УСТРОЙСТВО ОТВОДА ТЕПЛОТЫ ОТ КРИСТАЛЛА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ МИКРОСХЕМЫ
DEVICE TO REMOVE HEAT FROM CRYSTAL OF SEMICONDUCTOR INTEGRATED CIRCUIT

Изобретение относится к области электроники, в частности к устройству отвода теплоты от кристалла полупроводниковой микросхемы, и может быть использовано для охлаждения кристаллов процессоров и полупроводниковых микросхем, выделяющих при работе тепловую энергию.
Известно устройство для охлаждения элементов электроники [1] патент RU №2332818 «Охлаждающее устройство для элементов электроники», авторы: В.Г.Пастухов, Ю.Ф.Майданик, В.А.Кожин, МПК Н05K 7/20, F28D 15/02, имеющее контурную тепловую трубу с плоским испарителем, содержащим паровую и жидкостную торцевые полости, сообщающиеся между собой параллельным пучком трубок, выполняющим роль конденсатора, соединенного с внешним оребрением, и вентилятора.
Такое устройство использует в качестве охладителя жидкость внутри тепловой трубы и воздух, нагнетаемый вентилятором для охлаждения внешнего оребрения, что при возрастающей мощности электронных компонентов приводит к увеличению площади оребрения и/или повышенному уровню шума и использование данного устройства в ограниченном объеме становится невозможным из-за громоздкости конструкции. Габариты испарителя такого устройства больше габаритов области кристалла микросхемы, выделяющей тепловую энергию, что является недостатком данного устройства. Термическое сопротивление между источником теплоты и испарителем снижает эффективность работы данного устройства. Тепловыделяющая поверхность самого электронного компонента является неразвитой и характеризуется достаточно низким коэффициентом теплоотдачи.
2
2
Для увеличения производительности и уменьшения габаритов процессоров применяются многослойные 3d-чипы, совместно со встроенной водяной системой охлаждения, например [2] http://www.zurich.ibm.com/news/08/3D_cooling.html. Охладитель проходит между слоями чипа и омывает каждый из слоев с двух сторон. Таким образом, снимается до 180 Вт/см с площади 4 см.
Известно устройство [3] Jae-Mo Koo, Sungjun Im, Linan Jiang Integrated microchannel cooling for three-dimensional electronic circuit architectures / Journal of heat transfer 2005, ASME, January vol.127, p.49-58, которое охлаждает многослойные чипы с помощью микроканалов, расположенных между слоями. Для различных типов конструкций 3d-чипа, зависящих от сочетания на слоях логического устройства и оперативной памяти, представлены оптимальные размеры и теплофизические характеристики 3d-чипа.
Известно устройство охлаждения с системой распределения охладителя по всей площади нагреваемого элемента [4] http://www.zurich.ibm.com/st/cooling/convective.html. Охладитель напрямую подается на подложку электронного компонента. Система распределения представляет собой древовидную структуру входных и выходных каналов, расположенных вплотную друг к другу по всей площади нагреваемого элемента.
Для данного устройства характерны несколько режимов работы: запорный, принудительный, переходный и разделенный режим. Оптимальным режимом для охлаждения нагреваемого элемента является принудительный, при котором коэффициент теплопередачи является постоянным.
2
2
Оптимальная структура распределяющей системы такова: диаметр сопла 25 мкм, диаметр ячейки 100 мкм, шаг 30 мкм. При этих параметрах термическое сопротивление составляет 0,15 (см·К)/Вт. Данное устройство отводит до 400 В/см от поверхности нагрева электронного компонента.
При использовании устройств охлаждения [2-4] термическое сопротивление воды между поверхностью чипа электронного компонента и самим устройством охлаждения снижает характеристики процессов теплообмена.
Известно устройство [5] патент RU №51441, «Устройство охлаждения электронных компонентов», авторы: И.Г.Дроздов, Н.Н.Кожухов, Н.В.Мозговой, Д.П.Шматов, МПК H01L 23/34, включающее теплообменник с пористыми элементами, состоящий из герметичного корпуса, входного и выходного штуцера охладителя. Металлическое основание теплообменника выполнено в виде призмы, при этом нижняя часть призмы равна площади кристалла микросхемы.
Такое устройство по сравнению с устройством [1] является компактным, а охлаждение нагретого теплоносителя может осуществляться вне ограниченного объема. Однако основание наряду со стенкой теплообменника создают дополнительное термическое сопротивление, что является недостатком данного устройства. Тепловыделяющая поверхность электронного компонента остается по-прежнему неразвитой, что не позволяет снимать расчетные тепловые потоки в условиях потенциально возможной максимальной нагрузки.
1
2
2
2
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является система охлаждения [6] патент US 6988534, «Method and apparatus for flexible fluid delivery for cooling desired hot spots in a heat producing device», Thomas W. Kenny, M. Munch, P. Zhou, J. Gil Shook, G.Upadhya, K.Goodson, D.Corbin, Int. Cl. F28F 7/00, представленная на фиг.1, в состав которой входит устройство охлаждения 1, внешний блок охлаждения 2, насос 3, элементы подвода 4 и отвода 5 охладителя и контроллер 6 для проверки фазового состояния охладителя. Устройство охлаждения 1 (фиг.2) состоит из крышки 7 и крышки 7, при этом крышка 7 содержит входной канал 8 для входа охладителя и выходной канал 9 для его выхода, нагреваемого элемента 10 с локальными «горячими точками», ребрами охлаждения 11. Крышка 7, в которой находятся входной 8 и выходной 9 каналы соответственно для входа и выхода охладителя, состоит из нескольких слоев для оптимального распределения охладителя и достижения стабильной температуры по всей поверхности нагреваемого элемента. Нагреваемый элемент 10 может быть отдельным, но может представлять и единое целое с устройством охлаждения 1. При этом в описании патента [6] указана только идея возможности создания единой системы «нагреваемый элемент - система охлаждения» (но не описана практически ее реализация). Ребра охлаждения 11 в зависимости от поставленных задач могут представлять систему коллекторов и каналов и иметь различные геометрические формы: параллельные или гофрированные пластины, пористые элементы.
2
2
2
Устройство охлаждения 1 работает следующим образом. Через входной канал 8 охладитель поступает в крышку 7. Проходя сквозь систему каналов и коллекторов, расположенных не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости, охладитель в зависимости от расположения «горячих точек» в нагреваемом элементе 10 распределяется таким образом, чтобы на локальную область, которая выделяет большее количество теплоты, поступало большее количество охладителя. Это приводит к тому, что нагреваемый элемент 10 имеет равномерное охлаждение для всей поверхности, имеющей изначально неравномерное распределение температуры. Кроме этого, пройдя через входной канал 8 крышки 7, охладитель проходит сквозь оребренную поверхность (ребра охлаждения 11), где отводится необходимое количество теплоты от нагреваемого элемента 10, и выходит через выходной канал 9 крышки 7.
В данном устройстве рассматривается возможность создания единой системы «нагреваемый элемент - система охлаждения», однако отсутствуют подходы к способу ее технического решения.
К сожалению, устройство-прототип не решает проблему оптимального охлаждения кристаллов полупроводников, так как в описании к патенту [6] сформулирована только идея создания системы «нагревательный элемент - система охлаждения», однако не описаны подходы практической ее реализации и не объяснены результаты указанного технического эффекта.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - это уменьшение термического сопротивления устройства отвода теплоты от кристаллов полупроводниковой микросхемы или процессора, выделяющих при работе тепловую энергию, и снижение его массогабаритных характеристик.
Техническая задача решается за счет того, что в устройстве отвода теплоты от кристалла полупроводниковой микросхемы, выделяющей при работе тепловую энергию, содержащем основание, на котором расположен кристалл полупроводниковой микросхемы, содержащий элементы охлаждения и микроканалы, образующие развитую поверхность, герметичную крышку для кристалла полупроводниковой микросхемы, содержащую входной и выходной каналы соответственно для входа и выхода охладителя, внешний блок охлаждения с насосом и его элементы соединения с входным и выходным каналами герметичной крышки, согласно изобретению развитая поверхность кристалла полупроводниковой микросхемы представляет собой шипы или трубки охлаждения в виде монокристаллов, выращенных на подложке кристалла полупроводниковой микросхемы, образуя монолитную конструкцию с кристаллом.
Причем шипы или трубки в виде монокристаллов составляют систему коллекторов и проницаемых перегородок, выполненных таким образом, что термическое сопротивление контакта между шипом или трубкой и кристаллом полупроводниковой микросхемы отсутствует.
При этом шипы или трубки могут быть расположены на кристалле полупроводниковой микросхемы в различной последовательности, образуя микроканалы разного переменного сечения.
Сравнение заявляемого устройства с аналогичными техническими решениями в данной области техники не позволило выявить признаки изобретения, заявленные в отличительной части формулы изобретения, а именно, что развитая поверхность кристалла полупроводниковой микросхемы представляет собой шипы или трубки охлаждения в виде монокристаллов, выращенных на подложке кристалла полупроводниковой микросхемы, образуя монолитную конструкцию с кристаллом. Именно эти признаки позволяют устранить термическое сопротивление от кристаллов полупроводников, выделяющих при работе тепловую энергию, и снизить массогабаритные характеристики устройства отвода теплоты от кристалла полупроводниковой микросхемы.
Далее описание изобретения поясняется примерами выполнения и чертежами.
На фиг.1 представлена структурная схема системы охлаждения с устройством охлаждения - прототип.
Фиг.2 иллюстрирует устройство охлаждения - прототип.
На фиг.3 выполнена структурная схема заявляемого устройства отвода теплоты от кристалла полупроводниковой микросхемы.
На фиг.4 показано расположение кристалла на основании устройства отвода, входной и выходной каналы для его соединения с внешним блоком охлаждения с насосом.
На фиг.5 показан вид кристалла с шипами (трубками) охлаждения в виде монокристаллов, выращенных на подложке кристалла полупроводниковой микросхемы.
На фиг.6 и 7 показано, что монокристаллы, выращенные по различным схемам на подложке кристалла полупроводниковой микросхемы, образуют систему коллекторов для подачи и отвода охладителя.
Заявляемое устройство отвода теплоты от кристалла полупроводниковой микросхемы (фиг.3) содержит основание 12, на котором расположен кристалл 13 полупроводниковой микросхемы, содержащий элементы охлаждения и микроканалы, образующие развитую поверхность, герметичную крышку 14 для кристалла полупроводниковой микросхемы 13, содержащую входной 8 и выходной 9 каналы соответственно для входа и выхода охладителя, внешний блок охлаждения с насосом 15 и его первый 16 и второй 17 элементы соединения соответственно с входным 8 и выходным 9 каналами герметичной крышки 14, согласно изобретению развитая поверхность кристалла 13 полупроводниковой микросхемы представляет собой шипы 18 или трубки охлаждения в виде монокристаллов, выращенных на подложке кристалла 13 полупроводниковой микросхемы, образуя монолитную конструкцию с кристаллом 13.
Причем шипы 18 или трубки в виде монокристаллов составляют систему коллекторов и проницаемых перегородок 19 (фиг.6 и 7), выполненных таким образом, что термическое сопротивление контакта между шипом 18 или трубкой и кристаллом 13 полупроводниковой микросхемы отсутствует.
При этом шипы 18 или трубки могут быть расположены на кристалле 13 полупроводниковой микросхемы (фиг.6 и 7) в различной последовательности, образуя микроканалы разного переменного сечения.
Осуществляют заявляемое устройство отвода теплоты от кристаллов полупроводниковых микросхем (фиг.3-7) следующим образом.
На поверхности кристалла 13 по определенной схеме, например, изображенной на фиг.5, 6, 7, выращивают шипы 18 или трубки, являющиеся монокристаллами и образующие развитую поверхность теплообмена с системой коллекторов и проницаемых перегородок. При этом шипы 18 или трубки, являющиеся монокристаллами и образующие развитую поверхность теплообмена с системой коллекторов и проницаемых перегородок, выращивают по известной технологии, например, как описано в [7] Небольсин В.А., Долгачев А.А., Дунаев А.И., Завалишин М.А. Об общих закономерностях роста микро- и наноразмерных нитевидных кристаллов кремния // Известия РАН. Сер. физическая. 2008. Т.72. 9. С.1285-1288.
Кристалл 13 с шипами 18 накрывают крышкой 14, которая служит для герметичности конструкции и распределения охладителя на поверхности кристалла 13 и в системе коллекторов и проницаемых перегородок. Посредством элементов соединения 16 и 17 через входной 8 и выходной 9 каналы герметичная крышка соединена соответственно с выходом и входом внешнего блока охлаждения с насосом 15 для подачи охладителя на поверхность кристалла 13 и его отвода с поверхности кристалла 13.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Кристалл 13, изображенный на фиг.3 и 4, в процессе работы выделяет тепловую энергию и передает выделенную тепловую энергию шипам 18, расположенным на поверхности кристалла 13.
С выхода внешнего блока охлаждения с насосом 15 через элементы соединения и входной канал 8 на герметичной крышке 14 подают охладитель, направление и распределение потока которого обеспечивается с помощью перегородок 19 и системой коллекторов. Проходя через проницаемые перегородки 19, состоящие из шипов 18 или трубок, охладитель нагревается и отводится через выходной канал 9. В качестве входного 8 и выходного 9 каналов можно использовать, например, штуцер.
Заявляемое устройство отвода теплоты от кристаллов полупроводниковой микросхемы с выращенными шипами 18 обеспечивает необходимый отвод теплоты от нагреваемого в процессе работы кристалла 13 и позволяет создавать встроенные элементы охлаждения кристалла полупроводников.
Для относительно небольших тепловыделений и малых расходов охладителя можно использовать кристаллы 13 с развитой поверхностью теплообмена, представленные на фиг.5.
Для достижения оптимального эффекта (максимального теплоотвода при минимальном гидравлическом сопротивлении) следует использовать кристаллы 13, имеющие на своей поверхности выращенные шипы 18 из монокристаллов, которые, в свою очередь, образуют систему коллекторов для подачи и отвода охладителя, представленные на фиг.6, 7. Конфигурация, расположение и количество шипов 18 или трубок могут быть определены в ходе численного эксперимента или эмпирически.
Конструкция заявляемого устройства является облегченной по массово-габаритным характеристикам. Это достигается за счет того, что на кристалле выращены шипы из монокристаллов, кристалл закрыт герметичной крышкой (в отличие от прототипа, который содержит ребра охлаждения, крышку, которой закрывают кристалл с ребрами охлаждения, и верхнюю крышку с входным и выходным каналами соответственно для входа и выхода охладителя).
Таким образом, заявляемое устройство по сравнению с аналогичными техническими решениями в данной области техники позволяет устранить термическое сопротивление от кристаллов полупроводников, выделяющих при работе тепловую энергию, и снизить массово-габаритные характеристики устройства за счет упрощения конструкции.
Источник информации
1. Патент RU №2332818 «Охлаждающее устройство для элементов электроники», авторы: В.Г.Пастухов, Ю.Ф.Майданик, В.А.Кожин, МПК Н05K 7/20, F28D 15/02.
http://www.zurich.ibm.com/news/08/3D cooling.html.
3. Jae-Mo Koo, Sungjun Im, Linan Jiang Integrated microchannel cooling for three-dimensional electronic circuit architectures / Journal of heat transfer 2005, ASME, January vol.127, p.49-58.
4. http://www.zurich.ibm.com/st/cooling/convective.html.
5. Патент RU №51441 «Устройство охлаждения электронных компонентов», авторы: И.Г.Дроздов, Н.Н.Кожухов, Н.В.Мозговой, Д.П.Шматов, МПК H01L 23/34.
6. Патент US №6988534 В2, «Method and apparatus for flexible fluid delivery for cooling desired hot spots in a heat producing device», авторы: Thomas W.Kenny, M.Munch, P.Zhou, J.Gil Shook, G.Upadhya, K.Goodson, D.Corbin, Int. Cl. F28F 7/00.
7. Небольсин В.А., Долгачев А.А., Дунаев А.И., Завалишин М.А. Об общих закономерностях роста микро- и наноразмерных нитевидных кристаллов кремния // Известия РАН. Сер. физическая. 2008. Т.72. 9. С.1285-1288.