DE69321501T2

DE69321501T2 - Kühlvorrichtung für Bauteile mit elektronischen Schaltungen

Info

Publication number: DE69321501T2
Application number: DE69321501T
Authority: DE
Inventors: Minoru C/O Nec Corporation Tokyo Yoshikawa
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-02-10
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2013-01-30
Also published as: CA2088747C; CA2088747A1; DE69321501D1; EP0560478A1; EP0560478B1; US5491363A

Description

Hintergrund der Erfindung:

Gebiet der Erfindung:

Diese Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, die für eine Baugruppe mit elektronischen Schaltungen geeignet ist, wie eine Baugruppe mit integrierten Schaltungen, und speziell eine Kühlvorrichtung, die zur Zwangskühlung einer Baugruppe mit elektronischen Schaltungen mittels eines Kühlmediums benutzt wird.

Beschreibung des Standes der Technik:

Das Eintauchstrahlkühlverfahren ist ein Weg der Kühlung eines integrierten Schaltungs-Chips, der auf einer Schaltungsplatine wie einer gedruckten Schaltungsplatine montiert ist und eine große Menge von Wärme erzeugt. Bei dem Eintauchstrahlkühlverfahren wird der Chip gekühlt durch das Sprühen von Kühlmedium aus einer Düse direkt auf einen integrierten Schaltungs-Chip, der in eine elektrisch isolierende Flüssigkeit eingetaucht ist, oder auf einen Wärmeableiter, der mit der wärmeabstrahlenden Fläche des integrierten Schaltungs- Chips verbunden ist.

In den beigefügten Zeichnungen ist

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, die einen bekannten integrierten Schaltungs-Chip darstellt, an dem ein Wärmeableiter befestigt ist;
Fig. 2 eine Schnittansicht, die eine Anwendung des Eintauchstrahlkühlverfahrens an dem in Fig. 1 dargestellten integrierten Schaltungs-Chip, zeigt.
Fig. 1 zeigt einen integrierten Schaltungs-Chip 201, an den ein Wärmeableiter 221 befestigt ist. Eine Mehrzahl von Rippen 210 ist an dem Wärmeableiter 221 ausgebildet, die sich senkrecht nach oben erstrecken. Hier ist der Abstand der Rippen 210 fest. Die Oberfläche der Rippen 210 ist in der Weise behandelt, daß sie eine glatte Fläche oder eine ziemlich rauhe Fläche darstellt. Der Wärmeableiter 221 ist an die wärmestrahlende Fläche des integrierten Schaltungs-Chips 201 mittels eines wärmeleitenden Bond- oder Verbindungselements 202 befestigt. Das wärmeleitende Verbindungselement 202 kann, beispielweise, Lot oder ein Harzbindemittel mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sein.
Die Anwendung des Eintauchstrahlkühlverfahrens an einem integrierten Schaltungs-Chip 201, an dem ein Wärmeableiter 221 auf diese Weise befestigt ist, wird in der folgenden Weise durchgeführt. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist einer oder eine Mehrzahl von integrierten Schaltungs-Chips 201 auf einer Schaltungsplatine 206 angeordnet. Eine Leitung 205 ist der Schaltungsplatine 206 gegenüberliegend vorgesehen. Ein Kühlmedium fließt in dem Inneren der Leitung 205, und Düsen 209 sind an der der Schaltungsplatine 206 gegenüberliegenden Seite der Leitung 205 zum Sprühen des Kühlmediums durch sie vorgesehen. Die Düsen 209 sind an Stellen entsprechend den integrierten Schaltungs-Chips 201 angeordnet.
Ein oberer Endabschnitt des Wärmeableiters 221, d. h. ein Endabschnitt des Wärmeableiters 221 nahe der Leitung 205, ist zwischen benachbarten Rippen 210 offen. Folglich passiert von den Düsen 209 abgesprühtes Kühlmedium die Zwischenräume zwischen den Rippen 210 und erreicht das Innere der Zwischenräume auf solch eine Weise, daß es auf die Abschnitte der Wärmeableiter 221 trifft, die den zentralen Abschnitten der integrierten Schaltungs-Chips 201 entsprechen. Das Kühlmedium fließt dann aus den Seitenabschnitten der Rippen 210 oder den oberen Enden der Wärmeableiter 221 heraus. Eine elektrisch isolierende Flüssigkeit mit einem niedrigen Siedepunkt wird normalerweise als das Kühlmedium benutzt. Vorliegend stellt die Flüssigkeit mit einem niedrigen Siedepunkt eine Flüssigkeit dar, die einen niedrigeren Siedepunkt als die Oberflächentemperatur der Baugruppe mit den elektronischen Schaltungen während des Betriebs hat. Da als Kühlmedium eine Flüssigkeit mit einem niedrigen Siedepunkt benutzt wird, wird ein Teil des Kühlmediums, der mit den Rippen 210 oder den Wärmeableitern 221 in Kontakt gekommen ist, sieden und verdampfen, und durch die Verdampfungswärme wird wirksam eine Kühlung erzielt.
In der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung fließt, da die Rippen 210 vorgesehen sind, das von den Düsen 209 abgesprühte Kühlmedium wie durch die Pfeilmarkierungen in Fig. 2 angedeutet und kann an den Stellen, die den zentralen Abschnitten der integrierten Schaltungs-Chips 201 entsprechen, auf den Oberflächen der Rippen 210 als eine Folge des Siedens entstandene Luftblasen entfernen. Jedoch ist in den äußeren Abschnitten der integrierten Schaltungs-Chips 210 der Fluß des Kühlmediums durch die Rippen 210 behindert, die an den zentralen Abschnitten vorgesehen sind, und die Wirksamkeit der Kühlung oder die Kühlrate kann im Vergleich mit den zentralen Abschnitten nicht erhöht werden. Folglich wird sich die Oberflächentemperatur von jedem integrierten Schaltungs- Chip 201 zwischen dem zentralen Abschnitt und dem äußeren Abschnitt des Chips ändern, und insgesamt wird nicht immer ein ausreichendes Kühlergebnis erreicht werden.
Die notwendige Menge an Kühlmedium steigt proportional mit dem Leistungsverbrauch des integrierten Schaltungs-Chips. Daher muß, wenn die Menge der Wärmeerzeugung pro Flächeneinheit auf einer Schaltungsplatine ansteigt, auf welcher ein integrierter Schaltungs-Chip angeordnet ist, die Kapazität der Kühlmediumsversorgungseinrichtung und/oder die Größe des Leitungssystems für das Kühlmediums vergrößert werden, und ebenso muß die Menge des Kühlmediums selbst vergrößert werden.
Das an Cray erteilte US-Patent Nr. 4 590 538 offenbart eine Technik, durch welche eine Mehrzahl von Stapeln von Schaltungsmodulen in einem generell radialen Muster angeordnet sind, um eine Säulenansammlung zu bilden, und die Ansammlung ist in einem Behälter angeordnet, um die Schaltungsmodule durch ein Kühlmedium zu kühlen. Gemäß dem Verfahren nach Cray wird das Kühlmedium entlang einer zentralen Achse der Säule zugeführt, um so in radialen Richtungen Kühlmediumströme zu bilden, die eine Zwangskühlung der Schaltungsmodule erzielen.
Wenn ein elektronisches Schaltungsmodul durch eines der oben beschriebenen Verfahren gekühlt wird, sind die Schaltungsplatine und die integrierten Schaltungs-Chips oder Chips und die Wärmeableiter auf der Schaltungsplatine alle in das Kühlmedium eingetaucht.
Folglich ist die Wirksamkeit der Kühlung nicht hoch. Und wenn die Schaltungsplatine oder der integrierte Schaltungs-Chip oder die Chips ausgetauscht werden müssen, sind die Demontage- und Montagearbeiten kompliziert.
Das IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 32, Nr. 8a (Januar 1990), Armonk, New York, US, Seiten 168-170; "Gepufferte Eintauchkühlung mit einem Faltenbalg, der eine Trennung zwischen Chip und dem Systemkühlmedium und Druck vorsieht"; offenbart eine Kühlvorrichtung, die radiale Rippen, innere und äußere axiale Rippen und einen metallischen Balg enthält. Die axialen Rippen ragen aus einem Kreisrohr hervor, das an der Basis des Balgs befestigt ist, wobei das Ringrohr radial beabstandete Durchgangslöcher aufweist, die entlang seiner axialen Länge angeordnet sind. Die Vorrichtung ermöglicht es, das Kühlmedium in enge Nähe an die elektronischen Chips zu bringen, jedoch ohne den Druck des Kühlmediums als eine übermäßige Last auf den Chip zu übertragen.

Zusammenfassung der Erfindung:

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung zu schaffen, welche besser hinsichtlich der Kühlwirksamkeit und der Kühlfähigkeit ist und welche die gesamte Baugruppe elektronischer Schaltungen gleichmäßig kühlen kann.
Nach einem Aspekt sieht die Erfindung eine Kühlvorrichtung zum Zwangskühlen eines elektronischen Bauteils vor, die eine primäre Wärmeübertragungsoberfläche, zu der während des Betriebs in dem elektronischen Bauteil erzeugte Wärme gelangt, eine aus dieser Oberfläche hervorragende Rippe, die eine se kundäre Wärmeübertragungsoberfläche bildet, und Mittel zum Richten eines Stroms von Kühlmedium zum Abführen von Wärme von der primären Wärmeübertragungsoberfläche aufweist, wobei die Rippe mit Öffnungen versehen ist, um dem Kühlmedium zu erlauben, durch die Rippe zu strömen, und die Rippe ein röhrenförmiges Rippenelement aufweist;
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um das Kühlmedium zu zwingen, nur durch die Öffnungen zu strömen, wobei die Öffnungen über die Oberfläche des röhrenförmigen Rippenelements verteilt sind, um stabile Kernbildungsstellen zum Verdampfen des Kühlmediums zu schaffen.
Die primäre Wärmeübertragungsoberfläche kann an einem Element vorgesehen sein, das zum Befestigen an dem elektronischen Bauteil geeignet ist.
Vorzugsweise ist das Kühlmedium zum Auftreffen auf die primäre Wärmeübertragungsoberfläche und/oder zum Aufweisen einer Wirbelgeschwindigkeitskomponente gerichtet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Baugruppe elektronischer Schaltungen mittels eines Kühlmediums vorgesehen, die umfaßt: ein röhrenförmiges Rippenelement, das aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht und eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Durchgangsöffnungen kleinen Durchmessers aufweist; ein flaches Plattenelement, das aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht und ein Paar Oberflächen aufweist, von denen eine mit dem einen Ende des röhrenförmigen Rippenelements verbunden ist, um das eine Ende des Rippenelements zu verschließen, und von denen die andere Oberfläche geeignet ist, um an der Baugruppe elektronischer Schaltungen befestigt zu werden; ein an dem anderen Ende des röhrenförmigen Rippenelements befestigtes Deckelelement; und ein sich durch das Deckelelement erstreckendes Leitungselement, so daß sich ein Ende von diesem in der Nähe des flachen Plattenelements befindet, wobei das Kühlmedium durch das Leitungselement über das andere Ende des Leitungselements zugeführt wird, in dem die Öffnungen stabile Kernbildungsstellen zum Verdampfen des Kühlmediums bereitstellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Baugruppe elektronischer Schaltungen mittels eines Kühlmediums vorgesehen, die umfaßt: ein röhrenförmiges Rippenelement, das aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht und eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Durchgangsöffnungen kleinen Durchmessers aufweist; ein flaches Plattenelement, das aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht und ein Paar von Oberflächen aufweist, von denen eine mit einem Ende des röhrenförmigen Rippenelements verbunden ist, um ein Ende des röhrenförmigen Rippenelements zu verschließen, und die andere Oberfläche geeignet ist, um an der Baugruppe elektronischer Schaltungen befestigt zu werden; ein an dem anderen Ende des röhrenförmigen Rippenelements befestigtes und eine Öffnung in sich aufweisendes Deckelelement; ein Kühlmediumsversorgungselement, das vorgesehen ist, das Kühlmedium bereitzustellen, und so aufgebaut ist, um dem Kühlmedium ein freies Fließen durch sein Inneres zu erlauben, und ein Düsenelement, das auf dem Kühlmediumsversorgungselement befestigt ist und in die Öffnung eingesetzt ist, um das Kühlmedium in den Innenraum des röhrenförmigen Rippenelements zu sprühen, in dem die Öffnungen stabile Kernbildungsstellen zum Verdampfen des Kühlmediums bereitstellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines elektrischen Bauteils, wobei Wärme in dem Bauteil während des Betriebs erzeugt wird, und davon auf eine primäre Wärmeübertragungsoberfläche gelangt, und wobei aus dieser primären Wärmeübertragungsoberfläche eine Rippe herausragt, die eine sekundäre Wärmeübertragungsoberfläche bildet, wobei Öffnungen in der Rippe vorgesehen sind, und die Rippe ein röhrenförmiges Rippenelement aufweist, wobei das Verfahren ein Fließen von Kühlmedium zum Abziehen von Wärme von den Wärmeübertragungsoberflächen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen über die Oberfläche des röhrenförmigen Rippenelements verteilt sind und das Kühlmedium gezwungen wird, nur durch diese Öffnungen zu fließen und an stabilen Kernbildungsstellen zu sieden, die durch die Öffnungen gebildet sind.
Die obigen und andere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden, auf die beigefügten Zeichnungen bezugnehmenden Beschreibung offenbar, die Beispiele bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun ausschließlich beispielhaft unter Bezugnahme auf die verbleibenden der beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
Fig. 3 eine perspektivische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 4 eine Schnittansicht ist, die ein Benutzungsbeispiel der in Fig. 3 dargestellten Kühlvorrichtung zeigt;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, von einer Kühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 6 eine Schnittansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 7 eine Schnittansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht ist, die den Aufbau der in Fig. 7 gezeigten Kühlvorrichtung darstellt;
Fig. 9 eine Schnittansicht ist, die ein Benutzungsbeispiel der in Fig. 7 gezeigten Kühlvorrichtung zeigt; und
Fig. 10 eine Schnittansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen:

Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 beschrieben. Ein Wärmeableiter 22 ist durch eine im wesentlichen rechteckige flache Platte 3, die aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer oder Aluminium besteht, einer röhrenförmigen Rippe 4, die aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, einem oberen Deckel 7, und einer sich durch den oberen Deckel 7 erstreckenden Düse 6 gebildet. Ein Ende der röhrenförmigen Rippe 4 ist an einer Oberfläche der flachen Platte 3 befestigt, und der obere Deckel 7 ist an dem anderen Ende der röhrenförmigen Rippe 4 befestigt. Eine große Anzahl von Durchgangsöffnungen 5 kleinen Durchmessers sind gleichmäßig über die gesamte Fläche der röhrenförmigen Rippe 4 ausgebildet.
Ein integrierter Schaltungs-Chip 1 ist mit der Hauptseite nach unten an der anderen Oberfläche der flachen Platte 3 mittels eines Verbindungselements 2 befestigt. Das Verbindungselement 2 kann zum Beispiel Lot, ein glasartiges Dichtungsmittel, oder ein Harzbindungsmittel sein. Ein Harzbindungsmittel kann einen geeigneten Füller in sich enthalten, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern.
Die Düse 6 ist so an dem oberen Deckel 7 befestigt, daß der Ausgangsendabschnitt der Düse zu der flachen Platte 3 hin gerichtet werden kann. Die Eingangsseite der Düse 6 ist mit einer Verbindungsleitung 9 mittels eines Schlauchs 8 verbunden. Die Verbindungsleitung 9 ist vorgesehen, um durch sie die Düse 6 mit Kühlmedium zu versorgen. Der Schlauch 8 ist aus einer Leitung gebildet, die aus einem Material mit einer hohen Flexibilität und einer hohen Elastizität gebildet ist, wie eine Gummileitung.
Das Verfahren zum Kühlen der integrierten Schaltungs-Chips 1 unter Benutzung der Wärmeableiter 22 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben.
Eine Mehrzahl integrierter Schaltungs-Chips 1 ist auf einer Schaltungsplatine 20 angeordnet. Selbstredend sind Verdrahtungsmuster auf der Schaltungsplatine 20 ausgebildet. Elektrische Verbindungsabschnitte zwischen der Schaltungsplatine 20 und den integrierten Schaltungs-Chips 1 sind Kontaktabschnitte 23, die durch Lötverbindungen oder Pinkopplung geschaffen werden. Ein Wärmeableiter 22 ist für jeden integrierten Schaltungs-Chip 1 vorgesehen.
Ein Kühlmediumsversorgungselement 21 ist vorgesehen, um die Wärmeableiter 22 dadurch mit Kühlmedium zu versorgen. Das Innere des Versorgungselements 21 ist hohl, so daß Kühlmedium frei dadurch fließen kann. Verbindungsleitungen 9, die für jeden einzelnen Wärmeableiter 22 vorgesehen sind, sind alle mit dem Kühlmediumversorgungselement 21 verbunden.
Eine Flüssigkeit mit einem niedrigen Siedepunkt, die chemisch stabil und elektrisch isolierend ist, wie halogenierte Kohlenwasserstoffe oder Fluorkohlenstoffe, zum Beispiel "Fluorinert", hergestellt durch die Firma 3M, wird als das Kühlmedium verwendet. Das in das Innere des Kühlmediumversorgungselements 21 gelieferte Kühlmedium strömt in der durch die Pfeile in Fig. 4 angezeigten Richtung vorwärts und wird in jeden der Wärmeableiter 22 durch die entsprechenden Verbindungsleitungen 9 und Schläuche 8 geliefert. Das Kühlmedium wird von der Düse 6 jedes Wärmeableiters 22 zu der flachen Platte 3 hin abgesprüht. Im Ergebnis leitet das Kühlmedium Wärme von dem integrierten Schaltungs-Chips 1 ab und fließt ab auf die Außenseite der Wärmeableiter 22 durch die Durchgangsöffnungen 5 in den Seitenwänden der röhrenförmigen Rippe 4. Hier kann, da die röhrenförmigen Rippen 4 ein zylindrisches Profil haben, das Kühlmedium die gesamte wärmeübertragende Oberfläche der röhrenförmigen Rippe 4 berühren.
Da das Kühlmedium einen niedrigen Siedepunkt hat und die Wärme durch seine eigene Verdampfung ableitet, hat bei dem Kühlen des integrierten Schaltungs-Chips 1 unter Benutzung des Wärmeableiters 22 der Grad, bei dem das die röhrenförmigen Rippe 4 berührende Kühlmedium siedet und Wärme von der röhrenförmigen Rippe 4 ableitet, signifikanten Einfluß auf die Wirksamkeit der Kühlung des gesamten Systems. Diese Art der Kühlung basiert auf Kernsieden. Wenn die Temperatur einer röhrenförmigen Rippe 4 eine bestimmte Temperatur überschreitet (Ausbrennpunkt), die sich abhängig von der Art des Kühlmediums ändert, wechselt die Art des Siedens von Kernsieden auf Filmsieden. In dem Filmsiedeabschnitt tritt ein Dampffilm zwischen der röhrenförmigen Rippe 4 und dem Kühlmedium auf, der eine bemerkenswerte Verminderung hinsichtlich der Wärmemenge bewirkt, die von der röhrenförmigen Rippe 4 in Form von Verdampfungswärme abgeleitet wird. Um das Auftreten von Filmsieden zu vermeiden, ist es nötig, kleine Luftblasen, die in der Anfangsstufe des Siedens entstehen, schnell von der wärmeleitenden Oberfläche der röhrenförmigen Rippe 4 zu entfernen. Dazu ist es zweckmäßig, eine große Anzahl stabiler Blasenerzeugungspunkte vorzusehen. Bei dem Wärmeableiter 22 der vorliegenden Ausführungsform sind, da die Durchgangsöffnungen 5 auf der Oberfläche der röhrenförmigen Rippe 4 als stabile Blasenpunkte dienen, eine große Anzahl stabiler Blasenerzeugungspunkte beteiligt.
Indessen fließt, da der obere Deckel 7 an der Oberseite der röhrenförmigen Rippe 4 vorhanden ist, das mit der flachen Platte 3 zusammenstoßende Kühlmedium nicht aus der Oberseite der röhrenförmigen Rippe 4 aus, sondern wird durch die Durchgangsöffnungen 5 herausgezwängt. Kleine Blasen, die wie oben beschrieben an den Durchgangsöffnungen 5 erzeugt wurden, werden schnell aus dem Wärmeableiter 22 zusammen mit den Blasen abgeführt. Dementsprechend ist das Wachstum der Blasen unterdrückt und der Wechsel von Kernsieden zu Filmsieden wird verhindert. Ferner ist, da das Kühlmedium durch die Durchgangsöffnungen 5 gezwängt wird, die gesamte Wärmeübertragungsfläche des Wärmeableiters 22 wesentlich vergrößert.
Da die Verbindung zwischen jeder Verbindungsleitung 9, die mit dem Versorgungselement 21 und der Düse 6 des entsprechenden Wärmeableiters 22 verbunden ist, durch den Schlauch 8 hergestellt ist, kann die Düse 6 entsprechend zu einem zentralen Abschnitt des integrierten Schaltungs-Chips 1 angeordnet werden, ohne Berücksichtigung der Anordnung oder der Größe der integrierten Schaltungs-Chips 1 auf der Schaltungsplatine 20. Folglich besteht, wenn eine Mehrzahl von integrierten Schaltungs-Chips beteiligt ist, ein gewisser Freiheitsgrad bei der Anbindung der Kühlvorrichtung an die integrierten Schaltungs-Chips. Der Einfluß von Fehlern bei der Plazierung der integrierten Schaltungs-Chips ist vermindert und die Montagearbeit kann vereinfacht werden. Ebenso kann die Belastung gemäßigt werden, die aufgrund der Wärmedehnung der integrierten Schaltungs-Chips durch die Wärmeerzeugung entsteht.
Während die erste Ausführungsform oben beschrieben ist, können verschiedene Änderungen hinsichtlich der Form und der Gestaltung der Düsen gemacht werden. Fig. 5 zeigt den Aufbau eines Wärmeableiters gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 5 sind gleichartige Elemente durch dieselben Bezugsziffern bezeichnet, die in den Fig. 3 und 4 benutzt wurden.
Bei dem vorliegenden Wärmeableiter 24 ist eine Spiralnut 12 an der inneren Oberfläche der Düse 11 ausgebildet. Folglich wird, wenn das Kühlmedium durch die Düse 11 fließt, dem Kühlmedium eine Wirbelbewegung mitgegeben. Das Kühlmedium stößt auf die flache Platte 3, während es spiralartig wirbelt. Die Wirkung der Wirbelbewegung addiert sich zu der Wirkung des Kontakts zwischen der röhrenförmigen Rippe 4 und dem Kühlmedium, und die Wirksamkeit der Wärmeübertragung von der röhrenförmigen Rippe 4 auf das Kühlmedium wird weiter verbessert.
Fig. 6 zeigt den Aufbau des Wärmeableiters gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 6 sind gleichartige Elemente durch dieselben Bezugsziffern bezeichnet, die in den Fig. 3 und 4 benutzt wurden.
Bei dem vorliegenden Wärmeableiter 25 wird ein gebogenes Rohr als die Düse 14 verwendet. Der Ausgangsendabschnitt der Düse 14 nahe dem Wärmeableiter 25 ist schräg in Bezug auf die innere Wand der röhrenförmigen Rippe 4 gerichtet. Entsprechend stößt von der Düse 14 abgesprühtes Kühlmedium auf die flache Platte 3, während es entlang der inneren Fläche der röhrenförmigen Rippe 4 wirbelt. Im Ergebnis wird die Wirksamkeit der Wärmeübertragung von der röhrenförmigen Rippe 4 auf das Kühlmedium weiter verbessert, ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform.
Als nächstes wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 7, 8 und 9 beschrieben. Der Wärmeableiter 50 wird gebildet aus einer kreisförmigen flachen Platte 53, die aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer oder Aluminium besteht, einer röhrenförmigen Rippe 54, die entsprechend aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, und einem oberen Deckel 66, der eine Öffnung 63 in einem zentralen Abschnitt von sich aufweist. Ein Ende der Rippe 54 ist an einer der Oberflächen der flachen Platte 53 befestigt, und der obere Deckel 66 ist an das andere Ende der röhrenförmigen Rippe 54 angebracht. Eine große Anzahl von Durchgangsöffnungen 55 kleinen Durchmessers sind gleichmäßig über die gesamte Fläche der röhrenförmigen Rippe 54 ausgebildet.
Ein integrierter Schaltungs-Chip 51 ist mit der Hauptseite nach unten an die andere Oberfläche der flachen Platte 53 mittels eines Verbindungselements 52 befestigt. Genauer gesagt ist die wärmeabstrahlende Oberfläche des integrierten Schaltungs-Chips 51 zu der flachen Platte 53 gerichtet. Das Verbindungselement 52 kann zum Beispiel Lot, ein glasartiges Dichtungsmittel oder ein Harzbindemittel sein. Ein Harzbindemittel kann einen geeigneten Füller zum Verbessern der Wärmeleitfähigkeit enthalten. Der integrierte Schaltungs-Chip 51 ist auf der Schaltungsplatine 70 mittels Kontaktmitteln 71 befestigt, die aus Lötverbindungen oder Pinverbindungen gebildet sind. Verdrahtungsmuster (nicht dargestellt) sind auf der Schaltungsplatine 70 ausgebildet.
Eine kalte Platte 62, die aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit besteht, ist der Schaltungsplatine 70 gegenüberliegend vorgesehen. Die kalte Platte 62 ist vorgesehen, um das Kühlmedium zu dem Wärmeableiter 50 zu liefern und das aus dem Wärmeableiter 50 ausfließende Kühlmedium wiederaufzunehmen. Durchlässe 69, durch die das Kühlmedium zirkuliert, sind in dem Inneren der kalten Platte 62 ausgebildet. Eingangsanschlüsse 57 und Ausgangsanschlüsse 58 sind an der der Schaltungsplatine 70 benachbarten Oberfläche der kalten Platte 62 ausgebildet und sind mit den Durchlässen 69 verbunden. Eine Düse 56 ist mit jedem der Eingangsanschlüsse 57 verbunden und erstreckt sich in das Innere des Wärmeableiters 50 durch die Öffnung 63 in dem oberen Deckel 66. Das Ende der Düse 56 ist der flachen Platte 53 gegenüberliegend angeordnet.
Zylindrische Wände 61 sind an der kalten Platte 62 befestigt, um jede röhrenförmige Rippe 54 zu umgeben. Eine dünne Blattfeder 59 ist am Ende der Wand 61 befestigt, und die Wand 61 und die flache Platte 53 sind daher durch die dünne Blattfeder 59 verbunden. Jede dünne Blattfeder 59 ist in der Form einer Scheibe mit einer kreisförmigen Öffnung. Der Durchmesser der kreisförmigen Öffnung ist kleiner als der Durchmesser der flachen Platte 53, und der Durchmesser der dünnen Blattfeder 59 ist größer als der innere Durchmesser der zylindrischen Wand 61. Dementsprechend ist ein Kühlbad 60 gebildet, das im wesentlichen durch den Körper der kalten Platte 62, die Wände 61, die dünne Blattfeder 59 und die flache Platte 53 eingeschlossen ist. Ein Ausgangsanschluß 58 ist an dem Inneren des Kühlbads 60 angeordnet. Der Eingang und der Ausgang des Kühlbads 60 wird durch den Eingangsanschluß 57 bzw. den Ausgangsanschluß 58 geschaffen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine kalte Platte normalerweise benutzt, um eine Mehrzahl integrierter Schaltungs-Chips 51 zu kühlen, und eine Reihe von miteinander verbundenen Wärmeableitern 50 ist für eine Anzahl verschiedener integrierter Schaltungs-Chips vorgesehen. Zu diesem Zweck ist der Durchlaß 69, der mit einem der Eingangsanschlüsse 57 verbunden ist, mit einem Kühlungsbad auf der stromaufwärtigen Seite verbunden. Entsprechend ist der Durchlaß 69, der mit dem Ausgangsanschluß 58 verbunden ist, mit dem stromabwärts gelegenen Eingangsanschluß eines Kühlungsbads auf der stromabwärts gelegenen Seite verbunden.
Die Einzelheiten der flachen Platte 53, einschließlich der dünnen Blattfeder 59 und der röhrenförmigen Rippe 54 sind in Fig. 8 dargestellt. Die dünne Blattfeder 59 ist in der Form eines scheibenartigen Rings wie oben beschrieben und im Querschnitt weist der Ring einen mittleren gebogenen Abschnitt zwischen der Innenseite und der Außenseite des Rings auf. Der innere Umfang des Rings berührt die flache Platte 53, an der die röhrenförmige Rippe 54 befestigt ist, und der äußere Umfang des Rings berührt die zylindrische Wand 61.
Der Kreislauf des Kühlmediums bei der vorliegenden Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben. Eine Flüssigkeit wie Fluorkohlenstoff, die einen niedrigen Siedepunkt hat und chemisch stabil und elektrisch isolierend ist, wird als das Kühlmedium verwendet, ähnlich wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen. In Fig. 9 ist dargestellt, daß eine Mehrzahl von integrierten Schal tungs-Chips 51 geradlinig auf einer Schaltungsplatine 70 angeordnet ist und ein Wärmeableiter 50 für jeden der integrierten Schaltungs-Chips 51 vorgesehen ist. Kühlungsbäder 60, die jeweils den integrierten Schaltungs-Chips 51 entsprechen, sind unter Bezug auf die Strömung des Kühlmediums in Reihe miteinander verbunden.
Das Kühlmedium fließt vorwärts in der durch die Pfeile in Fig. 9 angezeigten Richtung. Das Kühlmedium fließt von dem Eingangsanschluß 57 durch die Düse 56 und wird in den Wärmeableiter 50 gesprüht, der dem integrierten Schaltungs-Chip 51 entspricht, der in der Fig. 9 ganz rechts angeordnet ist. Das versprühte Kühlmedium trifft auf die flache Platte 53 und fließt dann aus durch die Durchgangsöffnungen 55, die in der röhrenförmigen Rippe 54 gebildet sind, in den Raum auf der Außenseite des Wärmeableiters 50 innerhalb des Kühlungsbads 60. Das Kühlmedium fließt dann durch den Ausgangsanschluß 58 und fließt über den Durchlaß 69 zu dem Eingangsanschluß des nächsten Kühlungsbads, das dem benachbarten integrierten Schaltungs-Chip 51 entspricht, (der zweite integrierte Schaltungs-Chip von rechts in Fig. 9). Das Kühlmedium fließt durch das Kühlungsbad, das dem zweiten integrierten Schaltungs-Chip 51 entspricht, und fließt zu dem Eingangsanschluß, der dem nächsten benachbarten integrierten Schaltungs-Chip 51 entspricht, d. h. zu dem dritten von rechts in Fig. 9. Danach fließt das Kühlmedium nacheinander durch die Kühlungsbäder auf der stromabwärts gelegenen Seite.
Bei der vorliegenden Ausführungsform fließt, da der obere Deckel 66 auf der röhrenförmigen Rippe 54 befestigt ist und die Düse 56 durch die Öffnung 63, die in dem oberen Deckel 66 ausgebildet ist, eingeführt ist, das von der Düse 56 gesprüh te Kühlmedium nach dem Zusammentreffen mit der flachen Platte 53 in den Außenraum des Wärmeableiters 50 durch die große Anzahl von Durchgangsöffnungen 55 kleinen Durchmessers aus, die in der röhrenförmigen Rippe 54 ausgebildet sind. Dementsprechend ist der Übergang von Kernsieden zu Filmsieden unterdrückt und der integrierte Schaltungs-Chip 51 kann wirksam gekühlt werden, ähnlich wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen.
Da die dünne Blattfeder 59 ein flexibles Element ist, daß einen gekrümmten Abschnitt, d. h. einen konvexen Abschnitt oder einen konkaven Abschnitt an einem zentralen Abschnitt des den Ring bildenden Bandes aufweist, kann bei dem Montieren an einer Schaltungsplatine 70 eine Differenz in der Höhe und der Neigung der integrierten Schaltungs-Chips 51 aufgenommen werden. Dies macht es möglich, mit Sicherheit die gesamte wärmeabstrahlende Oberfläche des integrierten Schaltungs-Chips 51 mit der flachen Platte 53 zu verbinden. Die dünne Blattfeder 59 dient ebenso zum Verringern der Belastung, die durch Wärmedehnung des integrierten Schaltungs-Chips 51 aufgrund der Wärmeerzeugung hervorgerufen wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die flache Platte 53 und die Wand 61 durch die dünne Blattfeder 59 miteinander verbunden, und das Kühlmedium befindet sich in dem Kühlungsbad 60. Weder die integrierten Schaltungs-Chips 51 noch die Schaltungsplatine 70 kommen in Berührung mit dem Kühlmedium und dementsprechend werden Wartungsmaßnahmen vereinfacht. Wenn die Verbindung zwischen der dünnen Blattfeder 59 und der flachen Platte 53 oder die Verbindung zwischen der dünnen Blattfeder 59 und der Wand 61 unterbrochen ist, kann der Abschnitt, der mit dem isolierenden Kühlmedium gefüllt ist (ein Abschnitt des Kühlungsbades), und der integrierte Schaltungs- Chip einfach getrennt werden. Ferner kann die Verbindung zwischen dem Kühlungsbadabschnitt und dem integrierten Schaltungs-Chip leicht wiederhergestellt werden durch das Aufbringen von Druck, um durch die dünne Blattfeder 59 eine Berührung zu bewirken. Dementsprechend ist das Zusammenbauen oder Auseinanderbauen bei der Montage eines integrierten Schaltungs-Chip vereinfacht, und ein Austausch einer Schaltungsplatine oder eines integrierten Schaltungs-Chips kann einfach durchgeführt werden.
Da das Kühlungsbad 60 von einer gekühlten zylindrischen Wand 61 umgeben ist, können Blasen, die als ein Ergebnis des Kontakts zwischen dem Kühlmedium und der röhrenförmigen Rippe 54 entstehen, leicht gekühlt werden, und die Blasen in dem Kühlmedium können verflüssigt und schnell beseitigt werden. Im Ergebnis wird die Wärmeaustauschrate vergrößert und die Wirksamkeit der Kühlung erhöht. Ferner kann der durch das Erzeugen von Blasen hervorgerufene Druckanstieg unterdrückt werden.
Eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform verwendet einen Balg 64 anstelle der dünnen Blattfeder und der zylindrischen Wand der vierten Ausführungsform. In Fig. 10 sind gleichartige Elemente durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet, die in Fig. 7 verwendet wurden.
Ein Ende des Balgs 64 ist mit der kalten Platte 62 verbunden, während das andere Ende die flache Platte 53 berührt. Der Ausgangsanschluß 58 ist an der inneren Seite des Balgs 64 an geordnet. Im Ergebnis wird das Kühlungsbad 60a von der kalten Platte 62, dem Balg 64 und der flachen Platte 53 gebildet. Das Kühlmedium fließt in einer der vierten Ausführungsform ähnlichen Weise.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Form der röhrenförmigen Rippe nicht beschränkt auf eine zylindrische Form und kann in anderer Weise eine polygonale Form, wie ein Hexagon oder ein Oktagon aufweisen. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht begrenzt auf Anwendungen zum Kühlen integrierter Schaltungs-Chips, sondern kann bei elektrischen Schaltungsmodulen jeder Art angewendet werden, zum Beispiel Leistungstransistoren, Leistungsdioden oder Widerstandsanordnungen. Daher sind die Begriffe "elektronisches Bauteil" oder "Baugruppe elektronischer Schaltungen" jeweils in der Beschreibung benutzt, und die Ansprüche schließen jedes elektronische Bauteil, Modul oder Baugruppe ein, das eine Kühlung benötigt.
Es versteht sich, daß Änderungen und Modifikationen der hier offenbarten Kühlvorrichtung für Fachleute deutlich sind. Es ist die Absicht, daß all solche Modifikationen und Änderungen innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche enthalten sind.

Claims

1. Kühlvorrichtung zum Zwangskühlen eines elektronischen Bauteils (1; 51), die eine primäre Wärmeübertragungsoberfläche (3; 53), zu der während des Betriebs in dem elektronischen Bauteil erzeugte Wärme gelangt, eine aus dieser Oberfläche hervorragenden Rippe (4; 54), die eine sekundäre Wärmeübertragungsoberfläche bildet, und Mittel zum Richten eines Stroms von Kühlmedium zum Abführen von Wärme von der primären Wärmeübertragungsfläche aufweist, wobei die Rippe (4; 54) mit Öffnungen (5; 55) versehen ist, um dem Kühlmedium zu erlauben, durch die Rippe zu strömen, und die Rippe (4; 54) ein röhrenförmiges Rippenelement (4; 54) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um das Kühlmedium zu zwingen, nur durch die Öffnungen (5; 55) zu strömen, wobei die Öffnungen (5; 55) über die Oberfläche des röhrenförmigen Rippenelements (4; 54) verteilt sind, um stabile Kernbildungsstellen zum Verdampfen des Kühlmediums zu schaffen.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, in der das röhrenförmige Rippenelement (4; 54) ein zylindrisches Profil aufweist.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in der die primäre Wärmeübertragungsoberfläche (3; 53) an einem Element (2; 52) vorgesehen ist, das zum Befestigen an dem elektronischen Bauteil (1; 51) ausgelegt ist.

4. Kühlvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, in der das Kühlmedium gerichtet ist zum Auftreffen auf der primären Wärmeübertragungsoberfläche (3; 53) und/oder zum Aufweisen einer Wirbelgeschwindigkeitskomponente.

5. Kühlvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, in der

das röhrenförmige Rippenelement (4; 54) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, wobei ein Ende des röhrenförmigen Rippenelements (4; 54) durch ein Deckelelement (7; 66) verschlossen ist;

wobei die primäre Wärmeübertragungsoberfläche ein flaches Plattenelement (3; 53), das aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht und ein Paar von Oberflächen aufweist, von denen eine mit dem anderen, von dem Deckelelement (7; 66) entfernten Ende des röhrenförmigen Rippenelements (4; 54) verbunden ist, um dieses andere Ende des röhrenförmigen Rippenelements zu verschließen, und die andere Oberfläche des flachen Plattenelements geeignet ist, um an dem elektronischen Bauteil (1; 51) befestigt zu werden; und

wobei das Kühlmedium über eine Leitung durch den Deckel (7; 66) zugeführt wird.

6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, in der das elektronische Bauteil (1; 51) an dem flachen Plattenelement (3; 53) mittels eines Bond- oder Verbindungselements (2; 52) befestigt ist, das aus einem Material mit hoher Wärmeleit fähigkeit besteht.

7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, in der ein Endabschnitt der Leitung zu dem flachen Plattenelement (3; 53) gerichtet ist.

8. Kühlvorrichtung nach Ansprüchen 5 bis 7, in der die Leitung eine Düse (6; 11; 14; 56) zum Richten eines Strahls von Kühlmedium in das Innere des röhrenförmigen Rippenelements (4; 54) aufweist.

9. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, in der eine Spiralnut (12) an der Innenfläche von zumindest dem Endabschnitt der Leitung ausgebildet ist.

10. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, in der der Endabschnitt der Leitung schräg in Bezug auf das flache Plattenelement (3) gerichtet ist.

11. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, die ferner ein Kühlmediumsversorgungselement (21; 62) aufweist, das zum Zuführen des Kühlmediums an wenigstens eines der elektronischen Bauteile vorgesehen ist und so aufgebaut ist, um dem Kühlmedium ein Zirkulieren in seinem Inneren zu erlauben, und wobei der andere Endabschnitt der Leitung mit dem Kühlmediumsversorgungselement verbunden ist.

12. Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, in der die Leitung für jede Baugruppe mit dem Kühlmediumversorgungselement mittels jeweils eines Schlauchelements (8) verbunden ist.

13. Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, die ferner aufweist:

ein äußeres Wandelement (61), das an dem Kühlmediumsversorgungselement (62) angeordnet ist und das Rippenelement (54) umgibt; und

ein elastisches Element (59), das an einem Endabschnitt des äußeren Wandelements (61) vorgesehen ist, um den Zwischenraum zwischen dem Endabschnitt des äußeren Wandelements (61) und dem flachen Plattenelement (53) im wesentlichen zu schließen;

wobei das Kühlmediumversorgungselement (62) einen Rückgewinnungsdurchlaß (69) aufweist, der darin zum Rückgewinnen des Kühlmediums ausgebildet ist, das in das Innere des äußeren Wandelements (61) übergelaufen ist.

14. Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, in der ein einzelnes Kühlmediumversorgungselement für eine Mehrzahl elektronischer Bauteile (51) vorgesehen ist und der einem der elektronischen Bauteile (51) entsprechende Rückgewinnungsdurchlaß mit zu einem benachbarten der elektronischen Bauteile (51) entsprechenden Leitung verbunden ist.

15. Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, die ferner aufweist; ein Balgelement (64), das an dem Kühlmediumversorgungselement (62) angeordnet ist und das Rippenelement (54) umgibt, wobei ein Endabschnitt des Balgelements an dem flachen Plattenelement (53) befestigt ist, um den Freiraum um das Rippenelement (54) im wesentlichen zu verschließen;

wobei das Kühlmediumversorgungselement (62) einen Rückgewinnungsdurchlaß (69) aufweist, der darin zum Rückgewinnen des Kühlmediums ausgebildet ist, das in das Innere des Balgelements übergelaufen ist.

16. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der das Kühlmedium eine elektrisch isolierende Flüssigkeit mit einem niedrigen Siedepunkt ist.

17. Verfahren zum Kühlen eines elektrischen Bauteils (1; 51), wobei Wärme in dem Bauteil während des Betriebs erzeugt wird und auf eine primäre Wärmeübertragungsoberfläche (3; 53) gelangt, und wobei aus dieser primären Wärmeübertragungsoberfläche eine Rippe herausragt (4; 54), die eine sekundäre Wärmeübertragungsoberfläche bildet, wobei Öffnungen (5; 55) in der Rippe (4; 54) vorgesehen sind, und die Rippe ein röhrenförmiges Rippenelement (4; 54) aufweist, wobei das Verfahren ein Fließen von Kühlmedium zum Abziehen von Wärme von den Wärmeübertragungsoberflächen (3; 53) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen über die Oberfläche des röhrenförmigen Rippenelements (4; 54) verteilt sind und das Kühlmedium gezwungen wird, nur durch diese Öffnungen (5; 55) zu fließen und an stabilen Kernbildungsstellen zu sieden, die durch die Öffnungen gebildet sind.