liquide pouvant etre porté à ébullition ne présentent pas un caractère critique pour l'invention Ceci signifie que tout autre réfrigérant moins couteux, et présentant de meilleures propriétés thermiques, peut etre utilisé de la même manière que ce

qui a été précédemment discuté.

En cours de fonctionnement, l'énergie sous forme de chaleur dissipée transférée dans la chambre d'évaporation 16 vaporise le liquide réfrigérant 40 à l'intérieur de Ladite chambre, la vapeur en résultant montant et se séparant du liquide Cette vaporisation, ou changement de phase du fluide nécessite un grand apport d'énergie, à température constante, cette énergie étant enlevée de la plaque froide 20 et des ailettes 21 Du fait de sa faible densité, la vapeur se déplace vers le haut à partir de la chambre 16, par l'intermédiaire de la voie de passage 30 13 - en forme de conduit, en traversant La chambre de réception 32, et à l'intérieur de La portion du condenseur définie par les voies de passage 34 Le condenseur est constitué d'une plura Lité de voies de passage de refroidissement 34 avec la structure à ailettes attachées 36, qui, pour le fonctionnement, effectuent La liaison avec un système de refroidissement par air Ceci signifie que les éléments 34 et La structure à ailettes 36 (voir également la Fig 2) sont configurés de manière à fournir des voies de refroidissement par air à travers Les espaces ouve rts entre les éléments 34 et les ailettes 36, ce refroidissement par air pouvant être fourni par des ventilateurs dans l'enceinte de l'ordinateur Au fur et à mesure que la vapeur monte depuis la chambre d'ébullition 16 vers les voies de passage 34 du condenseur, elle vient au contact de la surface de ces voies de passage L'air de refroidissement qui traverse les voies de refroidi ssement à l'extérieur des voies de passage 34 et des ailettes 36 refroidit l'intérieur des éléments 34, provoquant par là-même La condensation de la vapeur et effectuant un changement de phase avec retour à La phase Liquide, qui, sous la force de La pesanteur, revient à la chambre d'ébullition 16 pour répéter le cycle Cette conception de l'unité 10 réduit La résistance thermique de la série jusqu'au point o les tours d'air refroidi formées par les composants 34 et 36 suffisent pour enlever la chaleur générée par les puces 14 à grande consommation d'énergie En d'autres termes, pendant le fonctionnement, le liquide auquel est ajouté l'apport de chaleur, produit de la vapeur Les puces 14 génèrent de la chaleur qui est conduite dans la plaque froide 20 et les ailettes 21 du déchargeur de chaleur Ceci provoque ensuite L'ébullition du liquide réfrigérant 40, pour produire la vapeur La vapeur qui en résulte s'élève en traversant le liquide réfrigérant 40 par L'intermédiaire de la voie de passage 30 et de la chambre 32, dans les voies de passage 34 du condenseur, o la 14 -

vapeur libère sa chaleur et revient à la phase liquide.

Le liquide revient ensuite, par la force de la pesanteur, vers la chambre d'ébullition 16, o le cycle continue à

se répéter Ceci élimine le besoin de pompe.

Les connexions électriques entre les puces 14 et le boitier ou plaque de circuit imprimé 15 peuvent être réalisées au moyen de techniques TAB ou PGA, ou de toute autre technique comparable Les puces 14 ainsi que tout le matériel associé, sont extérieurs à l'élément de plaque froide 20, et ne sont pas en contact avec le fluide 40 A aucun moment il n'est nécessaire d'ouvrir ou de désassembler l'élément de plaque froide 20 ou l'unité , et cette unité 10, complète lorsqu'elle contient le liquide réfrigérant 40, peut ttre assemblée en dehors de la chaine comme une unité complète scellée de façon hermétique Etant donné qu'il n'y a pas de liaison fluide à créer ou à interrompre, du point de vue de la fabrication ou de l'assistance technique, l'appareil décrit dans ce qui précède ressemble à un système

refroidi par air.

En séparant les puces 14 qui doivent être refroidies du liquide réfrigérant 40, on obtient un certain nombre d'avantages importants Un appareil d'enlèvement de chaleur refroidi par air résulte de l'unité 10, qui ne fait apparaitre aucun problème de compatibilité de matériau entre les puces 14 et le liquide réfrigérant 40 Les puces 14 sont en relation de transfert thermique avec uniquement la surface extérieure de l'élément de plaque froide 20, ce qui

simplifie tout enlèvement ou remplacement de puce.

Enfin, la conception de la poche de plaque froide 50, et l'utilisation des noyaux 52 améliore le passage du transfert de chaleur entre les puces 14et l'élément de plaque froide 20, de telle sorte que s'il existe des vides dans les poches 50, le rendement thermique ne sera

que légèrement diminué.

En bref, comme cela est illustré et décrit dans ce qui précède, le refroidissement des puces 14 sur l'unité - multi-puces 12, est effectué en fournissant une unité iso Lée 10 scellée de façon hermétique, avec une chambre scellée 16, qui renferme un liquide pouvant être porté à ébullition 40, physiquement iso Lé des pastilles 14, ce qui permet ainsi de fonder le choix d'un liquide exclusivement sur ses caractéristiques de prix et de transfert de chaleur Du fait que le liquide est couplé avec les poches ou cavités 50 de la plaque froide, l'appareil permet le refroidissement de puces 14 à grande consommation d'énergie, au moyen d'air de refroidissement forcé traversant les ailettes 36 de l'unité 10, la résistance thermique en résultant étant très basse En d'autres termes, contrairement à l'art antérieur, les puces 14 étant séparées physiquement du liquide pouvant être porté à ébullition 40, au lieu d'y être immergées, les caractéristiques diélectriques et corrosives du fluide 10 n'ont pas à être prises en considération pour ce qui est des dommages ou dégradations potentiels des puces 14, et il n'est nécessaire de les prendre en considération qu'en ce qui concerne les caractéristiques du matériau utilisé pour la fabrication des chambres Dans le mode de réalisation préféré, les chambres et les voies de passage, incluant les voies de passage 34, sont fabriquées en matériaux métalliques adaptés pour le transfert de chaleur, tels que l'aluminium, le cuivre jaune, le cuivre ou tout autre métal similaire Dans le mode de réalisation préféré, l'éLément de plaque froide 20 et les ailettes 21 peuvent être fabriqués en cuivre pour fournir la plus grande efficacité de transfert de chaleur possible pour l'unité 10. Bien qu'ait été décrit et illustré un mode de réalisation préféré, d'autres modifications et améliorations peuvent être apportées en restant dans

l'esprit et le cadre de l'invention.

16 -

Claims

REVENDICATIONS

1 Dispositif pour éliminer la chaleur d'au moins un composant électronique ( 12) dissipant de la chaleur lorsqu'il est en fonctionnement, comprenant: des moyens de transfert de chaleur ( 20) disposés en relation conductrice de transfert de chaleur avec ledit composant électronique; caractérisé par

au moins un élément ( 52) fabriqué dans un matériau dié-

lectriqueconducteurthermique interposé entre ledit composant électronique ( 12) et lesdits moyens de transfert de chaleur ( 20); des moyens de chambre ( 16) incluant, comme partie de ces moyens, au moins une partie ( 21) desdits moyens de transfert de chaleur; un liquide pouvant être porté à ébullition ( 40) à l'intérieur desdits moyens de chambre, ledit liquide étant séparé dudit composant électronique, et présentant la caractéristique de bouillir pour générer des vapeurs en réponse au transfert de la chaleur depuis ledit composant vers ledit liquide, par l'intermédiaire desdits moyens de transfert de chaleur; et des moyens de condensation ( 34, 36) en liaison de circulation fluide avec lesdits moyens de chambre, pour permettre la condensation de ladite vapeur et le retour

du fluide condensé vers lesdits moyens de chambre.

2 Dispositif selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de chambre et lesdits moyens de condensation sont formés comme une unité scellée de façon hermétique,

contenant ledit liquide pouvant ttre porté à ébullition.

3 Dispositif selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de transfert de chaleur incluent un éLément en forme de plaque formant une paroi desdits moyens de chambre. 4 Dispositif selon La revendication 3, dans lequel ledit élément en forme de plaque inclut des moyens de transfert de chaleur auxiliaires sur sa surface, à l'intérieur

desdits moyens de chambre.

17 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de condensation incluent des moyens de transfert de chaleur auxiliaires sur leur partie extérieure pour l'exposition à la circulation de l'air, afin de permettre le refroidissement des vapeurs

à l'intérieur desdits moyens de condensation.

6 Dispositif pour éliminer de la chaleur d'au moins un dispositif électronique dissipant de la chaleur, comprenant: un élément réfrigérant ayant une première surface configurée de manière à recevoir ledit dispositif électronique dissipant de la chaleur, dans une relation de transfert de chaleur avec celui-ci, et une seconde surface généralement opposée à ladite première surface; au moins un élément ( 52) thermiquement conducteur formé d'un matériau diélectrique et interposé, dans une relation de conduction de chaleur, entre ledit élément réfrigérant et ledit dispositif électronique; des moyens pour définir une chambre isolée de ladite première surface, et incluant ladite seconde surface; un liquide réfrigérant pouvant être porté à ébullition disposé à l'intérieur de ladite chambre et en relation de transfert de chaleur avec ladite seconde surface, par laquelle la chaleur est transférée par l'intermédiaire dudit élément réfrigérant vers ledit liquide réfrigérant pour effectuer une transition de phase dudit liquide réfrigérant, depuis la phase

liquide vers la phase gazeuse.

7 Dispositif selon la revendication 6, incluant de plus des moyens de passage pour ramener le liquide réfrigérant depuis lesdits moyens de condensation

vers ladite chambre.

8 Dispositif selon la revendication 7, dans lequel lesdits moyens de condensation incluent des moyens de chambre, et dans lequel lesdits moyens de chambre, 18 - ladite chambre et lesdits moyens de passage sont formés comme une unité scellée de façon hermétique,

avec le liquide réfrigérant à l'intérieur.

9 Dispositif selon La revendication 6, dans lequel ladite chambre comprend des moyens de décharge de chaleur à ailettes dans une relation de transfert

thermique avec ladite seconde surface.

Dispositif selon la revendication 7, incluant de plus des moyens de poche à l'intérieur de ladite première surface dudit élément réfrigérant, et au moins un élément thermiquement conducteur configuré de manière à être reçu à l'intérieur desdits moyens de poche, ledit élément thermiquement conducteur ayant une de ses surfaces configurée de manière à être attachée à une surface dudit dispositif, en

relation de transfert de chaleur avec celui-ci.

11 Dispositif selon la revendication 10, dans lequel ledit élément thermiquement conducteur est formé

d'un matériau diélectrique.

12 Dispositif selon la revendication 11, dans lequel

ledit matériau diélectrique est du nitrure d'aluminium.

13 Dispositif selon la revendication 10, dans lequel ledit élément thermiquement conducteur est formé d'un matériau thermiquement conducteur, enduit, au

moins en partie, avec un matériau diélectrique.

14 Dispositif refroidi par air pour éliminer la chaleur d'une matrice de dispositifs à semi-conducteur dissipant de la chaleur, comprenant: des moyens de conteneur pour définir une chambre, lesdits moyens de conteneur incluant une surface de montage de transfert de chaleur, extérieure à ladite chambre, ladite surface de montage de transfert de chaleur ayant une matrice semblable de poches formée à l'intérieur; un substrat thermiquement conducteur attaché à chacun desdits dispositifs à semi-conducteur; 19 - des moyens de soudure à point de fusion bas pour fixer chacun desdits substrats et son dispositif respectif auxdites poches, isolant par Là- même chacun desdits dispositifs de ladite chambre; des moyens de décharge de chaleur s'étendant à l'intérieur de ladite chambre à partir de la surface opposée à ladite surface de montage de transfert de chaleur; un liquide réfrigérant pouvant être porté à ébullition disposé dans ladite chambre et couvrant complètement lesdits moyens de décharge de chaleur pour effectuer une transition de phase, de manière à enlever la chaleur desdits moyens de décharge de chaleur; et des moyens de condensation dont Le fonctionnement est relié auxdits moyens de conteneur pour condenser ledit liquide réfrigérant pouvant être porté à ébullition, depuis sa phase gazeuse vers sa phase liquide. 15 Dispositif selon la revendication 14, incluant de plus des moyens de passage pour ramener le liquide réfrigérant depuis lesdits moyens de condensation

vers ladite chambre.

16 Dispositif selon la revendication 15, dans lequel lesdits moyens de condensation incluent des moyens de chambre interne, et lesdits moyens de chambre, ladite chambre et lesdits moyens de passage sont formés comme une unité scellée de façon hermétique,

avec ledit liquide réfrigérant à l'intérieur.

17 Dispositif selon la revendication 14, dans lequel

ledit substrat est formé d'un matériau diélectrique.

18 Dispositif selon la revendication 14, dans lequel ledit substrat inclut un revêtement diélectrique

sur ledit dispositif à semi-conducteur.

19 Dispositif selon la revendication 17, dans lequel ledit matériau diélectrique est un noyau en nitrure d'aluminium. - Dispositif selon la revendication 16, dans Lequel lesdits moyens de condensation incluent des moyens de passage dotés d'ailettes extérieures, et dans lequel les ailettes extérieures sont exposées à la circulation de l'air.