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Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltungsmodule mit einer
Vorrichtung zur Kühlung von Hochleistungsbauelementen, wie zum
Beispiel Halbleiterchips, und insbesondere ein Modul mit
Konvektionskühlung durch eine dielektrische Flüssigkeit, die durch
gewöhnlich als Kolben bezeichnete Elemente befördert wird, die
die Außenseite eines Chips berühren und von einer
Tragkonstruktion getragen werden.
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Manche Schaltungsmodule besitzen ein dünnes, flaches Substrat mit
Halbleiterchips, die an Metallkontaktstellen in einer
regelmaßigen Anordnung von Chipanschlußpunkten aufder Oberseite des
Substrates befestigt sind. Die Orientierung des Substrates mit nach
oben zeigender Oberfläche des Chips ist beliebig, um die
Terminologie zu vereinfachen.
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Das Substrat ist mit Stiften versehen, die aus seiner Unterseite
herausragen und in Anschlußbuchsen einer Trägerleiterplatte
stecken. Durch Verdrahtungsschichten innerhalb des Substrates
werden die Kontaktstellen und die Stifte miteinander verbunden.
Manche Module besitzen eine als Kappe bezeichnete Konstruktion,
die einen Bestandteil eines Gehäuses für die Chips und auch einen
Bestandteil der Kühlvorrichtung für das Modul bildet. Die
Unterseite der Kappe ist mit zylinderförmigen Löchern versehen, die
den Chipanschlußpunkten gegenüberliegen, und in diesen Löchern
befinden sich zylinderförmige, als Kolben bezeichnete Elemente,
die jeweils die Oberseite eines Chips berühren. Üblicherweise
bestehen die Kolben aus einem wärmeleitenden Material und
übertragen durch Leitung Wärme von den Chips aufdie Kappe. Das Modul
wird gewöhnlich als Wärmeleitmodul oder TCM bezeichnet.
Üblicherweise wird die Kappe durch Kaltwasser gekühlt.
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Bei Verbesserungen der Chipleistung ist es häufig notwendig, daß
der Chip mehr Energie ableitet, und ein allgemeines Ziel in
diesem Fachgebiet besteht darin, eine TCM-ähnliche Vorrichtung
mit verbesserter Wärmeübertragung bereitzustellen. Ein weiteres
Ziel auf diesem Fachgebiet besteht darin, die Chips bei einer
niedrigen Temperatur, zum Beispiel bei der Temperatur von
flüssigem Stickstoff, zu betreiben.
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Bei der in Anspruch 1 beschriebenen Erfindung hat ein Kolben in
einem Modul eine mittige Bohrung, die oben offen ist zwecks
Aufnahme eines dielektrischen flüssigen Kühlmittels und an der
unteren Stirnseite des Kolbens offen ist, so daß das Kühlmittel
aufdie Oberseite des Chips geleitet werden kann. Zwischen der
unteren Stirnseite des Kolbens und dem Chip ist ein Spalt, der
einen Kanal bildet, der es ermöglicht, daß das Kühlmittel über
den Chip fließt. Von der Oberseite des Moduls her gesehen ist der
Kühlmittelfluß im wesentlichen radialsyrninetrisch. In einem
beliebigen radialen Abstand von der Achse des Kolbens hat der Kanal
eine Querschnittsfläche mit einer Umfangsbreite und mit einer
Höhe, die gleich der Höhe ist, in der sich die Kolbenstirnseite
über der Oberfläche des Chips befindet. Die
Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels an einer bestimmten Stelle wird zum Teil
durch diese Fläche bestimmt, und die Stirnseite des Kolbens ist
so geformt, daß sich eine Strömungsgeschwindigkeit ergibt, die
zum Kühlen des Chips ausreicht.
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Der Begriff "dielektrisch" bedeutet, daß das Kühlmittel
elektrisch nichtleitend ist und in direkten Kontakt mit
wärmeerzeugenden Chips gebracht werden kann, deren spannungsführende
Elektroden freiliegen. Diese Flüssigkeiten sind auch chemisch inert.
Eine nichtdielektrische Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser, muß
gewöhnlich von den Bauelementen getrennt werden, um zu
verhindern, daß es zu Korrosion oder zum elektrischen Kurzschluß der
Bauelemente kommt. Wasser bewirkt außerdem eine Verlangsamung der
Fortpflanzung der elektrischen Signale in benachbarten Leitern.
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Es befinden sich dielektrische Flüssigkeiten im Handel, die bei
verschiedenen Temperaturen sieden, und es kann eine dielektrische
Flüssigkeit benutzt werden, die bei der normalen
Betriebstemperatur des Moduls siedet oder nicht siedet. Bei einer gegebenen
Flüssigkeit kann eine bestimmte Siedetemperatur innerhalb eines
bestimmten Bereiches erzielt werden, indem der Druck im Chipraum
geregelt wird. In handelsüblichen Schaltungsmodulen sind
Fluorkohlenwasserstoffe sowohl im Siedezustand als auch im
nichtsiedenden Zustand verwendet worden. Flüssiger Stickstoff hat eine
niedrige Siedetemperatur und kann sowohl im siedenden als auch im
nichtsiedenden Zustand verwendet werden.
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Das Modul kann mit einem Kühlmittel verwendet werden, das flüssig
bleibt oder mit einem Kühlmittel, das sich beim Fließen über den
Chip im Siedezustand befindet. Bei einem siedenden Kühlmittel ist
die Kolbenstirnseite entsprechend der gewünschten
Strömungsgeschwindigkeit und der Vergrößerung des Kühlmittelvolumens
geformt, zu der es kommt, wenn das Kühlmittel siedet.
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Die Flüssigkeit tritt aus der Bohrung im Kolben als Flüssigkeit
aus. Wenn das Kühlmittel Wärme aus dem Chip aufnimmt, erhöht sich
seine Temperatur, und in einigen Ausführungsbeispielen unserer
Erfindung beginnt das Kühlmittel zu sieden. Bei einem bestimmten
Chip setzt das Sieden in einer radialen Entfernung von der
Bohrung ein, die von der Energie abhängt, die der Chip abgibt.
Die Kolben sind vorzugsweise identisch, und jede Kolbenstirnseite
ist so geformt, daß sie mit einem Chip verwendet werden kann, der
mit maximaler Leistung betrieben wird. Bei Chips, die mit
niedrigerer Leistung betrieben werden, kann es sein, daß es nicht oder
erst in einem größeren Radius zum Sieden kommt und die Chips
dennoch ausreichend gekühlt werden. (Es werden mehrere
Möglichkeiten für die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Temperatur
bei Chips unterschiedlicher Leistung beschrieben.)
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Der radiale Abstand, in dem das Sieden auftritt, hängt auch von
den Eigenschaften des Kühlmittels ab, das für das Modul
ausgewählt wird und von dem Druck, der innerhalb dieses Moduls
aufrechterhalten
wird. Das Modul eignet sich für eine Vielzahl von
Kühlmitteln und einen großen Bereich von Betriebsdrücken.
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Bei einem durch die Achse des Kolbens verlaufenden Schnitt wird
deutlich, daß seine Stirnseite vom Rand der Bohrung aus nach
unten und außen bis zu einer bestimmten Stelle gekrümmt ist, von
der aus sie sich dann nach oben krümmt. In dem Bereich, in dem
die Flüssigkeit nicht siedet, ist die Dichte des Kühlmittels im
wesentlichen konstant, und die nach unten gerichtete Krümmung der
Kolbenstirnseite gleicht die Zunahme der Umfangsbreite des
Spaltes aus und gewährleistet eine Strömungsgeschwindigkeit, die
annähernd gleichmäßig ist oder die zunimmt, um einen Anstieg der
Kühlmitteltemperatur auszugleichen. In der Zone, in der die
Flüssigkeit siedet, ist die Stirnseite in Abhängigkeit von der
sich angesammelten siedenden Menge und der radialen Position nach
unten oder oben gekrümmt.
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Der Kolben besteht vorzugsweise aus einem Material, das
elektrisch nichtleitend ist, wie beispielsweise Kunststoff. Diese
Materialien sind schlechte Wärmeleiter. Üblicherweise bestehen
die Kolben aus Metall, um somit eine gute Wärmeleitfähigkeit zu
gewährleisten. Metalle sind gute elektrische Leiter, und so wird
gewöhnlich zwischen dem Chip und der Kappe für eine elektrische
Isolierung gesorgt, indem man beispielsweise die Kolben anodisch
oxydiert.
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In einem Ausführungsbeispiel bestehen die Kolben aus Metall, und
auf der Stirnseite des Kolbens sind dünne radiale Rippen
angebracht, die als Abstandshalter dienen, so daß die
Kolbenstirnseite von dem Chip getrennt ist. Diese Rippen bilden Kanäle für
das Kühlmittel, die von oben gesehen strahlenförmig sind. Durch
die Rippen wird auch eine erhebliche Wärmemenge von dem Chip zum
Kolbenkörper abgeleitet. In einem Ausführungsbeispiel tragen die
Kolben ringförmige, sich in horizontaler Richtung erstreckende
Rippen, die durch die Flüssigkeit gekühlt werden, die durch die
Bohrung fließt. Diese Rippen bewirken die teilweise oder völlige
Verflüssigung des Dampfes innerhalb des Chipraumes. Die richtige
Temperatur des Kühlmittels an der Austrittstelle der Bohrung
hängt von den Anforderungen ab, die an die Kühlung des Chips
gestellt werden, und das Kühlmittel, das in die Kolbenbohrung
hineinfließt, wird soweit gekühlt, wie es für die Kühlung der
Rippen erforderlich ist.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht der Kolben zum
Teil aus Metall, um die Wärme von dem Chip und/oder von den
ringförmigen Rippen zu dem Kühlmittel in der Bohrung zu
übertragen, und zum Teil aus Kunststoff zum Zwecke der elektrischen
Isolation.
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Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel trägt der Kolben eine
Verkleidung, die über den Rand des Chips hinausragt und den Chip
kühlt, indem die Wärme über den Rand des Chips und über den
benachbarten Bereich des Substrates abgeführt wird.
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In den folgenden Literaturstellen werden weitere Versuche
beschrieben, Chips durch ein flüssiges Dielektrikum und mit Hilfe
einiger anderer Wärmeübertragungsverfahren zu kühlen, die bei
unserem Modul angewendet werden. Aufdas IBM Technical
Disclosure Bulletin wird unter der Bezeichnung TDB Bezug
genommen.
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Die Wärmeübertragung in einem TCM kann dadurch verbessert werden,
daß der Chipraum mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllt
wird, wie dies bei Chu et al. US-A-3 993 123 beschrieben wird.
Die dielektrische Flüssigkeit trägt dazu bei, die Wärme über den
Chipraum und über die engen Lücken zwischen einem Chip und seinem
Kolben und zwischen einem Kolben und der Kappe zu übertragen. In
den Verfahren nach dem Stand der Technik wurde auch
vorgeschlagen, daß die dielektrische Flüssigkeit durch den Chipraum und
durch einen äußeren Wärmetauscher zirkuliert.
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Wenn das Kühlmittel siedet, bewirkt der Dampfeine wesentliche
Vergrößerung des Kühlmittelvolumens, und es ergibt sich das
Problem, daß der Dampfaus dem Modul abgesaugt werden muß. In
einer in Kürze erscheinenden Publikation beschreiben zwei der
Erfinder (Chu und Simons) ein Modul, in dessen Innerem ein
Verflüssiger angeordnet ist, um einen Teil des Dampfes innerhalb des
Chipraumes zu verflüssigen. In einer weiteren Publikation, die in
Kürze erscheinen wird, beschreiben die Erfinder ein Modul, bei
dem dieses Problem dadurch verringert wird, daß der Dampfmit der
Flüssigkeit vermischt wird, um ihn im Chipraum
rückzuverflüssigen. Turbulenzeinbauten verstärken die Vermischung. Ihre
Temperatur bleibt auf derselben Höhe wie die Durchschnittstemperatur des
Kühlmittels, wodurch es zur Verflüssigung eines Teiles des
Dampfes kommt.
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Im TDB vom Dezember 1986 wird auf Seite 2887 ein Modul gezeigt,
bei dem ein Strahl eines flüssigen Dielektrikums gegen einen
Wärmeableiter gerichtet wird, der einen Bestandteil einer
Barriere bildet, die den Chipraum von einem Kühlmittelraum trennt. Der
Strahl führt durch ein als "strahlaufprall" bezeichnetes
Wirkprinzip zu einer verbesserten Kühlung.
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Im TDB 5117 vom April 1987 wird ein Kolben mit Rippen gezeigt,
die dazu beitragen, daß neben dem herkömmlichen
Wärmeübertragungsweg vom Kolben zu der Kappe Wärme von dem Kolben zu einem
flüssigen Dielektrikum übertragen wird. Im TDB 6904 vom Mai 1985
wird ebenfalls aufdie übertragung der Wärme vom Kolben zum
Kühlmittel Bezug genommen: Die Kolben haben eine Oberfläche, die
dem Blasensieden förderlich ist.
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Im TDB 6898 vom Mai 1985 wird ein Kolben mit einer mittigen
Bohrung gezeigt, die sich von der Oberseite des Kolbens bis zu
einer Stelle in der Nähe des unteren Endes des Kolbens erstreckt,
wo sie sich in vier Zweigbohrungen verzweigt, die an symmetrisch
angeordneten Stellen mit dem gleichen Radius aufder Stirnseite
des Kolbens münden. Die Oberseite des Kolbens dient dazu, die
zufließende Flüssigkeit aufzunehmen. Der Kolben ist gewölbt, so
daß die Mitte der Kolbenstirnseite den Chip berührt, und zwischen
den Öffnungen und dem Chip befindet sich ein Spalt, so daß die
Flüssigkeit aut den Chip und über die Oberfläche des Chips
fließen kann.
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In der Patentschrift US -A-4 765 397 wird eine
Wärmeübertragungsvorrichtung beschrieben, bei der ein Kühlmittelkanal eine sich
verjüngende Form erhält, um dadurch die Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmittels zu erhöhen, so daß der Temperaturanstieg
ausgeglichen wird.
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Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
unter Bezugnahme aufdie Zeichnungen beschrieben, bei denen:
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FIG. 1 eine Schnittdarstellung eines Moduls ist, das den
Kolben und eine dazugehörige Konstruktion eines ersten
Ausführungsbeispiels dieser Erfindung verwendet;
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FIG. 2 eine Schnittdarstellung des Moduls von FIG. 1 ist, die
zeigt, wie das Kühlmittel durch das Modul fließt;
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FIG. 3 ein Diagramm ist, das die Form der Kolbenstirnseite bei
mehreren unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten
eines Kühlmittels zeigt;
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FIG. 4 eine grafische Darstellung des Kühlmittelflusses
außerhalb des Moduls bei einem Datenverarbeitungssystem ist,
das aus mehreren Modulen besteht;
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FIG. 5 eine Zeichnung der Kolbenstirnseite ist, die die Form
der Abstandshalter zeigt;
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FIG. 6 eine Zeichnung der Kolbenstirnseite ist, die eine
alternative Konstruktion der Abstandshalter zeigt;
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FIG. 7 eine Schnittdarstellung eines alternativen Kolbens ist;
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FIG. 8 eine Schnittdarstellung des Kolbens von FIG. 7 mit
einer Verkleidung ist, die den Kühlmittelfluß um den
Rand des Chips herum führt.
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FIG. 1 zeigt ein Modul 9, bei dem das Substrat 10 eine
horizontale Orientierung aufweist und dessen mit Chips versehene
Oberfläche 11 nach oben zeigt. Diese Orientierung betont die
Symmetrie der Reihen- und Spaltenanordnung der Chips auf dem
Substrat und der Bauelemente des Moduls, die mit den Chips eine
Linie bilden. Bei mit Gas gefüllten Modulen besitzt das Substrat
üblicherweise eine vertikale Orientierung, und diese Orientierung
wird später bei der Beschreibung von FIG. 2 verwendet. Die
Orientierung von FIG. 1 gilt für die Beschreibung der
Kühlmittelströmung über die Oberfläche des Moduls, weil die Strömung im
wesentlichen radialsymmetrisch ist, unabhängig von der jeweiligen
Orientierung des Moduls. Der bevorzugte Kolben ist praktisch
radialsymmetrisch.
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Die Chips 12 sind elektrisch und mechanisch durch Lotkugeln 13
mit Kontaktstellen (nicht mit dargestellt) verbunden. Von einer
allgemeineren Warte her gesehen handelt es sich bei einem Chip um
ein wärmeerzeugendes Bauelement, und die Oberseite 14 des Chips
ist eine Wärmeübertragungsoberfläche des Chips oder einer
dazugehörigen Verkapselung, wie beispielsweise eines Gehäuses, das
den Chip umgibt. An der Unterseite 15 des Substrates sind Stifte
16 angebracht, die in einer Leiterplatte stecken. Durch eine
Verdrahtung innerhalb des Substrates werden die Chips mit Energie
versorgt und Signale von einem Chip zum anderen und zwischen den
Chips und den Stiften übertragen. Eine als Kappe bezeichnete
Konstruktion 17 bildet zusammen mit dem Substrat einen
geschlossenen Raum 18 für die Chips, wie dies üblicherweise bei der Kappe
eines TCMs der Fall ist. Die Kappe trägt als Kolben bezeichnete
Konstruktionen 19 in einer Reihe von Löchern 20, die jeweils über
einem dazugehörigen Chipanschlußpunkt liegen. In dem
Ausführungsbeispiel von FIG. 1 sind die Löcher 20 zylinderförmig, und die
Kolben 19 haben genügend Spielraum 21, um sich in vertikaler
Richtung bewegen zu können. (Der Raum 21 ist in der Zeichnung
stark übertrieben dargestellt.)
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Die Kolben in FIG. 1 sind mit Abstandshaltern 22 versehen, die
die Unterseite 23 des Kolbens in einem bestimmten Abstand über
der Chipoberfläche 14 halten. Bei den Abstandshaltern handelt es
sich um dünne Radialrippen, die an ihren unteren Kanten die
Chipoberfläche 14 berühren. Andere Abstandshalter werden
nachstehend beschrieben. Im Loch 20 befindet sich eine Feder 24, um
den Kolben nach unten zum Chipanschlußpunkt hin zu drücken. Die
Federkonstruktion und der Spielraum 21 ähneln denen eines
herkömmlichen TCMs und ermöglichen es den Kolben, sich den
Veränderungen der Höhe und Neigung der Chips in bezug auf eine
Bezugsebene anzupassen.
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Von einer allgemeineren Warte her gesehen ist das Modul so
konstruiert und/oder gefertigt, daß jede Kolbenstirnseite 23 sich in
einer bestimmten Position über der entsprechenden Chipoberfläche
14 befindet. Bezüglich der Chips kann spezifiziert werden, daß
sie sich in einer bestimmten Höhe über einer Bezugsebene
befinden, und in diesem Falle kann die Konstruktion der Kappen und
Kolben so erfolgen, daß sich die Kolbenstirnseiten 23 in einer
bestimmten Bezugsposition in der Kappe befinden. Als Alternative
dazu können einstellbare Kolben in der Kappe verwendet werden,
die während der Herstellung aufeine feste Position in bezug auf
die Chips eingestellt werden. Bei diesen Varianten des Moduls von
FIG. 1 werden die Abstandshalter 22 nicht benötigt.
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Die Kappe 17 ist so konstruiert, daß sie eine
Kühlmittelverteilerkammer 30 bildet, die über den Chipanschlußpunkten liegt, und
die Kappe besitzt ein Eintrittsrohrverbindungsstück 31, durch das
ein flüssiges Kühlmittel in die Kammer fließen kann. Diese
Konstruktionen gleichen der Kaltwasserkonstruktion eines TCMs mit
integrierter Kühlplatte und können durch verschiedene bekannte
Methoden implementiert werden. Sie werden in der Zeichnung etwas
schematisch dargestellt. Die Kappe besitzt ein Teil 33, das einen
Bestandteil des Gehäuses für den Chipraum 18 bildet und die
Kolben trägt. Der Kolben 19 bildet zusammen mit Teil 33 die
Kühlmittelkammer. Die Oberseite 35 des die Kolben tragenden
Teiles 33 bildet den Boden der Kammer 30.
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In dem Ausführungsbeispiel von FIG. 1 hat der Kolben eine
Axialbohrung 38, die sich durch den gesamten Kolben erstreckt. Am
oberen Ende des Kolbens ist die Bohrung mit der Kühlmittelkammer
30 verbunden, und das Unterteil des Kolbens ist so ausgelegt, daß
von dort ein Kühlmittelstrahl aufdie Oberfläche 14 des Chips
gerichtet wird. In dem Ausführungsbeispiel von FIG. 1 erstreckt
sich ein Rohr 39 von der Kammer 30 bis zu einer Stelle, die
unmittelbar über der Stirnseite des Kolbens liegt und teilt dabei
die Bohrung und den Kolben in ein Oberteil 40, wo das Rohr
verhindert, daß der Kolben in direkten Kontakt mit dem Kühlmittel
kommt, und in ein Unterteil 41, wo das Kühlmittel in direkten
Kontakt mit der Wand der Bohrung 38 kommt.
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Die Kappe besitzt zwei Austrittsrohrverbindungsstücke 44 und 45,
die aufdie nachstehend beschriebene Weise das Kühlmittel aus dem
Chipraum befördern.
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In dem Ausführungsbeispiel von FIG. 1 ist der Kolben eine unitäre
Konstruktion aus Metall, das vorteilhafterweise ein guter
Wärmeleiter und ungünstigerweise ein guter elektrischer Leiter ist.
(Bei einigen Modulen müssen die Chips in bezug auf die Kappe
elektrisch isoliert werden.) Dadurch, daß das Kühlmittel und die
Wand der Bohrung miteinander in Kontakt kommen, wird der Kolben
gekühlt, und dieser Kühlungseffekt kann aufverschiedene Art und
Weise genutzt werden. Die Abstandshalter 22 liegen in dem
Wärmeleitungsweg zwischen dem Chip und dem Kühlungsteil 41 der
Kolbenbohrung und kühlen dabei den Chip durch Wärmeleitung. Da die
Abstandshalter dünn ausgeführt worden sind, so daß für den
Kühlmittelfluß eine große Fläche zur Verfügung steht, ist die
Berührungsfläche zwischen den Abstandshaltern und dem Chip klein, und
der Wärmewiderstand an dieser Grenzfläche ist hoch. Die
Wärmeleitung aufdiesem Weg wird aber durch die Tatsache erhöht, daß
das Kühlmittel nahe an die Abstandshalter herangebracht wird und
der Leitungsweg ziemlich kurz ist. Wie weiter unten noch
dargelegt werden wird, wird die Temperatur der Flüssigkeit in der
Kammer 30 so gewählt, daß die Wärmeübertragung an die Flüssigkeit
im Bohrungsteil 41 ausgeglichen wird (die Flüssigkeit siedet
nicht in der Bohrung).
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Bei einem Modul, bei dem das Kühlmittel siedet, kann die niedrige
Temperatur des Kolbens auch benutzt werden, um einen Teil des
Dampfes im Chipraum zu verflüssigen. Die Kolben in FIG. 1
besitzen mehrere ringförmige Rippen 36, von denen Wärme an das
Kühlmittel im Bohrungsteil 41 abgegeben wird.
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In FIG. 1 strömt das Kühlmittel mit einer vorherbestimmten
Geschwindigkeit, die von der Geschwindigkeit, mit der das Kühl
mittel dem Chip zugeführt wird, und vom Durchmesser der Bohrung
abhängt, nach unten durch die Bohrung 38, und ein
Kühlmittelstrahl trifft auf die Chipoberfläche 14 auf. In dem in FIG. 3
dargestellten Diagramm ist die Strömungsgeschwindigkeit des
Kühlmittels konstant, der Bohrungsdurchmesser ist ebenfalls
konstant, und demzufolge ist auch die Geschwindigkeit des
Strahles konstant. Durch die Kraft des Strahles werden die Flüssigkeit
und der gesamte zusammen mit der Flüssigkeit strömende Dampfnach
außen durch den Spalt zwischen der Chipoberfläche 14 und die
Kolbenstirnseite 23 in einem Muster befördert, das sich im
wesentlichen radialsymmetrisch um die Bohrungsachse herum
erstreckt, und auch die Kolbenstirnseite ist radialsymmetrisch.
(Nachstehend wird auch eine nichtradiale Kühlmittelströmung
beschrieben.)
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Die Geschwindigkeit, mit der das Kühlmittel über die
Chipoberfläche 14 fließt, hat einen wesentlichen Einfluß auf die Kühlung
des Chips. An einer bestimmten Stelle aufeiner radialen Linie
ist diese Geschwindigkeit teilweise eine Funktion der
Querschnittsfläche des Spaltes an dieser Stelle. Ein Maß dieser
Querschnittsfläche ist die Spalthöhe, die in FIG. 1 zu sehen ist, und
das andere Maß ist der Umfang eines Kreises an dieser Stelle, so
wie er sich zeigen würde, wenn die Blickrichtung entlang der
Achse eines Kolbens verläuft.
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In FIG. 3 stellt die horizontale Achse (Abszisse) eine Position
aufder Chipoberfläche 14 dar, die in radialer Richtung von der
Achse des Kolbens aus gemessen wird. Die vertikale Achse
(Ordinate) stellt den Spalt zwischen der Chipoberfläche 14 und der
Kolbenstirnseite 23 dar. Da die Oberfläche des Chips flach ist,
stellen die Kurven direkt die Form der Kolbenstirnseite dar,
abgesehen davon, daß der vertikale Maßstab größer ist als der
horizontale und daß die Kurve der Kolbenstirnseite übertrieben
dargestellt worden ist.
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Die vier Kurven A-D zeigen jeweils die Spalthöhe, die so gewählt
ist, daß sich unter speziellen Kühlbedingungen eine gleichmäßige
Strömungsgeschwindigkeit aufder Chipoberfläche 14 ergibt. (Die
Strömungsgeschwindigkeit ist für jede Kurve unterschiedlich, da
die Querschnittsflächen sich an den entsprechenden Stellen
voneinander unterscheiden.) In allen Fällen wurde das gleiche
Kühlmittel und die gleiche Chipgröße verwendet, während die
Chipleistung in der Reihenfolge A bis D abnahm
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Eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit ist eine
Bezugsbedingung. Normalerweise ist es wünschenswert, daß sich die
Strömungsgeschwindigkeit als Funktion des Radius erhöht: Die Abkühlung ist
eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit und der
Kühlmitteltemperatur, und durch eine Erhöhung der Geschwindigkeit kann die
Temperaturerhöhung ausgeglichen werden, die eintritt, wenn das
Kühlmittel Wärme von einem Chip aufnimmt. Wie weiter unten noch
dargelegt werden wird, lassen die Kurven Rückschlüsse auf andere
Strömungsgeschwindigkeiten einschließlich einer sich
verringernden Strömungsgeschwindigkeit zu.
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Die Kurven A-C zeigen ein siedendes Kühlmittel bei drei
verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten, während Kurve D ein
nichtsiedendes Kühlmittel repräsentiert. Bemerkenswert ist, daß die am
weitesten links befindliche radiale Position der Kurven annähernd
der Radius der Kolbenbohrung ist.
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Im Fall D (das Kühlmittel siedet nicht) verändert sich die Dichte
des Kühlmittels nicht wesentlich, und seine Geschwindigkeit an
einer bestimmten Stelle der Chipoberfläche verändert sich nur in
dem Maße, in dem sich die Querschnittsfläche des Spaltes an
dieser Stelle verändert. Aus diesem Grund stellt die Kurve D bei
konstanter Querschnittsströmungsfläche und konstanter
Geschwindigkeit des Kühlmittels eine lineare Funktion des Reziprokwertes
des radialen Abstands von der Kolbenachse dar. Der Spalt
verkleinert sich kontinuierlich mit dem Radius.
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Wenn die Kolbenstirnseite bei der Kurve D verändert wird, um die
Querschnittsfläche als Funktion des Radius zu verkleinern, liegt
die Kurve im Falle einer nichtsiedenden Flüssigkeit unter der
Kurve D. Andererseits liegt die Kurve über der Kurve D, wenn die
Kolbenstirnseite bei der Kurve D so verändert wird, daß sich die
Querschnittsfläche als Funktion des Radius vergrößert.
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Die Kurven A, B und C repräsentieren siedende Flüssigkeiten unter
drei verschiedenen Kühlbedingungen. Wenn das Kühlmittel siedet,
bilden sich Dampfblasen, und das Volumen der jeweiligen
Kühlmittelmasse dehnt sich aus. Die Kolbenstirnseite ist so geformt,
daß diese Ausdehnung ausgeglichen wird.
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Bei den Kurven A-C vermindert sich die Spalthöhe bis zu der
Stelle, an der das Sieden einsetzt und nimmt dann zu, um das
zunehmende Dampfvolumen auszugleichen. (Im Gegensatz dazu steht
Kurve D, die kontinuierlich abnimmt.) Da der in FIG. 3
dargestellte Chip gleichmäßig erwärmt wird, bilden sich Dampfblasen
mit einer konstanten Geschwindigkeit als Funktion des Radius.
Demzufolge sammeln sich die Dampfblasen in der radial nach außen
(in Strömungsrichtung) weisenden Richtung. Es siedet nur ein Teil
der Flüssigkeit, und zwar gewöhnlich weniger als ungefähr 10%.
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Jetzt soll die Kurve D von einer anderen Warte her betrachtet
werden. Wenn die Kurve an irgendeiner Stelle abflacht, würde sich
die Querschnittsfläche mit dem Radius vergrößern. Ebenso würde
sich die Querschnittsfläche vergrößern, wenn die Kurve langsamer
abnimmt als das Reziproke der Radiusfunktion, die durch die Kurve
D dargestellt wird. Somit ließe sich aus geometrischer Sicht die
Vergrößerung des Kühlmittelvolumens durch eine flache Kurve oder
eine Kurve ausgleichen, die flach nach unten abfällt. Die durch
das Sieden bewirkte Volumenerhöhung wird aber gewöhnlich so groß
sein, daß ein Punkt definiert werden kann, an dem das Sieden
einsetzt, und die Kolbenstirnseite wird sich an dieser Stelle
nach unten wölben und danach wieder nach oben.
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Bemerkenswert ist, daß die Abwärtsneigung der Kurven A-C geringer
ist als der entsprechende Teil der Kurve D und insbesondere daß
die Neigungen in der Reihenfolge C-A abnehmen (das heißt, daß der
Spalt an den entsprechenden Stellen größer ist). Dies ist ein
rein geometrischer Effekt.
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Durch den zwischen dem Kolben und der Wand des Kolbenlochs 20
befindlichen Zwischenraum 21 kann ein Teil des Kühlmittels
außerhalb des Strahles fließen, der aufdie Chipoberfläche 14
auftrifft. Solange der gewünschte Strahl an der Stirnseite des
Kolbens aufrechterhalten werden kann, hat der Kühlmittelfluß
durch den Zwischenraum 21 keine nachteiligen Auswirkungen auf das
Kühlvermögen des Moduls (eventuell ist eine größere Pumpe
erforderlich).
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Bei dem Ausführungsbeispiel von FIG. 1 bildet das Rohr 39 ein
Labyrinth zwischen der Kammer 30 und dem Zwischenraum 21 und
verhindert dadurch, daß eine größere Kühlmittelmenge durch den
Zwischenraum 21 fließt. Bei einem alternativen
Ausführungsbeispiel wird das Rohr 39 nicht verwendet, und das Bohrungsteil 41
erstreckt sich über die gesamte Kolbenlänge. Der Durchmesser der
Öffnung im Kappenteil 33, die ansonsten das Rohr 39 aufnimmt,
kann so gewählt werden, wie es der Verwendungszweck erfordert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich das Kolbenloch 20
vom Chipraum 18 bis zur Kühlmittelkammer 30 und bietet dem
Kühlmittel damit einen direkteren Weg zur Umgehung der Kolbenbohrung.
Der Zwischenraum 21 zwischen dem Kolben und der Wand des Loches
ist üblicherweise sehr klein, und die Kühlmittelmenge, die
zwischen dem Kolben und der Wand des Loches fließt, kann in vielen
Fällen vernachlässigt werden.
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In einer alternativen Kolbenabdichtungsanordnung befindet sich
zwischen dem Kolben und der Lochwand ein Dichtungsring. Bei
Modulen, die mit einem Fluorkohlenwasserstoffgekühlt werden,
besteht der Ring vorzugsweise aus einem Material, wie
beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), das aufquillt, wenn es mit
einem Fluorkohlenwasserstoff in Kontakt kommt und dadurch die
Abdichtwirkung verbessert.
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In den Verfahren nach dem Stand der Technik werden verschiedene
Lösungen für das Trennen des Chipraums von einem Kühlmittel
vorgeschlagen, wie zum Beispiel flexible Barrieren und flexible
Ausdehnungsstücke, und diese Elemente können für die Dichtung des
Kolbens benutzt werden. Wenn der Kolben einen festen Bestandteil
der Kappe bildet, ist eine Extradichtung für die Kolben nicht
erforderlich.
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Herkömmliche Module verfügen über ein Standardmuster der
Chipanschlußpunkte und ein entsprechendes Muster der Löcher für die
Kolben. In einigen herkömmlichen Modulen befinden sich an einigen
Chipanschlußpunkten keine Chips, und die entsprechenden Löcher
enthalten keine Kolben. Bei Chipanschlußpunkten, die in unserem
Modul nicht verwendet werden, wird das zylinderförmige Loch auf
geeignete Weise verschlossen, um zu verhindern, daß das
Kühlmittel durch dieses nicht benutzte Loch fließt. Das Loch kann zum
Beispiel mit einem Kunststoffkolben oder mit einer äquivalenten
festsitzenden Konstruktion, die keine mittige Bohrung aufweist,
verschlossen werden. Wenn der Kolben mit einem Ausdehnungsstück
oder einer flexiblen Barriere abgedichtet wird, bieten sich
andere geeignete Verschlußkonstruktionen an.
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FIG. 2 zeigt das Modul 9 in seiner senkrechten Ausrichtung, bei
der sich das Substrat in einer vertikalen Ebene erstreckt. Bei
einem Modul, in dem das Kühlmittel siedet, diffundiert Dampf 49
nach oben zu dem Austrittsstück 44. Das Modul 9 kann zu Beginn
entweder mit Flüssigkeit oder mit Dampfgefüllt sein. Bei einem
Modul, das mit Flüssigkeit gefüllt ist, liegt der vom siedenden
Kühlmittel gebildete Dampfin Form von Blasen 49 vor. Die
Flüssigkeit (oder Flüssigkeitströpfchen 50 in dem mit Dampfgefüllten
Ausführungsbeispiel) fällt immer aufden Boden des Chipraumes,
der einen Sumpf 47 bildet, der mit dem
Austrittsrohrverbindungsstück 45 in Verbindung steht.
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Außerhalb des Moduls bereitet die Handhabung des Dampfes
Schwierigkeiten, da sein Volumen viel größer ist als das Volumen der
entsprechenden Flüssigkeitsmasse. Vorzugsweise wird eine
Vorrichtung bereitgestellt, die dazu dient, einen Teil des Dampfes
oder den gesamten Dampfinnerhalb des Chipraumes zu verflüssigen.
FIG. 2 zeigt die Rippen 36 aus FIG. 1. Als Alternative oder
Ergänzung dazu kann ein getrennter, entsprechend konstruierter
Wärmetauscher, der im Modul oder ausreichend nah zu diesem
untergebracht wird, verwendet werden, so daß das verflüssigte
Kühlmittel, wie in FIG. 2, zum Sumpf 47 fließen kann.
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Obwohl die Kolben im oberen Teil des Moduls mehr Dampf aufnehmen,
als die Kolben am Boden des Moduls, sind die Unterschiede in den
meisten Anwendungsvarianten des Moduls von FIG. 1 klein, und bei
allen Kolben wird ein und dieselbe Rippenanordnung verwendet. Als
Alternative dazu kann jeder einzelne Kolben für seine spezifische
Dampfverflüssigungsbelastung ausgelegt werden. Die
Rippenanordnung kann beispielsweise verändert werden, oder die Länge des
Kühlungsteiles 41 des Kolbens kann verändert werden.
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FIG. 4 zeigt die außenliegenden Rohrleitungen für ein System von
Modulen, die ungefähr bei Raumtemperatur betrieben werden. Bei
zwei repräsentativen Modulen 9a und 9b können die
Kühlmittel-Eintrittsrohrverbindungsstücke 31a und 31b an eine gemeinsame
Zuflußleitung 54 angeschlossen werden. Die Zuflußleitung 54 ist
Teil eines Kreislaufs, in dem sich außerdem ein Ausdehnungsgefäß
55, eine Pumpe 57 und ein Kühler 56 befinden. Der Kühler 56 ist
vorzugsweise ein Wärmetauscher, der mit Kaltwasser versorgt wird.
Die Kühlflüssigkeits-Austrittsrohrverbindungsstücke 45a und 45b
und die Dampf-Austrittsrohrverbindungsstücke 44a und 44b der
Module sind an eine gemeinsame Leitung 59 angeschlossen, die
vertikal verläuft, so daß Dampfvon den
Austrittsrohrverbindungsstücken 44a und 44b nach oben diffundiert und Flüssigkeit von den
Austrittsrohrverbindungsstücken 45a und 45b nach unten fließt.
Das Ausdehnungsgefäß 55 nimmt die Flüssigkeit auf und führt sie
der Pumpe 57 zu. Ein Wärmetauscher 61 nimmt den Dampfaufund
verflüssigt ihn. Das Kondensat im
Dampfverflüssigungswärmetauscher 61 fließt durch die Leitung 59 zum Sumpfausdehnungsgefäß
55. Der Wärmetauscher 61 für den Dampfwird mit Kaltwasser
betrieben und kann an die Austrittsseite des Wärmetauschers 56 für
das flüssige Kühlmittel angeschlossen werden.
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FIG. 4 zeigt den allgemeinen Anschluß des Moduls in einem
Kühlmittelkreislauf. In anderen Gebieten der Technik kennt man
Verfahren für die Handhabung von Flüssigkeiten und Dämpfen bei
Raumtemperatur. Auch Verfahren für die Handhabung von flüssigem
Stickstoff sind gut bekannt und sind aus der Darstellung in FIG.
4 ersichtlich.
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Da die von den Chips erzeugte Wärmeenergie äußerst wirksam durch
das flüssige Kühlmittel abgeleitet wird, ist es möglich, auf den
durch den Metallkolben von FIG. 1 gebildeten Wärmeleitungsweg zu
verzichten und den Kolben vollständig oder teilweise aus einem
Material, wie zum Beispiel Kunststoff, herzustellen, das nicht
wärmeleitend ist. Kunststoffkolben erfüllen die weiter oben in
dieser Spezifikation beschriebene Isolationsforderung. Darüber
hinaus haben Kunststoffkolben eine niedrigere Masse als die
entsprechenden Metallkolben und übertragen somit weniger
Vibrationen aufdie Chips als Metallkolben. Viele Kunststoffe
vertragen sich mit verschiedenen dielektrischen Flüssigkeiten und
können bei unterschiedlichen Temperaturen eingesetzt werden. Ein
Kunststoffkolben wird vorzugsweise durch Spritzgießen oder
Formpressen
hergestellt. Herkömmliche Kunststoffe leiten die Wärme
nicht so gut, daß ringförmige Rippen 36 nutzbringend eingesetzt
werden können. Ein getrennter Wärmetauscher zum Verflüssigen des
Dampfes liegt innerhalb des Chipraumes 18 oder außerhalb des
Chipraumes oder sowohl innerhalb als auch außerhalb. Auch die
Kontaktfläche zwischen dem Kolben und dem Chip spielt im Hinblick
auf die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung keine wesentliche
Rolle, und die Abstandshalter können ohne Rücksicht auf die
Kontaktfläche die Form von Höckern oder andere Formen haben.
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Der Metallkolben von FIG. 1 erhält seine Gestalt vorzugsweise
durch eine spanende Bearbeitung. Geeignete Materialien sind aus
dem Fachgebiet der herkömmlichen TCMs bekannt.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht der Kolben aus
einer Kunststoff-Metall-Kombination. Der mittlere Teil des
Kolbens besteht aus Metall, damit die Wärme von den Ringen mit
kreisförmigem Querschnitt zur Flüssigkeit in der Bohrung 38
geleitet werden kann. Entweder der untere Teil des Kolbens oder
der obere Teil des Kolbens (oder beide Teile) besteht aus
Kunststoff, um eine elektrische Isolation (und niedrigere Masse) zu
gewährleisten.
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Wenn nur der obere Teil des Kolbens aus Kunststoff besteht,
erstreckt sich der obere Teil unter Berücksichtigung der
Höhenabweichungen des Chips weit genug nach unten, um einen
elektrischen Kontakt zwischen der Kappe und dem Metallteil des Kolbens
zu verhindern. Die Kolbenbohrung 38 und das wahlweise verwendbare
Rohr 39 sind so angeordnet, daß das Kühlmittel mit der Wand der
Bohrung des Metallteiles des Kolbens in Kontakt kommt. Die
Metall- und Kunststoffteile können mit irgendeinem geeigneten
Verfahren für das Zusammenfügen dieser Materialien zusammengefügt
werden. Vorzugsweise werden die Kunststoff- und Metallteile des
Kolbens ineinandergefügt, zum Beispiel durch eine
Schraubverbindung.
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Wenn der untere Teil des Kolbens aus Metall besteht, sind die
Abstandshalter in einer möglichen Variante so konstruiert, daß
die Wärme durch Leitung aus dem Chip abgeführt wird, wie dies in
der Beschreibung für FIG. 1 dargelegt worden ist.
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In dem Ausführungsbeispiel von FIG. 1 haben die Abstandshalter 22
die Form von Rippen, die Leitflächen bilden, die den
Kühlmittelstrom über die Oberfläche des Chips lenken. Die Rippen können
flach sein und dadurch, wie FIG. 5 zeigt, von oben gesehen
strahlenförmige Kanäle bilden. Als Alternative dazu können die
Leitflächen gekrümmt sein, so daß sich ein nichtradiales
Strömungsmuster ergibt, wie in FIG. 6 gezeigt wird. Aufder molekularen
Ebene fließt das Kühlmittel in Spiralen und verstärkt dadurch die
Wärmeübertragung.
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Normalerweise werden diese Leitflächen 22 so dünn wie möglich
gemacht, um die Wärmeübertragung durch Konvektion zu verstärken,
obwohl durch diese Form der Abstandshalter die Wärmeübertragung
durch Leitung vermindert wird. Von einem anderen Standpunkt her
gesehen stellen die Kanäle aber Schlitze dar, die am unteren Ende
des Kolbens gebildet werden. Der Begriff "Rippen" weist darauf
hin, daß die Kühlung vor allem durch Konvektion erfolgt und erst
in zweiter Linie - oder auch überhaupt nicht - durch Leitung.
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Chips müssen innerhalb vorherbestimmter Temperaturgrenzen
betrieben werden. Durch diese Forderung ergibt sich das Problem, daß
für Hochleistungschips ausreichend Kühlung bereitgestellt werden
muß, ohne daß es dadurch zu einer überkühlung der Chips mit
niedrigerer Leistung kommt. Für die Erzielung gleichmäßiger
Chiptemperaturen in herkömmlichen TCMs sind bisher mehrere
Verfahren verwendet und vorgeschlagen worden. Die Zufuhr des
flüssigen Kühlmittels zu den Chips kann dadurch reguliert werden, daß
man beispielsweise den Durchmesser der Bohrung 38 oder den
Durchmesser des Rohres 39 oder die Höhe des Spaltes reguliert. Bei
Ausführungsbeispielen, in denen die Kühlung durch Leitung bewirkt
wird, kann der Widerstand des Leitungsweges mit Hilfe
verschiedener
Vertahren analog zu einem herkömmlichen TCM reguliert
werden.
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In dem Ausführungsbeispiel von FIG. 7 wird die Stirnseite des
Kolbens durch ein getrenntes Teil 61 gebildet, das am
Kolbenkörper 62 zum Beispiel mit Hilfe von Gewinden 63 befestigt ist. Das
Stirnseitenteil wird in mehreren Formen hergestellt, die das
Kühlmittel mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und/oder
verschiedenen Strömungsmustern dem Chip zuführen.
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In dem Ausführungsbeispiel von FIG. 7 verzweigt sich die Bohrung
des Kolbens zu mehreren Öffnungen 64 in der Kolbenstirnseite 65,
und das Stirnseitenteil besitzt eine dünne Konstruktion, die eine
Verteilerkammer 66 bildet, um das Kühlmittel von der Bohrung zu
den Öffnungen 64 zu verteilen. Vorzugsweise befinden sich auf der
Stirnseite des Kolbens Höcker 67, die die Kolbenstirnseite
räumlich von der Chipoberfläche 14 trennen.
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FIG. 8 zeigt einen Kolben, der eine Verkleidung 70 trägt, die
bewirkt, daß das Kühlmittel um den Rand 71 des Chips 12 fließt.
Die Fläche des Chiprands 71 ist kleiner als die Oberfläche 14, an
der im wesentlichen die gesamte Wärmeübertragung in den Modulen
der anderen Abbildungen erfolgt, aber die Fläche ist groß genug
für die Übertragung einer erheblichen Wärmemenge. Bei einem
herkömmlichen TCM fließt ein Teil der Wärme von dem Chip durch
die Lotkugeln und in die Leiterplatte. Die Form der Verkleidung
ist so beschaffen, daß dadurch bewirkt wird, daß das Kühlmittel
auf die benachbarte Oberfläche 11 des Substrates auftrifft. Das
Kühlmittel, das aufdie Oberfläche 11 auftrifft, führt zur
zusätzlichen übertragung einer ins Gewicht fallenden Wärmemenge.
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Bei der Kolbenkonstruktion von FIG. 8 ist die Verkleidung von
oben her gesehen quadratisch, und der Raum zwischen dem Chiprand
71 und der benachbarten Wand der Verkleidung wird gleichmäßig
durch einen in der Zeichnung dargestellten Spalt getrennt. Als
Alternative dazu kann die Verkleidung zylinderförmig sein, um die
radiale Symmetrie des Kolbens zu bewahren.
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FIG. 8 ähnelt FIG. 7, und es werden die gleichen Bezugszeichen
für ansonsten identische Teile des Moduls verwendet. In dem Modul
von FIG. 7 fließt das Kühlmittel über den Rand des Chips und über
das Substrat, aber die Kühlung in FIG. 8 ist wirksamer, weil die
Verkleidung das Kühlmittel dazu zwingt, enger an den
Wärmeübertragungsoberflächen des Chips und des Substrates
entlangzufließen.