DE69316066T2 - Kühlungssystem - Google Patents

Description

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• Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zum Beispiel für eine Baugruppe, in der elektronische Schaltungskomponenten auf einem Verdrahtungssubstrat angebracht sind.
• Ein Kühlsystem des Standes der Technik dieses Typs ist in einem Aufsatz unter dem Titel "A Conduction-Cooled Module for High-Performance LSI Devices - Ein leitungsgekühltes Modul für Hochleistungs-LSI-Einrichtungen" von S. Oktay und H. C. Kammerer offenbart, das in IBM J. RES. DEVELOP., Band 26, Nr. 1, Seiten 55-66, Jan. 1982 veröffentlich wurde. Das in Figur 1 in dem Aufsatz offenbarte Modul weist ein mehrschichtiges Keramiksubstrat, auf dem Substrat angebrachte Halbleiterchips, eine das Substrat abdeckende Bedeckung, in der Bedekkung ausgebildete Aushöhlungen, in den Aushöhlungen liegende Kolben, Federn, die die Kolben gegen die chips drücken, Hehumgas, das einen durch das Substrat und die Bedeckung begrenzten Zwischenraum füllt, eine Kälteplatte, durch die Wasser fließt, und ein Zwischenstück auf, das zwischen der Kälteplatte und der Bedeckung eingefügt ist. In dem Modul wird von den Chips erzeugte Wärme durch die Kolben, das Heliumgas, die Bedeckung und das Zwischenstück zu der Kälteplatte geleitet. Das Modul hat eine Wärmeleitzahl von nicht mehr als 0,1 bis 0,5 W/cm²ºC aufgrund einer kleinen wirksamen Fläche für Wärmeleitung Als ein Ergebnis weist das Modul einen Nachteil darin auf, daß seine Kühlkapazität zum Kühlen integrierter Schaltungschips unzureichend wird, wenn die Chips bei zunehmenden Schaltungsdichten in den Chips mehr Energie verbrauchen werden.
• Ein anderes Kühlsystem des Standes der Technik ist im US- Patent Nr. 5,050,037 offenbart. Das System weist eine gedruckte Schaltungsplattenanordnung mit einer gedruckten Schaltungsplatte 22, auf beiden Flächen der Platte 22 angebrachten wärmeerzeugenden elektronischen Schaltungskomponenten 26 und einem Paar von flüssigkeitskühlenden Modulen 30a und 30b auf, die auf beiden Seiten der Platte 22 angebracht sind. Jedes der Module 30a und 30b ist mit einer flüssigkeitskühlenden Platte 32 versehen, die Kühlmittelzuleitungsköpfe 36 und elastische Wärmeübertragungseinheiten 40 aufweist, welche durch die Platte 32 gehalten werden und auf beiden Flächen der Platte 22 in Druckkontakt mit den Komponenten 26 angeordnet sind. Jede der Wärmeübertragungseinheiten 40 weist ein als ein Federbalg aufgebautes hohles elastisches Element 42 auf, das eine geeignete Elastitizität haben muß, die zum Sicherstellen eines stabilen Kontakts zwischen der Einheit 40 und der Komponente 26 ausreicht und gleichzeitig einen jeglichen leichten Unterschied bezüglich der Höhen der Komponenten 26 aufnimmt. Um eine ausreichende Elastizität zu erhalten, muß das elastische Element 42 dünn ausgebildet werden, was zu dem Nachteil führt, daß durch die Wärmeüber tragungseinheit 40 fließendes flüssiges Kühlmittel auslaufen kann, da das elastische Element 42 dazu neigt, leicht ein durch Verschleiß aufgrund seiner geringen Dicke bewirktes Loch zu entwickeln.
• Ein weiteres Kühlsystem des Standes der Technik ist in EP-A- 0374479 offenbart. Dies weist einen Fluid-Wärmetauscher zum Zusammenpassen mit einer elektronischen Komponente auf, der auf einem festen Träger gehalten wird. Eine Verbindung zwischen dem festen Träger und dem Wärmetauscher ist anfangs flexibel zum Einstellen der Stellung des Wärmetauschers, um Veränderungen hinsichtlich der Höhe oder Stellung der elektronischen Komponenten zum Schaffen einer guten thermischen Grenzfläche aufzunehmen. Danach wird die Verbindung zu einer starren Verbindung verändert, um einen guten strukturellen Halt für den Wärmetauscher zu schaffen, der ein Standhalten des Trägers gegen Vibration oder Stoß ohne Überlasten der elektronischen Komponente zuläßt.
• Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, ein Kühlsystem ohne die Nachteile der obengenannten Kühlsysteme des Standes der Technik zu schaffen. Das Kühlsystem der vorliegenden Erfindung ist in Patentanspruch 1 beschrieben. Weitere Merkmale sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 12 beschrieben.
• Der der vorliegenden Erfindung ähnlichste Stand des Technik ist in US-A-4,977,444 beschrieben, worin eine Halbleiterkühlvorrichtung offenbart ist, bei der Kühlblöcke mit den zu kühlenden Elementen verbunden sind, denen Kühlmittel über flexible Kühlwege zugeführt wird.
• Bevorzugte Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden, in denen:
• Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;
• Fig. 2A, 2B und 2C eine Draufsicht, eine Seitenansicht bzw. eine Querschnittsansicht einer Düse 8 zeigen;
• Fig. 3A und 3B eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht einer Ringfeder 10 sind;
• Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist; und
• Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist.
• In den Zeichnungen stellen die gleichen Bezugsziffern die gleichen Strukturelemente dar.
• Als nächstes soll eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform ausführlich beschrieben werden.
• Bezugnehmend auf Fig. 1 weist eine erste Ausführungsform der Erfindung elektronische Schaltungskomponenten 1 wie zum Beispiel integrierte Schaltungschips und ein Verdrahtungssubstrat 2 auf, auf dem die Komponenten 1 angebracht sind. Ein Tragrahmen 5 umgibt den Umfang des Substrats 2, um es zu halten. Ein Abdeckungsmittel in Form eines Abdeckungsrahmens 12 bedeckt die Komponenten 1 und die obere Oberfläche des Substrats 2 so, daß ein Zwischenraum 12a gebildet wird, der durch die obere Oberfläche des Substrats 2 und die inneren Seiten- und Bodenoberflächen des Rahmens 12 begrenzt wird. Eine Vielzahl zylindrischer Kühlbehälter 9 ist in dem Zwischenraum 12a in Ausrichtung mit den jeweiligen zugeordneten Komponenten 1 angeordnet, und Düsen 8 sind innerhalb der jeweiligen zugeordneten Behälter 9 vorgesehen.
• Erste und zweite Kanäle 13 und 14 werden zwischen den inneren und äußeren Oberflächen des Rahmens 12 gebildet. Die äußere Oberfläche des Rahmens 12 weist einen Kühlmitteleinlaß 6, der mit dem ersten Kanal 13 verbunden ist, und einen Kühlmittelauslaß 7 auf, der mit dem zweiten Kanal 14 verbunden ist, wodurch ein Kühlmittelzuleitungsmittel gebildet wird.
• Die Fig. 2A, 2B und 2C zeigen eine Draufsicht, eine Seitenansicht bzw. eine Querschnittsansicht einer der Düsen 8. Die Düse 8 besteht aus Edelstahl und ist an ihrem Mittelbereich 17 und gegenüberliegenden Endbereichen 18a und 18b zylindrisch. Der Außendurchmesser des Mittelbereichs 17 ist größer als diejenigen der Endbereiche 18a und 18b. Ein sich verjüngender Bereich 19a ist von dem Mittelbereich 17 zu dem Endbereich 18a gebildet, und ein sich verjüngender Bereich 19b ist von dem Mittelbereich 17 zu dem Endbereich 18b ausgebildet. Die Düse 8 weist weiter eine Nut 15, die sich um den Mittelbereich 17 herum erstreckt, ein mittiges Durchgangsloch 20, das vom Endbereich 18a zum Endbereich 18b hindurchgeht, und am Umfang angeordnete Durchgangslöcher 21 auf, die vom sich verjüngenden Bereich 19a zum sich verjüngenden Bereich 19b hindurchgehen (siehe Fig. 2C).
• Zurückgehend zu Fig. 1 werden die Endbereiche 18a der Düsen 8 in jeweilige zugeordnete erste Löcher H&sub1; eingeführt, die sich von dem Kanal 13 zu dem Kanal 14 erstrecken, während die Mittelbereiche 17 der Düsen 8 in jeweilige zugeordnete zweite Löcher H&sub2; eingeführt werden, die sich von dem Kanal 14 zu dem Raum 12a erstrecken. Folglich sind die sich verjüngenden Bereiche 19a der Düsen 8 innerhalb des zweiten Kanals 14 angeordnet. Die Düsen 8 sind an dem Abdeckrahmen 12 an diesen ersten und zweiten Löchern durch beliebige geeignete Mittel wie zum Beispiel Hartlötung befestigt. Das erste Loch H&sub1; und das zugeordnete zweite Loch H&sub2; sind in Ausrichtung mit der zugeordneten Komponente 1 angeordnet.
• Die aus Kupfer hergestellten Behälter 9 sind über den zugeordneten Komponenten 1 angeordnet, und ein elastisches wärmeleitendes Element 3 wird zwischen der äußeren Bodenoberfläche jedes Behälters 9 und der oberen Oberfläche der zugeordneten Komponente 1 angeordnet. Der innendurchmesser jedes Behälters 9 ist etwas größer als der Außendurchmesser des Mittelbe reichs 17 jeder Düse 8. Ein aus Silikongummi hergestellter elastischer O-Ring 4 ist an der Nut 15 jeder Düse 8 befestigt, und die Düse 8 wird in den zugeordneten Behälter 9 mit dem O-Ring 4 in Druckkontakt mit der inneren Seitenwand des Behälters 9 eingeführt. Als ein Ergebnis wird ein Raum 9a durch die Bereiche 18b und 19b der Düse 8, den O-Ring 4 und die Seitenwand und Bodenoberfläche des Behälters 9 gebildet und durch den O-Ring 4 hermetisch abgedichtet.
• Zwischen der inneren Bodenoberfläche des Rahmens 12 und der oberen Kante jedes Behälters 9 befindet sich ein Zwischenraum, in den ein Preßmittel (ein elastisches Vorspannungselement) in Form einer Ringfeder 10 eingeführt ist. Wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt ist, besteht die Feder 10 aus einem Ringbereich 10a und Flossenbereichen 10b, die sich radial nach außen und nach unten von dem Ringbereich 10a erstrecken. Der Ringbereich 10a steht mit der oberen Kante des Behälters 9 in Eingriff, während die Spitzen der Flossenbereiche 10b in Berührung mit der inneren Bodenoberfläche des Rahmens 12 (siehe Fig. 1) stehen. In diesem Zustand wird der Behälter 9 durch die Elastität der Flossenbereiche 10b der Feder 10 gegen das elastische wärmeleitende Element 3 gedrückt.
• Die Rahmen 5 und 12, die aus Aluminium bzw. Edelstahl hergestellt sind, werden durch Befestigungsmittel wie zum Beispiel Schrauben (nicht gezeigt) befestigt.
• Flüssiges Kühlmittel wie zum Beispiel Wasser oder Fluorkohlenstoff wird von dem Einlaß 6 in den Kanal 13 zugeführt. Das zugeführte Kühlmittel fließt durch die mittigen Durchgangslöcher 20 der Düsen 8 und trifft auf die inneren Bodenoberflächen der Behälter 9 auf. Von den Komponenten 1 zu den Behältern 9 geleitete Wärme wird von den inneren Bodenoberflächen der Behälter 9 durch das auftreffende Kühlmittel abgeführt. Das durch die Wärme erwärmte Kühlmittel fließt anschließend durch die am Umfang vorgesehenen Durchgangslöcher 21 der Düsen 8 in den Kanal 14 und wird aus dem Auslaß 7 (siehe Fig. 1) abgelassen.
• Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau der zweiten Ausführungsform ist im wesentlichen der gleiche wie der der ersten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform fließt von dem Kühlmitteleinlaß 6 zugeführtes Kühlmittel nur in das mittige Durchgangsloch 20 der ersten der Düsen 8, verglichen zur Struktur der ersten Ausführungsform, bei der das von dem Einlaß 6 zugeführte Kühlmittel direkt in die mittigen Durchgangslöcher 20 aller Düsen 8 fließt. Das Kühlmittel fließt durch das mittige Durchgangsloch 20 der ersten Düse in den Raum 9a der ersten Düse, in der durch die zugeordnete Komponente 1 erzeugte Wärme durch das Kühlmittel entfernt wird. Danach fließt das Kühlmittel durch die am Umfang vorgesehenen Durchgangslöcher 21 der ersten Düse in einen Kanal 11, der mit dem mittigen Durchgangsloch 20 nur der zweiten der Düsen 8 verbunden ist. Auf diese Weise fließt das von dem Einlaß 6 zugeführte Kühlmittel in Reihenfolge oder in Serie von der ersten Düse zu der letzten durch die Kanäle 11, von denen jeder die am Umfang vorgesehenen Durchgangslöcher einer vorhergehenden Düse mit dem mittigen Durchgangsloch der nächsten Düse verbindet, und wird aus dem Kühlmittelauslaß 7 abgelassen.
• Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau der dritten Ausführungsform ist der gleiche wie der der zweiten Ausführungsform unter der Ausnahme, daß die Ringfedern 10 in der zweiten Ausführungsform durch Schraubenfedem 16 ersetzt sind und daß ein Flansch 9b um den Boden jedes Behälters 9 herum gebildet ist. Die Behälter 9 werden in die Schraubenfedern 16 von ersten Enden der Schraubenfeder 16 eingeführt, bis die Flansche 9b die ersten Enden der Federn 16 erreichen. Die anderen Enden der Schraubenfedern 16 stehen mit der inneren Bodenoberfläche des Abdeckrahmens 12 in Berührung. In diesem Zustand werden die Federn 16 zwischen den Flanschen 9b und der inneren Bodenoberfläche des Rahmens 12 zusammengedrückt, wobei die elastischen wärmeleitenden Elemente 3 in Druckkontakt mit den äußeren Bodenoberflächen der Behälter 9 stehen.
• Zusammengefaßt betreffen die bevorzugten Ausführungsformen ein Kühlsystem zum Kühlen von auf einem Verdrahtungssubstrat angeordneten elektronischen Schaltungskomponenten, das auf den jeweiligen Komponenten angeordnete Behälter und Düsen einschließt, die jeweils ein mittiges Durchgangsloch und am Umfang vorgesehene Durchgangslöcher aufweisen. Die äußere Bodenoberfläche jedes Behälters steht in gutem thermischen Kontakt mit einer entsprechenden elektronischen Schaltungskomponente. Jede Düse wird in einen entsprechenden Behälter so eingeführt, daß erste Enden der mittigen und am Umfang vorgesehenen Durchgangslöcher der Düse innerhalb des Behälters angeordnet sind, während die gegenüberliegenden Enden außerhalb des Behälters angeordnet sind. Der Zwischenraum zwischen der inneren Seitenwand jedes Behälters und der äußeren Seitenoberfläche einer in den Behälter eingeführten Düse wird durch ein Dichtelement hermetisch abgedichtet. Flüssiges Kühlmittel wird durch das mittige Durchgangsloch jedes Behälters in den Behälter geführt und dann durch die am Umfang vorgesehenen Durchgangslöcher zu einer Stelle außerhalb des Behälters abgelassen.
• Es wird verstanden werden, daß die vorliegende Erfindung vorhergehend rein in Form eines Beispiels beschrieben worden ist und daß Modifizierungen von Details innerhalb des durch die anliegenden Patentansprüche definierten Umfangs der Erfindung durchgeführt werden können.

Claims (12)

1. Kühlsystem für elektronische Schaltungskomponenten (1), welches Kühlersystem aufweist:

ein Substrat (2), auf dem die elektronischen Schaltungskomponenten angebracht sind;

eine Vielzahl von Behältern (9), die auf den elektronischen Schaltungskomponenten angeordnet sind, wobei jeder der Behälter eine Seitenwand und einen Grundteil einschließt;

eine Vielzahl von Düsen (8), wobei jede der Düsen wenigstens ein erstes Durchgangsloch (20) und wenigstens ein zweites Durchgangsloch (21) aufweist und in einen entsprechenden der Behälter eingesetzt ist, so daß die ersten Enden der ersten und zweiten Durchgangslöcher innerhalb des entsprechenden der Behälter angeordnet sind, während zweite Enden der ersten und zweiten Durchgangslöcher außerhalb des entsprechenden der Behälter angeordnet sind, wobei jede der Düsen eine äußere Seitenoberfläche einschließt und ein Zwischenraum zwischen der äußeren Seitenoberfläche und einem inneren Bereich der Seitenwand des entsprechenden der Behälter ausgebildet ist;

Dichtglieder (4), die jeweils den Zwischenraum zwischen dem inneren Bereich der Seitenwand eines entsprechenden der Behälter und der äußeren Seitenoberfläche einer entsprechenden der Düsen abdichten, die darin eingesetzt ist;

Mittel zum Vorspannen (10) der Behälter zu den elektronischen Schaltungskomponenten, um so die äußeren Oberflächen der Grundteile der Behälter in thermische Berührung mit den elektronischen Schaltungskomponenten zu bringen; und

Kühlmittelzuleitungsmittel (6, 13, 7, 14; 6, 11, 7) zum Zuführen von Kühlmittel in jeden der Behälter durch das erste Durchgangsloch einer entsprechenden der Düsen und zum Ablassen des Kühlmittels außerhalb jedes der Behälter durch das zweite Durchgangsloch der entsprechenden Düse.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, das weiter Abdeckmittel (12) aufweist, an denen die Düsen befestigt sind.

3. Kühlsystem nach Anspruch 2, bei dem das Kühlmittelzuleitungsmittel in den Abdeckmitteln vorgesehen ist und einschließt:

einen Kühlmitteleinlaß (6);

einen ersten Kanal (13), der den Kühlmitteleinlaß mit dem ersten Durchgangsloch (20) jeder der Düsen verbindet, um Kühlmittel vom Kühlmitteleinlaß in die Behälter zu führen;

einen Kühlmittelauslaß (7); und

einen zweiten Kanal (14), der den Kühlmittelauslaß mit dem zweiten Durchgangsloch jeder der Düsen verbindet, um das Kühlmittel in den Behältern aus dem Kühlmittelauslaß abzulassen.

4. Kühlsystem nach Anspruch 2, bei dem das Kühlmittelzuleitungsmittel in den Abdeckmitteln vorgesehen ist und einschließt:

eine Vielzahl von Kanälen (11), von denen jeder das zweite Durchgangsloch einer der Düsen mit dem ersten Durchgangsloch einer anderen der Düsen, die der einen der Düsen folgt, verbindet;

einen Kühlmitteleinlaß (6) zum Zuführen von Kühlmittel in das erste Durchgangsloch der ersten der Düsen; und einen Kühlmittelauslaß (7) zum Ablassen von Kühlmittel, das aus dem zweiten Durchgangsloch der letzten Düse ausströmt.

5. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem jede der elektronischen Schaltungskomponenten einen Komponentenhauptteil und ein elastisches Glied (3) von hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, das auf dem Komponentenhauptteil angeordnet ist.

6. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Behälter obere Enden (19A) einschließen und bei dem die Vorspannungsmittel aus Federn (10) bestehen, die zwischen den Abdeckmitteln und den oberen Enden der Behälter angeordnet sind.

7. Kühlsystem nach Anspruch 6, bei dem jede der Federn aus einem Rahmenbereich (10A) und einem Flossenbereich (10B) besteht, der sich radial nach außen und nach unten vom Rahmenteil erstreckt.

8. Kühlsystem nach Anspruch 2 oder 4, bei dem ein Flansch (98) um den Boden jeder der Behälter und senkrecht zur Seitenwand derselben gebildet ist; und die Vorspannungsmittel aus Schraubenfedern (10) bestehen, die jeweils zwischen den Abdeckmitteln und dem Flansch angeordnet sind.

9. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem jede der Düsen aufweist:

einen Mittelbereich (11), der zylindrisch geformt ist; erste und zweite Endbereiche (18A, 18B), die zylindrisch geformt sind und deren äußere Durchmesser kleiner sind als derjenige des Mittelbereichs;

einen ersten sich verjüngenden Bereich (19A), der zum ersten Endbereich vom Mittelbereich ausgebildet ist; und einen zweiten sich verjüngenden Bereich (19B), der zum zweiten Endbereich vom Mittelbereich ausgebildet ist.

10. Kühlsystem nach Anspruch 9, bei dem das erste Durchgangsloch (20) vom ersten Endbereich zum zweiten Endbereich durchdringt und das zweite Durchgangsloch (21) vom ersten sich verjüngenden Bereich zum zweiten sich verjüngenden Bereich durchdringt.

11. Kühlsystem nach Anspruch 10, bei dem der Durchmesser jeder der Behälter ein wenig größer ist als der Außendurchmesser des Mittelbereiches jeder der Düsen;

wobei jede der Düsen eine Nut (15) aufweist, die sich um den Mittelbereich herum erstreckt; und

wobei jedes der Dichtglieder (4) aus einem O-Ring besteht und in der Nut angeordnet ist.

12. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die elektronischen Schaltungskomponenten (1) integrierte Schaltungschips sind.