WO2009121737A1 - Substrat mit flachem wärmerohr - Google Patents

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WO2009121737A1
WO2009121737A1 PCT/EP2009/053340 EP2009053340W WO2009121737A1 WO 2009121737 A1 WO2009121737 A1 WO 2009121737A1 EP 2009053340 W EP2009053340 W EP 2009053340W WO 2009121737 A1 WO2009121737 A1 WO 2009121737A1
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heat pipe
substrate
heat
working medium
medium
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Inventor
Kai Kriegel
Johann Otto
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a substrate for an electronic circuit with a heat pipe.
  • a heat pipe also known as a heat pipe or heat pipe, has the function of absorbing heat at any point on its surface and distributing it over its entire surface. This happens with the aid of a liquid working medium.
  • the heat pipe has inside a vacuum chamber, in which the working medium is filled. If the heat pipe is heated at any point, the working medium evaporates there. The steam condenses in the remaining colder area of the heat pipe, heating it up. The condensed working fluid flows back to the heat source by the action of gravity or capillary forces and evaporates again there.
  • This cycle leads to a very high thermal conductivity of the heat pipe, which is significantly higher than that of a comparable massive copper plate. In addition, the heat transfer happens much faster than in massive copper.
  • the temperature of the heat pipe is therefore approximately the same over its entire extent.
  • Flat heat pipes for example, are well suited as base plates in heat sinks and heat exchangers, as they optimize the heat input into the cooling fins.
  • the object of the present invention is to provide a substrate with integrated heat pipe, in which at the same time a high heat conduction or heat spread is achieved together with a protection against malfunction by freezing the working medium.
  • the substrate according to the invention for an electronic circuit has a flat heat pipe for heat transport.
  • the heat pipe is integrated into the substrate.
  • the heat pipe furthermore has at least two hermetically separated regions, wherein a first of the regions contains a first working medium and a second of the regions contains a second working medium different from the first.
  • the second working medium has a lower boiling temperature than the first medium.
  • the integration of the heat pipe into the substrate can take place, for example, by creating a vacuum chamber for the heat pipe during the production and manufacture of the substrate.
  • the heat pipe is flat according to the substrate in which it is integrated, that is, widely extended in contrast to its thickness.
  • the heat have a thickness of 0.5 mm or 2 mm, while its lateral extent as an example 5 cm x 10 cm.
  • the heat pipe itself is divided into areas, at least some of which contain different working media.
  • the areas without change in the thing could be called separate heat pipes, since they individually fulfill the function of the heat pipe according to their geometry;
  • the structure is considered as a heat pipe with separate areas.
  • the division can be made in two, three, four, five or even more areas.
  • the first medium is preferably water. However, depending on the application, other working media can also be used.
  • the second working medium must be adjusted to the first working medium in relation to the boiling point.
  • the second working medium is preferably methanol. Acetone or ethanol can also be used as the first working medium in water.
  • the advantage of the substrate according to the invention is that the heat dissipation or heat spreading also works if at the beginning the first working medium, for example water, is partially or completely frozen.
  • the parts of the heat pipe, which are located where a heat input happens, are heated by the power loss, so that the first medium thaws anyway.
  • the second medium for example methanol
  • the second medium initially also undertakes the transport of heat to the regions in which the heat pipe and thus the first working medium are no longer or not heated fast enough by the heat input and remain frozen.
  • the area or the areas with the second medium thus initially take over the distribution of the heat in the form that even the areas with the first medium begin to work completely after a short time.
  • the areas with the first working medium the take over significant heat conduction. This is the case, for example, with water as the first and methanol as the second working medium.
  • the areas are arranged so that as large as possible contact surfaces between the areas with the first working medium and those with the second working medium to obtain the largest possible heat transfer between the areas. This speeds up the thawing of the first working medium.
  • the areas can be arranged, for example, parallel to each other. In one embodiment of the invention, it is possible to improve the thermal coupling between the regions by configuring the contact surfaces, for example by increasing the surface area with ribs.
  • capillary elements in all areas in the heat pipe, which effect the return of condensed working medium from the cool parts of the heat pipe to the hot parts.
  • the structure is particularly advantageous if the electronic circuit is a circuit of the power electronics, ie if at least one power-electronic component is located on / in the circuit.
  • Power electronics is considered a circuit or a component which has a heat input of at least 50 W, in particular at least 500 W.
  • the structure is therefore particularly advantageous when particularly high power losses must be dissipated and / or spread.
  • Examples of power electronic circuits or components are controls in automobiles such as for power steering or high-power LEDs.
  • Figure 1 is a plan view of a substrate with a flat heat pipe with three areas and
  • FIG. 2 a detail of such a substrate in a side view
  • FIG. 3 a fragmentary view of an alternative substrate in side view.
  • the substrate 1 according to the given embodiment is based on an arrangement of two DCB substrate plates 6 with structured copper plates lying therebetween. Between the two DCB substrate plates 6, a heat pipe 5 is arranged.
  • the heat pipe 5 consists in this embodiment of three areas 2-4, which are arranged parallel to each other. In this embodiment, the areas 2-4 are additionally the same size.
  • This arrangement of the areas is only an example;
  • the shape, number and size of the regions are adapted to the conditions of the structure on the substrate 1, i. how much and where the dissipated power dissipation is produced or how the greatest cumulative efficiency in heat transport can be realized.
  • the first area 2, shown on the right in FIG. 1, contains water as the working medium.
  • the second central region 3 contains methanol as the working medium and the third region 4 contains water.
  • the areas 2, 4 are responsible with water mainly for the heat spreading, since the heat conduction of these areas by the water is substantially higher than that of the central area.
  • the substrate 1 should be a carrier for a power electronic circuit for an automobile.
  • the car must be ready to start even at temperatures of, for example, -25 0 C or -40 0 C.
  • the water is already completely frozen at such or even lower temperatures.
  • the middle area 3 with the non-frozen methanol takes over the heat conduction.
  • the generated by the power electronics Waste heat also led to the outside areas. This will prevent any possible freezing of the water of the other areas 2, 4 in the cold outdoor areas, which would result in complete and long-term failure of these areas. Rather, in the entire water-bearing areas 2, 4 provided for a rapid thawing of the water, which in turn causes a rapid onset of efficient cooling by the water.
  • capillary elements 10 are provided at the bottom of the respective areas 2-4. These are, for example, porous layers and cause the desired reflux via capillary forces.
  • the top of the areas 2-4 is left empty, thus forming a vapor channel 9 for the vaporized working media.
  • the heat pipe 5 finally contains structured copper intermediate plates 8 to ensure stability and the passage of steam.
  • FIG. 3 shows an alternative to the construction according to FIG. 2.
  • the inner surface of the two substrate plates 6 is provided with a fleece which serves as capillary element 10.
  • This construction is particularly suitable for structures in which on both sides of the substrate 1 power electronic components are applied, which emit a high heat, because through the two-sided nonwoven is a heat dissipation from both inner sides of the heat pipe 5 allows.

Abstract

Es wird ein Substrat für eine elektronische Schaltung angegeben, in das ein flaches Wärmerohr (Heatpipe) integriert ist. Das Wärmerohr ist in drei parallel liegende Bereiche aufgeteilt. Die zwei äusseren davon enthalten als Arbeitsmedium Wasser für eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Der dazwischen liegende Bereich enthält als Arbeitsmedium Aceton, Methanol oder ein anderes Medium mit niedrigerem Siedepunkt. Das letztere Medium erlaubt eine Verteilung von Wärme und somit den Betrieb der Schaltung auch bei Temperaturen, die das Wasser gefrieren lassen. Die Wärmeverteilung durch das Aceton o.ä. sorgt für ein Auftauen des Wassers im gesamten Bereich des Wärmerohrs.

Description

Beschreibung
Substrat mit flachem Wärmerohr
Die Erfindung betrifft ein Substrat für eine elektronische Schaltung mit einem Wärmerohr.
Ein Wärmerohr, auch Wärmeleitrohr oder Heatpipe, hat die Funktion, an einer beliebigen Stelle ihrer Oberfläche Wärme aufzunehmen, und diese über ihre gesamte Oberfläche zu verteilen. Dieses geschieht unter Zuhilfenahme eines flüssigen Arbeitsmediums. Das Wärmerohr hat im Inneren eine Vakuumkammer, in die das Arbeitsmedium eingefüllt ist. Wird das Wärmerohr an einer beliebigen Stelle erwärmt, so verdampft dort das Arbeitsmedium. Der Dampf kondensiert im restlichen kälteren Bereich des Wärmerohrs und erwärmt es dadurch. Das kondensierte Arbeitsmedium fließt durch die Einwirkung der Schwerkraft oder Kapillarkräfte zurück zur Wärmequelle und verdampft dort erneut. Dieser Kreislauf führt zu eine sehr hohen Wärmeleitfähigkeit des Wärmerohrs, die deutlich über der einer vergleichbaren massiven Kupferplatte liegt. Zusätzlich passiert der Wärmetransport wesentlich schneller als in massivem Kupfer. Die Temperatur des Wärmerohrs ist daher über seine gesamte Ausdehnung annähernd gleich. Flache Wärmerohre sind beispielsweise gut geeignet als Basisplatten in Kühlkörpern und Wärmetauschern, da sie den Wärmeeintrag in die Kühlrippen optimieren.
Es ist bekannt, flache Wärmerohre in Substrate für elektroni- sehe Schaltungen oder andere Aufbauten direkt zu integrieren. Dabei wird als Arbeitsmedium typischerweise Wasser verwendet, da damit eine sehr effiziente Wärmeleitung und damit Wärmespreizung erreicht werden kann. Nachteilig an den bekannten Aufbauten ist aber, dass bei Verwendung von Wasser die Tempe- ratur des Aufbaus beim Einschalten der Verlustleistung nicht derart niedrig sein darf, dass das Wasser gefroren ist, da sonst zumindest anfänglich eine Überhitzung wahrscheinlich ist. Insbesondere besteht ein Problem darin, dass bei so ge- ringer Temperatur das anfänglich im heißen Teil des Wärmerohrs vorhandene Arbeitsmedium zum kalten Teil strömt und dort gefriert, so dass insgesamt sogar ein völliges Austrocknen des Wärmerohrs bewirkt werden kann. Arbeitsmedien mit ge- ringeren Siedepunkten wie beispielsweise Methanol oder Aceton würde das Problem beheben, haben aber eine deutlich geringere Verdampfungswärme und bewirken dadurch eine deutlich geringere Effizienz des Wärmerohrs.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Substrat mit integriertem Wärmerohr anzugeben, bei dem gleichzeitig eine hohe Wärmeleitung oder Wärmespreizung zusammen mit einem Schutz vor Fehlfunktionen durch Einfrieren des Arbeitsmediums erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Substrat mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Substrat für eine elektronische Schaltung weist ein flaches Wärmerohr zum Wärmetransport auf. Das Wärmerohr ist dabei in das Substrat integriert. Das Wärmerohr weist weiterhin wenigstens zwei hermetisch voneinander getrennte Bereiche auf, wobei ein erster der Bereiche ein ers- tes Arbeitsmedium und ein zweiter der Bereiche ein zweites vom ersten verschiedenes Arbeitsmedium enthalten. Das zweite Arbeitsmedium weist eine niedrigere Siedetemperatur auf als das erste Medium.
Die Integration des Wärmerohrs in das Substrat kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass bereits bei der Herstellung und Fertigung des Substrats eine Vakuumkammer für das Wärmerohr erstellt wird. Andererseits ist es auch möglich, das Wärmerohr getrennt herzustellen und mit einem Substratma- terial zu verbinden. Das Wärmerohr ist entsprechend dem Substrat, in das es integriert ist, flach, d.h. weit ausgedehnt im Gegensatz zu seiner Dicke. Beispielsweise kann das Wärme- rohr eine Dicke von 0,5 mm oder 2 mm aufweisen, während seine laterale Ausdehnung als Beispiel 5 cm x 10 cm beträgt.
Das Wärmerohr selbst ist in Bereiche aufgeteilt, von denen zumindest einige voneinander verschiedene Arbeitsmedien enthalten. In einer alternativen Betrachtungsweise könnte man die Bereiche ohne Änderung in der Sache auch als separate Wärmerohre bezeichnen, da sie jedes für sich die Funktion des Wärmerohrs entsprechend ihrer Geometrie erfüllen; im Folgen- den wird der Aufbau als ein Wärmerohr mit getrennten Bereichen betrachtet. Die Aufteilung kann in zwei, drei, vier, fünf oder noch mehr Bereiche erfolgen.
Bei dem ersten Medium handelt es sich bevorzugt um Wasser. Es sind aber je nach Anwendung auch andere Arbeitsmedien verwendbar. Das zweite Arbeitsmedium muss in Bezug auf den Siedepunkt an das erste Arbeitsmedium angepasst werden. Bei dem zweiten Arbeitsmedium handelt es sich bevorzugt um Methanol. Auch Aceton oder Ethanol sind bei Wasser als erstem Arbeits- medium verwendbar.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Substrats besteht darin, dass die Wärmeableitung oder Wärmespreizung auch dann funktioniert, wenn zu Beginn das erste Arbeitsmedium, beispielswei- se Wasser, teilweise oder vollständig gefroren ist. Die Teile des Wärmerohrs, die dort liegen, wo ein Wärmeeintrag passiert, werden von der Verlustleistung erwärmt, so dass hier das erste Medium ohnehin auftaut. Das zweite Medium, beispielsweise Methanol, übernimmt aber zu Beginn auch den Wär- metransport in die Regionen, in denen das Wärmerohr und somit das erste Arbeitsmedium nicht mehr oder nicht schnell genug durch den Wärmeeintrag erwärmt wird und gefroren bleibt. Der Bereich oder die Bereiche mit dem zweiten Medium übernehmen also zu Beginn die Verteilung der Wärme in der Form, dass auch die Bereiche mit dem ersten Medium nach kurzer Zeit vollständig zu arbeiten beginnen. Je nach Wahl der Arbeitsmedien ist es möglich, dass nach dem Auftauen des ersten Arbeitsmediums die Bereiche mit dem ersten Arbeitsmedium die wesentliche Wärmeleitung übernehmen. Das ist beispielsweise bei Wasser als erstem und Methanol als zweitem Arbeitsmedium der Fall.
Es ist zweckmäßig und vorteilhaft, wenn die Bereiche so angeordnet sind, dass möglichst große Berührflächen zwischen den Bereichen mit dem ersten Arbeitsmedium und denen mit dem zweiten Arbeitsmedium bestehen, um einen möglichst großen Wärmeübertrag zwischen den Bereichen zu erwirken. Dadurch wird das Auftauen des ersten Arbeitsmediums beschleunigt. Die Bereiche können beispielsweise parallel zueinander angeordnet werden. Dabei ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung möglich, die thermische Kopplung zwischen den Bereichen durch eine Ausgestaltung der Berührflächen zu verbessern, bei- spielsweise durch eine Erhöhung der Oberfläche mit Rippen.
Weiterhin ist es zweckmäßig, in dem Wärmerohr in allen Bereichen Kapillarelemente vorzusehen, die für eine Rückführung kondensierten Arbeitsmediums von den kühlen Teilen des Wärme- rohrs zu den heißen Teilen zu bewirken.
Besonders vorteilhaft ist der Aufbau, wenn es sich bei der elektronischen Schaltung um eine Schaltung der Leistungselektronik handelt, wenn sich also wenigstens ein leistungs- elektronisches Bauteil auf/in der Schaltung befindet. Als
Leistungselektronik wird dabei eine Schaltung oder ein Bauteil angesehen, das einen Wärmeeintrag von wenigstens 50 W, insbesondere wenigstens 500 W aufweist. Der Aufbau ist also besonders vorteilhaft, wenn besonders hohe Verlustleistungen abgeführt und/oder gespreizt werden müssen. Beispiele für leistungselektronische Schaltungen bzw. Bauteile sind Steuerungen in Automobilen wie beispielsweise für die Servolenkung oder Hochleistungs-Leuchtdioden .
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigen schematisch und vereinfacht: Figur 1 eine Draufsicht auf ein Substrat mit einem flachen Wärmerohr mit drei Bereichen und
Figur 2 ausschnittsweise ein solches Substrat in Seitenansicht, Figur 3 ausschnittsweise ein alternatives Substrat in Seitenansicht .
Das Substrat 1 gemäß dem gegebenen Ausführungsbeispiel basiert auf einer Anordnung von zwei DCB-Substratplatten 6 mit dazwischen liegenden strukturierten Kupferplatten. Zwischen den beiden DCB-Substratplatten 6 ist ein Wärmerohr 5 angeordnet. Das Wärmerohr 5 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus drei Bereichen 2-4, die parallel zueinander angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Bereiche 2-4 zu- sätzlich gleich groß. Diese Anordnung der Bereiche ist nur beispielhaft; in anderen möglichen Ausführungsformen ist die Form, Anzahl und Größe der Bereiche beispielsweise an die Gegebenheiten des Aufbaus auf dem Substrat 1 angepasst, d.h. daran, wie viel und wo die abzuführende Verlustleistung pro- duziert wird oder wie sich die größte summierte Effizienz beim Wärmetransport realisieren lässt.
Der erste Bereich 2, in Figur 1 rechts dargestellt, enthält Wasser als Arbeitsmedium. Der zweite, mittige Bereich 3 ent- hält Methanol als Arbeitsmedium und der dritte Bereich 4 enthält wiederum Wasser. Im aufgetauten Zustand sind die Bereiche 2, 4 mit Wasser in der Hauptsache für die Wärmespreizung verantwortlich, da die Wärmeleitung dieser Bereiche durch das Wasser wesentlich höher ist als die des mittleren Bereichs 3.
Im gegebenen Beispiel soll das Substrat 1 Träger für eine leistungselektronische Schaltung für ein Automobil sein. Das Automobil muss auch bei Temperaturen von beispielsweise -25 0C oder -40 0C noch startbereit sein. Das Wasser ist jedoch bei solchen oder gar noch niedrigeren Temperaturen bereits vollständig gefroren. In diesem Fall übernimmt der mittlere Bereich 3 mit dem nicht gefrorenen Methanol die Wärmeleitung. Hierdurch wird die durch die Leistungselektronik generierte Abwärme auch an die Außenbereiche geleitet. Hierdurch wird ein mögliches Gefrieren des Wassers der anderen Bereiche 2, 4 in den kalten Außenstellen, das ein völliges und längerfristiges Versagen dieser Bereiche zur Folge hätte, verhindert. Vielmehr wird in den gesamten wasserführenden Bereichen 2, 4 für ein rasches Auftauen des Wassers gesorgt, was wiederum ein rasches Einsetzen der effizienten Kühlung durch das Wasser bewirkt.
Für den Rückfluss des Wassers und des Methanols sind gemäß
Figur 2 an der Unterseite der jeweiligen Bereiche 2-4 Kapillarelemente 10 vorgesehen. Diese sind beispielsweise poröse Schichten und bewirken über Kapillarkräfte den gewünschten Rückfluss. Die Oberseite der Bereiche 2-4 ist leer gelassen, bildet also einen Dampfkanal 9 für die verdampften Arbeitsmedien. In diesem Ausführungsbeispiel enthält das Wärmerohr 5 schließlich strukturierte Kupfer-Zwischenplatten 8, um Stabilität und den Durchtritt von Dampf zu gewährleisten.
Fig. 3 zeigt eine Alternative zum Aufbau gemäß Figur 2. In dieser Alternative ist auf der Innenseite des Wärmerohrs die Innenfläche der beiden Substratplatten 6 mit einem Vlies ausgestattet, das als Kapillarelement 10 dient. Zwischen den Kupferplatten 8 und den Vliesen befindet sich der Dampf-Kanal 9. Dieser Aufbau eignet sich besonders für Aufbauten, bei denen auf beiden Seiten des Substrats 1 leistungselektronische Bauteile aufgebracht sind, die eine hohe Abwärme abgeben, denn durch das beidseitige Vlies wird eine Wärmeabfuhr von beiden Innenseiten des Wärmerohrs 5 ermöglicht.

Claims

Patentansprüche
1. Substrat für eine elektronische Schaltung mit einem Wärmerohr zum Wärmetransport, wobei das Wärmerohr in das Substrat integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr wenigstens zwei hermetisch voneinander getrennte Bereiche aufweist, wobei ein erster Bereich ein erstes Medium und ein zweiter Bereich ein zweites vom ersten verschiedenes Medium für den Wärmetransport enthalten, wobei das zweite Medium eine niedrigere Siedetemperatur aufweist als das erste Medium.
2. Substrat gemäß Anspruch 1, bei dem drei parallel angeordnete Bereiche vorgesehen sind, von denen der mittlere Bereich das zweite Arbeitsmedium und die beiden anderen Bereiche das erste Arbeitsmedium enthalten.
3. Substrat gemäß Anspruch 1, bei dem vier, fünf oder mehr nebeneinander angeordnete Bereiche vorgesehen sind, in denen abwechselnd das erste und das zweite Arbeitsmedium enthalten ist .
4. Substrat gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Berührflächen zwischen den Bereichen derart ausgestaltet sind, dass eine starke thermische Kopplung zwischen den Bereichen bewirkt wird.
5. Substrat gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit Kapillarelementen zur Rückführung des jeweiligen Arbeitsmediums aus dem kühlen in den heißen Teil eines jeweiligen Bereichs des Wärmerohrs.
6. Substrat gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei der elektronischen Schaltung um eine Schaltung der Leistungselektronik handelt.
PCT/EP2009/053340 2008-04-03 2009-03-23 Substrat mit flachem wärmerohr WO2009121737A1 (de)

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