CONJUNTO MICROELECTRÓNICO AVANZADO DE DISIPACIÓN DE CALOR Y MÉTODO PARA SU FABRICACIÓN.

Un proceso para fabricar un tubo de disipación de calor, que comprende:

proporcionar una primera materia prima, que tiene un primer volumen, que además comprende unas primeras particulas, que tienen un diámetro medio menor de 30 micras, uniformemente dispersas dentro de un primer aglomerante, ocupando dichas primeras particulas entre el 50 y el 65% de dicho primer volumen;

proporcionar una segunda materia prima, que tiene un segundo volumen, que además comprende unas segundas particulas, que tienen un diámetro medio comprendido entre 40 y 200 micras, uniformemente dispersas dentro de un segundo aglomerante, ocupando dichas segundas particulas entre el 30 y el 40% de dicho segundo volumen;

moldear dicha primera materia prima alrededor de un primer inserto para formar un cuerpo verde (11) ;

retirar después dicho primer inserto del cuerpo verde (11) , formando de este modo en el cuerpo verde una cavidad que tiene un extremo cerrado y un extremo abierto;

añadir un segundo inserto a dicha cavidad, teniendo dicho segundo inserto la forma de un canal de vapor (12) ;

rellenar dicha cavidad con dicha segunda materia prima;

retirar dicho segundo inserto;

retirar todos los materiales aglomerantes de dicho cuerpo verde (11) y de dicha segunda materia prima dentro de dicha cavidad, formando asi un primer esqueleto (11) hecho de dichas particulas, dentro del cual esta un segundo esqueleto (15) hecho de dichas segundas particulas, que es mas poroso que dicho primer esqueleto (11) dentro del cual se ha dejado abierto un canal de vapor (12) ;

aglutinar dichos esqueletos primero (11) y segundo (15) , formando de este modo un cuerpo denso (11) que incluye una mecha interior (12, 15) ;

introducir un fluido de trabajo en dicha mecha (12, 15) ; y a continuación sellar dicho extremo abierto, formando asi dicho tubo de disipación de calor.

Conjunto microelectr6nico avanzado de disipaci6n de calor y metodo para su fabricaci6n.

Campo tecnico El invento se refiere al campo general de la microelectr6nica con una referencia particular al encapsulado y a la disipaci6n de calor.

Tecnica anterior A medida que el mundo avanza hacia unas comunicaciones y unos sistemas de procesamiento de datos mas eficientes los dispositivos microelectr6nicos se encuentran con barreras basicas relacionadas con la disipaci6n de calor. Las opciones que se exploran incluyen los disefos activos y pasivos de encapsulado. Los disefos activos requieren ventiladores o bombas para hacer circular los fluidos para la extracci6n de calor, que a menudo implican la generaci6n de calor, el uso de energia, y nuevos modos de fallo. La alternativa es centrarse en disefos pasivos tales como aletas para radiar calor al interior del recinto.

Para la disipaci6n de calor son convenientes los materiales con una alta conductividad termica, y los actualmente favoritos son el tungsteno-cobre, el molibdeno-cobre, y el aluminio o el cobre. Estos ultimos adolecen de unos coeficientes de dilataci6n termica elevados que provocan un nuevo mecanismo de fallo mediante la fatiga termica, asociado con la conexi6n (calentamiento) y desconexi6n (enfriamiento) de un dispositivo electr6nico. Con el fin de mantener el equilibrio de expansi6n termica deseada con silicio a la vez que se maximiza la conductividad termica los materiales superiores tienden entonces a ser pesados, caros, y con una conductividad termica modesta. Solamente el diamante proporciona una alta conductividad termica con una baja expansi6n termica, pero su coste es prohibitivo.

En los ultimos afos se han hecho avances en el disefo de una funcionalidad mejorada en una estructura mediante la combinaci6n de dos materiales diferentes usando un proceso denominado de moldeo por inyecci6n de dos materiales granulares. Este paso hacia la funcionalidad directamente incorporado en un dispositivo tiene unas ventajas potenciales en los encapsulados microelectr6nicos. Las paredes podrian ser fabricadas a partir de un material con una baja dilataci6n termica, tal como cobre-tungsteno. Sin embargo, incluso estas combinaciones de dos materiales estan limitadas por la conductividad termica de la base. Actualmente, el tungsteno-cobre es capaz de conducciones termicas del orden de 200 W/m/K. Esta es todavia la mitad de la posible con el cobre puro, pero de nuevo, tampoco satisface las exigencias de dilataci6n termica. Observamos que el diamante puede conseguir los 2.000 W/m/K.

Como se vera mas claro posteriormente, el presente invento del moldeo por inyecci6n de dos materiales granulares para aplicar un enfoque diferente a este problema. Este proceso ha sido descrito en la Solicitud N° 09/733.527 12/11/00 "Metodo para formar componentes de varios materiales". Dicho brevemente, este proceso muestra c6mo se puede usar el moldeo por inyecci6n de un material granular para formar un cuerpo continuo con varias piezas, cada una de ellas con unas propiedades fisicas diferentes tales como las caracteristicas magneticas o la dureza. Esto se consigue mediante un control cuidadoso de los coeficientes de contracci6n relativa de estas diferentes piezas. Ademas, se ha tenido cuidado en asegurar que solamente ciertas propiedades fisicas seleccionadas les esta permitido diferir entre las piezas mientras que otras pueden ser alteradas mediante cambios relativamente pequefos en la composici6n de las materias primas usadas.

Se realiz6 una busqueda rutinaria de la tecnica anterior que encontr6 de interes las siguientes Patentes de EEUU:

6.410.982 (Brownell y otros) ; 6.321.452 (Lin) ; 6.385.044 (Colbert y otros) ; 6.370.749 (Tseng y otros) ; 6.309.191 (Henne y otros) ; 6.293.333 (Ponnapan y otros) ; 6.230.407 (Akutsu) ; y 6.070.654 (Ito) .

Adicionalmente, se descubrieron los siguientes trabajos publicados durante nuestra busqueda:

1. B.R. Babin, G.P. Peterson, y D. Wu, "Modelizaci6n y ensayo en estado estacionario de un microtubo de disipaci6n de calor", Journal of Heat Transfer, vol 112, agosto 1990, pp 595-601.

2. J.P. Longtin, B. Badran, y F.M. Gemer "Modelo unidimensional de un microtubo de disipaci6n de calor durante el funcionamiento en estado estacionario", Journal of Heat Transfer, vol 116, agosto 1994, pp 709-715.

3. L.W. Swanson, "Tubos de disipaci6n de calor", The CRC Handbook of Thermal Engineering, F. Kreith (ed) CRC Press, NY, 2000, pp 4.914-4.429.

El documento WO 00/70288 A (THERMAL CORP) expone un tubo de disipaci6n de calor que tiene agujeros de montaje a traves de el.

E023920

Resumen del invento El presente invento esta definido por un proceso de fabricaci6n de acuerdo con la reivindicaci6n 1.

Ha sido un objeto de al menos una realizaci6n del presente invento proporcionar un tubo de disipaci6n de calor que pueda ser producido de forma barata y facilmente miniaturizado.

Otro objeto de al menos una realizaci6n del presente invento ha sido que dicho tubo de disipaci6n de calor forme parte facilmente de un conjunto adecuado para alojar y eliminar facilmente el calor generado por una pastilla de semiconductores.

Otro objeto mas de al menos una realizaci6n del presente invento ha sido proporcionar un proceso para la fabricaci6n de dicho tubo de disipaci6n de calor.

Otro objeto adicional de al menos una realizaci6n del presente invento ha sido proporcionar un proceso para la fabricaci6n de dicho conjunto de pastillas.

Estos objetos se han conseguido mediante la colocaci6n de un tubo de disipaci6n de calor integrado directamente debajo de la pastilla. Mediante el moldeo por inyecci6n de un material granular la parte inferior del conjunto se forma primeramente como una pieza verde inicial que incluye una o mas cavidades. Esta ultima, si sus dimensiones superan aproximadamente las 1.000 micras, son despues rellenadas con una materia prima que esta disefada para producir un revestimiento de material poroso despues del aglutinamiento. Las cavidades con dimensiones menores de aproximadamente 1.000 micras pueden dejarse sin rellenar. Despues del aglutinamiento se introduce un fluido de trabajo en el interior de las cavidades y despues es sellado, formando de este modo uno o mas tubos de disipaci6n de calor situados directamente debajo de la pastilla. Esta ultima se sella dentro de un recinto. Durante el funcionamiento el calor generado por la pastilla se transfiere de forma eficiente a puntos fuera del recinto. Se describe un proceso para fabricar la estructura.

Descripcion de los dibujos La Figura 1 es una vista en planta de la estructura del presente invento.

Las Figuras 2 y 3 son secciones rectas a traves de dos planos diferentes de la estructura vista en la Figura 1.

La Figura 4 es una representaci6n isometrica de las Figuras 1, 2, y 3.

La Figura 5 es un diagrama de flujos que resume los pasos principales del proceso del presente invento.

Descripcion de las realizaciones preferidas El presente invento expone un disefo funcional novedoso que es un material basado en una porosidad selectiva integrada en lugares deseados en un conjunto microelectr6nico. Este se coloca directamente en el conjunto microelectr6nico debajo de la pastilla de semiconductores para conseguir la maxima disipaci6n de calor. El objeto de la porosidad selectiva es permitir llevar el fluido de trabajo condensado, tal como alcohol o agua, desde una zona fria de vuelta a una zona caliente. La fase liquida se evapora de la zona caliente, lo que hace que se consuma la entalpia (contenido de calor) de evaporaci6n. El vapor ahora va a traves de un canal hacia una zona fria en donde vuelve a depositar la entalpia mediante condensaci6n. Tal comportamiento es bien conocido ya que la tecnologia de los tubos de disipaci6n de calor tales como los tubos de disipaci6n de calor que se usan en estructuras para el transporte de calor mediante evaporaci6n y condensaci6n de un fluido de trabajo en un tubo poroso o mecha. Los tubos de disipaci6n de calor pueden entregar de 50.000 a 200.000 W/m/K en conductividad termica equivalente.

Las estructuras del tipo antes descrito son relativamente caras y no son demasiado apropiadas para su incorporaci6n en un esquema de encapsulado. El presente invento nos muestra c6mo se puede aplicar la tecnologia del moldeo por inyecci6n de dos materiales granulares a la fabricaci6n de conjuntos microelectr6nicos de alta disipaci6n de calor. Esto se consigue mediante un primer moldeo por inyecci6n... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para fabricar un tubo de disipaci6n de calor, que comprende:

proporcionar una primera materia prima, que tiene un primer volumen, que ademas comprende unas primeras particulas, que tienen un diametro medio menor de 30 micras, uniformemente dispersas dentro de un primer aglomerante, ocupando dichas primeras particulas entre el 50 y el 65% de dicho primer volumen;

proporcionar una segunda materia prima, que tiene un segundo volumen, que ademas comprende unas segundas particulas, que tienen un diametro medio comprendido entre 40 y 200 micras, uniformemente dispersas dentro de un segundo aglomerante, ocupando dichas segundas particulas entre el 30 y el 40% de dicho segundo volumen;

moldear dicha primera materia prima alrededor de un primer inserto para formar un cuerpo verde (11) ;

retirar despues dicho primer inserto del cuerpo verde (11) , formando de este modo en el cuerpo verde una cavidad que tiene un extremo cerrado y un extremo abierto;

afadir un segundo inserto a dicha cavidad, teniendo dicho segundo inserto la forma de un canal de vapor (12) ;

rellenar dicha cavidad con dicha segunda materia prima;

retirar dicho segundo inserto;

retirar todos los materiales aglomerantes de dicho cuerpo verde (11) y de dicha segunda materia prima dentro de dicha cavidad, formando asi un primer esqueleto (11) hecho de dichas particulas, dentro del cual esta un segundo esqueleto (15) hecho de dichas segundas particulas, que es mas poroso que dicho primer esqueleto (11) dentro del cual se ha dejado abierto un canal de vapor (12) ;

aglutinar dichos esqueletos primero (11) y segundo (15) , formando de este modo un cuerpo denso (11) que incluye una mecha interior (12, 15) ;

introducir un fluido de trabajo en dicha mecha (12, 15) ; y a continuaci6n sellar dicho extremo abierto, formando asi dicho tubo de disipaci6n de calor.

2. El proceso descrito en la reivindicaci6n 1, que comprende ademas dicho proceso la fabricaci6n de un conjunto que contiene un tubo de disipaci6n de calor producido de acuerdo con el proceso de la reivindicaci6n 1;

formar en una superficie de dicho conjunto un recinto abierto (14) que esta recubierto por dicho tubo de disipaci6n de calor;

montar a continuaci6n una pastilla de circuitos integrados (41) dentro de dicho recinto (14) en dicha superficie usando un medio de alta conductividad termica; y despues sellar dicho recinto (14) .

3. El proceso definido en la reivindicaci6n 1 6 2, en el que dichas primeras particulas se seleccionan del grupo consistente en cobre, aluminio, tungsteno, tungsteno-cobre, kovar, acero inoxidable, y aleaciones de niquel.

4. El proceso definido en la reivindicaci6n 1 6 2, en el que dichas segundas particulas se seleccionan del grupo consistente en cobre, aluminio, tungsteno, tungsteno-cobre, kovar, acero inoxidable, y aleaciones de niquel.

5. El proceso definido en la reivindicaci6n 1 6 2, en el que dichas segundas particulas se retiran de dentro de dicha cavidad durante el paso de aglutinaci6n de los esqueletos.

6. El proceso definido en la reivindicaci6n 1 6 2, en el que el paso de retirar dicho primer inserto del cuerpo verde

(11) comprende ademas la destrucci6n de dicho primer inserto.

7. El proceso definido en la reivindicaci6n 1 6 2, en el que dicho primer inserto se selecciona del grupo consistente en bronce, acero y 6xido de aluminio.

8. El proceso definido en la reivindicaci6n 1 6 2, en el que dicho primer inserto puede ser reutilizado despues de la terminaci6n de dicho proceso.

9. El proceso definido en la reivindicaci6n 1 6 2, en el que dicho fluido de trabajo se selecciona del grupo consistente en agua, amoniaco, acetona, y alcohol.

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