DE10049274B4

DE10049274B4 - Kühlvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10049274B4
Application number: DE10049274A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr. Hofmann
Original assignee: NFT Nanofiltertechnik GmbH
Current assignee: NFT Nanofiltertechnik GmbH
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: EP1354352A2; US7044212B1; KR20030024916A; DE10049274A1; WO2002017390A3; JP2004518269A; WO2002017390A2; TW507520B

Abstract

Kühlvorrichtung mit einem Substrat (1), das eine Wärmeeinleitungsfläche, die in thermischen Kontakt zu einem zu kühlenden Gegenstand (6) bringbar ist, und eine Wärmeabgabefläche aufweist, wobei die Wärmeabgabefläche aufgrund einer vorgegebenen Strukturierung (2) in Form von Kanälen (2), die sich durch das Substrat (1) hindurch erstrecken und im wesentlichen senkrecht zur Wärmeeinleitungsfläche stehen, größer ist als die Wärmeeinleitungsfläche, wobei die Wärmeeinleitungsfläche eine vorgegebene Strukturierung in Form von Furchen (9) aufweist, die in Strömungsverbindung mit den Kanälen (2) stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabefläche eine rauhe Oberfläche aufweist, um die wirksame Oberfläche zu vergrößern.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung 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 Verlustleistung 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.
Die DE 196 26 227 C2 beschreibt eine Kühleinrichtung, die nach dem Prinzip der "Heatpipes" arbeitet. Heatpipe-Strukturen 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 kompliziert und damit auch teuer.
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 effektiver Porendurchmesser so eingestellt ist, daß ein hoher Kapillardruck entsteht. Innerhalb des Gehäuses sind zusätzliche 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.
Die DE 196 41 731 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Kühlung von mindestens zwei Elektroden aufweisenden Lichtbogengeneratoren, 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 bearbeitet 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.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühlvorrichtung zu schaffen, die die obigen Nachteile des Standes der Technik vermeidet und bei guter Kühlleistung kostengünstig herstellbar ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kühlvorrichtung zu schaffen.
Das Stammpatent löst diese Aufgabe dadurch, daß die Wärmeabgabefläche aufgrund einer vorgegebenen Strukturierung wesentlich größer ist als die Wärmeeinleitungsfläche. Die Strukturierung ist dort vorzugsweise durch Kanäle gebildet, die sich durch das Substrat hindurch erstrecken. Vorzugsweise können dort einige oder alle Flächen mit einer wärmeleitenden Beschichtung versehen sein.
Die vorliegende Zusatzanmeldung verbessert die Lösung nach dem Stammpatent dadurch, daß die Wärmeabgabefläche eine rauhe Oberfläche aufweist, um die wirksame Oberfläche zu vergrößern. Dies erfolgt vorzugsweise durch Aufbringen von kleinen Partikeln aus einem Material mit gutem Wärmeleitungskoeffizienten, was unmittelbar auf das strukturierte Substrat oder auf die wärmeleitende Beschichtung erfolgen kann. Solche Partikel mit Wärmeleitungseigenschaften können aus Al, Cu, Ag, Au oder auch aus Metalloxiden bestehen, wie z. B. Eisen-Oxid. Statt einzelner Partikel kann auch eine poröse, schwammartig ausgebildete dünne Oxidschicht aufgebracht werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht einer Kühlvorrichtung nach der Erfindung; und
2 einen schematischen Querschnitt eines Substrates nach der Erfindung mit geneigten Kanalwänden.
In 1 ist ein Substrat 1 zu erkennen, das eine Vielzahl von Kanälen 2 aufweist, die sich durch die Dicke des Substrates 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. Sie steht in unmittelbarem Kontakt mit einem zu kühlenden Gegenstand 6, der beispielsweise ein Mikroprozessor, ein Chip, ein sonstiges elektronisches oder elektrisches Bauelement oder aber auch ein sonstiger zu kühlender Körper sein kann.
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 geeigneter Lithographie- und Ätzverfahren, wie sie in der Halbleiterindustrie angewandt werden. Die Strukturbildung kann dabei in genau definierter Weise erfolgen, indem beispielsweise die Anzahl, Abmessungen sowie Anordnung bzw. räumliche Verteilung der Kanäle 2 vorgegeben werden. Durch Wahl der Parameter kann ein Verhältnis von Wärmeabgabefläche zu Wärmeeinleitungsfläche von z. B. 400 bis 700 und mehr erreicht werden. Die Wärmeabgabefläche ist hier nicht nur die Ober fläche 4 des Substrates, sondern primär die demgegenüber sehr viel größere Innenfläche der Kanäle 2. Diese Innenflächen, die Oberfläche 4 sowie die Seitenflächen mit Ausnahme der Wärmeeinleitungsfläche bilden die Wärmeabgabefläche. Natürlich sind auch alle anderen, im Stammpatent dargelegten Ausführungsformen des strukturierten Substrates möglich und hiermit mit einbezogen.
Zusätzlich wird mindestens eine Oberfläche der Wärmeabgabefläche, vorzugsweise jedoch alle Wärmeabgabeflächen, also auch die Kanäle, mit einer rauhen Oberfläche versehen. Dieses Aufrauhen wird z. B. durch Aufbringen von wärmeleitfähigen Partikeln 11 auf das bereits strukturierte Substrat durchgeführt. Diese Partikel können unmittelbar auf das Substrat aufgebracht werden. Sind einige Oberflächen des Substrates mit einer wärmeleitenden Schicht 3 versehen, so werden diese Partikel 11 auf die wärmeleitende Schicht 3 aufgebracht. Durch diese Aufrauhung der Oberfläche wird die Wärmeabgabefläche weiter vergrößert. Der Vergrößerungsfaktor beträgt gegenüber dem Stammpatent mindestens 2, vorzugsweise mehr als 10 oder höher. Hierdurch kann das Verhältnis von Wärmeabgabefläche zu Wärmeeinleitungsfläche 1000 bis 7000 oder mehr betragen.
Die Abmessungen der Partikel 11 liegen in der Größenordnung von wenigen Mikrometern oder kleiner, insbesondere bis in den Bereich von einigen Nanometern. Solche Partikel können z. B. aus Metalloxiden bestehen, wie beispielsweise Eisen-Oxid. Andere Materialien sind natürlich auch möglich.
Statt einzelner Partikel kann auch eine poröse, schwammartig ausgebildete dünne Oxidschicht aufgebracht werden.
Durch die vergrößerte Oberfläche erhält man eine bessere Wärmekopplung zwischen der Oberfläche und einem anströmenden Fluid, wie z. B. Luft. Zusätzlich wird auch die Wärmeabstrahlung verbessert. Die abgestrahlte Leistung ist gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz proportional der Abstrahlfläche, hier also der Wärmeabgabefläche, und der vierten Potenz der Temperatur (T⁴). Demzufolge stellt sich die Nettostrahlungsleistung eines Körpers mit der Temperatur T bei einer Umgebungstemperatur von T₀ wie folgt dar: Pnetto = e σ A(T4 – T0 4),wobei e der Emissionsgrad (0 ≤ e ≤ 1) und σ die Stefan-Boltzmann-Konstante (= 5,6703 × 10^–8 W m^–2 K^–4) ist. Die Materialeigenschaften der Beschichtung gehen in den Emissionsgrad e ein.
Einen guten Emissionsgrad e erhält man mit Metallen (AL, CU etc.) oder Oxidverbindungen, die durch Bedampfungsverfahren aufgebracht werden.
2 zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt eines Querschnittes des Substrates 1, bei dem ebenfalls Kanäle 2 durch das Substrat verlaufen, deren Seitenwände jedoch gegenüber der Vertikalen geneigt sind. Die Kanalwände bilden im Querschnitt eine von der Wärmequelle 6 weggerichtete trapezartige Form. Der "Böschungswinkel" dieser trapezartigen Struktur (Pyramidenstümpfe) kann bei Silizium als Grundmaterial z. B. 54,76° betragen. Dieser Winkel kann durch entsprechend veränderte Lage der Kristallebenen variiert werden. Auch hier sind die Kanalwände mit Partikeln 11 beschichtet, wodurch die wärmeabstrahlende Oberfläche vergrößert ist. Wenn die Kanalwände mit einer wärmeleitenden Schicht 7 beschichtet sind, so ist diese mit den Partikeln 11 versehen. Dies gilt auch in Bezug auf die Oberfläche 4 mit der wärmeleitenden Schicht 8 sowie die Unterseite mit der wärmeleitenden Schicht 3.

Claims

Kühlvorrichtung mit einem Substrat (1), das eine Wärmeeinleitungsfläche, die in thermischen Kontakt zu einem zu kühlenden Gegenstand (6) bringbar ist, und eine Wärmeabgabefläche aufweist, wobei die Wärmeabgabefläche aufgrund einer vorgegebenen Strukturierung (2) in Form von Kanälen (2), die sich durch das Substrat (1) hindurch erstrecken und im wesentlichen senkrecht zur Wärmeeinleitungsfläche stehen, größer ist als die Wärmeeinleitungsfläche, wobei die Wärmeeinleitungsfläche eine vorgegebene Strukturierung in Form von Furchen (9) aufweist, die in Strömungsverbindung mit den Kanälen (2) stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabefläche eine rauhe Oberfläche aufweist, um die wirksame Oberfläche zu vergrößern.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rauhe Oberfläche der Wärmeabgabefläche durch aufgebrachte Partikel (11) erzeugt ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (11) Metall- oder Metalloxidpartikel sind.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (11) direkt auf das strukturierte Substrat (1) aufgebracht sind.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (11) auf eine auf das strukturierte Substrat (1) aufgebrachte wärmeleitende Beschichtung (3, 4, 7) aufgebracht sind.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das strukturierte Substrat (1) eine trapezartige Querschnittsform aufweist, wobei geneigte Seitenwände ebenfalls mit den Partikeln (11) beschichtet sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rauhe Oberfläche (11) der Wärmeabgabefläche durch eine aufgebrachte schwammartig poröse Schicht gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung nach gemäß Patent 100 41 829.
Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des Substrates Partikel oder eine schwammartig, poröse Schicht aufgebracht werden, die die Oberfläche aufrauhen und dadurch die wirksame Oberfläche vergrößern.