DE68918156T2

DE68918156T2 - Flache Kühlungsstruktur für integrierte Schaltung.

Info

Publication number: DE68918156T2
Application number: DE68918156T
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Komatsu; Jun Kubokawa; Kazuhiko Umezawa
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-05-09
Filing date: 1989-05-08
Publication date: 1995-01-12
Anticipated expiration: 2009-05-09
Also published as: EP0341950B1; EP0341950A2; CA1303238C; US5023695A; DE68918156D1; EP0341950A3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlkonstruktion für integrierte Schaltungselemente, die elektronische Einheiten von Informationsverarbeitungsgeräten usw. bilden, und insbesondere eine solche Kühlkonstruktion, bei der das Kühlfluid, z.B. Wasser, um die integrierten Schaltungselemente herum zirkuliert wird, so daß Wärme, die in den integrierten Schaltungselementen erzeugt wird, an das Kühlfluid übertragen wird, um die integrierten Schaltungselemente dadurch zu kühlen.
Herkömmlicherweise weist eine solche Art der Kühlkonstruktion eine Konstruktion auf, die z.B. in Fig. 1 dargestellt und in IBM J. RES. DEVELOP. Bd. 26 Nr. 1, Januar 1982, "A Conduction-Cooled Module for High-Performance LSI Devices" (Ein leitungsgekühltes Modul für hochintegrierte Geräte hoher Leistung) der Autoren S. Oktay und H.C. Kammerer offenbart ist. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist eine integrierte Schaltung 101 (die auf eine Leiterplatte 102 mit E/A-Kontaktstiften 103 montiert ist) in Kontakt mit einem Stempel 104 angeordnet, der mittels einer Feder 105 gegen die integrierte Schaltung 101 drückt, um Wärme aus der integrierten Schaltung 101 zu absorbieren, und die Wärme wird über einen Raum 110, der mit Heliumgas gefüllt ist, an eine Kappe 106 und eine Zwischenschicht 107 und eine Kühlplatte 108 übertragen, in der die Wärme in das Kühlfluid 109 abgeleitet wird.
Bei der herkömmlichen Kühlkonstruktion von integrierten Schaltungen gemäß Fig. 1 wird der Stempel allerdings mittels der Feder mit der integrierten Schaltung in Kontakt gebracht, um eine Kraft kontinuierlich darauf auszuüben, was schlechten Einfluß auf die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen der integrierten Schaltung und der Leiterplatte hat. Damit der Stempel der Veränderung von Höhe und Neigung, die bei der Montage der integrierten Schaltung auf die Leiterplatte auftritt, nachgibt, ist außerdem ein Kontaktabschnitt des Stempels, der die integrierte Schaltung berührt, ballig geformt und ein Spalt zwischen der Kappe und dem Stempel vorhanden. Eine solche Konstruktion verringert allerdings die effektive Wärmeübergangsfläche und setzt dadurch den Kühlungswirkungsgrad herab. Da ein Kühlfluid, das in der Kühlplatte strömt, zum Zweck der Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion gebildet ist, liegt außerdem der erreichte Wärmeübergangskoeffizient in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 W/cm² ºC, was nicht ausreicht, um die integrierte Schaltung hoher Integrationsdichte, die eine größere Leistungsaufnahme hat, zu kühlen.
Ferner offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung JP-A-60 160 150 eine solche Kühlvorrichtung, die einen auftreffenden Kühlfluidstrom verwendet. Dabei wird, wie in Fig. 2 gezeigt, die Wärme, die von einem Chip 201, der auf einer gedruckten Leiterplatte 202 montiert ist, erzeugt wird, nacheinander auf ein wärmeleitendes Substrat 203, eine elastische wärmeleitende Material Schicht 204 und eine wärmeleitende Platte 205 übertragen. Eine Düse 206 befördert Kühlfluid auf die wärmeleitende Platte 205, um diese zu kühlen. Eine Spitze der Düse 206 ist von dem wärmeleitenden Substrat 203, einem Kühlungssammelkanal 208 und einem Faltenbalg 207 eingeschlossen.
Da jedoch bei der bekannten Konstruktion gemäß Fig. 2 der Faltenbalg eine relativ geringe Dicke hat, kann der Faltenbalg einen Defekt bekommen und infolge Korrosion Löcher ausbilden, durch die das Kühlfluid entweicht.
Es gibt eine weitere Art der herkömmlichen Kühlkonstruktion für integrierte Schaltungen, die aus einer Kühlplatte, die in Kontakt mit den oberen Flächen der integrierten Schaltungen angeordnet ist, und einem Kühlungsbehälter, der einen Durchgang für Kühlfluid darstellt, besteht und bei der diese Bestandteile zwei getrennte Teile sind. Diese herkömmliche Kühlkonstruktion ist z.B. in der japanischen Patentanmeldung Nr. JP-A-62 122 156 offenbart.
Die oben beschriebene herkömmliche Kühlkonstruktion für integrierte Schaltungen hat einen Nachteil, nämlich daß die Durchflußmenge des Kühlfluids im Verhältnis zur Wärmemenge, die von Halbleiterchips integrierter Schaltungen erzeugt wird, reguliert werden muß. Ferner besteht ein weiterer Nachteil, nämlich daß die Kühlplatte, die mit den integrierten Schaltungen in Kontakt steht, und der Kühlungsbehälter, der einen Durchgang für das Kühlfluid bildet, zwei getrennte Teile sind, wodurch der Wärmewiderstand der integrierten Schaltungen erhöht wird.
Eine Kühlkonstruktion mit einer Kühlplatte, die den Kühlmitteldurchgang aufweist und mit oberen Flächen von Chips mit integrierten Schaltungen in Kontakt steht, bei welcher Kühlplatte die Geschwindigkeit des Kühlmittels verändert wird, ist in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 196 863 beschrieben.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Kühleinheit mit einer flachen Form bereitzustellen, die direkt mit einem Substrat, das mit einer Vielzahl von Chips mit integrierten Schaltungen angeordnet ist, verbindbar ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühleinheit mit einer Vielzahl von Kühlkammern bereit zustellen, die thermisch mit den betreffenden der Chips mit integrierten Schaltungen verbindbar sind, die auf einem Substrat angeordnet sind, um die betreffenden Chips wirksam zu kühlen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühleinheit für die integrierte Schaltung mit einer vollständigen und dauerhaften dichtenden Konstruktion für die Kühlmittelzirkulation bereitzustellen.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert, bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Begriffe 'oberer', 'unterer', 'oben', 'unten' usw. werden hier, lediglich zum besseren Verständnis der Definitionen, mit Bezug auf eine Vorrichtung in horizontaler Ausrichtung verwendet. Die Erfindung ist nicht auf eine derartig ausgerichtete Vorrichtung beschränkt.

Kurze Bezeichnungen der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Darstellung einer herkömmlichen Kühlkonstruktion für die integrierte Schaltungsvorrichtung;
Fig.2 eine teilweise geschnittene Darstellung einer weiteren herkömmlichen Kühlkonstruktion für die integrierte Schaltungsvorrichtung;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlkonstruktion für integrierte Schaltungen;
Fig. 4 eine perspektivische Teildarstellung der Ausführungsform gemäß Fig. 3;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlkonstruktion für integrierte Schaltungen;
Fig. 6 eine Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlkonstruktion für integrierte Schaltungen;
Fig. 7 eine Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlkonstruktion für integrierte Schaltungen;
Fig. 8 eine Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlkonstruktion für integrierte Schaltungen;
Fig. 9 eine Teildarstellung in Draufsicht einer Anordnung von Kühlrippen der Ausführungsform gemäß Fig.8; und
Fig. 10 eine Schnittdarstellung einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlkonstruktion für integrierte Schaltungen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen erläutert.
Fig.3 ist eine Vertikalschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Schaltungsplatine 2 ist vorhanden, um eine Vielzahl von Chips mit integrierten Schaltungen zu tragen. Ein Rahmen 3 aus Metall ist so angeordnet, daß er die Leiterplatte 2 umgibt. Eine Kühlvorrichtung oder ein Kühlungsmodul 4 aus Metall weist einen Durchgang für Kühlfluid auf und ist durch eine Vielzahl von Trennwänden 12 in eine Vielzahl von Verteiler/Sammelkanalräumen 9 und eine Vielzahl von Kühlhohlräumen oder -kammern 13 unterteilt. Die Verteiler/Sammelkanalräume 9 und die Kühlkammern 13 sind mittels Düsenabschnitten 10 und verbindenden Löchern oder Öffnungen 14 abwechselnd miteinander in Reihe verbunden. Eine Vielzahl von Reihenan-anordnungen, die jeweils aus einer Reihenverbindung der Verteiler/ Sammelkanalräume 9 und der Kühlkammern 13 bestehen, sind im Kühlungsmodul parallel angeordnet. Der Kühlungsmodul 4 hat eine Kühlplatte 5, die gegenüber den integrierten Schaltungen 1 angeordnet ist, und ist mittels Schrauben 6 am Rahmen 3 befestigt, so daß ein geringer Spalt zwischen der Kühlplatte 5 und den integrierten Schaltungen 1 verbleibt. Eine wärmeleitende Masse 7 ist in den Spalt gefüllt. Die wärmeleitende Masse 7 besteht aus Grundmaterial, z.B. Silikonöl, das mit wärmeleitendem Material, z.B. Metalloxid und Bornitrid, gemischt ist.
Fig. 4 zeigt einen Durchgang des Kühlfluids in der Ausführungsform gemäß Fig. 3. Kühlfluid, das über einen Einlaß 8 des Kühlfluids in das Kühlungsmodul 4 eingeleitet wird, wird in einen ersten Verteiler/Sammelkanalraum 9, der dem Einlaß am nächsten ist, befördert. Dann wird das Fluid von dort über einen Düsenabschnitt in die entsprechende Kühlkammer 13 befördert und trifft auf die Innenfläche der Kühlplatte 5 auf, die den integrierten Schaltungen 1 gegenüberliegt. Danach wird das Kühlfluid über das verbindende Loch 14 in den nächsten Verteiler/Sammelkanalraum eingeleitet. Somit strömt das Kühlfluid durch die in Reihe verbundenen Verteiler/Sammelkanalräume 9 und die Kühlkammern 13, die einander abwechseln. Schließlich wird das Kühlfluid gesammelt und über einen Auslaß 11 des Kühlfluids aus dem Kühlungsmodul 4 hinausbefördert.
Die durch die integrierten Schaltungen 1 erzeugte Wärme wird über die wärmeleitende Masseschicht 7 auf die Kühlplatte 5 übertragen. Die Kühlplatte 5 nimmt das auftreffende Kühlfluid, das aus dem Düsenabschnitt 10 eingespritzt ist, auf und führt somit die Wärmeübertragung an das Kühlfluid durch. In einem Experiment wurde durch Veränderung der Einströmgeschwindigkeit aus dem Düsenabschnitt im Bereich von 0,5 bis 3,0 m/s eine Wärmeleitungsrate von 1 bis 3 W/cm ºC erreicht. Folglich ist es in der Kühlkonstruktion gemäß der ersten Ausführungsform, wenn man den Spalt zwischen der Kühlplatte 5 und den Chips mit integrierten Schaltungen 1 ausreichend klein festlegt, möglich, den Wärmewiderstand zwischen dem Chip mit integrierter Schaltung 1 und dem Kühlfluid auf einen Wert unter 1ºC/W oder weniger herabzusetzen.
Ferner kann die wärmeleitende Kunststoffmasseschicht 7 der Veränderung der Höhenabmessung und der Neigung des Chips mit integrierten Schaltungen 1, die bei der Montage des Chips auf die Leiterplatte 2 auftritt, nachgeben, um die Einwirkung von Belastungen auf die integrierte Schaltung 1 zu vermeiden. Wenn die Kühlplatte 5 mit einem stark wärmeleitenden Metall, z.B. Beryllium-Kupfer, hergestellt wird, kann eine Erhöhung des Wärmewiderstandswerts vernachlässigt werden, selbst wenn die Dicke der Kühlplatte 5 vergrößert wird, und außerdem kann die Ausbildung eines Leckloches infolge von Korrosion wirksam verhindert werden.
Da, wie oben beschrieben, gemäß der ersten Ausführungsforrn das Kühlfluid, das durch den Kühlungsmodul strömt, so angeordnet ist, daß das Kühlfluid, das aus der Düse auf die Kühlplatte auftrifft, die gegenüber den integrierten Schaltungen angeordnet ist, und die wärmeleitende Masse in den Spalt zwischen die integrierten Schaltungen und die Kühlplatte gefüllt ist, kann eine hohe Wärmeleitfähigkeit erreicht werden, und es ist möglich, einen Kühlungsmodul mit hohem Kühlungswirkungsgrad und hoher Zuverlässigkeit gegen Korrosion bereitzustellen.
Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß Fig. 5 ist eine Vielzahl von integrierten Schaltungen 22 auf einem Substrat 21 angeordnet. Das Substrat 21 ist mit seinem Randabschnitt fest an einem Substratrahmen 23 befestigt. Eine Kühlplatte 25 ist mit dazwischenliegendem Spalt gegenüber den oberen Flächen der integrierten Schaltungen 22 angeordnet und ist mit einer Vielzahl von eingefrästen Zellen oder Hohlräumen 24 ausgebildet, die entsprechend jeder integrierten Schaltung 22 angeordnet und durch eine dünne untere Wand davon getrennt sind.
Ein Kühlungsbehälter 31 ist auf der Kühlplatte 25 angeordnet, um Öffnungen von eingeschnittenen, eingeschliffenen oder eingefrästen Hohlräumen 24 zu verschließen. Der Kühlungsbehälter 31 ist ausgestattet mit einem Einlaß 28 zum Aufnehmen von Kühlfluid, einem Auslaß 29 zum Abgeben von Kühlfluid und einer Trennwand 30, die zwischen dem Einlaß 28 und dem Auslaß 29 angeordnet ist, um den Kühlungsbehälter 31 in einen Ansaugraum 34 und einen Abflußraum 35 zu teilen. Der Kühlungsbehälter 31 hat eine Vielzahl von Düsenrohren 27, die jeweils durch eine untere Wand des Ansaugraums 34 hindurch angeordnet sind und sich vertikal zur unteren Wand jedes eingeschnittenen Hohlraums 24 erstrecken, und eine Vielzahl von Sammelrohren 32, die jeweils durch die untere Wand des Ansaugraums 34 hindurch angeordnet sind und sich in den entsprechenden eingeschnittenen Hohlraum erstrecken. Jedes Sammelrohr 32 ist angrenzend an das Düsenrohr 27 in dem gleichen eingeschnittenen Hohlraum 24 (außer der ganz linke eingeschnittene Hohlraum in Fig.5) angeordnet und im Inneren des Kühlungsbehälters 34 direkt mit einem anderen Düsenrohr 27 verbunden, das mit dem rechts angrenzenden eingeschnittenen Hohlraum 24 gemäß Fig. 5 in Verbindung steht.
In Betrieb wird Kühlfluid 26 über den Einlaß 28 eingeleitet, um den Ansaugraum 34, der durch die Trennwand 30 abgetrennt ist, zu füllen. Das Kühlfluid 26 wird über das äußerste linke Düsenrohr 27 (Fig. 5) eingeleitet und trifft auf die untere Wand des entsprechenden eingeschnittenen Hohlraums 24 auf, der in der Kühlplatte 25 ausgebildet ist. Das auftreffende Kühlfluid 26 wird dann über das entsprechende Sammelrohr 32 gesammelt und danach in das rechts angrenzende Düsenrohr 27 befördert, das mit dem Sammelrohr 32 direkt verbunden ist. Schließlich wird dann das Kühlfluid 26 über eine Öffnung, die in der unteren Wand des Abflußraums 35 ausgebildet ist, im Abflußraum 35 gesammelt und danach über den Auslaß 29 nach draußen befördert.
Da der direkte Verbindungsabschnitt des angrenzenden Düsenrohrs 27 und Sammelrohrs 32 innerhalb des Ansaugraums 34 angeordnet ist, ist er ständig in die Kühlflüssigkeit 26 eingetaucht. Mittels einer solchen Anordnung wird das Kühlfluid 26, das von der durch die integrierte Schaltung 22 erzeugten Wärme erwärmt wird, im Sammelrohr 32 gesammelt und während des Strömens des Kühlfluids 26 innerhalb der Ansaugkammer 34 vor dem nächsten Einströmen in den angrenzenden Hohlraum 24 durch den direkten Verbindungsabschnitt gekühlt. Das Kühlfluid 26, das sich in Zirkulation durch die Rohre befindet, wird also ständig auf im wesentlichen konstanter Temperatur gehalten. Die Pfeile in Fig. 5 zeigen die Strömungsrichtung des Kühlfluids an.
Fig. 6 ist eine Schnittdarstellung einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Diese Ausführungsform hat die gleiche Konstruktion wie die Ausführungsform gemäß Fig. 5, außer daß an der unteren Wand jedes eingeschnittenen Hohlraums Vorsprünge 36 vorhanden sind. Das Kühlfluid 26, das aus dem Düsenrohr 27 eingespritzt wird, trifft auf der unteren Wand des eingeschnittenen Hohlraums 24 auf und strömt um die Vor-Sprünge 36 herum. Danach wird das Kühlfluid 26 in dem entsprechenden Sammelrohr 32 und dann schließlich über die Kette von Düsen und Sammelrohren im Abflußraum 35 gesammelt. Die von der integrierten Schaltung 22 erzeugte Wärme wird über die untere Wand des eingeschnittenen Hohlraums 24 in der Kühlplatte 25 an das Kühlfluid 26 übertragen.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der zweiten und der dritten Ausführungsform unter Verwendung der oben beschriebenen Kühlkonstruktion die von den Halbleiterchips erzeugte Wärme durch die einfache Konstruktion wirksam aus der Vorrichtung nach draußen befördert, ohne die Durchflußmenge des Kühlfluids zu erhöhen und unter Verringerung des Wärmewiderstands zu den Halbleiterchips mit integrierten Schaltungen.
Fig. 7 ist eine Schnittdarstellung der vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Eine Vielzahl von integrierten Schaltungen 41 ist auf einem Schaltungssubstrat 42 in Form einer Matrix angeordnet. Der Randbereich des Schaltungssubstrats 42 wird von einem Substratrahmen 43 gehalten und ist an diesem befestigt. Eine Kühlplatte 44 ist mit schmalem Spalt gegenüber den oberen Flächen der integrierten Schaltungen 41 angeordnet und hat eine Vielzahl von eingeschnittenen, eingeschliffenen oder eingefrästen Hohlräumen 45 in ihrer oberen Seite, die gegenüber ihrer unteren Seite angeordnet ist, die an die Schaltungen angrenzt. Eine wärmeleitende Masse 46 ist in den schmalen Spalt zwischen den integrierten Schaltungen 41 und der Kühlplatte 44 gefüllt. Diese wärmeleitende Masse 46 besteht aus einem Grundmaterial, z.B. Silikonöl, das mit wärmeleitendem Isoliermaterial, z.B. Metalloxid und Bornitrid, als Füllstoff vermischt ist. Ein Kühlungsbehälter 56 ist fest an der oberen Seite der Kühlplatte 44 angeordnet. Der Kühlungsbehälter hat einen Einlaß 47 und einen Auslaß 48 zum Kühlen von Flüssigkeit und einen Verteiler/Sammelkanalabschnitt 51, der ausgestattet ist mit einem Ansaugverteilerkanalraum 49, der mit dem Einlaß 47 in Verbindung steht, um die Kühlflüssigkeit in die betreffenden Reihen der eingeschnittenen Hohlräume zu verteilen, und mit einem Sammelkanalraum 50, der mit dem Auslaß 48 in Verbindung steht. Ferner ist der Verteiler/Sammelkanalabschnitt 51 durch seine untere Fläche hindurch mit einer ersten Düse 52 ausgestattet, die direkt in einen ersten eingeschnittenen Hohlraum 45 jeder Reihe eingefügt ist, durch seine untere Fläche hindurch mit einer Öffnung 53 zum Abgeben der Kühlflüssigkeit aus demselben eingeschnittenen Hohlraum 45 ausgestattet und durch seine untere Fläche hindurch mit einer zweiten Düse 55 ausgestattet, die direkt in den nächsten eingeschnittenen Hohlraum 45 eingefügt ist und mit der Öffnung 53 über eine eingeschnittene Nut 54 in Verbindung steht, die in der unteren Fläche des Kühlungsbehälters 56 ausgebildet ist. Diese Öffnungen, zweiten Düsen und eingeschnittenen Nuten sind nacheinander durch jede Reihe der eingeschnittenen Hohlräume 45 hindurch ausgeführt, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist.
Wenn die Kühlflüssigkeit 57 in den Einlaß 47 des Kühlungsbehälters 56 befördert wird, um den Ansaugkanalraum 49 zu füllen, wird die Kühlflüssigkeit 57 aus der ersten Düse 52 eingespritzt, um auf die untere Wand des ersten eingeschnittenen Hohlraums 45 aufzutreffen. Die auftreffende Kühlflüssigkeit 57 strömt nacheinander durch die jeweils angrenzende Kühlflüssigkeitsabflußöffnung 53 und die eingeschnittene Nut 54 in die zweite Düse 55. Schließlich wird die Kühlflüssigkeit 57 im Sammelkanalraum 50 gesammelt und aus dem Auslaß 48 nach draußen befördert.
Die durch die intergrierten Schaltungen 41 erzeugte Wärme wird über die wärmeleitende Masseschicht 46 auf die Kühlplatte 44 übertragen. Die Kühlflüssigkeit trifft auf jede untere Wand der eingeschnittenen Hohlräume 45 auf, die gegenüber den integrierten Schaltungen angeordnet sind, um Wärmeübertragung zu bewirken.
In einem Experiment wurde durch Verändern der Einspritzgeschwindigkeit aus dem Düsenabschnitt im Bereich von 0,5 bis 3,0 m/s eine Wärmeübergangsrate von 1 bis 3 W/cm ºC erreicht. Folglich ist es in der Kühlkonstruktion gemäß der vierten Ausführungsform, wenn man den Spalt zwischen der Kühlplatte und den Chips mit integrierten Schaltungen klein genug festlegt, möglich, den Wärmewiderstand zwischen den pn-Übergängen der Chips mit integrierten Schaltungen und dem Kühlfluid auf unter 1ºC/W oder weniger herabzusetzen. Ferner kann die wärmeleitende Kunststoffmasseschicht der Veränderung der Höhenabmessung und der Neigung der Chips mit integrierten Schaltungen, die bei der Montage der Chips auf die Leiterplatten auftritt, folgen, um die Einwirkung von Belastungen auf die integrierte Schaltung zu vermeiden. Wenn die Kühlplatte mit einem stark wärmeleitenden Metall, z.B. einer Kupferlegierung, hergestellt wird, kann eine Erhöhung des Wärmewiderstandswerts vernachlässigt werden, selbst wenn die Dicke der Kühlplatte vergrößert wird, und außerdem kann die Ausbildung von Lecklöchern infolge von Korrosion wirksam verhindert werden.
Wie oben beschrieben, ist gemäß der vierten Ausführungsform eine Vielzahl von integrierten Schaltungen auf dem Schaltungssubstrat angeordnet, das von dem Substratrahmen gehalten wird. Eine Kühlplatte ist mit schmalem Spalt gegenüber den oberen Flächen der integrierten Schaltungen angeordnet und hat eine Vielzahl von eingeschnittenen, eingeschliffenen oder eingefrästen Hohlräumen an ihrer oberen Fläche, die den betreffenden integrierten Schaltungen entsprechen. Die wärmeleitende Masse wird in den schmalen Spalt gefüllt. Der Kühlungsbehälter ist ausgebildet mit Durchgängen bzw. Überlaufen, die so wirken, daß die Kühlflüssigkeit durch die Düsen hindurch auf die unteren Wände der eingeschnittenen Hohlräume auftrifft, die gegenüber den integrierten Schaltungen angeordnet sind. Wenn die Kühlplatte und der Kühlungsbehälter eng anliegend miteinander verbunden werden, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Kühlplatte und der Kühlflüssigkeit zu erhöhen, kann eine Kühlkonstruktion mit geringem Wärmewiderstand und hoher Zuverlässigkeit gegenüber Korrosion bereitgestellt werden.
Fig. 8 ist eine Schnittdarstellung einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig. 9 ist eine Draufsicht einer unteren Wand eines eingeschnittenen, eingeschliffenen oder eingefrästen Hohlraums, auf die ein Kühlflüssigkeitsstrom auftrifft. Gemäß Fig. 8 und 9 ist eine Vielzahl von integrierten Schaltungselementen 62 zu einer integrierten Schaltung auf einem Substrat 61 angeordnet. Ein Randabschnitt des Substrats 61 ist fest mit einem Substratrahmen 63 verbunden. Eine Kühlplatte 66 ist mittels dazwischen angeordneter Wärmeleitmasse 64 gegenüber den oberen Flächen der integrierten Schaltungselemente 62 angeordnet und in einer oberen Fläche der Kühlplatte 66 mit einer Vielzahl von eingeschnittenen Hohlräumen 65 entsprechend den betreffenden integrierten Schaltungselementen 62 ausgeführt. Die Kühlplatte 66 ist am Substratrahmen 63 befestigt. Jeder eingeschnittene Hohlraum 65 hat an seiner unteren Wand angrenzend an das entsprechende Schaltungselement eine Vielzahl von Kühlrippen 68, die sich radial in Form von Sektoren von einem Mittelpunkt 67 aus erstrecken, der von dem zentralen Abschnitt des eingeschnittenen Hohlraums 65 beabstandet ist. Eine Kühlfluidleitvorrichtung 72 ist eng anliegend auf der Kühlplatte 66 befestigt, um die eingeschnittenen Hohlräume zu umschließen. Die Kühlfluidleitvorrichtung 72 hat eine Vielzahl von Ansaugöffnungen jeweils zum Zuführen von Kühlflüssigkeit 69 in einen entsprechenden eingeschnittenen Hohlraum 65 und eine Vielzahl von Durchfluß- bzw. Überströmkanälen 71, die jeweils das Kühlfluid 69 in dem entsprechenden eingeschnittenen Hohlraum 65 sammeln und sie an die Ansaugöffnung, die mit dem nächsten eingeschnittenen Hohlraum in Verbindung steht, weiterleiten, damit die Kühlflüssigkeit 69 kontinuierlich durch die Serie von eingeschnittenen Hohlräumen 65 strömen kann. Eine Vielzahl von Düsen 73 ist an den entsprechenden Ansaugöffnungen 70 angeordnet. Jede Düse 73 erstreckt sich zum Mittelpunkt 67 der Kühlrippen 68, die radial auf der unteren Wand jedes eingeschnittenen Hohlraums 65 in Form von Sektoren angeordnet sind, um das zugeführte Kühlfluid 69 zum Mittelpunkt 67 zu leiten.
Beim Betrieb der oben beschriebenen Konstruktion wird das Kühlfluid 69 durch die erste Ansaugöffnung 70 der Kühlfluidleitvorrichtung 72 zu der dort angeordneten Düse 73 befördert und aus der Düse 73 eingespritzt, um auf die untere Wand des entsprechenden eingeschnittenen Hohlraums 65 auf zutreffen, um dadurch die untere Wand zu kühlen. Ferner strömt das auftreffende Kühlfluid 69 an den Kühlrippen 68 entlang, wie durch Pfeil gekennzeichnet, wobei die Wärme der Kühlrippen 68 absorbiert wird, um das Kühlfluid schließlich in dem entsprechenden Überströmkanal 71 zu sammeln, der den Abflußabschnitt bildet. Das Kühlfluid, das in den Überströmkanal 71 eingeleitet wird, wird auf die Ansaugöffnung 70 des nächsten eingeschnittenen Hohlraums geleitet und dann aus der nächsten Düse 73 eingespritzt. Das Kühlfluid 69 strömt nacheinander durch die eingeschnittenen Hohlräume und wird schließlich aus der Vorrichtung nach draußen befördert.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der fünften Ausführungsform angesichts der Merkmale, nämlich daß die von den integrierten Schaltungselementen erzeugte Wärme an die radial angeordneten Kühlrippen übertragen wird, die auf der Kühlplatte ausgebildet sind, um die Kontaktfläche mit der Kühlflüssigkeit zu vergrößern, und daß das kontinuierliche Strömen des Kühlfluids verbessert wird, der Wärmewiderstand zwischen den integrierten Schaltungselementen und dem Kühlfluid auf einen niedrigen Wert herabgesetzt werden, und die Durchflußgeschwindigkeit des Kühlfluids kann verringert werden, um die Wärme wirksam aus der Vorrichtung nach draußen zu befördern.
Fig. 10 ist eine Schnittdarstellung einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Vielzahl von integrierten Schaltungen 81 ist auf einem Schaltungssubstrat 82 in Form einer Matrix angeordnet. Ein Randabschnitt des Schaltungssubstrats 82 wird von einem Substratrahmen 83 gehalten und ist fest mit diesem verbunden. Ein Kühlungsmodul oder -behälter 84 hat eine Vielzahl von eingeschnittenen Hohlräumen 85 in seiner unteren Seite, die einzelne Schaltungen 81 umschließt, um sie voneinander zu trennen. Der Kühlungsbehälter 84 hat einen Einlaß 87 zum Einleiten von inerter Flüssigkeit 86 in den Kühlungsbehälter 84, einen Ansaugverteilerkanalraum 88 zum Verteilen und Zuführen der eingeleiteten inerten Flüssigkeit 86 in die betreffenden eingeschnittenen Hohlräume 85, einen Sammelkanalraum 90 zum Sammeln der inerten Flüssigkeit 86, die aus den betreffenden eingeschnittenen Hohlräumen 85 nach draußen befördert wird, und einen Auslaß 91 zum Abgeben der gesammelten inerten Flüssigkeit 86 nach draußen. Eine Vielzahl von Düsen 89 ist in den betreffenden eingeschnittenen Hohlräumen 85 vorhanden zum Einspritzen der inerten Flüssigkeit, die aus dem Ansaugverteilerkanalraum 88 auf die oberen Flächen der betreffenden integrierten Schaltungen 82 zugeführt wird.
Wenn die inerte Flüssigkeit 86 in den Einlaß 87 des Kühlungsbehälters 84 befördert wird, um den Ansaugverteilerkanalraum 88 zu füllen, wird die inerte Flüssigkeit 86 aus den Düsen 89 eingespritzt, um auf die oberen Flächen der betreffenden integrierten Schaltungen 81 aufzutreffen. Die auftreffende inerte Flüssigkeit 86 absorbiert die Wärme direkt, strömt dann in den Sammelkanalraum 90 und wird schließlich aus dem Auslaß 91 nach draußen befördert.
Die inerte Flüssigkeit 86, die die Wärme direkt aus den integrierten Schaltungen 81 absorbiert und sie nach draußen befördert, kann aus Flüssigkeit bestehen, die eine elektrisch isolierende Charakteristik aufweist und Metall, Kunststoff und Gummi usw. nicht beschädigt.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der sechsten Ausführungsform durch direktes Einspritzen und Auftreffen der inerten Flüssigkeit mittels der Düsen auf die Vielzahl von integrierten Schaltungen, die auf dem Schaltungssubstrat montiert sind, der Wärmewiderstand zwischen den wärmeerzeugenden Abschnitten der integrierten Schaltungen und dem Kühlfluid verringert werden, indem die Anzahl der Wärmeübertragungsstufen verringert wird, um dadurch die Integrationsdichte des Chips mit integrierten Schaltungen zu erhöhen und die Kühlleistung auch dann ausreichend zu verbessern, wenn der Leistungsverbrauch erhöht wird. Ferner ist es durch die Bereitstellung eines korrosionsbeständigen Kühlungsbehälters möglich, eine sehr zuverlässige Kühlkonstruktion zu erreichen, die nicht dadurch beeinträchtigt wird, daß Kühlfluid entweicht.

Claims

1. Schaltungsanordnung mit Kühlmittelzirkulation, mit:

einem Substrat (2;21;42;61;82);

einer Vielzahl von als integrierte Schaltungen ausgeführten Chips (1; 22; 41; 62; 81), die auf dem Substrat voneinander getrennt angeordnet sind;

einer Kühlvorrichtung (4; 25, 31; 44, 56; 66, 72; 84), die auf dem Substrat angeordnet ist und eine ebenflächige Form und eine Einrichtung zum Zirkulieren von Kühlmittel durch diese aufweist;

einer Vielzahl von Kammern (13; 24; 45; 65; 85), die innerhalb der unteren Seite der Kühlvorrichtung (4; 25, 31; 44, 56; 66, 72; 84) in einer Anordnung, die der Anordnung der Chips entspricht, angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Kammern mit einer Kühlplatte (5) oder dem Substrat (82) geschlossen ist, wobei jede der Kammern in wärmeleitender Verbindung mit einer oberen Fläche eines entsprechenden Chips ist oder diesen umschließt, um erzeugte Wärme aus dem Chip aufzunehmen;

wobei die Einrichtung zum Zirkulieren von Kühlmittel eine Verteilungseinrichtung (9; 34; 49; 70; 88) aufweist zum Verteilen des in Zirkulation versetzen Kühlmittels, das die in den betreffenden Kammern aufgenommene Wärme absorbiert, in die betreffenden Kammern, wobei die Verteilungseinrichtung eine Vielzahl von Zuflußdüsen (10; 27; 52, 55; 73; 89), die in entsprechende Kammern hineinragen, aufweist zum Richten eines Strahl des in Zirkulation versetzten Kühlmittels, damit dieser auf die untere Wand der betreffenden Kammer oder auf die obere Fläche des Chips auftrifft; und

eine Vielzahl von Abflußöffnungen (14; 32; 53; 71), die durch entsprechende Kammern hindurch ausgebildet sind, zum Abgeben des zugeflossenen Kühlmittels aus ihnen, und eine Sammeleinrichtung (9; 35; 50; 71; 90) zum Sammeln des abgeflossenen Kühlmittels und zum Weiterzirkulieren aus den Kammern heraus.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Chips (1; 22; 41; 62) und die Kammern (13; 24; 45; 65) in Reihen und Spalten angeordnet sind und Verbindungseinrichtungen (9; 27, 32; 54; 71) aufweist zum Verbinden der Vielzahl von Kammern in Reihe miteinander entlang jeder ihrer Reihen über die Zuflußdüsen (10; 27; 52, 55; 73) und die Abflußöffnungen(14; 32; 53; 71), so daß das Kühlmittel in Zirkulation durch jede Reihe der Kammern von einer ersten Kammer bis zu einer letzten Kammer versetzt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit: Einleitungseinrichtungen (88), die mit den Zuflußdüsen (89) parallel verbunden sind, zum gleichzeitigen Einleiten des in Zirkulation versetzten Kühlmittels in diese; und

Sammeleinrichtungen (90), die mit den Abflußöffnungen parallel verbunden sind, zum Sammeln des abgeflossenen Kühlmittels, so daß das Kühlmittel parallel in Zirkulation durch die betreffenden Kammern (85) versetzt wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der eine wärmeleitende Masse (7; 46; 64) zwischen der Kühlplatte (5) und den oberen Flächen der Chips, die einander gegenüberliegen, angeordnet ist zum Ableiten der erzeugten Wärme aus den Chips in die entsprechenden Kammern.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Kammer (85) eine untere Randkante aufweist, die eine untere Öffnung bildet und in dichtender Berührung mit einer oberen Fläche des Substrats (82) ist, um jeden einzelnen Chip (81) in der entsprechenden Kammer (85) aufzunehmen.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Kammer (24; 65) eine Ableitungseinrichtung (36; 68), die auf einer Innenfläche der Kühlplatte (5) in der Kammer ausgebildet ist und sich nach oben in den Innenraum der Kammer erstreckt, aufweist zum Ableiten der aufgenommenen Wärme in den Innenraum, in den das in Zirkulation versetzte Kühlmittel verteilt wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitungseinrichtung eine Vielzahl von Vorsprüngen (36) aufweist, die vertikal von der Innenfläche der Kühlplatte (5) in der Kammer (24) angeordnet sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitungseinrichtung eine Vielzahl von Kühlrippen (68) aufweist, die radial auf der Innenseite der Kühlplatte (5) in der Kammer (65) angeordnet sind und ein radiales Zentrum haben, das von einem zentralen Abschnitt der Innenfläche der Kühlplatte beabstandet ist und auf den das verteilte Kühlmittel gerichtet ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung eine Vielzahl von hydraulischen Durchlaßeinrichtungen (9; 54; 71) aufweist, die jeweils eine Verbindung herstellen zwischen einer Zuflußdüse (10; 27; 55; 73), die in einer Kammer angeordnet ist, und einer Ablauföffnung (14; 32; 53), die durch eine andere Kammer hindurch, die an die eine Kammer angrenzt, ausgebildet ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Durchlaßeinrichtung ein Rohr aufweist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Durchlaßeinrichtung eine Nut (54) aufweist, die in die Kühlvorrichtung (56) eingeschnitten, eingeschliffen oder eingefräst ist.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Durchlaßeinrichtung eine Kammer (9; 71) aufweist, die in die Kühlvorrichtung (4) eingeschnitten, eingeschliffen oder eingefräst ist.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kühleinrichtung (25; 31) eine Ansaugkammer (34) aufweist zum Aufnehmen der Durchlaßeinrichtung in ihr und zum Speichern des Kühlmittels (26), das die Durchlaßeinrichtung kühlt.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung einen unteren ebenflächigen Teil (25; 44; 66) mit eingeschnittenen, eingeschliffenen oder eingefrästen Hohlräumen (25; 45; 65), die in dessen Oberseite ausgebildet sind, und einen oberen ebenflächigen Teil (31; 51; 72), der eng anliegend auf dem unteren Teil angeordnet ist, aufweist, um die eingeschnittenen, eingeschliffenen oder eingefrästen Hohlräume zu schließen, um dadurch die Kammern zu bilden.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil (31) eine Ansaugkammer (34) zum Aufnehmen des Kühlmittels (26) in ihr von außen und eine Sammelkammer (35) zum Sammeln des Kühlmittels in ihr aufweist, um das Kühlmittel nach draußen abzugeben.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung einen unteren ebenflächigen Teil (84) mit eingeschnittenen, eingeschliffenen oder eingefrästen Hohlräumen (85) aufweist, die in dessen Unterseite ausgebildet sind und in Flächenkontakt mit dem Substrat (82) angeordnet sind, um die Kammern zu bilden.