Устройство отвода теплоты от микропроцессорного устройства и способ его изготовления

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для охлаждения тепловыделяющих элементов микропроцессорного устройства. Сущность изобретения: устройство отвода теплоты выполнено в виде группы герметичных ячеек, размещенных на поверхности микропроцессорного кристалла со стороны тепловыделяющих элементов, противоположная сторона ячеек размещена на поверхности пластины, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, внутренние поверхности ячеек изготовлены из материала, хорошо смачиваемого жидким рабочим телом, или покрыты тонким слоем такого материала, при этом верхняя часть стенок изготовлена из материала, плохо смачиваемого жидким рабочим телом, внутренний объем ячеек частично заполнен жидким рабочим телом, остальной объем заполнен парами рабочего тела. Устройство позволяет передавать теплоту, выделяемую электронным элементом, сформированным на поверхности полупроводникового кристалла, теплоотводящему рабочему телу непосредственно или через тонкий слой разделяющего их инертного материала, смачиваемого жидким рабочим телом. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для охлаждения тепловыделяющих элементов микропроцессорного устройства.

Известно теплопередающее устройство замкнутого испарительного охлаждения, состоящее из тепловоспринимающего участка, теплоотдающего участка и соединяющего их трубопровода, внутри которого имеется фитиль из капиллярно-пористого материала, образующие замкнутую систему, внутри которой находится рабочее тело в виде жидкости и ее паров. Техническое название данного устройства "тепловая трубка". Тепловоспринимающий участок размещается на охлаждаемом микропроцессорном устройстве с оборотной стороны полупроводникового кристалла. Жидкость, смачивающая фитиль, расположенный в тепловоспринимающем участке устройства, под действием поступающего через полупроводниковый кристалл и стенки тепловоспринимающего участка "тепловой трубки" теплоты испаряется, поглощая поступающую тепловую энергию. Образующиеся пары по паровому трубопроводу под действием температурного перепада давлений поступают в теплоотдающий участок устройства, в котором конденсируются, передавая теплоту конденсации через теплопроводящие стенки участка окружающей среде либо следующему теплоотводящему устройству. Сконденсированная жидкость под действием капиллярных сил по фитилю возвращается в тепловоспринимающий участок, замыкая цикл теплопередачи.

Недостатком данного устройства является большое количество тепловых переходов между электронными тепловыделяющими элементами, расположенными с обратной стороны полупроводникового кристалла, и рабочим телом тепловой трубки. Теплота от тепловыделяющих элементов полупроводникового кристалла к стенкам тепловой трубки, изготовленным из материала с высокой теплопроводностью, передается через медленно проводящий теплоту кристалл и через слой теплопроводной пасты с теплоизолирующими воздушными включениями. Слабая теплопроводность начального участка теплоотводящей системы не позволяет исключить локальные перегревы микроскопических тепловыделяющих электронных элементов.

(«Hard'n'Soft» №8 2003, с.79 «Отобрать и развеять по ветру»).

Целью изобретения является уменьшение количества тепловых переходов между тепловыделяющими элементами полупроводникового кристалла и рабочим телом тепловой трубки, отводящим выделяемую теплоту в охлаждаемый конец тепловой трубки.

Поставленная цель достигается тем, что устройство отвода теплоты выполнено в виде группы герметичных ячеек, размещенных на поверхности микропроцессорного кристалла со стороны тепловыделяющих элементов, противоположная сторона ячеек размещена на поверхности пластины, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, внутренние поверхности ячеек изготовлены из материала, хорошо смачиваемого жидким рабочим телом, или покрыты тонким слоем такого материала, внутренний объем ячеек частично заполнен жидким рабочим телом, остальной объем заполнен парами рабочего тела.

Предпочтительно теплоотводящая пластина входит в состав теплоотводящего устройства более высокого уровня или имеет с ним плотный тепловой контакт.

Рабочее тело представляет собой жидкость и пары, химически или электрохимически не взаимодействующие с материалами, составляющими внутреннюю поверхность ячеек.

Предпочтительно рабочее тело имеет многокомпонентный состав и состоит из взаиморастворимых компонентов с различающимися температурами кипения.

Предпочтительно внутри ячеек размещены выступы, изготовленные из материала, хорошо смачиваемого жидким рабочим телом, идущие от поверхности кристалла до поверхности пластины, закрепленные на одной из поверхностей и соприкасающиеся с другой. Выступы могут быть гибкими и иметь вид микроволокон или микрополочек.

Боковые стенки ячеек предпочтительно изготавливают методом фотолитографии на поверхности полупроводникового кристалла или на поверхности теплопроводящей пластины.

Верхнюю часть стенок ячеек предпочтительно изготавливают из материала, плохо смачиваемого жидким рабочим телом.

Заполнение открытых ячеек жидким рабочим телом осуществляют в атмосфере паров одной или всех жидкостей, входящих в состав жидкого рабочего тела, после чего регулируют количество заполняющего ячейки жидкого рабочего тела путем регулирования температуры ячеек и/или давления паров жидкости над ячейками, после чего ячейки герметично закрывают полупроводниковым кристаллом или теплопроводящей пластиной. Герметичность обеспечивают приклеиванием поверхности кристалла или пластины к сухим верхним краям стенок ячеек.

Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.

Устройство позволит передавать теплоту, выделяемую электронным элементом, сформированным на поверхности полупроводникового кристалла, теплоотводящему рабочему телу непосредственно или через тонкий слой разделяющего их инертного материала, смачиваемого жидким рабочим телом.

Благодаря близкому расположению тепловыделяющих элементов и теплоотводящей пластины, изготовленной из материала с высокой теплопроводностью, а также благодаря большой суммарной поверхности соединяющих их стенок и выступов, выполняющих роль фитиля, обеспечивается высокая скорость возвращения в зону испарения из зоны конденсации сконденсированного рабочего тела под действием капиллярных сил смачивания и, соответственно, высокая мощность теплоотвода, обеспечиваемая парами испаряющегося рабочего тела.

Теплоотводящая пластина позволяет уменьшить риск местных перегревов на тепловыделяющей поверхности микропроцессорного устройства и равномерно перераспределить поступающие тепловые потоки по своей поверхности.

Благодаря многокомпонентному составу жидкого рабочего тела расширяется диапазон температур кипения рабочего тела при одном и том же давлении внутри ячейки, которое зависит от температуры теплоотводящей пластины и состава исходного рабочего тела. Данное обстоятельство позволяет жидкому высококипящему компоненту доходить до перегретых тепловыделяющих зон за счет капиллярных сил смачивания и охлаждать перегретые зоны за счет своего испарения.

Многокомпонентный состав позволяет облегчить процесс регулирования количества жидкого рабочего тела, остающегося внутри ячеек при их изготовлении.

Применение плохо смачиваемого жидким рабочим телом материала для изготовления верхних открытых краев стенок ячеек позволит исключить их смачивание жидким рабочим телом непосредственно перед герметизацией ячеек путем приклеивания к краям стенок закрывающей ячейки поверхности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 в увеличенном виде показан вид открытых ячеек после заполнения их жидким рабочим телом; на фиг.2 показан вид открытых ячеек после регулирования количества жидкого рабочего тела, остающегося внутри ячеек; на фиг.3 показан вид теплоотводящего устройства в сборе.

Устройство содержит полупроводниковый кристалл 1 с зоной 2 тепловыделяющих электронных элементов, стенки ячеек 3, изготовленные из материала, хорошо смачиваемого жидким рабочим телом 7, стенки ячеек 4, изготовленные из материала, плохо смачиваемого жидким рабочим телом 7, выступы 5, изготовленные из материала, хорошо смачиваемого жидким рабочим телом 7, теплоотводящую пластину 6, внутри ячеек имеются полости 8, заполненные парами рабочего тела.

Работа теплоотводящего устройства осуществлена следующим образом (см. фиг.3).

Жидкое рабочее тело 7, смачивающее зону 2 тепловыделяющих электронных элементов непосредственно или через тонкий слой разделяющего их инертного материала, под действием выделяемой работающими электронными элементами теплоты испаряется, поглощая поступающую тепловую энергию. Образовавшиеся пары через паровую полость 8 под действием температурного перепада давлений поступают к поверхности теплоотводящей пластины 6, на которой вновь конденсируются в жидкость, передавая теплоту конденсации теплоотводящей пластине. Сконденсированные пары в виде жидкого рабочего тела под действием капиллярных сил по жидкостным мостикам, расположенным на поверхности стенок ячеек 3 или стенок выступов 5, возвращаются в зону 2, замыкая цикл рабочего тела.

Рабочее тело предпочтительно выбирается с невысокой температурой кипения для обеспечения достаточно высокой плотности теплоотводящих паров.

Однако в процессе работы микропроцессорного устройства может возникнуть ситуация, при которой высокая тепловая мощность, вырабатываемая тепловыделяющими элементами, из-за своей высокой температуры не позволит легкокипящему рабочему телу непосредственно смачивать зону, расположенную на значительном расстоянии от стенок ячеек 3 или выступов 5, из-за образующейся паровой подушки, препятствующей поступлению жидкого рабочего тела в данную зону под действием капиллярных сил смачивания. При использовании многокомпонентного рабочего тела по мере испарения легкокипящего компонента происходит концентрирование в составе рабочего тела высококипящего компонента, в результате чего температура кипения рабочего тела повышается и рабочее тело начинает смачивать всю охлаждаемую поверхность, независимо от степени ее перегрева. Охлаждение перегретой зоны осуществляется как за счет испарения высококипящего компонента, так и за счет облегчения диффузии жидкого легкокипящего компонента в данную зону под действием осмотических сил.

Изготовление теплоотводящего устройства осуществляют следующим образом. Методами фотолитографии на поверхности полупроводникового кристалла 1 со сформированными электронными элементами 2 наращивают стенки ячеек 3 и выступы 5. Верхнюю зону стенок 3 методом фотолитографии покрывают слоем материала 4, плохо смачиваемого жидким рабочим телом.

Кристалл со сформированными открытыми ячейками помещают в камеру, из которой удалены все посторонние газы. В атмосфере паров рабочего тела ячейки полностью заполняют жидким рабочим телом (см. фиг.1). После удаления излишков жидкого рабочего тела из камеры в камере снижают давление паров рабочего тела при термостатировании кристалла (или нагревают кристалл при поддержании давления паров рабочего тела на определенном уровне).

Под действием перепада давлений между давлением паров в камере и равновесным давлением паров над жидкостью, находящейся в ячейках, происходит испарение из ячеек жидкого рабочего тела. После испарения основной массы жидкого рабочего тела из ячеек, давление паров над жидкостью, остающейся в ячейках, сравнивается с давлением паров рабочего тела в камере, в результате чего процесс испарения жидкости из ячеек прекращается. Снижение равновесного давления паров над жидкостью в ячейках осуществляется за счет усиления действия капиллярных сил в остающемся тонком слое жидкости и за счет повышения доли высококипящего компонента в составе жидкого рабочего тела. За счет действия капиллярных сил также происходит осушивание верхних краев 4 стенок ячеек, изготовленных из материала, плохо смачиваемого жидким рабочим телом (см. фиг.2).

Ячейки накрывают теплоотводящей пластиной 6, которую герметично склеивают или сплавляют с верхними краями стенок ячеек 4, обеспечивая их герметизацию.

Для облегчения данной операции можно осуществить охлаждение или замораживание жидкого рабочего тела, остающегося в ячейках (с параллельным снижением давления паров рабочего тела в камере для исключения неконтролируемого массообмена между рабочим телом в ячейках и паровой фазой камеры). После размораживания или встряхивания жидкое рабочее тело за счет капиллярных сил смачивания распределяется по всей поверхности ячеек, включая поверхность теплоотводящей пластины (см. фиг.3).

Наращивание стенок ячеек 3 можно осуществить на поверхности теплоотводящей пластины 6, а открытые стенки ячеек закрывать полупроводниковым кристаллом 1. В остальном процесс изготовления устройства аналогичен.

1. Устройство отвода теплоты от микропроцессорного устройства, отличающееся тем, что выполнено в виде группы герметичных ячеек, размещенных на поверхности микропроцессорного кристалла со стороны тепловыделяющих элементов; противоположная сторона ячеек размещена на поверхности теплоотводящей пластины, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, внутренние поверхности ячеек изготовлены из материала, хорошо смачиваемого жидким рабочим телом, или покрыты тонким слоем такого материала, при этом верхняя часть стенок ячеек изготовлена из материала, плохо смачиваемого жидким рабочим телом; внутренний объем ячеек частично заполнен жидким рабочим телом, остальной объем заполнен парами рабочего тела.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочее тело представляет собой жидкость и пары, химически или электрохимически не взаимодействующие с материалами, составляющими внутреннюю поверхность ячеек.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочее тело имеет многокомпонентный состав и состоит из взаиморастворимых компонентов с различающимися температурами кипения.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри ячеек размещены выступы, изготовленные из материала, хорошо смачиваемого жидким рабочим телом, идущие от поверхности кристалла до поверхности пластины, закрепленные на одной из поверхностей и соприкасающиеся с другой.

5. Способ изготовления устройства отвода теплоты от микропроцессорного устройства, состоящего из группы герметичных ячеек, размещенных между микропроцессорным кристаллом и теплоотводящей пластиной и заполненных жидким рабочим телом и его парами, в котором первоначально изготавливают группу открытых ячеек, расположенных на поверхности микропроцессорного кристалла со стороны тепловыделяющих элементов или на теплопроводящей пластине, внутренние поверхности ячеек изготовлены из материала, хорошо смачиваемого жидким рабочим телом, или покрыты тонким слоем такого материала, при этом верхняя часть стенок ячеек изготовлена из материала, плохо смачиваемого жидким рабочим телом, после чего открытые ячейки заполняют жидким рабочим телом в атмосфере паров одной или всех жидкостей, входящих в состав жидкого рабочего тела, после чего регулируют количество заполняющего ячейки жидкого рабочего тела путем регулирования температуры ячеек и/или давления паров жидкости над ячейками, после чего ячейки герметично закрывают теплопроводящей пластиной или полупроводниковым кристаллом соответственно.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что боковые стенки ячеек изготавливают методом фотолитографии на поверхности полупроводникового кристалла или на поверхности теплопроводящей пластины.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что герметичность ячеек обеспечивают приклеиванием поверхности кристалла или пластины к верхним краям стенок ячеек.