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Dokumentenidentifikation DE112005001952T5 31.05.2007
Titel Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle für eine integrierte Schaltvorrichtung
Anmelder Intel Corporation, Santa Clara, Calif., US
Erfinder Sauciuc, Ioan, Phoenix, Ariz., US;
Chrysler, Gregory, Chandler, Ariz., US
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 28209 Bremen
DE-Aktenzeichen 112005001952
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 20.07.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/US2005/025815
WO-Veröffentlichungsnummer 2006020332
WO-Veröffentlichungsdatum 23.02.2006
Date of publication of WO application in German translation 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse H01L 23/373(2006.01)A, F, I, 20070308, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 23/42(2006.01)A, L, I, 20070308, B, H, DE   H01L 23/473(2006.01)A, L, I, 20070308, B, H, DE   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft allgemein das Packaging eines integrierten Schaltungschips und insbesondere eine Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle für eine integrierte Schaltungsvorrichtung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In 1 ist eine herkömmliche, in einem Gehäuse angeordnete integrierte Schaltungsvorrichtung (IC-Vorrichtung) 100 veranschaulicht. Die IC-Vorrichtung 100 umfasst einen Chip 110, der auf einem Substrat 120 angeordnet ist, wobei dieses Substrat häufig als das "Gehäusesubstrat" bezeichnet wird. Der Chip 110 kann einen Mikroprozessor, einen Netzwerkprozessor oder eine andere Verarbeitungsvorrichtung umfassen. Der Chip 110 kann z. B. unter Verwendung einer Controlled-Collapse-Chip-Connection-Montagetechnik (oder "C4"-Montagetechnik) mit dem Substrat gekoppelt werden, wobei mehrere Zuleitungen oder Kontaktierflächen an dem Chip 110 durch eine Anordnung von Verbindungselementen 130 (z. B. Lötperlen, Lötsäulen usw.) mit entsprechenden mehreren Zuleitungen oder Kontaktflächen auf dem Substrat 120 elektrisch verbunden werden. Eine Schaltungsanordnung auf dem Gehäusesubstrat 120 leitet wiederum die Chip-Zuleitungen zu Orten auf dem Substrat 120, wo elektrische Verbindungen mit einer Komponente der nächsten Ebene (z. B. einer Grundplatine, einem Computersystem, einer Leiterplatte, einer weiteren IC-Vorrichtung usw.) hergestellt werden können. Zum Beispiel kann die Substratschaltungsanordnung alle Signalleitungen zu einer Pin-Grid-Anordnung 125 – oder alternativ zu einer Ball-Grid-Anordnung – leiten, die auf einer unteren Oberfläche des Gehäusesubstrats 120 ausgebildet ist. Die Pin-Grid-Anordnung (oder die Ball-Grid-Anordnung) koppelt daraufhin den Chip elektrisch mit der Komponente der nächsten Ebene, die eine passende Anordnung von Anschlüssen (z. B. Anschlussstiftfassungen, Kontaktierflächen usw.) umfasst.

Während des Betriebs der IC-Vorrichtung 100 kann durch den Chip 110 erzeugte Wärme den Chip beschädigen, falls diese Wärme nicht von dem Chip fortgeleitet oder auf andere Weise abgeführt wird. Um Wärme von dem Chip 110 zu entfernen, kann der Chip 110 über eine Anzahl wärmeleitender Komponenten einschließlich einer ersten Wärmeschnittstelle 140, eines Wärmeverteilers 150 und einer zweiten Wärmeschnittstelle 160 schließlich mit einer Wärmesenke 170 gekoppelt sein. Eine Wärmeschnittstelle (thermal interface) ist allgemein eine Komponente, die kleine Vertiefungen und andere Oberflächenunregelmäßigkeiten an zwei festen Gegenflächen ausfüllt und ferner zwischen diesen Gegenflächen einen wärmeleitenden Pfad bereitstellt, sodass die zwei festen Oberflächen thermisch verbunden sind. Eine typische Wärmeschnittstelle umfaßt eine Schicht eines leitenden Materials wie etwa eines Lötmittels oder einer Wärmeleitpaste.

Die erste Wärmeschnittstelle 140 ist mit einer oberen Oberfläche des Chips 110 gekoppelt, wobei diese Wärmeschnittstelle Wärme von dem Chip und zu dem Wärmeverteiler 150 leitet. Der Wärmeverteiler 150 leitet in sich selbst Wärme seitlich, um die Wärme von dem Chip 110 seitlich nach außen "zu verteilen", und der Wärmeverteiler 150 leitet die Wärme außerdem zu der zweiten Wärmeschnittstelle 160. Die zweite Wärmeschnittstelle 160 leitet die Wärme zur Wärmesenke 170, die die Wärme an die Umgebung überträgt. Die Wärmesenke 170 kann mehrere Rippen 172 oder andere ähnliche Elemente umfassen, die einen vergrößerten Oberflächenbereich bereitstellen, um die Konvektion der Wärme an die Umgebungsluft zu erleichtern. Außerdem kann die IC-Vorrichtung 100 ein Dichtungselement 180 umfassen, um den Chip 110 gegenüber der Betriebsumgebung abzudichten, wobei das Dichtungselement 180 und der Wärmeverteiler 150 eine integrierte Kappe oder ein integriertes Gehäuse für den Chip 110 umfassen können.

Die Wärmesenke 170, der Wärmeverteiler 150 und die erste und die zweite Wärmeschnittstellenvorrichtung 140, 160 bilden gemeinsam ein Kühlsystem für den Chip 110. Die Leistungsabgabe von Mikroprozessoren und anderen Verarbeitungsvorrichtungen nimmt allgemein mit jeder Entwurfsgeneration zu, da die Betriebsfrequenzen dieser Vorrichtungen nach oben angehoben werden. Außerdem können die Entwurfs- und Betriebsbedingungen für einen Chip zu "heißen Flecken" (“hot spots") auf dem Chip führen, wo die örtliche Temperatur wesentlich höher als in Umgebungsgebieten auf dem Chip ist, und ein Scheitern einer ausreichenden Entnahme von Wärme von solchen heißen Flecken kann zur Beschädigung und/oder zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Chips führen. Somit wird der Wärmeleistungsfähigkeit von Chip-Kühlsystemen in zukünftigen Generationen von IC-Vorrichtungen zunehmende Bedeutung zukommen, und die für diese Vorrichtungen erforderliche Wärmeleistungsfähigkeit kann an die Grenzen des in 1 veranschaulichten herkömmlichen Kühlsystems stoßen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Querschnittsaufrissansicht einer herkömmlichen integrierten Schaltungsvorrichtung veranschaulicht.

2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform einer integrierten Schaltungsvorrichtung mit einer Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle veranschaulicht.

3 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens des Kühlens eines integrierten Schaltungschips mit einer Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle veranschaulicht.

4A ist ein schematisches Diagramm, das eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer integrierten Schaltungsvorrichtung veranschaulicht, die eine Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle umfasst.

4B ist ein schematisches Diagramm, das einen Querschnitt der integrierten Schaltungsvorrichtung aus 4A längs der Linie B-B aus 4A zeigt.

5 ist ein schematisches Diagramm, das eine weitere Ausführungsform einer integrierten Schaltungsvorrichtung veranschaulicht, die eine Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle umfasst.

6A ist ein schematisches Diagramm, das eine Draufsicht einer noch weiteren Ausführungsform einer integrierten Schaltungsvorrichtung veranschaulicht, die eine Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle umfasst.

6B ist ein schematisches Diagramm, das einen Querschnitt der integrierten Schaltungsvorrichtung aus 7A längs der Linie B-B aus 7A zeigt.

7 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle für eine integrierte Schaltungsvorrichtung veranschaulicht.

8 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform eines Computersystems veranschaulicht, das eine Komponente mit einer Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle gemäß einer oder mehreren der offenbarten Ausführungsformen umfassen kann.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine mögliche Lösung zur Erfüllung der Wärmeableitungsanforderungen von Mikroprozessoren und anderen Verarbeitungsvorrichtungen besteht dann, statt Wärmesenken und anderer passiver Wärmeabführkomponenten (oder in Kombination damit) ein aktives Kühlsystem zu nutzen – z.B. ein flüssigkeitsbasiertes Kühlsystem, das sich wenigstens teilweise auf durch die Bewegung eines Arbeitsfluids initiierte konvektive Wärmeübertragung stützt. Es werden hier Ausführungsformen eines Kühlsystems für eine integrierte Schaltungsvorrichtung (IC-Vorrichtung) – sowie Ausführungsformen eines Verfahrens zum Kühlen einer IC-Vorrichtung – offenbart, wobei das Kühlsystem eine Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle umfasst, die zwischen einem Chip und einem Wärmeübertragungselement, wie etwa einem Wärmeverteiler oder einer Wärmesenke, angeordnet ist. Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung einer Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle werden ebenfalls offenbart.

Unter Bezugnahme auf 2 ist darin eine Ausführungsform eines Kühlsystems 200 veranschaulicht, das eine Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle umfasst. Das Kühlsystem 200 ist mit einem IC-Chip 10 gekoppelt. Während des Betriebs des IC-Chips 10 kann der Chip Wärme erzeugen, und das Kühlsystem 200 kann wenigstens einen Teil dieser Wärme ableiten, wie es etwa durch Übertragen von Wärme fort von dem IC-Chip 10 und an die Umgebung erzielt werden kann. Der IC-Chip 10 kann irgendeinen Typ einer integrierten Schaltungsvorrichtung, wie etwa einen Mikroprozessor, einen Netzwerkprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder eine andere Verarbeitungsvorrichtung umfassen.

Das Kühlsystem 200 umfasst ein Wärmeübertragungselement 210. Das Wärmeübertragungselement 210 kann irgendeine Vorrichtung umfassen, die – entweder allein oder in Kombination mit anderen Vorrichtungen – Wärme von dem Chip 10 fort übertragen kann oder auf andere Weise durch den Chip erzeugte Wärme ableiten kann. In einer Ausführungsform umfaßt das Wärmeübertragungselement 210 einen Wärmeverteiler (der wiederum thermisch mit einer Wärmesenke oder mit einer anderen Wärmeableitungsvorrichtung gekoppelt sein kann). In einer weiteren Ausführungsform umfaßt das Wärmeübertragungselement 210 eine Wärmesenke, wie etwa eine Mehrrippen-Wärmesenke, die Wärme an die Umgebung übertragen kann.

Das Wärmeübertragungselement 210 ist thermisch so mit dem IC-Chip 10 gekoppelt, dass zwischen dem Chip und dem Wärmeübertragungselement durch eine geeignete Wärmeübertragungsbetriebsart oder Kombination von Wärmeübertragungsbetriebsarten eine Wärmeübertragung (z. B. Leitung, Konvektion oder eine Kombination davon) stattfinden kann. Um das Wärmeübertragungselement 210 und den IC-Chip 10 thermisch zu koppeln, umfasst das Kühlsystem 200 eine Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle 290. Gemäß einer Ausführungsform umfaßt die Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle 290 ein fließendes Flüssigmetall, das sich durch das Gebiet 295 und/oder innerhalb des Gebiets (region) 295 zwischen dem IC-Chip 10 und dem Wärmeübertragungselement 210 bewegt. Das Flüssigmetall kann durch einen Fluidkreis (fluid circuit), der im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, innerhalb des Wärmeschnittstellengebiets 295 umgewälzt werden. In einer Ausführungsform überträgt die Wärmeschnittstelle 290 Wärme durch eine Kombination aus Leitung (z. B. von einer festen Oberfläche zu dem sich bewegenden Flüssigmetall) und Konvektion (z. B. durch die Bewegung von Flüssigmetall hervorgerufene erzwungene Konvektion) zwischen dem IC-Chip 10 und dem Wärmeübertragungselement 210.

Das Flüssigmetall der Wärmeschnittstelle 290 kann allgemein irgendein Metall oder irgendeine Metalllegierung aufweisen, das/die über den gesamten Betriebsbereich des IC-Chips 10 (es wird angemerkt, dass das untere Ende des Betriebsbereichs wesentlich tiefer als die Zimmertemperatur sein kann) in dem flüssigen Zustand bleiben kann. In einer Ausführungsform umfaßt das Flüssigmetall ein wärmeleitendes Material und in einer weiteren Ausführungsform umfaßt das Flüssigmetall außerdem ein elektrisch leitendes Material. Beispielhaft kann das Flüssigmetall eine Legierung eines oder mehrerer der folgenden Metalle umfassen: Gallium, Indium, Quecksilber, Zinn, Blei, Kupfer, Zink und Wismut (z. B. eine Gallium-Indium-Legierung). Allerdings sind die offenbarten Ausführungsformen selbstverständlich nicht auf die Verwendung von Flüssigmetallen beschränkt, und selbstverständlich liegt ferner eine Wärmeschnittstelle, die ein Nichtmetall-Arbeitsfluid nutzt, im Umfang der offenbarten Ausführungsformen.

In einer Ausführungsform steht das Flüssigmetall in Fluidverbindung mit einer Oberfläche des IC-Chips 10. In einer weiteren Ausführungsform ist auf der Chip-Oberfläche eine Schutzbeschichtung und/oder eine Isolierschicht angeordnet worden, wobei das Flüssigmetall selbstverständlich in Fluidverbindung mit dieser Beschichtung oder Schicht auf der Chip-Oberfläche stehen kann (und der Ausdruck "Fluidverbindung", wie er hier verwendet wird, nicht auf den Fall beschränkt sein soll, in dem ein Fluid in unmittelbarer Fluidverbindung (fluid communication) mit einer Oberfläche des Chips steht). In einer weiteren Ausführungsform steht das Flüssigmetall in Fluidverbindung mit einer Oberfläche des Wärmeübertragungselements 210 (oder mit einer Beschichtung oder mit einer anderen Materialschicht, die über dieser Oberfläche angeordnet ist). In einer noch weiteren Ausführungsform steht das Flüssigmetall sowohl mit einer Oberfläche des Chips als auch mit einer Oberfläche des Wärmeübertragungselements in Fluidverbindung.

Das Kühlsystem 200 umfasst einen Fluidkreis 220, um Flüssigmetall (oder anderes Arbeitsfluid) innerhalb des Wärmeschnittstellengebiets 295 zu bewegen. Allgemein weist der Fluidkreis 220 eine Komponente oder Reihe von Komponenten – z. B. Fluidpumpen, Ventile, Leitungen, Dichtungen usw. – auf, die Flüssigmetall durch das Wärmeschnittstellengebiet 295 bewegen können. In einer Ausführungsform umfaßt der Fluidkreis 220 einen im wesentlichen abgedichteten geschlossenen Fluidkreis (Umlauffluidkreis). Allerdings ist klar, dass ein solches abgedichtetes Umlauffluidsystem einen kleinen Betrag an Leckverlust zeigen kann. In einer alternativen Ausführungsform ist der Fluidkreis 220 kein Fluidsystem mit geschlossenem Kreislauf (wobei z. B. in periodischen Abständen ein Ersatz eines Teils des Arbeitsfluids notwendig sein kann).

In einer Ausführungsform umfasst der Fluidkreis 220 einen Fluidaktuator 230. Der Fluidaktuator 230 umfaßt eine Vorrichtung, wie etwa eine Pumpe, die ein Fluid durch den Fluidkreis 220 und somit innerhalb des Wärmeschnittstellengebiets 295 bewegen kann. Gemäß einer Ausführungsform, in der das Arbeitsfluid ein elektrisch leitendes Flüssigmetall umfaßt, umfaßt der Fluidaktuator 230 eine elektromagnetische Pumpe. Allerdings können mit den offenbarten Ausführungsformen selbstverständlich weitere Arten von Pumpen (z. B. Zahnradpumpen, Membranpumpen usw.) Verwendung finden.

Unter Bezugnahme auf 3 ist darin eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Kühlen eines IC-Chips unter Verwendung einer Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle veranschaulicht, wie es durch das in 2 gezeigte Kühlsystem 200 ausgeführt werden kann. Wie im Block 310 dargelegt ist, wird innerhalb eines Wärmeschnittstellengebiets eine Fluidverbindung zwischen einem Fluidkreis und einer Oberfläche eines IC-Chips bereitgestellt. Das Wärmeschnittstellengebiet verläuft zwischen der Chip-Oberfläche und einem Wärmeübertragungselement, wie etwa einem Wärmeverteiler oder einer Wärmesenke. In Block 320 wird ein Flüssigmetall (oder ein anderes Arbeitsfluid) innerhalb des Fluidkreises durch das Wärmeschnittstellengebiet zwischen der Chip-Oberfläche und dem Wärmeübertragungselement bewegt. Zum Umwälzen des Flüssigmetalls durch den Fluidkreis und durch das Wärmeschnittstellengebiet kann eine Pumpe oder ein anderer Fluidaktuator verwendet werden. In einer Ausführungsform steht der Fluidkreis ebenfalls in Fluidverbindung mit einer Oberfläche des Wärmeübertragungselements. Wie im Block 330 dargelegt ist, wird Wärme von dem IC-Chip und über das Wärmeschnittstellengebiet an das Wärmeübertragungselement übertragen. In einer Ausführungsform findet die Wärmeübertragung über das Wärmeschnittstellengebiet durch eine Kombination aus Konvektion und Leitung statt. Zum Beispiel kann die Wärmeübertragung von der Chip-Oberfläche an das (durch das Wärmeschnittstellengebiet fließende) Flüssigmetall durch Leitung stattfinden, und sobald diese Wärmeenergie in dem sich bewegenden Fluid ist, kann sie durch Konvektion fortgeleitet (und an das Wärmeübertragungselement übertragen) werden.

In den 4A und 4B ist eine Ausführungsform einer IC-Vorrichtung 400 mit einer Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle veranschaulicht. In 4A ist eine Draufsicht der IC-Vorrichtung 400 gezeigt, während 4B eine seitliche Querschnittsansicht der IC-Vorrichtung längs der Linie B-B aus 4A zeigt. Es wird angemerkt, dass zur Erleichterung der Darstellung bestimmte Teile einschließlich einer Wärmesenke (Position 470), einer zweiten Wärmeschnittstelle (Position 460) und eines Wärmeverteilers (Position 450) aus der Ansicht der 4A weggelassen worden sind.

Gemäß 4A und 4B umfasst die IC-Vorrichtung 400 einen Chip 410, der auf einem Gehäusesubstrat 405 angeordnet ist. Der Chip 410 kann einen Mikroprozessor, einen Netzwerkprozessor, einen ASIC oder eine andere Verarbeitungsvorrichtung umfassen. Der Chip 410 kann z. B. unter Verwendung einer C4-Montagetechnik mit dem Substrat gekoppelt werden, wobei eine Anzahl von Zuleitungen oder Kontaktierflächen an dem Chip durch eine Anordnung von Verbindungselementen 412 (z. B. Lötperlen, Lötsäulen usw.) mit einer entsprechenden Anzahl von Zuleitungen oder Kontaktflächen an dem Substrat 405 elektrisch verbunden wird. Die Schaltungsanordnung auf dem Gehäusesubstrat 405 leitet wiederum die Chip-Zuleitungen zu Orten auf dem Substrat, wo elektrische Verbindungen mit einer Komponente der nächsten Ebene (z. B. einer Grundplatine, einem Computersystem, einer Leiterplatte, einer weiteren IC-Vorrichtung usw.) hergestellt werden können. Zum Beispiel kann die Substratschaltungsanordnung alle Signalleitungen zu einer Ball-Grid-Anordnung 407 – oder alternativ zu einer Pin-Grid-Anordnung – leiten, die auf einer unteren Oberfläche des Gehäusesubstrats 405 ausgebildet ist. Die Ball-Grid-Anordnung (oder die Pin-Grid-Anordnung) koppelt daraufhin elektrisch den Chip mit der Komponente der nächsten Ebene, die eine passende Anordnung von Anschlüssen (z. B. Anschlussstiftfassungen, Kontaktierflächen usw.) umfasst.

Mit dem Chip 410 ist eine Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle 490 gekoppelt, die wiederum mit einem Wärmeverteiler 450 gekoppelt ist. Der Wärmeverteiler 450 ist mit einer zweiten Wärmeschnittstelle 460 gekoppelt, und mit der zweiten Wärmeschnittstelle 460 ist eine Wärmesenke 470 (oder eine andere passive oder aktive Wärmeableitungsvorrichtung) gekoppelt. Die Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle 490, die im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, überträgt Wärme von dem Chip 410 an den Wärmeverteiler 450. Der Wärmeverteiler 450 kann Wärme seitlich in sich selbst leiten, um die Wärme von dem Chip 410 seitlich nach außen zu "verteilen", wobei der Wärmeverteiler 450 Wärme außerdem zu der zweiten Wärmeschnittstelle 460 leiten kann. Die zweite Wärmeschnittstelle 460 leitet Wärme zu der Wärmesenke 170, die Wärme an die Umgebung übertragen kann.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Wärmesenke 470 mehrere Rippen 472 oder andere ähnliche Elemente, die einen vergrößerten Oberflächenbereich bereitstellen, um die Konvektion von Wärme an die Umgebungsluft zu erleichtern. Allerdings sind die offenbarten Ausführungsformen selbstverständlich weder auf die Verwendung eines Mehrrippen-Wärmeaustauschers noch auf die letztendliche Ableitung von Wärme an die Umgebungsluft beschränkt. Zum Beispiel kann in einer weiteren Ausführungsform eine aktive Kühlvorrichtung (z.B. eine flüssigkeitsgekühlte Platte oder ein Kältesystem) mit dem Wärmeverteiler 450 über die zweite Wärmeschnittstelle 460 gekoppelt sein. Die durch das Flüssigmetall getragene Wärme würde dann an das aktive Kühlsystem (das ein Arbeitsfluid umfassen kann) abgeführt, und das aktive Kühlsystem kann die Wärme danach wegtransportieren.

Die Flüssigmetall-Schnittstelle 490 überträgt Wärme von dem Chip 410 über ein Wärmeschnittstellengebiet 495 an den Wärmeverteiler 450. In einer Ausführungsform findet die Übertragung von Wärme über das Wärmeschnittstellengebiet durch eine Kombination aus Leitung (z. B. von der Chip-Oberfläche 418 zu dem Flüssigmetall) und Konvektion (z. B. erzwungene Konvektion, die durch das sich bewegende Flüssigmetall ausgeführt wird) statt. Die Fähigkeit der Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle 490 zum Übertragen von Wärme weg von dem Chip 410 und zu dem Wärmeverteiler 450 (oder an ein anderes Wärmeübertragungselement) kann von der Wärmeleitfähigkeit des Flüssigmetalls und von der Geschwindigkeit des Flüssigmetalls beim Fließen durch das Wärmeschnittstellengebiet 495 abhängen. Zum Beispiel kann die Geschwindigkeit des durch das Wärmeschnittstellengebiet fließenden Flüssigmetalls niedrig sein, um die Chip-Oberfläche 418 innerhalb eines gegebenen Temperaturbereichs zu halten, falls das Flüssigmetall ein "guter" Wärmeleiter ist. Umgekehrt kann es notwendig sein, dass die Geschwindigkeit des Flüssigmetalls verhältnismäßig höher ist, um die Chip-Oberfläche innerhalb des gegebenen Temperaturbereichs zu halten, falls das Flüssigmetall ein verhältnismäßig "schlechter" Wärmeleiter ist.

Um ein Flüssigmetall (oder ein anderes Arbeitsfluid) durch das Wärmeschnittstellengebiet 495 zu bewegen, sowie, um das Flüssigmetall aufzunehmen, kann die IC-Vorrichtung 400 ferner einen Fluidkreis 420 umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann der Fluidkreis 420 einen im Wesentlichen abgedichteten Umlauffluidkreis aufweisen. In einer Ausführungsform umfasst der Fluidkreis 420 einen Einlass 421, der sich zu einer Fluidkammer 422 mit einem Auslass 423 öffnet. Außerdem umfasst der Fluidkreis 420 eine Rückleitung 424 mit einem Ende in Fluidverbindung mit dem Kammerauslass 423 und mit einem entgegengesetzten Ende, das mit einem Fluidaktuator 430 gekoppelt ist. Der Fluidaktuator 430 ist wiederum mit dem Einlass 421 der Kammer 422 gekoppelt. Somit können der Fluidaktuator 430, der Einlass 421, die Kammer 422, der Auslass 423 und die Rückleitung 424 einen Umlauffluidkreis umfassen.

Das Wärmeschnittstellengebiet 495 ist allgemein durch die Fluidkammer 422 definiert oder darin enthalten. In einer Ausführungsform ist die Fluidkammer 422 so bemessen, dass sie einen Außenumfang 416 (und eine Oberfläche 418) des Chips 410 einschließt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Fluidkammer 422 durch eine Oberfläche 418 des Chips 410, durch die Wände eines Gehäuses 440 und durch eine Oberfläche 458 des Wärmeverteilers 450 definiert. Das Gehäuse 440 kann aus einem geeigneten Material einschließlich Kunststoffen und Metallen (z. B. Kupfer) konstruiert sein. Das Gehäuse 440 kann unter Verwendung eines geeigneten Verbindungsverfahrens und/oder einer geeigneten Verbindungsvorrichtung an dem Chip 410 befestigt sein. Beispielhaft kann das Gehäuse 440 unter Verwendung eines Epoxidharzes oder eines Lötmittels an dem Chip 410 befestigt sein. In einer Ausführungsform ist zwischen dem Chip 410 und dem Gehäuse 440 um einen Umfang (perimeter) 416 des Chips eine Fluiddichtung ausgebildet. Ähnlich kann ein geeignetes Verbindungsverfahren und/oder eine geeignete Verbindungsvorrichtung genutzt werden, um das Gehäuse 440 an dem Wärmeverteiler 450 zu befestigen. Zum Beispiel kann das Gehäuse 440 unter Verwendung eines Epoxidharzes oder eines Lötmittels an dem Wärmeverteiler 450 befestigt sein. In einer Ausführungsform ist zwischen dem Wärmeverteiler 450 und dem Gehäuse 440 um einen Umfang (perimeter) 456 des Wärmeverteilers eine Fluiddichtung ausgebildet. Der Wärmeverteiler 450 kann aus irgendeinem geeigneten leitenden Material (z. B. aus Kupfer, aus einem Verbundmaterial usw.) konstruiert sein. In der Ausführungsform der 4A4B steht das Flüssigmetall innerhalb der Fluidkammer 422 in Fluidverbindung mit der Oberfläche 418 des Chips 410 sowie mit der Oberfläche 458 des Wärmeverteilers 450.

Die Rückleitung 424 kann durch irgendeinen geeigneten Flussweg (flow path) gebildet werden. In einer Ausführungsform weist die Rückleitung 424 eine Leitung 480 auf, die aus einem geeigneten Rohr oder aus einem geeigneten Schlauch konstruiert ist. Die Leitung 480 kann aus irgendeinem geeigneten Material, einschließlich Kunststoffen oder Metallen, ausgebildet sein. In einer Ausführungsform ist die Leitung 480 (z. B. als ein einzelnes Spritzgussteil, das aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist) einteilig mit dem Gehäuse 440 ausgebildet. Die Leitung 480 kann unter Verwendung irgendwelcher geeigneter Verbindungsverfahren und/oder -vorrichtungen wie etwa Tiefziehtechniken (swaging techniques), Verbundprozessen (z. B. Epoxidharzbinden oder Löten) oder Gewindearmaturen (tapped fittings) mit dem Gehäuse 440 (falls sie nicht einteilig damit ist) und mit dem Fluidaktuator 430 gekoppelt sein.

Der Fluidaktuator 430 kann irgendeine Vorrichtung umfassen, die Flüssigmetall innerhalb des Fluidkreises 420 und durch die Fluidkammer 422 umwälzen kann. In einer Ausführungsform, in der das Flüssigmetall elektrisch leitend ist, kann der Fluidaktuator 430 eine elektromagnetische Pumpe umfassen. Allerdings kann der Fluidaktuator gemäß weiteren Ausführungsformen einen anderen Typ einer Pumpe oder Vorrichtung (z. B. eine Zahnradpumpe, eine Membranpumpe usw.) umfassen. Der Fluidaktuator 430 kann unter Verwendung irgendwelcher geeigneter Verbindungsverfahren und/oder -vorrichtungen wie etwa Tiefziehtechniken, Verbundprozessen (z. B. Epoxidharzbinden oder Löten) oder Gewindearmaturen mit der Leitung 480 und mit dem Einlass 421 gekoppelt sein (es wird angemerkt, dass ein Abschnitt des Rohrs oder Schlauchs zwischen dem Fluidaktuator 430 und dem Kammereinlass 421 verlaufen kann). In einer Ausführungsform wird der Fluidaktuator 430 durch die Verbindungen des Aktuators mit der Leitung 480 und mit dem Kammereinlass 421 des Gehäuses 440 an Ort und Stelle gehalten. In einer weiteren Ausführungsform ist der Fluidaktuator 430 auf dem Gehäusesubstrat 405 angeordnet und in einer weiteren Ausführungsform ist der Fluidaktuator 430 innerhalb des Gehäusesubstrats 405 ausgebildet oder konstruiert.

In einer Ausführungsform umfaßt das Flüssigmetall innerhalb des Fluidkreises 420 irgendein Metall (oder irgendein anderes Fluid), das über den gesamten Betriebstemperaturbereich der IC-Vorrichtung 400 in dem flüssigen Zustand bleibt. Gemäß einer Ausführungsform ist das Flüssigmetall wärmeleitend und in einer weiteren Ausführungsform ist das Flüssigmetall außerdem elektrisch leitend. Beispielhaft kann das Flüssigmetall eine Legierung irgendeines oder mehrerer der folgenden Metalle aufweisen: Gallium, Indium, Quecksilber, Zinn, Blei, Kupfer, Zink und Wismut (z. B. eine Gallium-Indium-Legierung). In einer Ausführungsform ist die Menge an Flüssigmetall in dem Fluidkreis 420 ausreichend, um die Fluidkammer 422 (sowie den Einlass und den Auslass 421, 423) und die Rückleitung 424 im Wesentlichen zu füllen (d. h., es gibt im Wesentlichen keine Luft innerhalb des Fluidkreises 420, obgleich in anderen Ausführungsformen Luft oder ein anderes Gas innerhalb des Fluidkreises 420 vorhanden sein kann).

Im Betrieb wird Flüssigmetall (oder anderes Arbeitsfluid) durch den Fluidaktuator 430 innerhalb des Fluidkreises 420 umgewälzt (circulated). Das Flüssigmetall tritt durch den Einlass 421 in die Fluidkammer 422 und in das Wärmeschnittstellengebiet 495 ein. Wenn das Flüssigmetall in der Kammer 422 ist, kann es über die Oberfläche 418 des Chips 410 sowie über die Oberfläche 458 des Wärmeverteilers 458 fließen. Aufgrund von Wärmeleitung von der Chip-Oberfläche 418 zu dem Flüssigmetall und ferner wegen der durch Bewegung des Flüssigmetalls über die gegenüberliegenden Oberflächen 418, 458 initiierten Konvektion wird Wärme von dem Chip 410 fort und zu dem Wärmeverteiler 450 übertragen. Es wird angemerkt, dass das Flüssigmetall gekühlt werden kann, während das Flüssigmetall Wärme an den Wärmeverteiler 450 überträgt. Das durch das Schnittstellengebiet 495 (und durch die Kammer 422) fließende Flüssigmetall verlässt dieses Gebiet durch den Auslass 423, wobei das Flüssigmetall durch die Rückleitung 424 zu dem Fluidaktuator 430 zurück umgewälzt wird.

In 5 ist eine weitere Ausführungsform einer IC-Vorrichtung 500 mit einer Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle 590 veranschaulicht. Die Ausführungsform aus 5 ist ähnlich der oben beschriebenen in den 4A4B gezeigten, wobei gleiche Elemente in 5 das gleiche Bezugszeichen behalten haben. Außerdem wird eine Beschreibung jener Elemente, die zuvor anhand der 4A4B beschrieben wurden, in der folgenden Diskussion von 5 nicht wiederholt.

Wie vorstehend angemerkt wurde, ist die IC-Vorrichtung 500 ähnlich der vorstehend beschriebenen IC-Vorrichtung 400. Allerdings umfasst die IC-Vorrichtung 500 nicht einen Wärmeverteiler oder eine zweite Wärmeschnittstelle. Diese Komponenten sind weggelassen worden, und die Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle 590 ist zwischen dem Chip 410 und der Wärmesenke 470 angeordnet. Der Fluidkreis 420 ist ähnlich dem vorstehend dargelegten; allerdings steht der Fluidkreis in Fluidverbindung mit einer Oberfläche 478 der Wärmesenke 470. Ferner ist die Fluidkammer 422 durch die Oberfläche 418 des Chips 410, durch die Oberfläche 478 der Wärmesenke 470 sowie durch die Wände eines Gehäuses 540 definiert. Das Gehäuse 540 kann aus irgendeinem geeigneten Material (z. B. aus Kunststoffen, Metallen usw.) konstruiert sein, wobei das Gehäuse unter Verwendung irgendwelcher geeigneter Verbindungsverfahren und/oder -vorrichtungen (z. B. Epoxidharz, Lötmittel usw.) um einen Umfang 546 des Gehäuses mit der Wärmesenke 470 – und außerdem um den Umfang 416 des Chips mit dem Chip 410 – gekoppelt ist. Die Kühlung des Chips 410 findet auf ähnliche Weise wie vorstehend beschrieben statt; allerdings überträgt die Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle 590 Wärme von dem Chip 410 direkt an die Wärmesenke 470. Die Ausführungsform aus 5 kann (im Vergleich zu der Ausführungsform der 4A4B) sowohl effizienter als auch kostengünstiger sein. Die offenbarten Ausführungsformen sind erneut nicht auf die Verwendung eines Mehrrippen-Wärmeaustauschers oder anderer passiver Vorrichtungen beschränkt, und die Wärmesenke 470 kann durch ein aktives Kühlsystem (z. B. durch eine flüssigkeitsgekühlte Platte, durch den Verdampfer eines Kältesystems usw.) ersetzt sein.

In den 6A und 6B ist eine weitere Ausführungsform einer IC-Vorrichtung 600 mit einer Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle 690 veranschaulicht. In 6A ist eine Draufsicht der IC-Vorrichtung 600 gezeigt, während 6B eine seitliche Querschnittsansicht der IC-Vorrichtung längs der Linie B-B aus 6A zeigt. Es wird angemerkt, dass zur Erleichterung der Darstellung bestimmte Teile einschließlich einer Wärmesenke (Position 470), einer zweiten Wärmeschnittstelle (Position 460) und einer oberen Wand (Position 650) eines Gehäuses (Position 640) aus der Ansicht von 6A weggelassen worden sind.

Die Ausführungsform der 6A6B ist ähnlich der vorstehend beschriebenen in den 4A4B gezeigten, wobei gleiche Elemente in den 6A6B die gleichen Bezugszeichen behalten haben. Außerdem wird eine Beschreibung jener Elemente, die zuvor anhand der 4A4B beschrieben worden sind, in der folgenden Diskussion der 6A6B nicht wiederholt.

Wie vorstehend angemerkt wurde, ist die IC-Vorrichtung 600 ähnlich der vorstehend beschriebenen IC-Vorrichtung 400. Allerdings umfasst die IC-Vorrichtung 600 keinen getrennten Wärmeverteiler. Statt dessen umfasst ein Gehäuse 640 – das teilweise die Fluidkammer 422 definiert – eine obere Wand 650, wobei diese obere Wand 650 des Gehäuses 640 unmittelbar mit der zweiten Wärmeschnittstelle 460 gekoppelt ist. Im Wesentlichen funktioniert die obere Wand 650 des Gehäuses 640 als ein Wärmeverteiler, wobei die Fluidkammer 422 durch die Wände des Gehäuses 640 und durch die obere Oberfläche 418 des Chips 410 definiert ist. Der Fluidkreis 420 ist ähnlich dem vorstehend dargelegten; allerdings steht der Fluidkreis in Fluidverbindung mit einer inneren Oberfläche 658 der oberen Gehäusewand 650, und Flüssigmetall überträgt innerhalb der Fluidkammer 422 Wärme von dem Chip 410 an die obere Gehäusewand 650 (die, wie vorstehend angemerkt wurde, als ein Wärmeverteiler wirken kann).

Das Gehäuse 640 kann aus irgendeinem geeigneten Material oder aus irgendeiner geeigneten Kombination von Materialien konstruiert sein. Wenigstens die obere Gehäusewand 650 ist aus einem wärmeleitenden Material (z. B. Kupfer) konstruiert, wobei aber andere Abschnitte des Gehäuses 640 aus nicht wärmeleitenden Materialien (z. B. aus Kunststoffen) konstruiert sein können. Zum Beispiel könnte die obere Gehäusewand 650 aus Kupfer (oder aus einem anderen wärmeleitenden Metall) konstruiert sein und der Rest des Gehäuses 640 aus einem Spritzgusskunststoff konstruiert sein (wobei zum Formen des Kunststoffmaterials über dem Kupfermaterial ein Überspritzprozess (overmolding process) verwendet werden kann). Allerdings kann in weiteren Ausführungsformen das gesamte Gehäuse aus einem wärmeleitenden Material wie etwa Kupfer oder aus einem Verbundmaterial konstruiert sein.

In einer nochmals weiteren Ausführungsform, die ebenfalls in den 6A6B veranschaulicht ist, kann der Rückweg 424 (oder ein Abschnitt des Rückwegs) einteilig mit dem Gehäuse 640 ausgebildet sein. Wie in 6A gezeigt ist, kann z. B. der Rückweg 424 durch eine Leitung 680 gebildet werden, die als Teil des Gehäuses 640 ausgebildet ist. Der Fluidaktuator 430 kann unter Verwendung geeigneter Verbindungsverfahren und/oder -vorrichtungen, wie etwa Tiefziehtechniken, Verbundprozessen (z. B. Epoxidharzbinden oder Löten) oder Gewindearmaturen, mit der Leitung 680 (und mit dem Einlass 421 am Gehäuse 640) gekoppelt sein.

Anhand von 7 ist nun eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle für eine IC-Vorrichtung veranschaulicht. Wie im Block 710 dargelegt ist, wird ein Fluidkreis mit einem IC-Chip gekoppelt, wobei der Fluidkreis in Fluidverbindung mit einer Oberfläche des Chips steht. In einer Ausführungsform weist der Fluidkreis einen im Wesentlichen abgedichteten Umlauffluidkreis auf. In Block 720 wird ein Wärmeübertragungselement thermisch mit dem Fluidkreis gekoppelt, wobei zwischen der Chip-Oberfläche und dem Wärmeübertragungselement ein Wärmeschnittstellengebiet ausgebildet wird. Gemäß einer Ausführungsform steht eine Oberfläche des Wärmeübertragungselements ebenfalls in Fluidverbindung mit dem Fluidkreis. In einer Ausführungsform umfaßt das Wärmeübertragungselement einen Wärmeverteiler, während das Wärmeübertragungselement in einer weiteren Ausführungsform eine Wärmesenke umfaßt. Wie im Block 730 dargelegt ist, wird ein Fluidaktuator (z. B. eine elektromagnetische Pumpe oder ein anderer Pumpentyp) mit dem Fluidkreis gekoppelt. Anhand des Blocks 740 wird in dem Fluidkreis eine Menge eines Flüssigmetalls angeordnet, wobei das Flüssigmetall innerhalb des Fluidkreises und durch das Wärmeschnittstellengebiet (z. B. unter der Wirkung des Fluidaktuators) umgewälzt werden soll. In einer Ausführungsform ist das Flüssigmetall wärmeleitend und in einer weiteren Ausführungsform ist das Flüssigmetall außerdem elektrisch leitend.

Eine Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle – z. B. eine Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle, wie sie in irgendeiner oder in mehreren der 2 bis 7 offenbart ist – kann für eine verbesserte Kühlung sorgen. Es wird davon ausgegangen, dass die Temperaturen unter Verwendung einer Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle (im Vergleich zu einer IC-Vorrichtung mit einer herkömmlichen Wärmeschnittstelle zwischen dem Chip und dem Wärmeverteiler) in der Größenordnung von 20 °C oder mehr verringert werden können. Ferner wird angenommen, dass eine derartige Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle eine ungleichförmige Leistungsverteilung auf einem Chip (z. B. heiße Flecken) kompensieren kann. Allerdings können die offenbarten Flüssigmetall-Wärmeschnittstellen gleichzeitig ohne irgendeine Änderung an dem Chip und ferner in einer Weise, die mit momentanen Formfaktoren verträglich ist, realisiert werden. Außerdem erfordern die offenbarten Flüssigmetall-Wärmeschnittstellen keinen Betrieb unter einem Unterdruck. Außerdem kann ein elektrisch leitendes Flüssigmetall unter Verwendung einer elektromagnetischen Pumpe bewegt werden, die keine beweglichen Teile aufzuweisen braucht und sehr klein sein kann.

Unter Bezugnahme auf 8 ist eine Ausführungsform eines Computersystems 800 veranschaulicht. Das Computersystem 800 umfasst einen Bus 805, mit dem verschiedene Komponenten gekoppelt sind. Der Bus 805 soll eine Sammlung eines oder mehrerer Busse – z. B. eines Systembusses, eines Peripheral-Component-Interface-Busses (PCI-Busses), eines Small-Computer-System-Interface-Busses (SCSI-Busses) usw. – repräsentieren, die die Komponenten des Systems 800 miteinander verbinden. Die Darstellung dieser Busse als ein einzelner Bus 805 ist zur Erleichterung des Verständnisses gegeben, und das System 800 ist selbstverständlich nicht darauf beschränkt. Für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ist klar, dass das Computersystem 800 irgendeine geeignete Busarchitektur haben kann und irgendeine Anzahl und Kombination von Bussen umfassen kann.

Mit dem Bus 805 ist eine Verarbeitungsvorrichtung (oder sind Verarbeitungsvorrichtungen) 810 gekoppelt. Die Verarbeitungsvorrichtung 810 kann irgendeine geeignete Verarbeitungsvorrichtung oder irgendein geeignetes Verarbeitungssystem einschließlich eines Mikroprozessors, eines Netzwerkprozessors, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder einer feldprogrammierbaren Gatteranordnung (FPGA) oder einer ähnlichen Vorrichtung aufweisen. Obgleich 8 eine einzelne Verarbeitungsvorrichtung 810 zeigt, kann das Computersystem 800 selbstverständlich zwei oder mehr Verarbeitungsvorrichtungen umfassen.

Außerdem umfasst das Computersystem 800 einen mit dem Bus 805 gekoppelten Systemspeicher 820, wobei der Systemspeicher 820 z. B. irgendeinen geeigneten Typ und irgendeine geeignete Anzahl von Speichern wie etwa einen statischen Schreib-Lese-Speicher (SRAM), einen dynamischen Schreib-Lese-Speicher (DRAM), einen synchronen DRAM (SDRAM) oder einen DRAM mit doppelter Datenrate (DDRDRAM) umfasst. Während des Betriebs des Computersystems 800 können in dem Systemspeicher 820 ein Betriebssystem und andere Anwendungen resident sein.

Ferner kann das Computersystem 800 einen mit dem Bus 805 gekoppelten Nur-Lese-Speicher (ROM) 830 umfassen. Während des Betriebs kann der ROM 830 temporäre Anweisungen und Variablen für die Verarbeitungsvorrichtung 810 speichern. Außerdem kann das System 800 eine (oder mehrere) mit dem Bus 805 gekoppelte Speicherungsvorrichtung(en) 840 umfassen. Die Speicherungsvorrichtung 840 weist irgendeinen geeigneten nichtflüchtigen Speicher wie etwa z. B. ein Festplattenlaufwerk auf. In der Speicherungsvorrichtung 840 können das Betriebssystem und weitere Programme gespeichert sein. Ferner kann mit dem Bus 805 eine Vorrichtung 850 zum Zugreifen auf Wechselspeichermedien (z. B. auf ein Diskettenlaufwerk oder auf ein CD-ROM-Laufwerk) gekoppelt sein.

Außerdem kann das Computersystem 800 eine oder mehrere mit dem Bus 805 gekoppelte E/A-Vorrichtungen (Eingabe/Ausgabe-Vorrichtungen) 860 umfassen. Übliche Eingabevorrichtungen umfassen Tastaturen, Zeigevorrichtungen wie etwa eine Maus sowie weitere Dateneingabevorrichtungen, während übliche Ausgabevorrichtungen Videoanzeigen, Druckvorrichtungen und Audioausgabevorrichtungen umfassen. Es ist klar, dass diese nur wenige Beispiele der Typen von E/A-Vorrichtungen sind, die mit dem Computersystem 800 gekoppelt sein können.

Ferner kann das Computersystem 800 eine mit dem Bus 805 gekoppelte Netzwerkschnittstelle 870 aufweisen. Die Netzwerkschnittstelle 870 umfaßt irgendeine geeignete Hardware, Software oder Kombination aus Hardware und Software, die das System 800 mit einem Netzwerk koppeln kann (z. B. eine Netzwerkschnittstellenkarte). Die Netzwerkschnittstelle 870 kann über irgendein geeignetes Medium – z. B. drahtlos, über Kupferdraht, über Glasfaser oder eine Kombination davon – das den Austausch von Informationen über irgendein geeignetes Protokoll – z. B. über TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), HTTP (Hypertext Transmission Protocol) sowie über andere – unterstützt, eine Übertragungsstrecke mit dem Netzwerk (oder mit den Netzwerken) aufbauen.

Selbstverständlich soll das in 8 veranschaulichte Computersystem 800 eine beispielhafte Ausführungsform eines solchen Systems repräsentieren, wobei dieses System ferner selbstverständlich viele zusätzliche Komponenten umfassen kann, die zur Klarheit und Leichtigkeit des Verständnisses weggelassen worden sind. Beispielhaft kann das System 800 einen DMA-Controller (Direktspeicherzugriffs-Controller), einen der Verarbeitungsvorrichtung 810 zugeordneten Chip-Satz, zusätzlichen Speicher (z. B. einen Cache-Speicher) sowie zusätzliche Signalleitungen und Busse umfassen. Außerdem braucht das Computersystem 800 selbstverständlich nicht alle der in 8 gezeigten Komponenten zu umfassen.

In einer Ausführungsform umfasst das Computersystem 800 eine Komponente mit einer Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle gemäß irgendeiner oder mehreren der offenbarten Ausführungsformen. Zum Beispiel kann die Verarbeitungsvorrichtung 810 des Systems 800 eine Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle umfassen. Allerdings können selbstverständlich weitere Komponenten des Systems 800 (z. B. die Netzwerkschnittstelle 870 usw.) eine Vorrichtung mit einer Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle gemäß den offenbarten Ausführungsformen umfassen.

Die vorstehende ausführliche Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen sind lediglich veranschaulichend und nicht einschränkend. Sie sind hauptsächlich für ein klares und umfassendes Verständnis der offenbarten Ausführungsformen gegeben worden, wobei daraus keine unnötigen Beschränkungen verstanden werden sollen. Von dem Fachmann auf dem Gebiet können zahlreiche Hinzufügungen, Wegnahmen und Änderungen an den hier beschriebenen Ausführungsformen sowie alternative Anordnungen konstruiert werden, ohne von dem Erfindungsgedanken der offenbarten Ausführungsformen und von dem Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Zusammenfassung

Die Erfindung betrifft eine Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle für einen integrierten Schaltungs-Chip. Die Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle kann zwischen dem Chip und einem weiteren Wärmeübertragungselement, wie etwa einem Wärmeverteiler oder einer Wärmesenke, angeordnet sein. Die Flüssigmetall-Wärmeschnittstelle umfasst ein Flüssigmetall in Fluidverbindung mit einer Oberfläche des Chips, wobei das Flüssigmetall, das sich über die Oberfläche bewegt, Wärme von dem Chip an das Wärmeübertragungselement überträgt. Eine Oberfläche des Wärmeübertragungselements kann ebenfalls in Fluidverbindung mit dem Flüssigmetall stehen. Es sind weitere Ausführungsformen beansprucht und offenbart.


Anspruch[de]
Wärmeschnittstelle, die ein Flüssigmetall in Fluidverbindung mit einer Oberfläche eines integrierten Schaltungs-Chips umfaßt, wobei das Flüssigmetall dafür eingerichtet ist, sich über die Chip-Oberfläche zu bewegen und Wärme von dem Chip an ein Wärmeübertragungselement zu übertragen. Wärmeschnittstelle nach Anspruch 1, wobei das Flüssigmetall in Fluidverbindung mit einer Oberfläche des Wärmeübertragungselements steht. Wärmeschnittstelle nach Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungselement einen Wärmeverteiler umfaßt. Wärmeschnittstelle nach Anspruch 1, wobei das Wärmeübertragungselement eine Wärmesenke umfaßt. Vorrichtung, welche umfaßt:

einen integrierten Schaltungs-Chip mit einer Oberfläche;

ein Wärmeübertragungselement; und

eine Wärmeschnittstelle, die zwischen dem Chip und dem Wärmeübertragungselement angeordnet ist, wobei die Wärmeschnittstelle ein Flüssigmetall in Fluidverbindung mit der Chip-Oberfläche umfasst, wobei das Flüssigmetall dafür eingerichtet ist, sich über die Chip-Oberfläche zu bewegen und Wärme von dem Chip an das Wärmeübertragungselement zu übertragen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, die ferner einen Fluidkreis umfaßt, wobei der Fluidkreis dazu eingerichtet ist, das Flüssigmetall durch ein Wärmeschnittstellengebiet zwischen der Chip-Oberfläche und dem Wärmeübertragungselement umzuwälzen. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Fluidkreis einen Fluidaktuator zum Bewegen des Flüssigmetalls umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Flüssigmetall in Fluidverbindung mit einer Oberfläche des Wärmeübertragungselements steht. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Wärmeübertragungselement einen Wärmeverteiler umfaßt. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Wärmeübertragungselement einen Mehrrippen-Wärmetauscher umfaßt. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Wärmeübertragungselement ein aktives Kühlsystem umfaßt. Vorrichtung, welche umfaßt:

eine Fluidkammer mit einem Einlass und mit einem Auslass, wobei eine Wand der Fluidkammer durch eine Oberfläche eines integrierten Schaltungs-Chips definiert ist und eine gegenüberliegende Wand der Fluidkammer mit einem Wärmeübertragungselement thermisch gekoppelt ist;

einen Fluidaktuator, der mit dem Einlass gekoppelt ist;

eine Fluidleitung, die zwischen dem Auslass und dem Fluidaktuator verläuft, wobei die Fluidkammer, der Fluidaktuator und die Fluidleitung einen Fluidkreis zur Verfügung stellen; und

eine Menge eines Flüssigmetalls, die innerhalb des Fluidkreises angeordnet ist, wobei der Fluidaktuator dafür eingerichtet ist, das Flüssigmetall durch den Fluidkreis umzuwälzen;

wobei das durch die Kammer fließende Flüssigmetall Wärme von dem Chip an das Wärmeübertragungselement überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Fluidkreis einen im wesentlichen abgedichteten geschlossenen Fluidkreis umfaßt. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Fluidaktuator eine elektromagnetische Pumpe umfaßt. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Flüssigmetall eine Substanz umfaßt, die ein Metall oder mehrere Metalle umfaßt, das/die aus einer Gruppe ausgewählt ist/sind, die Gallium, Indium, Quecksilber, Zinn, Blei, Kupfer, Zink und Wismut umfaßt. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei eine Oberfläche des Wärmeübertragungselements die gegenüberliegende Wand der Kammer umfaßt und wobei das durch die Kammer fließende Flüssigmetall in Fluidverbindung mit der Oberfläche des Wärmeübertragungselements steht. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Wärmeübertragungselement einen Wärmeverteiler umfaßt. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Wärmeübertragungselement einen Mehrrippen-Wärmetauscher umfaßt. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Wärmeübertragungselement ein aktives Kühlsystem umfaßt. Verfahren, welches umfaßt:

Koppeln eines Fluidkreises mit einem integrierten Schaltungs-Chip, wobei eine Oberfläche des Chips in Fluidverbindung mit dem Fluidkreis steht;

thermisches Koppeln eines Wärmeübertragungselements mit dem Fluidkreis, wobei zwischen der Chip-Oberfläche und dem Wärmeübertragungselement ein Wärmeschnittstellengebiet gebildet wird;

Koppeln eines Fluidaktuators mit dem Fluidkreis; und

Anordnen einer Menge eines Flüssigmetalls in dem Fluidkreis, wobei der Fluidaktuator dafür eingerichtet ist, das Flüssigmetall innerhalb des Fluidkreises und durch das Wärmeschnittstellengebiet umzuwälzen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei eine Oberfläche des Wärmeübertragungselements in Fluidverbindung mit dem Fluidkreis steht. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Fluidkreis einen im wesentlichen abgedichteten geschlossenen Fluidkreis umfaßt. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Wärmeübertragungselement einen Wärmeverteiler umfaßt. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Wärmeübertragungselement eine Wärmesenke umfaßt. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Flüssigmetall eine Substanz umfaßt, die ein Metall oder mehrere Metalle umfasst, das/die aus einer Gruppe ausgewählt wird/werden, die Gallium, Indium, Quecksilber, Zinn, Blei, Kupfer, Zink und Wismut umfaßt. Verfahren, welches umfaßt:

Bewegen eines Flüssigmetalls durch ein Schnittstellengebiet zwischen einer Oberfläche eines integrierten Schaltungs-Chips und einem Wärmeübertragungselement, wobei das Flüssigmetall mit der Chip-Oberfläche in Fluidverbindung steht;

wobei das durch das Schnittstellengebiet fließende Flüssigmetall Wärme von dem integrierten Schaltungs-Chip an das Wärmeübertragungselement überträgt.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Flüssigmetall in Fluidverbindung mit einer Oberfläche des Wärmeübertragungselements steht. Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Wärmeübertragungselement einen Wärmeverteiler umfaßt. Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Wärmeübertragungselement eine Wärmesenke umfaßt. System, welches umfaßt:

einen Speicher; und

eine mit dem Speicher gekoppelte Verarbeitungsvorrichtung, wobei die Verarbeitungsvorrichtung umfasst:

einen integrierten Schaltungs-Chip mit einer Oberfläche,

ein Wärmeübertragungselement, und

eine Wärmeschnittstelle, die zwischen dem Chip und dem Wärmeübertragungselement angeordnet ist, wobei die Wärmeschnittstelle ein Flüssigmetall in Fluidverbindung mit der Chip-Oberfläche umfasst, wobei das Flüssigmetall dafür eingerichtet ist, sich über die Chip-Oberfläche zu bewegen und Wärme von dem Chip an das Wärmeübertragungselement zu übertragen.
System nach Anspruch 30, wobei das Flüssigmetall in Fluidverbindung mit einer Oberfläche des Wärmeübertragungselements steht. System nach Anspruch 30, wobei das Wärmeübertragungselement einen Wärmeverteiler umfaßt. System nach Anspruch 30, wobei das Wärmeübertragungselement eine Wärmesenke umfaßt.






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