DE10041829A1 - Cooling device used in microprocessors comprises a substrate having a thermal conducting surface that forms a thermal contact with the object to be cooled and a thermal dissipating surface - Google Patents
Cooling device used in microprocessors comprises a substrate having a thermal conducting surface that forms a thermal contact with the object to be cooled and a thermal dissipating surfaceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung und insbesondere auf eine passive Kühleinrichtung zur Kühlung elektrischer und elektronischer Bauteile. Bei elektrischen und elektronischen Bauteilen, wie z. B. Mikroprozessoren, tritt eine Verlust leistung auf, die die Leistungsfähigkeit solcher Einheiten beschränkt oder verschlechtert. Wird beispielsweise die Betriebstemperatur eines Mikroprozessors von 100°C auf 0°C verringert, so kann die Taktfrequenz um mehr als 30% gesteigert werden. Abgesehen von einer Leistungssteigerung treten aufgrund von Überhitzungen Ausfälle auf. Überhitzungen solcher Bauteile reduzieren außerdem deren Lebensdauer beträchtlich. Zur Kühlung und Ableitung der Verlustwärme von elektronischen Bauteilen ist es üblich, passive und aktive Kühleinrichtungen zu verwenden, wie z. B. Kühlkörper mit Rippen und/oder Gebläse mit Motoren. Die Kühlkörper (ggf. samt Gebläse) sollen dabei ein möglichst geringes Gewicht haben, damit die Platine mechanisch nicht belastet wird, was zu Rissen von feinen Leiterbahnen führen kann. Aktive Kühleinrichtungen, wie z. B. Gebläse, haben mehrere Nachteile. So brauchen sie elektrische Energie, haben einen höheren Platzbedarf, verursachen Geräusche und verursachen relativ hohe Anschaffungs- und später auch Betriebskosten. Bei einem etwaigen Ausfall der aktiven Kühleinrichtung erwärmt sich das Bauelement (z. B. der Prozessor) schnell und unbemerkt, so daß es beschädigt oder sogar zerstört wird.The invention relates to a cooling device as well a process for their manufacture and in particular a passive cooling device for cooling electrical and electronic components. For electrical and electronic Components such as B. microprocessors, a loss occurs performance based on the performance of such units limited or worsened. For example, if Operating temperature of a microprocessor from 100 ° C 0 ° C reduced, the clock frequency can be increased by more than 30% be increased. Apart from an increase in performance failures occur due to overheating. overheating such components also reduce their lifespan considerably. For cooling and dissipating heat loss of electronic components it is common to be passive and to use active cooling devices such. B. Heatsink with fins and / or blowers with motors. The heat sink (possibly including the blower) should be as low as possible Have weight so that the board is not mechanically stressed becomes what can lead to cracks in fine conductor tracks. Active cooling devices, such as. B. blowers have several Disadvantage. So they need electrical energy, they have one require more space, cause noise and cause relatively high acquisition and later also operating costs. In the event of a failure of the active cooling device the component (e.g. the processor) heats up quickly and unnoticed so that it is damaged or even destroyed becomes.
Die DE 196 26 227 C2 beschreibt eine Kühleinrichtung, die nach dem Prinzip der "Heatpipes" arbeitet. Heatpipe-Struk turen sind Vorrichtungen, die zur Abfuhr von Wärmemengen dienen von einem Ort der Erzeugung zu einem anderen Ort. Am heißen Bereich der Anordnung verdampft eine Flüssigkeit mit hoher latenter Verdampfungswärme. Der bei der Verdampfung entstehende Druck treibt den Dampf zum kalten Teil der Anordnung. Dort kondensiert der Dampf in die flüssige Phase und gibt die transportierte Wärme wieder ab. Das flüssige Kondensat wird wieder zur Verdampfungsstelle zurückgeführt, womit ein Kreislauf geschlossen ist. Aufbau und Herstellung einer solchen Kühleinrichtung sind sehr aufwendig und kom pliziert und damit auch teuer.DE 196 26 227 C2 describes a cooling device which works on the principle of "heat pipes". Heatpipe Struk doors are devices used to dissipate heat serve from one place of production to another place. A liquid evaporates in the hot area of the arrangement with high latent heat of vaporization. The one at the evaporation The resulting pressure drives the steam to the cold part of the Arrangement. There the steam condenses into the liquid phase and releases the transported heat again. The liquid Condensate is returned to the evaporation point, which closes a cycle. Construction and manufacture such a cooling device are very complex and com complicated and therefore expensive.
Die DE 197 44 281 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Halbleiterbauelementen nach dem Wärmerohrprinzip, also ebenfalls eine Heatpipe-Struktur mit einem Gehäuse, das mehrere mit Kühlflüssigkeit gesättigte Kapillarstrukturen aufweist, deren Permeabilität, Querschnittsfläche und effek tiver Porendurchmesser so eingestellt ist, daß ein hoher Kapillardruck entsteht. Innerhalb des Gehäuses sind zusätz liche Kanäle vorgesehen, die eine größere Querschnittsfläche besitzen als die Kapillarstruktur, so daß die Kanäle einen wesentlich niedrigeren Kapillardruck als die Kapillarstruktur aufweisen. Auch hier sind Aufbau und Herstellung recht aufwendig.DE 197 44 281 A1 describes a cooling device for Cooling of semiconductor components according to the heat pipe principle, also a heat pipe structure with a housing, the multiple capillary structures saturated with coolant has whose permeability, cross-sectional area and effec tive pore diameter is set so that a high Capillary pressure arises. Inside are additional Liche channels provided that a larger cross-sectional area have as the capillary structure, so that the channels one significantly lower capillary pressure than the capillary structure exhibit. Here too, construction and manufacture are right consuming.
Die DE 196 41 731 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Kühlung von mindestens zwei Elektroden aufweisenden Lichtbogengene ratoren, von denen mindestens einer Elektrode ein poröser Kühlkörper zugeordnet ist. Der poröse Kühlkörper ist dort als Sinterkörper ausgebildet, der entweder in eine Form gepreßt und in die Anode eingesetzt oder mechanisch bear beitet wird. Innerhalb des schwammartig porösen Kühlkörpers sind feine Kanäle, innerhalb derer ein Gas strömt. Der Kühlkörper wird dort so eingesetzt, daß die anfallende Wärme dem Verbrennungsvorgang zugeführt wird, so daß die Wärmeverluste auf ein Minimum reduziert sind. Als besonders geeignetes Material für diesen Kühlkörper wird Wolfram vorgeschlagen.DE 196 41 731 A1 describes a device for cooling of at least two arc genes having electrodes rators, of which at least one electrode is a porous Heat sink is assigned. The porous heat sink is there formed as a sintered body, either in a form pressed and inserted into the anode or mechanically bear is being processed. Inside the sponge-like porous heat sink are fine channels within which a gas flows. The Heatsink is used there so that the accumulating Heat is supplied to the combustion process, so that the Heat losses are reduced to a minimum. As special A suitable material for this heat sink is tungsten proposed.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühleinrichtung zu schaffen, die die obigen Nachteile des Standes der Technik vermeidet und bei guter Kühlleistung kostengünstig herstell bar ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kühleinrichtung zu schaffen.The object of the invention is to provide a cooling device create the above disadvantages of the prior art avoids and inexpensive to manufacture with good cooling performance is cash. Another object of the invention is a method to create such a cooling device.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 bzw. 13 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved by the in claims 1 or 13 specified features solved. Advantageous Ausge Events and developments of the invention are the See subclaims.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, daß die Kühleinrichtung ein Substrat mit vorgegebener Strukturierung und mit einer im Verhältnis zu dessen Projektionsfläche großen Oberfläche ist. Auf zumindest einem Teil der Ober fläche des strukturierten Substrates ist vorzugsweise eine wärmeleitende Schicht aufgebracht ist. Die vorgegebene Strukturierung des Substrates beinhaltet vorzugsweise eine Vielzahl von Kanälen mit geeigneter Geometrie, die sich vorzugsweise durch die Dicke des Substrates hindurch er strecken, so daß die Wärmeableitungsfläche im Verhältnis zur Wärmeeinleitungsfläche stark vergrößert ist und durchaus Größenordnungen bis zum Faktor 700 und mehr annehmen kann. Die vorgegebene Strukturierung bezieht sich dabei auf Form, Größe, Anzahl und räumliche Verteilung der Kanäle, die im Gegensatz zu dem Sinterkörper des Standes der Technik eindeutig vorbestimmt und reproduzierbar ist, so daß auch alle Kühleinrichtungen der Erfindung diese reproduzierbare Kühlleistung haben.The basic principle of the invention is that the Cooling device a substrate with a predetermined structuring and with one in relation to its projection surface large surface area. On at least part of the waiters The surface of the structured substrate is preferably one thermally conductive layer is applied. The default Structuring of the substrate preferably includes one Variety of channels with appropriate geometry that can be preferably through the thickness of the substrate stretch so that the heat dissipation area in proportion to the heat input area is greatly enlarged and quite Can take orders of magnitude up to a factor of 700 and more. The specified structuring relates to form, Size, number and spatial distribution of the channels that in contrast to the sintered body of the prior art is clearly predetermined and reproducible, so that too all cooling devices of the invention this reproducible Have cooling capacity.
Das Herstellungsverfahren umfaßt den Schritt:
definiertes Strukturieren eines Substrates, vorzugsweise
mit Kanälen, deren Form, Größe, Anzahl und räumliche Ver
teilung eindeutig festgelegt ist,
und nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
den Schritt:
Aufbringen einer wärmeleitenden Schicht auf mindestens
einen Teil der Oberfläche des strukturierten Substrates.The manufacturing process includes the step:
defined structuring of a substrate, preferably with channels, the shape, size, number and spatial distribution of which is clearly defined,
and according to an advantageous development of the invention, the step:
Applying a heat-conducting layer to at least part of the surface of the structured substrate.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Substrat aus Silizium oder ähnlichem Material. Das Struk turieren des Substrates erfolgt mit Ätzverfahren, wie sie innerhalb der Halbleiterindustrie bekannt sind. Die Struk turierung und insbesondere die Ausbildung von Kanälen erfolgt in genau definierter Weise, indem beispielsweise Anzahl, Abmessungen, Geometrie und räumliche Anordnung bzw. räumliche Verteilung der Kanäle vorgegeben werden. Durch Wahl dieser Parameter kann ein Verhältnis von Wärmeableitungsfläche zu Wärmeeinleitungsfläche von 400 bis 700 und mehr erreicht werden, d. h. bei einer Fläche von 1 cm2 einer Wärmequelle (Wärmeeinleitungsfläche) steht für die Abstrahlung der Wärme eine Fläche von 400 bis 700 cm2 und mehr zur Verfügung. Dadurch kann eine sehr große Wärmemenge sehr einfach von einer Wärmequelle abgeführt werden.In one embodiment of the invention, the substrate is made of silicon or similar material. The structuring of the substrate is carried out using etching processes as are known within the semiconductor industry. The structuring and in particular the formation of channels takes place in a precisely defined manner, for example by specifying the number, dimensions, geometry and spatial arrangement or spatial distribution of the channels. By choosing these parameters, a ratio of the heat dissipation area to the heat introduction area of 400 to 700 and more can be achieved, i.e. for an area of 1 cm 2 of a heat source (heat introduction area) there is an area of 400 to 700 cm 2 and more for the radiation of the heat available. This allows a very large amount of heat to be dissipated very easily from a heat source.
Die wärmeleitende Schicht ist aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Silber, Kupfer, Aluminium oder dergleichen. Diese Schicht ist im Verhältnis zur Dicke des Substrates dünn und vorzugsweise liegt das Verhältnis unter 50%.The thermally conductive layer is made of material with high Thermal conductivity, such as B. silver, copper, aluminum or similar. This layer is in relation to the thickness of the substrate is thin and preferably the ratio is less than 50%.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist auch die Wärmeein leitungsfläche strukturiert und zwar vorzugsweise in Form von parallel zu dieser Fläche laufenden Kanälen, die mit den sich durch die Dicke des Substrates erstreckenden Kanälen in Strömungsverbindung stehen können. Damit entsteht für den Wärmeabtransport eine Strömung eines umgebenden Kühl mediums, wie z. B. Luft oder auch andere Gase oder Flüssig keiten, was den Wärmetransport verbessert.According to one embodiment of the invention, the heat is also on structured surface, preferably in the form of channels running parallel to this surface, which with the channels extending through the thickness of the substrate can be in flow connection. This creates for heat dissipation is a flow of a surrounding cooling mediums such as B. air or other gases or liquids What improves heat transport.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:In the following the invention is based on exemplary embodiments play in more detail in connection with the drawing explained. It shows:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Kühleinrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin dung; Figure 1 is a perspective view of a cooling device according to a first embodiment of the inven tion.
Fig. 2a bis 2f einen Querschnitt der Kühleinrichtung der Fig. 1 mit verschiedenen Varianten der wärmeleitfähigen Schicht; und FIG. 2a to 2f is a cross section of the cooling device of Figure 1 with different variants of the heat conductive layer. and
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht ähnlich Fig. 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 3 is a perspective view similar to Fig. 1 according to a second embodiment of the invention.
Fig. 4a und 4b eine perspektivische Ansicht ähnlich Fig. 3 mit vertikalen Kanälen mit unterschiedlichem Quer schnitt. Fig. 4a and 4b is a perspective view similar to Fig. 3 with vertical channels with different cross-section.
In Fig. 1 ist ein Substrat 1 zu erkennen, das eine Vielzahl von Kanälen 2 aufweist, die sich durch die Dicke des Sub strates 1 hindurch erstrecken. Das Substrat ist hier ein quaderförmiger Körper, dessen eine Fläche eine Schicht 3 aus wärmeleitfähigem Material aufweist. Diese Fläche sei im folgenden als Wärmeeinleitungsfläche bezeichnet. In Fig. 1, a substrate 1 can be seen, which has a plurality of channels 2 , which strate through the thickness of the sub strate 1 extend through. The substrate here is a cuboid body, one surface of which has a layer 3 of thermally conductive material. This area is referred to below as the heat introduction area.
Sie steht in unmittelbarem Kontakt mit einem zu kühlenden Gegenstand 6, der beispielsweise ein Mikroprozessor, ein Chip, ein sonstiges elektronisches oder elektrisches Bau element oder aber auch ein sonstiger zu kühlender Körper sein kann.It is in direct contact with an object 6 to be cooled, which can be, for example, a microprocessor, a chip, another electronic or electrical construction element or else another body to be cooled.
Das Substrat 1 besteht beispielsweise aus Silizium oder einem ähnlichen Material. Das Strukturieren des Substrates, hier also das Fertigen der Kanäle 2 erfolgt mit Hilfe geeig neter Lithographie- und Ätzverfahren, wie sie in der Halb leiterindustrie angewandt werden. Die Strukturbildung kann dabei in genau definierter Weise erfolgen, indem beispiels weise die Anzahl, Abmessungen sowie Anordnung bzw. räumliche Verteilung der Kanäle 2 vorgegeben werden. Durch Wahl der Parameter kann ein Verhältnis von Wärmeableitungsfläche zu Wärmeeinleitungsfläche von 400 bis 700 und mehr erreicht werden. Die Wärmeableitungsfläche ist hier nicht nur die Oberfläche 4 des Substrates, sondern primär die demgegenüber sehr viel größere Innenfläche der Kanäle 2. Diese Innen flächen, die Oberfläche 4 sowie die Seitenflächen mit Ausnahme der Wärmeeinleitungsfläche bilden die Wärme ableitungsfläche.The substrate 1 consists, for example, of silicon or a similar material. The structuring of the substrate, in this case the manufacture of the channels 2, is carried out with the aid of suitable lithography and etching processes, as are used in the semiconductor industry. The structure can be formed in a precisely defined manner, for example by specifying the number, dimensions and arrangement or spatial distribution of the channels 2 . By choosing the parameters, a ratio of heat dissipation area to heat introduction area of 400 to 700 and more can be achieved. The heat dissipation surface here is not only the surface 4 of the substrate, but primarily the much larger inner surface of the channels 2 . These inner surfaces, the surface 4 and the side surfaces with the exception of the heat introduction surface form the heat dissipation surface.
Das mit der wärmeleitfähigen Schicht 3 versehene Substrat wird an der Wärmequelle 6 vorzugsweise unter Verwendung einer wärmeleitenden Verbindung befestigt, beispielsweise mit einem wärmeleitenden Klebstoff. Die wärmeleitende Ver bindung kann, muß aber nicht mit dem gleichen Material wie die wärmeleitende Schicht ausgebildet werden. Der Durchmesser der Kanäle 2 ist - bezogen auf die Wärmeein leitungsfläche - sehr klein und liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 10-50 µ.The substrate provided with the thermally conductive layer 3 is preferably attached to the heat source 6 using a thermally conductive connection, for example with a thermally conductive adhesive. The heat-conducting connection can, but does not have to be formed with the same material as the heat-conducting layer. The diameter of the channels 2 is - based on the Wärmein line area - very small and is preferably in the order of 10-50 microns.
Das Verhältnis der Wärmeableitungsfläche zur Wärmeeinlei tungsfläche ist deutlich größer als 1 und vorzugsweise deutlich größer als 100.The ratio of the heat dissipation area to the heat input tion area is significantly larger than 1 and preferably significantly larger than 100.
Die wärmeleitfähige Schicht 3 hat einen hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. Als wärmeleitfähige Schicht 3 bietet sich beispielsweise Kupfer an, das eine weitaus höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium hat. Allerdings hat Kupfer ein deutlich höheres spezifisches Gewicht als Aluminium, weshalb ein vollständig aus Kupfer bestehender Kühlkörper ein relativ hohes Gewicht hat und daher eine Platine, wie z. B. ein Motherboard eines Computers, erheblichen mechani schen Belastungen aussetzen würde. Bei der Erfindung ist die wärmeleitfähige Schicht 3 im Verhältnis zur Dicke des Substrates 1 dünn und vorzugsweise hat die Schicht 3 nur eine Dicke von < 10 µ, während die Dicke des Substrates 1 in der Größenordnung von 1 mm liegt. Mit dieser sehr dünnen Schicht aus wärmeleitendem Material, wie z. B. Kupfer, elimi niert man die Probleme der mechanischen Belastung, da das Gesamtgewicht der Kühleinrichtung sehr gering ist. Der Kontakt zwischen der Wärmequelle 6 und der Kühleinrichtung muß vollständig, d. h. über die gesamte Grundfläche der Kühlvorrichtung, bestehen. Dazu kann die wärmeleitende Schicht 3 in flüssiger oder semi-flüssiger Weise aufgebracht und anschließend aktiv oder passiv verfestigt werden. Durch die Aufbringung der wärmeleitenden Schicht in flüssiger oder semi-flüssiger Form kann ein optimaler Kontakt zwischen dem Substrat und der Wärmequelle geschaffen werden. Da die Oberfläche der Wärmequelle in der Regel nicht vollkommen planar und glatt ist, werden etwaige Unebenheiten der Ober fläche einer Wärmequelle, die nur zu punktuellem Kontakt zwischen Substrat und Wärmequelle und damit schlechter Wärmekopplung zwischen diesen führen würde, durch die flüssige oder semi-flüssige wärmeleitende Schicht ausge glichen. Als Material für die wärmeleitende Schicht eignen sich zahlreiche Stoffe, wie z. B. Silikon, Wärmeleitpaste, Aluminium, Kupfer, Silber etc.The thermally conductive layer 3 has a high coefficient of thermal conductivity. Copper, for example, is suitable as the thermally conductive layer 3 , which has a far higher thermal conductivity than aluminum. However, copper has a significantly higher specific weight than aluminum, which is why a heat sink made entirely of copper has a relatively high weight and therefore a circuit board such as B. would expose a motherboard of a computer, considerable mechanical stress. In the invention, the thermally conductive layer 3 is thin in relation to the thickness of the substrate 1 and preferably the layer 3 has only a thickness of <10 μ, while the thickness of the substrate 1 is of the order of 1 mm. With this very thin layer of thermally conductive material, such as. B. copper, elimi ned the problems of mechanical stress, since the total weight of the cooling device is very low. The contact between the heat source 6 and the cooling device must exist completely, ie over the entire base area of the cooling device. For this purpose, the heat-conducting layer 3 can be applied in a liquid or semi-liquid manner and then actively or passively solidified. By applying the heat-conducting layer in liquid or semi-liquid form, an optimal contact between the substrate and the heat source can be created. Since the surface of the heat source is usually not completely planar and smooth, any unevenness in the upper surface of a heat source, which would only lead to selective contact between the substrate and the heat source and thus poor heat coupling between them, due to the liquid or semi-liquid heat-conducting Layer compensated. Numerous substances are suitable as material for the heat-conducting layer, such as, for. B. silicone, thermal paste, aluminum, copper, silver etc.
Die Gesamtabmessungen der Kühleinrichtung sind verhältnis mäßig klein. Die Fläche entspricht im wesentlichen der abstrahlenden Fläche des zu kühlenden Gegenstandes 6. Die Dicke ist dagegen deutlich kleiner als die Länge der längeren Kante der Grundfläche und liegt vorzugsweise im Bereich von 1 mm, womit die Wärmeleitstrecke sehr kurz ist. Damit wird eine gute Wärmekopplung zwischen der Wärmequelle bzw. der Wärmeeinleitungsfläche und der gesamten demgegenüber äußerst großen Wärmeableitungsfläche erreicht. Der Wärme transport erfolgt daher auch sehr schnell und die Kühl leistung ist hervorragend.The overall dimensions of the cooling device are relatively small. The surface essentially corresponds to the radiating surface of the object 6 to be cooled. The thickness, on the other hand, is significantly smaller than the length of the longer edge of the base area and is preferably in the range of 1 mm, which makes the heat conduction distance very short. Good heat coupling between the heat source or the heat introduction surface and the entire heat dissipation surface, which is extremely large in comparison, is thus achieved. The heat is therefore transported very quickly and the cooling performance is excellent.
Die Ableitung der Wärme von der Wärmequelle 6 erfolgt im einfachsten Fall durch Übertragung der in der wärmeleitenden Schicht 3 des strukturierten Substrates 1 aufgenommenen Energie auf das Umgebungsmedium, also beispielsweise Luft. Das Umgebungsmedium wird erhitzt und strömt durch das struk turierte Substrat in die Umgebungsluft. Die Konvektions strömung setzt allmählich ein, da sich auch die Wärmequelle nach ihrer in Betriebnahme nur allmählich erwärmt. Eine weitere Verbesserung erhält man, wenn die gesamte Wärme ableitungsfläche mit der wärmeleitenden Schicht überzogen ist, also auch die Innenwandungen der Kanäle 2, die Ober fläche 4 und die Seitenflächen. Hier sind diverse Varianten möglich, von denen einige in den Fig. 2a bis 2f darge stellt sind.In the simplest case, the heat is derived from the heat source 6 by transferring the energy absorbed in the heat-conducting layer 3 of the structured substrate 1 to the surrounding medium, that is to say, for example, air. The ambient medium is heated and flows through the structured substrate into the ambient air. The convection flow begins gradually, since the heat source only gradually heats up after it has been put into operation. A further improvement is obtained if the entire heat dissipation surface is coated with the heat-conducting layer, that is also the inner walls of the channels 2 , the upper surface 4 and the side surfaces. Various variants are possible here, some of which are shown in FIGS . 2a to 2f.
In Fig. 2a sind alle Flächen des Substrates 1 mit der wärmeleitfähigen Schicht beschichtet, also die Unterseite mit der Schicht 3, die Innenwände der Kanäle 2 mit der Schicht 7 und die Oberfläche mit der Schicht 8.In Fig. 2a, all surfaces of the substrate 1 having the heat conductive layer are coated, so the underside of the layer 3, the inner walls of the channels 2 with the layer 7 and the surface with the layer 8.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2b sind die Unterseite mit der Schicht 3 und die Innenwände der Kanäle 2 mit der Schicht 7 beschichtet, während die Oberfläche 4 unbeschichtet ist.In the embodiment of FIG. 2b, the underside is coated with the layer 3 and the inner walls of the channels 2 with the layer 7 , while the surface 4 is uncoated.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2c ist die gesamte Unterseite des Substrates 1 mit der Schicht 3 bedeckt, d. h. auch die Unterseite der Kanäle 2 ist durch die Schicht 3 verschlossen. Ansonsten sind wie bei Fig. 2a auch alle übrigen Flächen beschichtet. In the exemplary embodiment in FIG. 2 c, the entire underside of the substrate 1 is covered with the layer 3 , ie the underside of the channels 2 is also closed by the layer 3 . Otherwise, as in FIG. 2a, all other surfaces are also coated.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2d sind die Kanäle 2 wiederum mit der Schicht 3 verschlossen, die Oberfläche 4 ist dagegen nicht beschichtet.In the exemplary embodiment in FIG. 2d, the channels 2 are in turn closed with the layer 3 , but the surface 4 is not coated.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2e ist die gesamte Unterseite des Substrates 1 beschichtet und zwar so, daß auch die Kanäle 2 nach unten durch die Schicht 3 verschlossen sind. Die übrigen Flächen haben keine Beschichtung.In the exemplary embodiment in FIG. 2e, the entire underside of the substrate 1 is coated in such a way that the channels 2 are also closed at the bottom by the layer 3 . The remaining areas have no coating.
In Fig. 2f ist nur die Unterseite mit der Schicht 3 versehen aber so, daß die Kanäle 2 nach unten offen sind. Alle übrigen Flächen sind wieder nicht beschichtet.In Fig. 2f only the bottom is provided with the layer 3 but so that the channels 2 are open at the bottom. All other areas are again not coated.
In den Fig. 1 und 2 haben die Kanäle einen rechteckigen Querschnitt. Selbstverständlich können auch andere Quer schnitte verwendet werden, wie z. B. Zylinderform oder sonstige beliebige Formen.In Figs. 1 and 2, the channels have a rectangular cross section. Of course, other cross sections can be used, such as. B. cylindrical shape or any other shape.
Um die Strömung des erwärmten Mediums im Kanal in vertikaler
Richtung zu unterstützen, kann - wie in Fig. 4a gezeigt -
der Querschnitt der Kanäle sich auch verjüngen, d. h. bei
spielsweise in Richtung von der Wärmeeinleitfläche zur
Oberfläche hin abnehmenden Durchmesser haben. Durch diese
Geometrie kann in Verbindung mit der Geschwindigkeit des
Kühlmediums (z. B. Luft) in dem Kanal ein Druckgefälle erzeugt
werden. Der im oberen Bereich des Kanales geringere Druck
unterstützt den Abzug des erwärmten Mediums und damit die
Kühleffizienz der Kühlvorrichtung. In dem Fall, daß die
Kanäle über die Kanallänge veränderlichen Querschnitt haben,
wird die Konvektionsströmung auch dadurch besonders unter
stützt werden, daß die Kanalabmessungen in der gewünschten
Strömungsrichtung über die gesamte Wegstrecke des Fluids
abnehmend ausgestaltet sind. In Fig. 4a ist damit die bevor
zugte Strömungsrichtung von dem zu kühlenden Gegenstand
6 durch die Kanäle 2 hindurch zur Oberfläche 4 des Substrates
1. Die Bernoulli-Gleichung liefert folgenden Zusammenhang:
In order to support the flow of the heated medium in the channel in the vertical direction, as shown in FIG. 4 a, the cross section of the channels can also taper, that is to say, for example, in the direction of the diameter decreasing from the heat introduction surface to the surface. This geometry in conjunction with the speed of the cooling medium (e.g. air) can create a pressure drop in the duct. The lower pressure in the upper area of the channel supports the removal of the heated medium and thus the cooling efficiency of the cooling device. In the event that the channels have a variable cross-section over the channel length, the convection flow will also be particularly supported by the fact that the channel dimensions in the desired flow direction are designed to decrease over the entire path of the fluid. In FIG. 4a, the flow direction that is preferred before from the object 6 to be cooled through the channels 2 to the surface 4 of the substrate 1 . The Bernoulli equation provides the following relationship:
p und p0 sowie A und A0 stehen für die Brücke bzw. Quer schnittsflächen an zwei räumlich getrennten Stellen in den Kanälen. V ist die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in dem Kanal.p and p 0 as well as A and A 0 stand for the bridge or cross-sectional areas at two spatially separated locations in the channels. V is the flow rate of the fluid in the channel.
Die Strömungsrichtung muß dabei nicht unbedingt vertikal verlaufen sondern kann auch von oben kommend seitlich verlaufen.The direction of flow does not necessarily have to be vertical but can also come from the side when coming from above run.
In Fig. 4b sind die Kanäle 2 an dem dem zu kühlenden Gegenstand 6 benachbarten Bereich enger und erweitern sich kontinuierlich in Richtung zur Oberfläche 4. Es tritt dann ein umgekehrter Kamineffekt auf.In FIG. 4b, the channels 2 are provided at the neighboring object to be cooled area 6 and extend continuously narrower in the direction of the surface 4. A reverse chimney effect then occurs.
Andere zweckmäßige Geometrien sind natürlich ebenfalls denkbar.Other convenient geometries are of course also conceivable.
Die Herstellung des strukturierten Substrates kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. Eine erste Möglichkeit ist die Ausbildung der Strukturen im Substrat durch verschiedene Ätzverfahren. Ein anderes mögliches Verfahren zur Ausbildung der Strukturen im Substrat ist die Anwendung von Prägever fahren (heiß oder kalt), um Strukturen auf ein Substrat zu übertragen. Diese beiden grundsätzlich verschiedenen Verfahren können auch in Kombination verwendet werden. Beispielsweise können die mit durchgängigen Poren bzw. Kanälen versehenen Teilstrukturen mit Hilfe von Ätzverfahren und ein eventuell zwischen dieser Struktur und der Wärme quelle angebrachtes strukturiertes Substrat mit Hilfe von Prägeverfahren hergestellt werden.The structured substrate can be produced on different ways. A first option is the formation of the structures in the substrate by different Etching process. Another possible method of training of the structures in the substrate is the use of embossing drive (hot or cold) to structures on a substrate transferred to. These two are fundamentally different Methods can also be used in combination. For example, those with continuous pores or Substructures provided with channels with the aid of etching processes and possibly between this structure and heat source attached structured substrate using Embossing processes are made.
Ein weiteres Verfahren zur Ausbildung der Struktur im Substrat ist das bekannte LIGA-Verfahren (Lithographie und Galvanik). Dieses Verfahren eignet sich ebenfalls zur Herstellung tiefer vertikaler Strukturen. Es sind Tiefen bis ca. 1 mm (= 1000 µ) zu erreichen. Hierbei kann eine Trägerschicht aus einem mit einem wärmeleitenden Material beschichteten Material (z. B. Kunststoff) direkt abgeformt werden. Bei dieser Variante bzw. bei der Herstellung eines Elementes der gesamten Kühlvorrichtung mit Hilfe des LIGA- Verfahrens sind keine Ätzschritte erforderlich. Die daraus resultierenden Vorteile sind offensichtlich. Die einzigen erforderlichen Teilschritte dieser Verfahrensvariante sind: Maskenherstellung, Lithographie (z. B. Röntgen-Lithographie), Galvanisieren, Entformen, Füllen mit z. B. Kunststoff, Ent formen. Die Kunststofform ist mit der Maske identisch. Diese Kunststofform kann abschließend mit dem wärmeleitenden Material beschichtet werden. Die durch Galvanisieren geschaf fene Form bildet danach die Fertigungsvorlage für weitere Kühlvorrichtungen aus Kunststoff mit wärmeleitender Beschich tung. Ansonsten gelten alle vorher angegebenen Sachverhalte und alle oder einzelne Teile der vorher beschriebenen Verfahren können nach Bedarf übernommen bzw. einbezogen werden.Another method of training the structure in the The substrate is the well-known LIGA process (lithography and electroplating). This method is also suitable for Production of deep vertical structures. There are depths up to approx. 1 mm (= 1000 µ). Here, a Carrier layer made of a with a thermally conductive material coated material (e.g. plastic) directly molded become. In this variant or in the manufacture of a Element of the entire cooling device using the LIGA No etching steps are required. The one from it resulting benefits are obvious. The only ones The necessary sub-steps of this process variant are: Mask production, lithography (e.g. X-ray lithography), Electroplating, demolding, filling with e.g. B. plastic, Ent to form. The plastic shape is identical to the mask. This plastic mold can finally be combined with the thermally conductive one Material to be coated. Created by electroplating fene form then forms the manufacturing template for others Cooling devices made of plastic with heat-conducting coating tung. Otherwise, all previously stated facts apply and all or part of those previously described Procedures can be adopted or included as needed become.
Das Aufbringen der wärmeleitenden Schicht bzw. Schichten kann z. B. durch Aufdampfen erfolgen. Hierdurch wird ein ausgezeichneter Kontakt zwischen der Wärmequelle und der Kühlvorrichtung geschaffen, da die Ausbildung von Hohlräumen zwischen diesen vermieden wird.The application of the heat-conducting layer or layers can e.g. B. done by vapor deposition. This will be a excellent contact between the heat source and the Cooling device created because of the formation of voids between these is avoided.
Das Ausbilden von sich verjüngenden Kanälen kann im übrigen beispielsweise durch anisotrope naßchemische Ätzlösungen erfolgen, wobei man beispielsweise in [100]-Silizium V- förmige und in [110]-Silizium U-förmige Vertiefungen aus bilden kann.The formation of tapered channels can otherwise for example by anisotropic wet chemical etching solutions take place, for example in [100] silicon V- shaped and U-shaped recesses in [110] silicon can form.
Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung, bei der die Wärmeeinleitungsfläche des Substrates Rillen bzw. Furchen 9 aufweist, die mit den Kanälen 2 in Strömungsverbindung stehen. Dadurch kann Kühlmedium, wie z. B. Luft mit Umge bungstemperatur in diesen Rillen 9 strömen und Wärme von der Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes zu den Kanälen 2 leiten und abführen. Fig. 3 shows a further development of the invention, in which the heat input surface of the substrate has grooves or ridges 9, which communicate with the ducts 2 in the flow connection. This can coolant such. B. air with ambient temperature in these grooves 9 and conduct heat from the surface of the object to be cooled to the channels 2 and dissipate.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 hat die Kühlvorrichtung einen zweiteiligen Aufbau, dessen erster Teil das oben beschriebene strukturierte Substrat 1 ist, während der zweite Teil der Kühlvorrichtung dieser Ausführungsform ein zweites Substrat 10 ist, das zwischen der Wärmequelle und dem ersten Substrat 1 angeordnet ist und eine Kanal struktur mit den Rillen oder Furchen 9 aufweist. Diese Rillen 9 verlaufen hier parallel zueinander und parallel zur Oberfläche der Wärmequelle sowie natürlich auch parallel zur Unterseite des ersten Substrates. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungen der Struktur möglich. Das zweite Substrat 10 hat die Aufgabe, die Zufuhr des Umgebungs mediums zur Wärmeableitung zu verbessern. Im stationären Betrieb bildet sich dann eine Art Kaminabzug aus, bei dem durch kontinuierliche Konvektion Wärme von der Wärmequelle abgeführt wird. Das zweite Substrat 10 ist vorzugsweise dünner als das erste Substrat 1 ausgebildet und trägt auch an seiner Unterseite die wärmeleitende Schicht 3. Auch hier sind grundsätzlich zwei Varianten denkbar, nämlich eine, bei der die Rillen oder Furchen 9 in Strömungsver bindung mit den Kanälen 2 stehen, was durch die Rille 9' und den Kanal 2' in Fig. 3 verdeutlicht wird, das zweite Substrat 10 also auch vertikal verlaufende Öffnungen oder Poren hat und eine zweite Variante, bei der zwischen den Rillen 9 und den Kanälen 2 keine Strömungsverbindung besteht, was beim Kanal 2'' in Fig. 3 zu sehen ist.In the embodiment of Fig. 3, the cooling device comprises a two-part construction, of which the first part is the above-described patterned substrate 1, while the second part of the cooling apparatus of this embodiment, a second substrate 10 which is disposed between the heat source and the first substrate 1 and has a channel structure with the grooves or furrows 9 . These grooves 9 run parallel to one another and parallel to the surface of the heat source and of course also parallel to the underside of the first substrate. Of course, other designs of the structure are also possible. The second substrate 10 has the task of improving the supply of the ambient medium for heat dissipation. In stationary operation, a type of chimney fume is formed, in which heat is removed from the heat source by continuous convection. The second substrate 10 is preferably made thinner than the first substrate 1 and also carries the heat-conducting layer 3 on its underside. Here, too, basically two variants are conceivable, namely one in which the grooves or furrows 9 are in flow connection with the channels 2 , which is illustrated by the groove 9 'and the channel 2 ' in FIG. 3, that is to say the second substrate 10 also has vertically running openings or pores and a second variant, in which there is no flow connection between the grooves 9 and the channels 2 , which can be seen in the channel 2 ″ in FIG. 3.
In Abwandlung des Ausführungsbeispieles der Fig. 3 kann die gesamte Kühlvorrichtung mit den Kanälen 2 und den Rillen 9 auch einteilig ausgebildet sein, was wiederum durch Ätz verfahren möglich ist. Bei der zweiteiligen Struktur der Fig. 3 sind die beiden Substrate 1 und 10 separat zu struk turieren und anschließend wärmeleitend und in zueinander ausgerichteter Form zu verbinden, beispielsweise mit einem wärmeleitenden Klebstoff. Das Beschichten kann analog den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 durchgeführt werden. Falls die Wärmequelle ein Mikroprozessor oder ein sonstiges elek tronisches Bauteil ist, kann die Kühlvorrichtung der vorlie genden Erfindung schon bei der Herstellung des Mikropro zessors auf diesem vorgesehen werden. Insbesondere, wenn der Mikroprozessor auf einem Siliziumchip aufgebaut ist, kann die Kühlvorrichtung im Mikroprozessor integriert sein. Dies reduziert die Zahl der Fertigungsschritte, verringert den Justieraufwand bei der Anbringung der Kühlvorrichtung auf dem Mikroprozessor, beschleunigt die Fertigung, erhöht die Ausbeute bei der Prozessorfertigung und senkt die Gesamtkosten. Wird die Kühleinrichtung in die Wärmequelle, wie z. B. einen Mikroprozessor integriert, so kann dies in einfacher, dem Fachmann bekannter Weise, wie z. B. die oben genannten Ätz- und Lithographiebearbeitung, über der gesamten Oberfläche der Wärmequelle realisiert werden. Nach Wunsch kann die Kühleinrichtung sogar in den Mikro prozessor "eingelassen" ausgebildet werden, d. h. die Oberseite der Kühleinrichtung fluchtet mit der Oberseite des Mikroprozessors.In a modification of the embodiment of FIG. 3, 9 may be formed in one piece, the entire cooling device with the channels 2 and the groove, which method again by etching is possible. In the two-part structure of FIG. 3, the two substrates 1 and 10 are to be structured separately and then connected in a heat-conducting and aligned manner, for example with a heat-conducting adhesive. Coating can be carried out analogously to the exemplary embodiments in FIG. 2. If the heat source is a microprocessor or other elec tronic component, the cooling device of the vorlie invention can be provided on the microprocessor during the manufacture thereof. In particular, if the microprocessor is built on a silicon chip, the cooling device can be integrated in the microprocessor. This reduces the number of manufacturing steps, reduces the adjustment effort when attaching the cooling device to the microprocessor, speeds up production, increases the yield in processor production and lowers the overall costs. If the cooling device in the heat source, such as. B. integrated a microprocessor, this can be done in a simple manner known to those skilled in the art, such as, for. B. the above-mentioned etching and lithography processing can be realized over the entire surface of the heat source. If desired, the cooling device can even be "embedded" in the microprocessor, ie the top of the cooling device is flush with the top of the microprocessor.
Selbstverständlich kann die Kühleinrichtung im Fall ohne Integration mit der Wärmequelle über die gesamte Oberfläche auf eine der oben beschriebenen Arten angebracht werden, beispielsweise mit geringem Abstand zwischen den einzelnen Kühleinrichtungen oder auch teilweise aneinandergrenzend.Of course, the cooling device in the case without Integration with the heat source over the entire surface be attached in one of the ways described above, for example with a small distance between the individual Cooling devices or also partially adjacent.
Selbstverständlich kann die Kühlvorrichtung nach der Erfin dung auch für andere Wärmequellen als Mikroprozessoren verwendet werden. Als zusätzliche Unterstützung der Funktion können natürlich auch noch Gebläse oder sonstige Ventila tionseinrichtungen angeordnet werden. Weiter ist es möglich, die Kühlvorrichtung nach der Erfindung räumlich getrennt von der Wärmequelle anzuordnen und sie dann durch einen Wärmeleiter mit ihr zu koppeln.Of course, the cooling device according to the invention also for heat sources other than microprocessors be used. As additional support for the function can of course also blowers or other Ventila tion devices are arranged. It is also possible the cooling device according to the invention spatially separated from the heat source and then through one To couple heat conductors with it.
Claims (24)
definiertes Strukturieren eines Substrates.15. A method of manufacturing a cooling device according to one or more of claims 1 to 12, the method comprising the step of:
defined structuring of a substrate.
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