Устройство охлаждения

Полезная модель относится к области электроники, в частности, к устройству охлаждения, и может быть использована для охлаждения трехмерных процессоров и полупроводниковых микросхем, выделяющих при работе тепловую энергию. Техническая задача, на решение которой направлено заявляемая полезная модель - это повышение эффективности теплоотвода от слоев трехмерного процессора. Техническая задача решается за счет того, что в устройстве охлаждения трехмерного процессора, выделяющим при работе тепловую энергию, каждая развитая поверхность кристалла представляет собой шипы или трубки охлаждения в виде монокристаллов, выращенных на подложке кристалла каждого слоя процессора, образуя монолитную конструкцию с кристаллом, при этом каждая последующая монолитная конструкция с кристаллом расположена на подложке слоя процессора с поворотом на 180 градусов относительно предыдущего слоя, образуя систему коллекторов и проницаемых перегородок, обеспечивающих направление потока подачи и отвода охладителя. Устройство охлаждения обеспечивает необходимый отвод теплоты от нагреваемого в процессе работы процессора и создает систему охлаждения без контактного сопротивления с системой коллекторов и проницаемых перегородок, снижающих общий расход и давление на прокачку охладителя, тем самым позволяя существенно интенсифицировать процесс теплообмена.

1 н.п.ф., 2 з.п.ф. и 3 ил.

Полезная модель относится к области электроники, в частности, к устройству охлаждения, и может быть использована для охлаждения трехмерных процессоров (3d-чип) и полупроводниковых микросхем, выделяющих при работе тепловую энергию.

Известна система охлаждения устройства [1] Заявка US 2008/0253085 «3-DIMENSIONAL MULTI-LAYERED MODULAR COMPUTER ARCHITECTURE»», авторы: Aviv Soffer, Inc. C1.: G06F 1/16, стенка тепловой трубки которой, имеет контактное сопротивление, что приводит к повышенному расходу охладителя.

Известен 3d-чип, описанный на сайте, [2] http://www.zurich.ibm.com/news/08/3D_cooling.html, имеющий встроенную водяную систему охлаждения. Охладитель проходит между слоями чипа и омывает каждый из слоев с двух сторон. Таким образом, снимается до 180 Вт/см2 с площади 4 см2. В данном устройстве контактное сопротивление отсутствует, но при возрастающей мощности и уменьшении габаритов процессоров приводит к необходимости увеличения площади поверхности теплообмена.

Трехмерный процессор, представленный на сайте [3] http://www.3dnews.ru/news/tehnologiya_mnogoyadernih_3d_cpu_s_revolutsionnim_ohlazhdeniem/, использует меньше энергии и генерирует меньше тепла по сравнению с обычными процессорами. Ключевой элемент такого процессора - расположенные между слоями трехмерного чипа каналы диаметром 50 нм. Они заполнены охлаждающей жидкостью, нагревающейся на выходе из процессора до состояния пара. Затем он конденсируется, и жидкость снова подается в процессор. В данном устройстве фазовый переход охладителя может привести к образованию отложений внутри системы охлаждения, что приводит к повышенным требованиям химического состава охладителя.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является 3d-чип со встроенной системой охлаждения [4] William CESAR. «INTERLAYER LIQUID COOLING OF A 3D-CHIP STACK», In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Micro and nanotechnologies for Integrated Systems, Lausanne, August 13, 2009 (В.Сезар «Межслойное жидкостное охлаждение 3d-чипа": дис. магистра наук в микро и нано технологиях для интегрированных систем» / Сезар Вильям. - Лозанна, 2009. - 55 с.). Охладитель проходит через каналы, образованные ребрами, или шипы, расположенные по всей площади поверхности каждого слоя 3d-чипа. В данном устройстве отсутствует контактное термическое сопротивление, но равномерное распределение шипов по поверхности и протяженность каналов приводят к повышенному давлению в системе.

Техническая задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель - это повышение эффективности теплоотвода от слоев трехмерного процессора.

Техническая задача решается за счет того, что в устройстве охлаждения трехмерного процессора, выделяющим при работе тепловую энергию, содержащим корпус, на котором расположены входной и выходной штуцеры соответственно для входа и выхода охладителя, соединенные с элементами охлаждения и микроканалами, образующими развитую поверхность кристаллов, расположенных на подложках слоев процессора, согласно изобретению каждая развитая поверхность кристалла представляет собой шипы или трубки охлаждения в виде монокристаллов, выращенных на подложке кристалла каждого слоя процессора, образуя монолитную конструкцию с кристаллом, при этом каждая последующая монолитная конструкция с кристаллом расположена на подложке слоя процессора с поворотом на 180 градусов относительно предыдущего слоя, образуя систему коллекторов и проницаемых перегородок, обеспечивающих направление потока подачи и отвода охладителя.

При этом шипы или трубки в виде монокристаллов, выращенные на кристалле, расположены на подложке слоя процессора в различной последовательности, образуя микроканалы разного переменного сечения.

Кристалл и выращенные на нем шипы или трубки в виде монокристаллов, обеспечивают механический и электрический интерфейсы, а их множество образует встроенное устройство охлаждения процессора.

Сравнение заявляемого устройства с аналогичными техническими решениями в данной области техники позволили выявить признаки полезной модели, заявленные в отличительной части формулы, а именно, каждая развитая поверхность кристалла представляет собой шипы или трубки охлаждения в виде монокристаллов, выращенных на подложке кристалла каждого слоя процессора, образуя монолитную конструкцию с кристаллом, при этом каждая последующая монолитная конструкция с кристаллом расположена на подложке слоя процессора с поворотом на 180 градусов относительно предыдущего слоя, образуя систему коллекторов и проницаемых перегородок, обеспечивающих направление потока подачи и отвода охладителя. При этом шипы или трубки в виде монокристаллов, выращенные на кристалле, расположены на подложке слоя процессора в различной последовательности, образуя микроканалы разного переменного сечения. Кристалл и выращенные на нем шипы или трубки в виде монокристаллов, обеспечивают механический и электрический интерфейсы, а их множество образует встроенное устройство охлаждения процессора.

Далее описание изобретения поясняется примерами выполнения и чертежами.

На фиг.1 выполнена структурная схема заявляемого устройства охлаждения.

На фиг.2 и 3 показано, что на подложках слоев процессора (например, 3D-чипа) выращены кристаллы с шипами из монокристаллов, которые образуют систему коллекторов и перегородок.

Сущность заявляемого устройства охлаждения заключается в объединении слоев процессора и сборки их в единое устройство вместе с выращенными кристаллами с шипами в виде монокристаллов, которые образуют систему коллекторов и перегородок, обеспечивающих направление потока подачи и отвода охладителя.

Количество слоев процессора может быть любым, например, два или три, как показано на фиг.1, и более.

Устройство (фиг.1) содержит корпус 1, на котором расположены входной 2 и выходной 3 штуцеры соответственно для входа и выхода охладителя, соединенные с элементами охлаждения и микроканалами, образующими развитую поверхность кристаллов 4, расположенных на подложках слоев процессора, согласно изобретению каждая развитая поверхность кристалла 4 представляет собой шипы или трубки охлаждения в виде монокристаллов 5, выращенных на подложке кристалла 4 каждого слоя процессора, образуя монолитную конструкцию с кристаллом 4, при этом каждая последующая монолитная конструкция с кристаллом 4 расположена на подложке слоя процессора с поворотом на 180 градусов относительно предыдущего слоя, образуя систему коллекторов и проницаемых перегородок 6, обеспечивающих направление потока подачи и отвода охладителя.

При этом, например, шипы или трубки в виде монокристаллов 5, выращенные на кристалле 4, расположены на подложке слоя процессора в различной последовательности, образуя микроканалы разного переменного сечения.

Кристалл 4 и выращенные на нем шипы или трубки в виде монокристаллов 5, обеспечивают механический и электрический интерфейсы, а их множество образует встроенное устройство охлаждения процессора.

Таким образом, каждый слой процессора содержит подложку, на которой расположен кристалл 4 с выращенными шипами из монокристаллов 5, образующие систему коллекторов для подачи и отвода охладителя, причем каждый последующий слой повернут относительно предыдущего на 180 градусов (фиг.2, 3), что позволяет создавать встроенные элементы охлаждения.

Заявляемое устройство (фиг.1) работает следующим образом.

Кристалл 4 нагревается и передает выделяемую тепловую энергию шипам или трубкам из монокристаллов 5, выращенным на кристалле 4. Через входной штуцер 2 подается охладитель, направление потока которого обеспечивается с помощью проницаемых перегородок 6. Проходя через шипы 5, охладитель нагревается и проникает в выходную часть. Выход охладителя осуществляется через штуцер 3.

Устройство охлаждения наряду с шипами 5 обеспечивает необходимый отвод теплоты от нагреваемого в процессе работы процессора за счет двух видов теплообмена: конвекции и теплопроводности, и создает систему охлаждения без контактного сопротивления с системой коллекторов и проницаемых перегородок 6, снижающих общий расход и давление на прокачку охладителя.

Кристалл и выращенные на нем шипы или трубки в виде монокристаллов, обеспечивают механический и электрический интерфейсы, а их множество образует встроенное устройство охлаждения, обеспечивающее эффективный теплоотвод от слоев трехмерного процессора.

Таким образом, устройство охлаждения обеспечивает необходимый отвод теплоты от нагреваемого в процессе работы процессора и создает систему охлаждения без контактного сопротивления с системой коллекторов и проницаемых перегородок, снижающих общий расход и давление на прокачку охладителя, тем самым позволяя существенно интенсифицировать процесс теплообмена.

Источники информации

1. Заявка US 2008/0253085 «3-DIMENSIONAL MULTI-LAYERED MODULAR COMPUTER ARCHITECTURE»», авторы: Aviv Soffer, Inc. C1.: G06F 1/16.

2. http://www.zurich.ibm.com/news/08/3D_cooling.html

3. http://www.3dnews.ru/news/tehnologiya_mnogoyadernih_3d_cpu_s_revolutsionnim_ohlazhdeniem/

4. William CESAR. «INTERLAYER LIQUID COOLING OF A 3D-CHIP STACK», In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Micro and nanotechnologies for Integrated Systems, Lausanne, August 13, 2009 (В.Сезар «Межслойное жидкостное охлаждение 3d-чипа": дис. магистра наук в микро и нано технологиях для интегрированных систем» / Сезар Вильям. - Лозанна, 2009. - 55 с.)

1. Устройство охлаждения, по меньшей мере, трехмерного процессора, выделяющего при работе тепловую энергию, содержащее корпус, на котором расположены входной и выходной штуцеры соответственно для входа и выхода охладителя, соединенные с элементами охлаждения и микроканалами, образующими развитую поверхность кристаллов, расположенных на подложках слоев процессора, отличающееся тем, что каждая развитая поверхность кристалла представляет собой шипы или трубки охлаждения в виде монокристаллов, выращенных на подложке кристалла каждого слоя процессора, образуя монолитную конструкцию с кристаллом, при этом каждая последующая монолитная конструкция с кристаллом расположена на подложке слоя процессора с поворотом на 180º относительно предыдущего слоя, образуя систему коллекторов и проницаемых перегородок, обеспечивающих направление потока подачи и отвода охладителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шипы или трубки в виде монокристаллов, выращенных на кристалле, расположены на подложке слоя процессора в различной последовательности, образуя микроканалы разного переменного сечения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кристалл и выращенные на нем шипы или трубки в виде монокристаллов обеспечивают механический и электрический интерфейсы, а их множество образует встроенное устройство охлаждения процессора.