RU212836U1 - Радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов - Google Patents

Abstract

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. Технический результат - повышение эффективности охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов за счет повышения интенсивности их теплообмена с окружающей средой без увеличения его внешних габаритных размеров. Технический результат достигается тем, что радиатор для охлаждения полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов содержит пластину, штыри, теплопроводную полку для размещения электронного прибора; отверстия для прохождения охлаждающей среды. Штыри выполнены с дополнительными отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру. На пластине и полке для размещения электронного прибора выполнены поверхностные фрактальные структуры, а пластина выполнена из керамической пены с открытыми порами. 3 ил.

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.

Известен охладитель для силового полупроводникового прибора [Авторское свидетельство №1229982, МПК: Н05К 7/20, H01L 23/34], в котором для повышения эффективности охлаждения в межреберное пространство радиатора введена гофрированная вставка, которая перераспределяет воздушный поток по высоте ребра.

Недостатком данного устройства является невысокая интенсивность охлаждения и необходимость использования внешнего вентилятора.

В теплообменном элементе [Авторское свидетельство №1409848, МПК: F28F 3/02] для интенсификации теплообмена используют перфорированные уголковые элементы, которые турбулизируют поток на концах элементов, создавая дополнительную скорость пограничному слою на тыльной стороне уголковых элементов.

Недостатком данного устройства является то, что увеличение интенсивности теплообмена происходит только за счет турбулизации ядра потока при сравнительно малой поверхности охлаждения радиатора.

Известен штыревой радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов [Патент РФ №2037988, МПК: Н05К 7/20, H01L 23/34], в котором площадь тепловыделяющих элементов увеличена за счет того, что в его конструкцию введены пластина и штыри, выполненные в виде параллепипедов, 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.

Недостатком данного устройства является трудоемкость изготовления, высокая стоимость, а также малая невысокая площадь охлаждаемой поверхности.

Известен радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов по патенту авторов №110893 (ПМ), МПК: H05K 7/20, в котором площадь тепловыделяющих элементов увеличена за счет того, что в его конструкцию введены пластина и штыри, выполненные в виде параллепипедов, и повернутые или гранями, или ребрами к потоку охлаждающей среды, а также выступы, имеющие прямоугольную форму. При этом штыри выполнены с дополнительными отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру, а на пластине и полке для размещения электронного прибора выполнены поверхностные фрактальные структуры. Кроме того, штыри радиатора могут иметь квадратную форму поперечного сечения, а дополнительные отверстия в штырях образуют пространственную фрактальную структуру в виде губки Менгера. Дополнительно созданные 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.

Недостатком данного устройства является трудоемкость изготовления, высокая стоимость, а также малая площадь охлаждаемой поверхности.

Наиболее близким по техническому решению - прототипом - является радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов по патенту авторов №207764 (ПМ), МПК: H05K 7/20, содержащий пластину, штыри, теплопроводную полку для размещения электронного прибора и отверстия для прохождения охлаждающей среды, а штыри выполнены с дополнительными отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру, на пластине и полке для размещения электронного прибора выполнены поверхностные фрактальные структуры, а пластина выполнена из пенометалла с открытыми порами.

Современный этап развития полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов характеризуется миниатюризацией при одновременном возрастании (или сохранении) уровня выходной мощности. В связи с этим, недостатком известного радиатора, принятого за прототип, при применении его для охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, является недостаточная эффективность охлаждения для мощных полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов, обладающих высоким тепловыделением при работе радиоэлектронной аппаратуры

Поэтому интенсивность охлаждения таких приборов также остается невысокой, даже при наличии принудительного обдува внешним вентилятором. Это ограничивает уровень выходной мощности миниатюрных электронных приборов и снижает срок их службы.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов за счет повышения интенсивности их теплообмена с окружающей средой без увеличения его внешних габаритных размеров.

Поставленная задача достигается тем, что в радиаторе для охлаждения полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, содержащим пластину, штыри, теплопроводную полку для размещения электронного прибора и отверстия для прохождения охлаждающей среды, а штыри выполнены с дополнительными отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру, на пластине и полке для размещения электронного прибора выполнены поверхностные фрактальные структуры, а пластина выполнена из керамической пены с открытыми порами.

Штыри радиатора могут иметь, например, квадратную, прямоугольную или цилиндрическую и др. форму поперечного сечения.

Поясним, что керамическая пена с закрытыми порами - это закаленная керамика с "карманами" воздуха или другого газа, содержащихся в порах по всему объему материала, а керамическая пена с открытыми порами представляет собой закаленную керамику с открытыми порами по всему объему материала. Такие материалы могут изготавливаться с содержанием воздуха от 94 до 96% по объему с термостойкостью до 1700°С. Поскольку многие керамические материалы уже являются оксидами или другими инертными соединениями, вероятность дополнительного окисления или восстановления материала крайне незначительна. Ранее при изготовлении в керамических компонентах избегали образования пор из-за их хрупкости. Однако на практике керамическая пена - пенокерамика - имеет более предпочтительные механические свойства по сравнению с традиционной объемной керамикой. Одним из примеров этого является возникновение и распространение трещин в пенокерамике. При определенных механических нагрузках и возникающих от них напряжениях керамическая пена фактически превосходит объемную керамику, потому что пористые воздушные карманы и открытые поры притупляют радиус вершины трещины, что приводит к нарушению ее распространения и снижению вероятности разрушения элементов материала.

Керамические пены, например, на основе нитрида алюминия (AlN) и других материалов обладают также следующие термофизическими и механическими свойствами: низкая масса (плотность 5…25% от плотности твердых макрочастиц объемной керамики, в зависимости от способа производства); большая поверхность обмена (250…10000 м²/м³); относительно высокая проницаемость; относительно высокая эффективная теплопроводность: - до (250…275) Вт/(м⋅K); что практически в 7…9 раз превышает эффективную теплопроводность пенометалла; высокая устойчивость к резким перепадам температур, высоким давлениям, высоким температурам, влаге, износу и термоциклированию; хорошая амортизация механических воздействий и шумопоглощающие свойства и др.; при этом как размер пор, так и пористость можно варьировать при их производстве (Fraunhofer-Institut fuer Keramische Technologien und Systeme IKTS. Keramische Kuehler fuer die Leistungelektronik. Germany; www.ikts.fraunhofer.de).

На фиг. 1 показан предлагаемый радиатор 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 - штыри, 2 - пластина, 4 - теплопроводная полка, 3 - отверстия в штырях, 5 - охлаждаемый электронный прибор.

На фиг. 3 показана структура указанного типа керамической пены с открытыми порами.

Охлаждаемый электронный прибор 5 может располагаться непосредственно на самой пластине 2 или на теплопроводной полке 4. Штыри 1 выполнены, в частности, в виде параллелепипедов и повернуты или гранями или ребрами к потоку охлаждающей среды. Штыри могут располагаться как с одной стороны пластины, так и с двух сторон в шахматном и (или) коридорном порядке; причем расположение штырей ребрами к потоку позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление радиатора.

Поток рабочей среды, проходя через штыри 2, образует отрывные вихревые зоны, интенсифицирующие теплообмен. Различное (шахматное и (или) коридорное) расположение штырей позволяет турбулизировать само ядро потока и пограничный слой по всей поверхности охлаждаемой пластины.

Отметим, что технологии производства керамической пены включают в себя пропитку полимерных пен с открытыми ячейками внутри керамической суспензией с последующим обжигом в печи, оставляя после этого только керамический материал. Пенокерамика может состоять из нескольких керамических материалов, таких как оксид алюминия, нитрид алюминия, традиционная высокотемпературная керамика и т.д. и при изготовлении приобретает, в т.ч., высокие прочностные и изолирующие свойства за счет множества крошечных заполненных воздухом пустот внутри материала, а также высокую теплоотдачу при использовании керамической пены с открытыми порами. Керамическую пену можно использовать, в том числе, например, в качестве легкого и прочного конструкционного материала, в частности, для фиксации и юстировки отражающих зеркал большого диаметра у астрономических инструментов - оптических телескопов.

В течение последних нескольких лет было разработано несколько технологий для производства пены из керамики, однако только некоторые из этих технологических процессов могут быть использованы для производства пенокерамики с открытыми порами, например, на основе нитрида алюминия. Один из наиболее распространенных технологических процессов - метод полимерной губки. Полимерная губка покрывается керамической суспензией и после прокатки и сушки губка с керамическим покрытием подвергается пиролизу для разложения полимера, оставляя только пористую керамическую структуру. Затем керамическую пену дополнительно спекают для окончательного уплотнения. Указанный метод достаточно широко используется, поскольку он эффективен для любого типа керамики, которая может быть использована; но однако при этом выделяется большое количество газообразных побочных продуктов и обычно происходит растрескивание из-за различий в коэффициентах теплового расширения. Приведенные методы основаны на использовании так называемого внутреннего шаблона, но в тоже время существуют также методы прямого вспенивания, которые широко используются. Эти методы основаны на нагнетании воздуха во взвешенную керамику перед ее схватыванием и спеканием. В тоже время такая технология достаточно сложна, поскольку влажные пены термодинамически нестабильны и после схватывания могут образовывать поры больших размеров. Кроме того, также был разработан один из новых методов создания пен из оксида алюминия. Этот метод включает нагревание кристаллов с металлом и формирование соединений до образования раствора. В этот момент полимерные цепи образуются и растут, в результате чего вся смесь разделяется на растворитель и полимер, причем в момент закипания смеси, пузырьки воздуха захватываются раствором и фиксируются на месте, поскольку материал нагревается с одновременным выгоранием полимера. Керамическая пена на основе, например, нитрида алюминия, может быть произведена и по LTCC - технологии - низкотемпературной совместно обжигаемой керамики при температуре обжига менее 1000°С, либо на основе НТСС - технологии - высокотемпературной совместно обжигаемой керамики и др.

По оценочному сравнению с прототипом за счет использования в предлагаемой конструкции радиатора керамической пены на основе нитрида алюминия реальное увеличение теплоотдачи с такой же площади поверхности, соприкасаемой с окружающей средой, возможно в 3…4 раза.

Таким образом, предлагаемая конструкция радиатора позволяет в результате интенсификации теплообмена с окружающей средой - за счет значительного увеличения теплоотдачи площади контакта при выполнении пластины из керамической пены с открытыми порами - увеличить отвод тепла от полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов без увеличения внешних размеров радиатора, что даже при тех же габаритах радиатора и в таких же условиях эксплуатации, приведет к повышению эффективности теплообмена устройства примерно в 3…4 раза; решая, тем самым, поставленную задачу предлагаемой полезной модели.

Claims (1)

1. Радиатор для охлаждения полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, содержащий пластину, штыри, теплопроводную полку для размещения электронного прибора и отверстия для прохождения охлаждающей среды, а штыри выполнены с дополнительными отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру, на пластине и полке для размещения электронного прибора выполнены поверхностные фрактальные структуры, отличающийся тем, что пластина выполнена из керамической пены с открытыми порами.

Images