RU123285U1

RU123285U1 - RADIATOR FOR COOLING SEMICONDUCTOR AND MICROELECTRONIC ELECTRICAL VACUUM INSTRUMENTS

Info

Publication number: RU123285U1
Application number: RU2012119137/07U
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Скрипкин; Александр Валентинович Конюшин
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2012-12-20

Abstract

1. Радиатор для охлаждения полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, содержащий пластину, теплопроводную полку для размещения электронного прибора, отверстия для прохождения охлаждающей среды, а на полке для размещения электронного прибора выполнена поверхностная фрактальная структура, отличающийся тем, что пластина выполнена из пакета геометрической формы, состоящего из отрезков капиллярных трубок, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами.2. Радиатор по п.1, отличающийся тем, что отрезки капиллярных трубок выполнены из цветных металлов или их сплавов высокой теплопроводности.3. Радиатор по п.1, отличающийся тем, что для создания пакета пластины из отрезков капиллярных трубок использованы отрезки капиллярных трубок одинаковых диаметров и/или одинаковой высоты.4. Радиатор по п.1, отличающийся тем, что для создания пакета пластины из отрезков капиллярных трубок использованы отрезки капиллярных трубок различных диаметров и/или различной высоты.5. Радиатор по п.1, отличающийся тем, что на отрезках капиллярных трубок, расположенных по периметру пластины, выполнены поверхностные фрактальные структуры.6. Радиатор по п.1, отличающийся тем, что пластина выполнена из пакета прямоугольной формы.1. A radiator for cooling semiconductor or microelectronic electrovacuum devices, comprising a plate, a heat-conducting shelf for placing an electronic device, openings for the passage of a cooling medium, and a surface fractal structure is made on the shelf for placing an electronic device, characterized in that the plate is made of a geometric shape package, consisting of segments of capillary tubes placed vertically to each other with their sides. 2. A radiator according to claim 1, characterized in that the segments of the capillary tubes are made of non-ferrous metals or their alloys of high thermal conductivity. A radiator according to claim 1, characterized in that to create a plate package from segments of capillary tubes, segments of capillary tubes of the same diameters and / or the same height are used. The radiator according to claim 1, characterized in that to create a plate package from segments of capillary tubes, segments of capillary tubes of various diameters and / or different heights are used. The radiator according to claim 1, characterized in that surface fractal structures are made on segments of capillary tubes located around the perimeter of the plate. The radiator according to claim 1, characterized in that the plate is made of a rectangular package.

Description

Полезная модель относится к системам охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов, а именно к радиаторам, осуществляющим теплообмен между корпусом миниатюрных электронных приборов и охлаждающей средой.The utility model relates to cooling systems for semiconductor and microelectronic vacuum devices, namely to radiators that exchange heat between the housing of miniature electronic devices and the cooling medium.

Известен охладитель для силового полупроводникового прибора [А.с.№1229982, МПК: Н05К 7/20, H01L 23/34, опубликовано 07.05.1986г.], содержащий корпус с площадкой для прижима полупроводникового прибора с плоскими ребрами и установленными между ними гофрированными вставками, глубина гофрирования которых обратно пропорциональна расстоянию от основания вставки до ее вершины, при этом он снабжен пластиной, прикрепленной к торцам плоских ребер, а гофрированный вставки установлены на пластине своим основанием.A known cooler for a power semiconductor device [A.s.№1229982, IPC: N05K 7/20, H01L 23/34, published 05/07/1986], comprising a housing with a pad for clamping a semiconductor device with flat fins and corrugated inserts installed between them , the corrugation depth of which is inversely proportional to the distance from the base of the insert to its top, while it is equipped with a plate attached to the ends of the flat ribs, and the corrugated insert is mounted on the plate with its base.

Недостатком данного устройства является невысокая интенсивность охлаждения и необходимость использования внешнего вентилятора.The disadvantage of this device is the low cooling rate and the need to use an external fan.

Известен теплообменный элемент [А.с.№1409848, МПК: F28F 3/02, опубликовано 15.07.1988г.], содержащий пару плоских пластин, образующих канал для рабочей среды, в котором расположены ряды турбулизирующих вставок в виде уголковых элементов со стенками, расположенными перпендикулярно пластинам, при этом стенки уголковых элементов выполнены перфорированными и размещены под острым углом, обращенным вершиной навстречу потоку рабочей среды, причем сами элементы расположены в канале в шахматном порядке и минимальное расстояние между смежными элементами в каждом поперечном ряду равно максимальному поперечному размеру этих элементов.Known heat-exchange element [A.s.№1409848, IPC: F28F 3/02, published July 15, 1988] containing a pair of flat plates forming a channel for the working medium, in which there are rows of turbulent inserts in the form of corner elements with walls located perpendicular to the plates, while the walls of the corner elements are perforated and placed at an acute angle facing the apex towards the flow of the working medium, the elements themselves being staggered in the channel and the minimum distance between adjacent elements in each transverse row is equal to the maximum transverse size of these elements.

Недостатком данного устройства является то, что увеличение интенсивности теплообмена происходит только за счет турбулизации ядра потока при сравнительно малой поверхности охлаждения радиатора.The disadvantage of this device is that the increase in heat transfer intensity occurs only due to the turbulence of the flow core with a relatively small radiator cooling surface.

Известен штыревой радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов [Патент РФ №2037988, МПК: Н05К 7/20, H01L 23/34, опубликовано 19.06.1995г.], в котором площадь тепловыделяющих элементов увеличена за счет того, что в его конструкцию введены пластина и штыри, выполненные в виде параллелепипедов, и повернутые или гранями, или ребрами к потоку охлаждающей среды, а также выступы, имеющие прямоугольную форму. Кроме того, это устройство содержит теплопроводную полку, которая передает тепло от охлаждаемого электронного прибора пластине и штырям через отверстия для прохождения охлаждающей среды. Причем в указанном устройстве штыри расположены как в шахматном, так и в коридорном порядке, что позволяет турбулизировать само ядро потока, а основание штырей и выступы турбулизируют пограничный слой по всей поверхности охлаждаемой пластины, поскольку они находятся в промежутке между штырями, как в поперечном, так и в продольном направлениях.Known pin radiator for cooling semiconductor and microelectronic vacuum devices [RF Patent No. 2037988, IPC: H05K 7/20, H01L 23/34, published 06/19/1995], in which the area of the fuel elements is increased due to the fact that introduced into its design a plate and pins made in the form of parallelepipeds, and turned either by faces or ribs to the flow of the cooling medium, as well as protrusions having a rectangular shape. In addition, this device contains a heat-conducting shelf, which transfers heat from the cooled electronic device to the plate and the pins through the holes for the passage of the cooling medium. Moreover, in the indicated device, the pins are arranged both in a checkerboard and in a corridor order, which allows the core of the flow to be turbulized, and the base of the pins and protrusions turbulent the boundary layer over the entire surface of the cooled plate, since they are in the gap between the pins, both transversely and and in the longitudinal directions.

Наиболее близким по техническому решению является радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов, содержащий пластину, штыри, теплопроводную полку для размещения электронного прибора; и отверстия для прохождения охлаждающей среды, при этом штыри выполнены с дополнительными отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру, а на пластине и полке для размещения электронного прибора выполнены поверхностные фрактальные структуры [патент РФ №110893, МПК: Н05К 7/20, опубликовано 27.11.2011г.].The closest in technical solution is a radiator for cooling semiconductor and microelectronic electrovacuum devices, containing a plate, pins, a heat-conducting shelf for placing an electronic device; and holes for the passage of the cooling medium, while the pins are made with additional holes forming a spatial fractal structure, and surface fractal structures are made on the plate and shelf for placing the electronic device [RF patent No. 110893, IPC: Н05К 7/20, published November 27, 2011 .].

Причем в указанном радиаторе штыри радиатора могут иметь квадратную форму поперечного сечения, а дополнительные отверстия в штырях образуют пространственную фрактальную структуру в виде губки Менгера.Moreover, in the specified radiator, the radiator pins can have a square cross-sectional shape, and additional holes in the pins form a spatial fractal structure in the form of a Menger sponge.

Поверхностные фрактальные структуры на пластине и теплопроводной полке для размещения электронного прибора могут быть выполнены в виде многоострийной структуры из углеродных материалов с плотностью упаковки 10⁴…10⁶ см^-2, например, из стеклоуглерода, причем каждое острие имеет вид усеченного конуса высотой около 10…20 мкм.The surface fractal structures on the plate and the heat-conducting shelf for placement of the electronic device can be made in the form of a multi-edge structure of carbon materials with a packing density of 10 ⁴ ... 10 ⁶ cm ^-2 , for example, glassy carbon, with each tip having the appearance of a truncated cone with a height of about 10 ... 20 microns.

Современный этап развития полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов характеризуется миниатюризацией при одновременном возрастании (или сохранении) уровня выходной мощности. В связи с этим, одним из недостатков прототипа, при применении его для охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, при его большой площади охлаждаемой поверхности является значительная трудоемкость изготовления, связанная с существенными затратами при создании поверхностных и особенно пространственных фрактальных структур, а также большие габариты. Поэтому даже при серийном производстве себестоимость производства такого радиатора будет высокой, что приведет к удорожанию всего изделия в целом и снижению его конкурентной способности в условиях рынка.The current stage of development of semiconductor and microelectronic vacuum devices is characterized by miniaturization while increasing (or maintaining) the level of output power. In this regard, one of the disadvantages of the prototype, when it is used to cool miniature semiconductor or microelectronic electronic vacuum devices, with its large surface area to be cooled, is the considerable complexity of manufacturing associated with significant costs in creating surface and especially spatial fractal structures, as well as large dimensions . Therefore, even with serial production, the cost of production of such a radiator will be high, which will lead to an increase in the cost of the entire product as a whole and a decrease in its competitive ability in the market.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов за счет повышения интенсивности их теплообмена с окружающей средой путем увеличения площади охлаждаемых поверхностей радиатора.The objective of the proposed utility model is to increase the cooling efficiency of miniature semiconductor or microelectronic electro-vacuum devices by increasing the intensity of their heat exchange with the environment by increasing the area of the cooled radiator surfaces.

Технический результат заключается в интенсификации охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов вследствие возрастания их теплообмена с окружающей средой при увеличении площади охлаждаемых поверхностей радиатора с одновременным снижением его внешних габаритных размеров при незначительном возрастании трудоемкости изготовления.The technical result consists in the intensification of cooling of miniature semiconductor or microelectronic electrovacuum devices due to an increase in their heat exchange with the environment with an increase in the area of cooled surfaces of the radiator with a simultaneous decrease in its external overall dimensions with a slight increase in the complexity of manufacturing.

Поставленная задача достигается тем, что радиатор для охлаждения полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, содержит пластину, теплопроводную полку для размещения электронного прибора; а на полке для размещения электронного прибора выполнена поверхностная фрактальная структура, причем пластина выполнена из пакета геометрической формы, состоящего из отрезков капиллярных трубок одинаковой высоты из цветных металлов или их сплавов высокой теплопроводности, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами, а для обеспечения механической прочности отрезки капиллярных трубок на наружной стороне пластины соединены в горизонтальных направлениях между собой, а на противоположной стороне пластины в вертикальных направлениях между собой.The problem is achieved in that the radiator for cooling semiconductor or microelectronic vacuum devices, contains a plate, a heat-conducting shelf for placing an electronic device; and on the shelf for placing the electronic device, a surface fractal structure is made, and the plate is made of a geometric shape package consisting of segments of capillary tubes of the same height of non-ferrous metals or their alloys of high thermal conductivity, placed vertically to each other with their sides, and to ensure mechanical strength, the segments capillary tubes on the outside of the plate are connected in horizontal directions to each other, and on the opposite side of the plate in vertical on boards among themselves.

Отрезки капиллярных трубок, набранные в пакет и соединенные боковыми сторонами между собой, исходя из конструктивных и технологических соображений при размещении их в различных блоках радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) могут представлять собой геометрическую фигуру различной формы, например, прямоугольник, квадрат, круг, эллипс и др.The segments of capillary tubes, stacked in a bag and connected by the sides to each other, based on structural and technological considerations when placed in different blocks of electronic equipment (CEA), can be a geometric figure of various shapes, for example, a rectangle, square, circle, ellipse, etc. .

Использование пакета капиллярных трубок обеспечивает повышение эффективности охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов за счет увеличения интенсивности их теплообмена с окружающей средой путем увеличения площади охлаждаемых поверхностей радиатора.The use of a package of capillary tubes provides an increase in the cooling efficiency of miniature semiconductor or microelectronic electro-vacuum devices by increasing the intensity of their heat exchange with the environment by increasing the area of the cooled radiator surfaces.

Отрезки капиллярных трубок одинаковой высоты из цветных металлов высокой теплопроводности, используемые при создании пакета, например, прямоугольной формы для пластины, могут быть выполнены, например, из меди или латуни. Для радиатора РЭА диаметр капиллярных трубок может составлять 0,5…2,5 мм (по определению, капилляр это трубочка с очень тонким внутренним каналом).The segments of capillary tubes of the same height of non-ferrous metals with high thermal conductivity, used to create a package, for example, a rectangular shape for a plate, can be made, for example, of copper or brass. For a CEA radiator, the diameter of capillary tubes can be 0.5 ... 2.5 mm (by definition, a capillary is a tube with a very thin internal channel).

Отрезки капиллярных трубок установлены своими торцами по всей наружной поверхности радиатора вплотную друг другу боковыми сторонами, соединены между собой и заполняют всю наружную поверхность.The segments of the capillary tubes are installed at their ends along the entire outer surface of the radiator side by side with each other, interconnected and fill the entire outer surface.

Высота капиллярных трубок для радиатора как минимум на порядок превосходит (например, в 10…30 раз) диаметр капиллярных трубок, при диаметре капиллярных трубок в 1 мм их высота может составлять 10…30 мм. Также возможно одновременное использование для создания пакета прямоугольной формы для пластины отрезков капиллярных трубок различных диаметров и/или различной высоты для интенсификации теплообмена с окружающей средой.The height of the capillary tubes for the radiator is at least an order of magnitude greater (for example, 10 ... 30 times) the diameter of the capillary tubes, with a diameter of capillary tubes of 1 mm their height can be 10 ... 30 mm. It is also possible to simultaneously use, to create a rectangular-shaped packet for a plate, segments of capillary tubes of various diameters and / or different heights to enhance heat transfer with the environment.

Соединение отрезков капиллярных трубок боковыми сторонами в пакет может быть осуществлено, например, путем лазерной (точечной) сварки в местах контакта отрезков капиллярных трубок между собой.The connection of the segments of capillary tubes with the sides in a packet can be carried out, for example, by laser (spot) welding at the points of contact between the segments of the capillary tubes.

Выбор отрезков капиллярных трубок различного диаметра и различной высоты для конкретного типа радиатора определяется местом его расположения в блоке РЭА, требуемой величиной рассеиваемой тепловой мощности и т.д.; причем в конкретной конструкции радиатора, исходя из конструктивных, технологических и прочностных соотношений при использовании в нем отрезков капиллярных трубок различных диаметров и высоты отношение максимального диаметра и максимальной высоты отрезка капиллярной трубки к минимальному диаметру и минимальной высоте не превосходит 5.The choice of segments of capillary tubes of different diameters and different heights for a particular type of radiator is determined by its location in the REA unit, the required amount of dissipated heat power, etc .; moreover, in the specific design of the radiator, based on the structural, technological and strength ratios when using segments of capillary tubes of various diameters and heights, the ratio of the maximum diameter and maximum height of the segment of the capillary tube to the minimum diameter and minimum height does not exceed 5.

На фиг.1 показаны противоположные стороны пакета пластины радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов. На фиг.2 приведен боковой вид полупроводникового или микроэлектронного электровакуумного прибора с радиатором предлагаемой конструкции, где позициями обозначены: 1 -боковые стороны пластины, 2 - пластина, 3 - пакет пластины отрезков капиллярных трубок, 4 - теплопроводная полка, 5 - охлаждаемый электронный прибор, 6 - поверхностная фрактальная структура, 7 - точки соединения между собой отрезков капиллярных трубок; на фиг.3 показан вид радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов, в конструкции которого использованы отрезки капиллярных трубок различных диаметров и высоты; на фиг.4 показан вид сбоку радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов, в конструкции которого использованы отрезки капиллярных трубок различных диаметров и высоты.Figure 1 shows the opposite sides of the package of the radiator plate for cooling semiconductor and microelectronic vacuum devices. Figure 2 shows a side view of a semiconductor or microelectronic electrovacuum device with a radiator of the proposed design, where the positions denote: 1 - the sides of the plate, 2 - plate, 3 - package plate plate segments of capillary tubes, 4 - heat-conducting shelf, 5 - cooled electronic device, 6 - surface fractal structure, 7 - points of interconnection of segments of capillary tubes; figure 3 shows a view of a radiator for cooling semiconductor and microelectronic vacuum devices, the design of which uses segments of capillary tubes of various diameters and heights; figure 4 shows a side view of a radiator for cooling semiconductor and microelectronic vacuum devices, the design of which uses segments of capillary tubes of various diameters and heights.

Охлаждаемый электронный прибор 5 может располагаться непосредственно на самой пластине 2 или на теплопроводной полке 4.The cooled electronic device 5 can be located directly on the plate 2 itself or on the heat-conducting shelf 4.

Радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов содержит пластину 2, состоящую из пакета пластины, например, прямоугольной формы отрезков капиллярных трубок 3, соединенных между собой боковыми сторонами, например, с помощью лазерной сварки или пайки в точках соединения между собой отрезков капиллярных трубок 7, причем на наружной стороне пластины 2 отрезки капиллярных трубок 3 соединены боковыми сторонами в горизонтальных направлениях между собой, а на противоположной стороне пластины 2 в вертикальных направлениях между собой (фиг.1). Для улучшения условий теплоотдачи путем увеличения площади поверхности контакта с окружающей средой на боковых сторонах пакета пластины отрезков капиллярных трубок 3, расположенных по внешнему периметру пластины 2, создана поверхностная фрактальная структура 6; а охлаждаемый электронный прибор 5 может располагаться непосредственно на самой пластине 2 или на теплопроводной полке 4.The radiator for cooling semiconductor and microelectronic vacuum devices contains a plate 2, consisting of a plate package, for example, a rectangular shape of segments of capillary tubes 3, interconnected by the sides, for example, by laser welding or soldering at the points of interconnection of the segments of capillary tubes 7, moreover, on the outer side of the plate 2, the segments of the capillary tubes 3 are connected by the sides in the horizontal directions to each other, and on the opposite side of the plate 2 in the vertical ln directions to each other (figure 1). To improve heat transfer conditions by increasing the surface area of contact with the environment on the lateral sides of the plate package of the segments of capillary tubes 3 located along the outer perimeter of the plate 2, a surface fractal structure 6 is created; and the cooled electronic device 5 can be located directly on the plate 2 itself or on the heat-conducting shelf 4.

Радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов работает следующим образомA radiator for cooling semiconductor and microelectronic vacuum devices operates as follows

Поток рабочей среды, проходя через отверстия пакета пластины отрезков капиллярных трубок 3, образующих пакет пластины 2, в котором некоторые из отрезков капиллярных трубок 3 могут быть различных диаметров и/или также различной высоты, образует отрывные вихревые зоны, интенсифицирующие теплообмен. Дополнительное охлаждение электронного прибора 5, который может располагаться непосредственно на самой пластине 2 или на теплопроводной полке 4 осуществляется за счет поверхностной фрактальной структуры 6, расположенной на внешней поверхности теплопроводной полки 4 (фиг.2).The flow of the working medium, passing through the openings of the plate package of the segments of the capillary tubes 3, forming the package of the plate 2, in which some of the segments of the capillary tubes 3 can be of different diameters and / or also of different heights, forms detachable vortex zones that intensify heat transfer. Additional cooling of the electronic device 5, which can be located directly on the plate 2 or on the heat-conducting shelf 4 is carried out due to the surface fractal structure 6, located on the outer surface of the heat-conducting shelf 4 (figure 2).

Таким образом, предлагаемая конструкция радиатора позволяет в результате интенсификации теплообмена с окружающей средой за счет значительного увеличения площади контакта из-за выполненной поверхностной фрактальной структуры и выполнения пластины из пакета, например, прямоугольной формы, состоящего из отрезков капиллярных трубок из цветных металлов высокой теплопроводности, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами, увеличить отвод тепла от полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов.Thus, the proposed design of the radiator allows as a result of intensification of heat transfer with the environment due to a significant increase in the contact area due to the surface fractal structure and the implementation of the plate from the package, for example, a rectangular shape consisting of pieces of capillary tubes made of non-ferrous metals with high thermal conductivity, placed vertically to each other with the sides, to increase heat removal from semiconductor and microelectronic vacuum devices.

За счет применения таких устройств реальное увеличение площади поверхности, соприкасаемой с окружающей средой, при использовании отрезков капиллярных трубок из меди с параметрами: наружный диаметр 2 мм; внутренний диаметр 0,5 мм; высота 5 мм; при размерах пластины для размещения электронного прибора, например: 20х10х5 (мм) - возможно в 3…4 раза, что даже при тех же габаритах радиатора и в таких же условиях эксплуатации приведет к повышению эффективности теплообмена устройства примерно в 1,5…2,5 раза.Due to the use of such devices, a real increase in the surface area in contact with the environment when using pieces of copper capillary tubes with the parameters: outer diameter 2 mm; inner diameter 0.5 mm; height 5 mm; with plate sizes for placement of an electronic device, for example: 20x10x10 (mm) - possibly 3 ... 4 times, which even with the same dimensions of the radiator and under the same operating conditions will lead to an increase in the heat exchange efficiency of the device by about 1.5 ... 2.5 times.

Claims

1. A radiator for cooling semiconductor or microelectronic vacuum devices, comprising a plate, a heat-conducting shelf for hosting an electronic device, openings for passing a cooling medium, and a surface fractal structure made on the shelf for hosting an electronic device, characterized in that the plate is made of a geometric shape package, consisting of segments of capillary tubes placed vertically to each other with their sides.

2. The radiator according to claim 1, characterized in that the segments of the capillary tubes are made of non-ferrous metals or their alloys of high thermal conductivity.

3. The radiator according to claim 1, characterized in that to create a plate package of segments of capillary tubes, segments of capillary tubes of the same diameters and / or the same height are used.

4. The radiator according to claim 1, characterized in that to create a plate package of segments of capillary tubes, segments of capillary tubes of various diameters and / or various heights are used.

5. The radiator according to claim 1, characterized in that on the segments of the capillary tubes located along the perimeter of the plate, surface fractal structures are made.

6. The radiator according to claim 1, characterized in that the plate is made of a rectangular package.