Simulation eines zweiphasigen Kühlsystems

[Next]:

Phasenübergänge

[Up]:

Projektbeschreibungen

[Previous]:

Spannungsanalyse einer einkristallinen Waferplatte aus Gallium-Arsenid

[Contents]

[Index]

Simulation eines zweiphasigen Kühlsystems

Bearbeiter: W. Dreyer

Kooperation: F. Rehme, T. Hauck (Motorola Advanced Interconnect Systems Laboratory, München), W. H. Müller (Heriot-Watt University, Edinburgh, Großbritannien)

Förderung: Motorola Advanced Interconnect Systems Laboratory (München)

Beschreibung der Forschungsarbeit: Dies ist eine Studie über die Möglichkeit, die Verdampfungswärme einer siedenden Flüssigkeit zur Kühlung eines Halbleiter-Power-Moduls einzusetzen. Hierzu wird das Powermodul über eine siedende Flüssigkeit mit einem konventionellen Kondensator in Kontakt gebracht.

Der Kühlprozess wird wie folgt modelliert: (i) An der Kontaktfläche zwischen dem Powermodul und der zweiphasigen Flüssigkeit entstehen kleine Dampfblasen. Die hierzu notwendige Energie wird dem Powermodul entzogen, und folglich sinkt dessen Temperatur. (ii) Die Dampfblasen bewegen sich diffusiv zum Kondensator, wo sie wieder in Flüssigkeit zurückverwandelt werden. Die lokale mittlere Geschwindigkeit dieser zweiphasigen Mischung soll null sein.

Das Ziel dieses Modells ist die Herleitung einer effektiven spezifischen Wärme c_Co und einer effektiven Wärmeleitfähigkeit $\kappa _{Co}$ , die beide nur von der Temperatur T abhängen, so dass die Wärmeleitungsgleichung für die zweiphasige Mischung geschrieben werden kann gemäß

$\begin{displaymath} \rho _{Co}c_{C0}\left( T\right) \frac{\partial T}{\partial t... ..._{Co}\left( T\right) \frac{\partial T}{\partial x_{k}}\right) .\end{displaymath}$ (1)

Beispielsweise führt das beschriebene Modell zu der in der Abbildung aufgezeigten Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit. Der Parameter an den Kurven ist das spezifische Volumen der Kühlflüssigkeit $1/\rho _{Co}$ ,welches bei der Herstellung des Kühlaggregats eingestellt werden kann und während des gesamten Kühlprozesses konstant bleibt. Wir haben dem Hersteller somit mehrere entscheidende Fakten geliefert: 1. Die maximal erzielbare Wärmeleitfähigkeit steigt mit wachsendem $1/\rho _{Co}.$ 2. Die Zweiphasenkühlung kann nur bei hinreichend hoher Temperatur optimal ausgenutzt werden, dann aber ist die Wärmeleitfähigkeit erheblich höher als beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, die $400\, \, W/(K m)$ beträgt.

$\begin{figure} \makeatletter \@ZweiProjektbilderNocap[h]{0.45\textwidth}{fig00-7-1.ps}{fig00-7-2.ps} \makeatother\end{figure}$

Die rechte Abbildung zeigt das Resultat einer eindimensionalen Simulation für ein schichtweise aufgebautes Kühlaggregat. Die Schichten stellen von links nach rechts die folgenden Materialien dar: 1. Epoxydharz, 2. Siliziumchip, hier wird die abzuführende Wärmeleistung erzeugt, 3. Lotmaterial, 4. Kupfer und schließlich 5. die Zweiphasenmischung, die in Kontakt mit einem Kondensator steht.

Anfänglich liegt hier eine homogene Temperatur von $320^{\circ}K$ vor, die vom Kondensator während der gesamten Prozessdauer gehalten wird. Die im Chip $500\, \, ms$ lang erzeugte Wärmeleistung beträgt $250\, \, W$ , was kurzzeitig zu einer maximalen Chiptemperatur von $411^{\circ}K$ führt.

Projektliteratur:

W. DREYER, W. H. MÜLLER, Report on the ISAD heat conduction problem, Berlin, Edinburgh, 2000.