NL8002585A

NL8002585A - Geprefabriceerde samengestelde metallische warmte- overdragende plaateenheid.

Info

Publication number: NL8002585A
Application number: NL8002585A
Authority: NL
Original assignee: Hascoe Norman
Priority date: 1979-05-08
Filing date: 1980-05-06
Publication date: 1980-11-11
Also published as: JPS633741B2; JPS55159967A; IT8048589A0; GB2048567A; IT1128314B; US4283464A; CA1136289A; DE3017514A1; FR2456298B1; GB2048567B; FR2456298A1

Description

\ \ P & c LN 5700-1 Ned.

Geprefabriceerde samengestelde metallische warmteoverdragende plaateenheid.

Bij de overdracht van warmte vanuit een warmtebron naar een warmte-absorberend lichaam is het dikwijls gewenst of zelfs noodzakelijk bij bepaalde toepassingen een intermediair metallisch lichaam te gebruiken met een thermische uitzettingscoëfficiënt, die bij benadering 5 gelijk is aan die van de warmtebron, maar die een relatief hoge warmte-overdrachtskarakteristiek bezit. Een dergelijke warmteoverdragende metallische plaateenheid heeft in het bijzonder haar nut bij de montage van één kristallijne silicium halfgeleider inrichting.

Een warmteoverdragende metallische plaateenheid, zoals eerder 10 voorgesteld, bevatte een plaat van een metaal van hoge treksterkte met een gewenste thermische uitzettingscoëfficiënt maar een ongewenste lage warmteoverdrachtscoëfficiënt, die vervaardigd werd door gaten in de plaat te vullen met een smeedbaar metaal, dat een hoge warmteoverdrachts-coëfficiënt bezit, zoals koper, zilver, aluminium, goud of legeringen 15 van dergelijke metalen. De gaten werden gevuld met metaal langs electro-lytische weg, door de metalen te laten lopen door een wals om het smeedbare materiaal in de gaten te drijven, door het gesmolten smeedbare metaal in de gaten te gieten of op andere wijze.

Een dergelijke samengestelde structuur heeft de gewenste 20 eigenschappen van een beheerste thermische uitzettingscoëfficiënt en een relatief hoge warmteoverdrachtscoëfficiënt. Het heeft vele toepassingen gevonden, waar het temperatuurbereik, waarover de inrichting met ingebouwde structuur relatief matig is, zich bijvoorbeeld uitstrekt tot een maximum temperatuurtereik tijdens het doorlopen van de cyclus, in de orde 25 van 400°C. Wanneer in bedrijf echter een hoger temperatuurbereik tijdens het doorlopen van de cyclus vereist is, is gebleken dat een klein percentage van de smeedbare metalen inzetstukken gaat afwijken van het matrix materiaal met hoge treksterkt. Als gevolg van het verlies van contact tussen de twee metalen gaat de warmteoverdrachtscoëfficiënt achter-30 uit.

Het is derhalve een oogmerk van de uitvinding een nieuwe en verbeterde voorgefabriceerde samengestelde warmteoverdragende metallische plaateenheid te verschaffen, die de hiervoor genoemde temperatuurbeperkende eigenschap van de eerder voorgestelde metallische plaateenheid overwint 35 en op bevredigende wijze werkzaam is over een hoger bereik van cyclische 800 2 5 85 * - 2 - temperaturen, bijvoorbeeld 550°C.

Dienovereenkomstig verschaft de uitvinding een voorgefabriceerde samengestelde metallische plaateenheid voor het overdragen van warmte van een warmtebron naar een warmte-absorberend medium, gekenmerkt door een 5 paar plaatvormige lichamen van metaal met hoge treksterkte en een thermische uitzettingscoëfficiënt die bij benadering dezelfde is als die van de warmtebron; een aantal gaten, die zich door elk dezer lichamen heen uitstrekken; en een laag van relatief smeedbaar metallisch materiaal aangebracht tussen deze lichamen, dat de gaten opvult en een warmte- 2 o 10 overdrachtscoëfficiënt bezit van tenminste ca. 0,3 cal./cm /cm/sec./ C.

De uitvinding'zal hieronder aan de hand van een in de bijgaande figuur weergegeven uitvoeringsvoorbeeld nader worden toegelicht.

De figuur in deze tekening geeft een aanzicht in perspectief, gedeeltelijk weggesneden, bij wijze van voorbeeld van een voorgefabriceerde 15 samengestelde metallische plaateenheid, waarin de onderhavige uitvinding belichaamd is.

Onder verwiizing thans naar de tekening wordt daarin geïllustreerd een voorgefabriceerde samengestelde metallische plaateenheid voor het overdragen van warmte vanuit een warmtebron naar een warmteabsorberend • 20 medium, welke plaat een relatief hoge warmteoverdrachtscoëfficiënt bezit en bestaat uit een paar plaatlichamen 10 en 11 van metaal met hoge treksterkte. Elk der plaatlichamen is van een materiaal, dat een hoge thermische uitzettingscoëfficiënt bezit, die bij benadering dezelfde is als die van de warmtebron en bij voorkeur een kobalt-nikkel-ijzerlegering 25 is, dat in de handel verkrijgbaar is als KOVAR of nikkel-ijzerlegering bevattende 42% en 58% ijzer, en in de handel verkrijgbaar is als Alloy 42.

Elk bezit een thermische uitzettingscoëfficiënt, die zich verdraagt met —6 o

één kristallijn silicium met KOVAR met een coëfficiënt van 6,2 x 10 / C

en Alloy 42 met een coëfficiënt van 6,9 x 10 /°C over het temperatuur- 30 bereik van ca. 30°C tot 550°C. Het is echter vereist dat welk materiaal ook gekozen wordt voor de plaatlichamen 10 en 11, dit materiaal een 2 treksterkte moet hebben van tenminste 35kg/mm .

De plaatlichamen 10,11 hebben een groot aantal gaten 10a, 11a, die zich daardoorheen uitstrekken, die een totaal oppervlaktegebied 35 beslaan van 15% tot 80%, bij voorkeur ongeveer 70% van het oppervlakte- 80 0 2 5 85

V

- 3 - gebied van de plaatlichamen. Het aantal gaten 10a en 11a kan variëren over een zeer wijd bereik, maar, in één typerende constructie, bedraagt het 2 aantal gaten ca. 310 per cm . De vorm van de gaten kan rond zijn zoals geïllustreerd, vierkant, ovaal, rechthoekig, ruitvormig en variaties van 5 deze vormen.

Tussen de plaatlichamen 10 en 11 is een laag 12 van een smeedbaar metallisch materiaal geplaatst, waardoor een sandwich structuur ontstaat. Dit smeedbare materiaal is een metaal van de groep bestaande uit koper, aluminium, goud, zilver, en kan een legering zijn van één of meer 10 dezer metalen, waarbij in een typerend voorbeeld het metaal koper wordt gebruikt. Bij de fabricage van de plaateenheid, worden de platen 10 en 11 onderworpen aan een hoge druk, zodat de smeedbare centraal gelegen metaallaag 12 gedwongen wordt in de gaten te stromen van de buitenplaten met hoge treksterkte, waarbij een dergelijke druk wordt toegepast door 15 machines zoals walsen of hoge druk persen.

De coëfficiënten van warmte-overdracht voor diverse materialen geschikt voor de fabricage van samengestelde platen volgens de onderhavige uitvinding zijn als volgt: aluminium = 0.50 20 koper =0.94 goud =0.74 zilver = 0.99 KOVAR =0.04

Alloy 42 =0.03 25 De gemeten warmteoverdrachtscoëfficiënt van de hierboven beschreven samengestelde warmteoverdragende plaateenheid benadert zeer eng die coëfficiënt van warmteoverdracht, die kan worden berekend uit theoretische overwegingen. De vergelijking, die de warmteoverdrachtscoëfficiënt definieert voor een lichaam van uniform materiaal is:

30 K = q/A&T = cal./cm^/cm/sec./°C

waarin K = warmteoverdrachtscoëfficiënt q= calorieën overgedragen warmte per seconde 2 A = verhouding van het gebied in cm /lengte in cm en 35 &T= tempeatuurverschil over de beide in beschouwing genomen oppervlakken in °C.

800 2 5 85 t - 4 -

Een eerste ordebenadering van de effèctieve warmteoverdrachts-coëfficiënt van de composiet is de som van de coëfficiënten van de beide materialen evenredig gemaakt aan de betreffende gebieden van de beide materialen, d.w.z. voor een KOVAR (Ko) en koper (cu) composiet zal de 5 vergelijking zijn:

Kcomposiet = (^Ko) (% Ko gebied) + (K ) (% cu gebied) en de som van % Ko gebied + % cu area wordt genormaliseerd tot 1.

Als voorbeeld van de warmteoverdrachtscoëfficiënt van een composiet, veronderstelle men, dat de plaat dient te worden gefabriceerd 10 uit KOVAR en koper met een dikte van 1 cm en dat de centrale koperlaag zeer dun is. Veronderstel dat de koperzone 70% en de KOVAR zone 30% is.

De coëfficiënt van de composiet is in een benadering van de eerste orde:

Kcomposiet = (0.04) (0.30) + (0.94) (0.70) = 0.67 cal./cm^/cm/sec./°C.

15 Zoals men kan inzien heeft een dergelijke composiet een coëfficiënt van warmteoverdracht die bij benadering 17 maal zo groot is als die van KOVAR.

De afmetingen van de plaateenheid, zoals geïllustreerd in de tekening, zijn grof overdreven voor de duidelijkheid van de illustratie.

In de praktijk kunnen dergelijke afmetingen variëren over wijde bereiken, 20 afhankelijk van de beoogde toepassing. In een typerend geval hebben de plaatlichamen 10 en 11 een dikte van 0,0508 mm tot 1,27 mm en de dikte van de laag 12 van smeedbaar metaal heeft in een typerend geval een dikte van 0,0762 mm tot 1,524 mm.

Eén specifiek voorbeeld van een plaateenheid, waarin de 25 uitvinding belichaamd is, en ontworpen is om te werken over het temperatuur-bereik van 20°C tot 550°C, heeft de volgende afmetingen en eigenschappen:

Dikte der KOVAR platen 10, 11 ........................... 0,2032 mm

Dikte van de koperlaag 12 na bewerking .................. 0,1016 mm

Gebied van met koper gevulde gaten 10a, 11 a ............. 70% van het 30 plaatoppervlak

Warmteoverdrachtscoëfficiënt van massive KOVARplaat ....... 0.04

Warmteoverdrachtscoëfficiënt van de samengestelde plaateenheid .....0,67

Thermische uitzettingscoëfficiënt van massieve KOVARplaat 35 over het bereik van 30°C tot 550°C .................. 6,2x10 ^/°C

800 25 85 - 5 - i *

Thermische uitzettingscoëfficiënt van massieve Alloy 42

over het bereik van 30°C tot 550°C ................ 6.9 x 10 ^/°C

-6 o

Uitzettingscoëfficiënt van massieve koperplaat.........16.4 x 10 / C

Thermische uitzettingscoëfficiënt van samengestelde 5 plaat ............................................. 7.0 x 10_6/°C.

Men zal dus zien dat de warmteoverdrachtscoëfficiënt van een dergelijke samengestelde plaateenheid ongeveer 17 maal die van een massieve KOVAR plaat bedraagt.

Men schat dat 90% van alle geïntegreerde schakelingen van 10 halfgeleiderchips, welke zijn vervaardigd worden, afmetingen hebben van minder d^n 7,62 mm bij 7,62 mm. Het geringe verschil tussen de thermische uitzettingscoëfficiënt van de siliciumchip en de samengestelde plaateenheid is niet groot genoeg om een merkbare rek te veroorzaken bij chips met afmetingen van 7,62 mm x 7,62 mm en kleiner.

15 800 2 5 85

Claims

1. Voorgefabriceerde samengestelde metallische plaateenheid voor het overdragen van warmte van een warmtebron naar een warmte-absorberend medium, gekenmerkt door een paar plaatvormige lichamen van metaal met hoge treksterkte en een thermische uitzettingscoëfficiënt, die bij benadering 5 dezelfde is als die van de warmtebron; een aantal gaten, die zich door elk dezer lichamen heen uitstrekken; en een laag van relatief smeedbaar metallisch materiaal aangebracht tussen deze lichamen, dat de gaten opvult en een warmteoverdrachtscoëfficiënt bezit van tenminste ca. 0. 3 cal./cm^/cm/sec./°C.

2. Warmteoverdragende metallische plaateenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat elk der plaatlichamen bestaat uit een kobalt-nikkel-ijzerlegering met een thermische uitzettingscoëfficiënt van ongeveer 6,2 x 10 *V°C over een temperatuurbereik van ongeveer 30°C tot 550°C.

3. Warmteoverdragende metallische plaateenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat elk der plaatlichamen een legering is in hoofdzaak bestaande uit 42% nikkel en 58% ijzer en met een thermische uitzettings- ™6 o coëfficiënt van ongeveer 6,9 x 10 / C over een temperatuurbereik van ongeveer 30°C tot 550°C.

4. Warmteoverdragende metallische plaateenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat elk der plaatlichamen een treksterkte bezit van 2 tenminste ongeveer 35 kg/mm .

5. Warmteoverdragende metallische plaateenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de gaten, die zich uitstrekken door de 25 plaatlichamen, een totaal oppervlaktegebied beslaan vanaf 15% tot 80% van het oppervlaktegebied van de plaatlichamen.

6. Warmteoverdragende metallische plaateenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de gaten, die zich uitstrekken door de plaatlichamen, een totaal oppervlaktegebied beslaan van ongeveer 70% van 30 het oppervlaktegebied van de plaatlichamen.

7. Warmteoverdragende metallische plaateenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het aantal gaten, dat zich uitstrekt 2 door de plaatlichamen, loopt van 0,775 tot 310 gaten per cm .

8. Warmteoverdragende metallische plaateenheid volgens 35 conclusie 1, met het kenmerk, dat het aantal gaten, die zich uitstrekken 80 0 2 5 85 2 - 7 - door de plaatvormige lichamen, ongeveer 310 per cm bedraagt.

9. Warmteoverdragende metallische plaateenheid volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het smeedbare metallische materiaal een metaal is uit de groep gevormd door koper, aluminium, goud, zilver en een 5 legering uit dergelijke metalen. 800 25 85