Методы обеспечения теплоотвода космических аппаратов

Размещено на http://allbest.ru

1. Конструктивно-технологические методы обеспечения эффективного теплоотвода у перспективных электронных компонентов бортовой аппаратуры космических аппаратов

теплоотвод космический аппарат

Актуальность и современное состояние проблемы

Основными тенденциями электронных средств в микроэлектронном исполнении являются увеличение их сложности и снижение габаритов, с одной стороны, и увеличение требований к стабильности параметров - с другой. Эти тенденции противоречивы, так как увеличение сложности и уменьшение габаритов приводят к увеличению напряженности теплового режима, а требование обеспечения стабильности параметров системы связано с необходимостью его облегчения. В данных условиях основная проблема в технологии МКМ - обеспечение требуемого уровня качества и надежности ИМС. А одним из основных показателей монтажа МКМ является обеспечение тепловых характеристик и в первую очередь интенсивного отвода тепла, выделяемого кристаллами. Актуальность проблемы связана с тем, что элементы конструкции электронных средств могут нормально функционировать в ограниченном температурном диапазоне и обладают ограниченной термостойкостью. Так при нарушении теплового режима возможны следующие воздействия на работоспособность МКМ: нестабильность и деградация электрических параметров, обрывы и короткие замыкания соединений и выводов, потеря герметичности корпуса, изменение механических характеристик и т.д. Поэтому эффективность и качество конструкции электронных средств в значительной степени зависят от их способности отводить теплоту.

Обеспечение нормативных тепловых режимов всех элементов, входящих в электронные устройства, является необходимым, хотя и не единственным условием их надежной работы. Современные тенденции повышения быстродействия и микроминиатюризации электронных средств увеличивают удельную тепловую нагрузку и усложняют проблему теплового конструирования.

В рабочих условиях в результате внутреннего тепловыделения температура внутри устройства становится выше температуры окружающей среды. Вследствие неравномерного распределения источников тепла по объему устройства появляется неравномерность распределения температуры внутри устройства (рис.1.1). Изменения температуры вызывают соответственно изменения электрических и механических свойств материалов и характеристик электронных устройств. При этом возникают обратимые и необратимые эффекты, приводящие к снижению надежности и появлению нестабильности работы устройства.

а) б)

Рис.1.1. Изменения температуры в модуле МКМ в результате

переноса тепла от кристаллов: а) до включения; б) после включения

Обеспечение нормативных тепловых режимов электронных средств, т. е. обеспечение такого температурного поля в устройстве, при котором все используемые элементы работают в условиях, соответствующих требованиям ТУ, является одной из основных задач, решаемых при конструировании. Основной способ обеспечения требуемого теплового режима заключается в создании теплового динамического равновесия, т. е. создание условий, при которых количество рассеиваемого в окружающей среде тепла равняется количеству тепла, выделяемого в устройстве. Основные потери в силовых транзисторах и модулях создаются непосредственно в кристалле. Тепло, выделяемое полупроводниковым кристаллом, отводится через корпус элемента на теплоотвод и далее в окружающую среду. Передача тепла от аппаратуры, модулей и блоков в окружающую среду осуществляется кондукцией, конвекцией, излучением. В процессе охлаждения в зависимости от способа отвода тепла любой из этих процессов может доминировать. Например, если охлаждаемое устройство установлено на теплосток с жидкостным охлаждением, большая часть тепла отводится за счет теплопроводности. При использовании вентиляторов в режиме принудительного охлаждения основное тепло отводится за счет конвекции.

При выборе способа охлаждения учитываются режим работы аппаратуры, конструктивное исполнение, величина рассеиваемой мощности, плотность теплового потока, объект установки, условия окружающей среды.

При кондуктивном охлаждении передача теплоты осуществляется через непосредственный контакт с помощью тепловых разъемов, теплопроводящих шин, печатных плат на металлической основе, радиаторов. Количество теплоты Q_K, передаваемой в статическом режиме кондукцией, определяется выражением:

,

где л_m - коэффициент теплопроводности; S - площадь теплостока; l - длина пути передачи тепла; ДT - разность температуры конструкции и окружающей среды.

При конвективном теплоотводе, как правило, используются следующие 3 способа охлаждения:

1) Воздушное естественное. Применяется в бытовой аппаратуре и в блоках, где плотность тепловых потоков не превышает 0,05 Вт/см². При компоновке необходимо стремиться к равномерному распределению выделяемого тепла по всему объему блоков.

2) Принудительное воздушное охлаждение. С помощью автономных вентиляторов обеспечивается теплоотвод от модулей и блоков с мощностью излучения не более 0,5 Вт/см². Применяется вытяжная или приточно-вытяжная схема охлаждения.

3) Водовоздушная система охлаждения. Используется в герметичной аппаратуре, а также при обеспечении теплоотвода от модулей и блоков с мощностью излучения свыше 0,5 Вт/см². Отвод теплоты от блоков осуществляется от центрального кондиционера или с помощью автономных вентиляторов воздухом, или жидким хладогеном.

Тепло от кристалла отводится прежде всего через материалы, находящиеся в непосредственном контакте с ним, т. е. корпус элемента и теплоотвод. Поскольку теплоотвод имеет конечные размеры, его температура всегда выше температуры окружающей среды. Эта разница зависит от размера, формы, материала радиатора и способа охлаждения (естественная или принудительная вентиляция, жидкостное охлаждение). Целью всегда является ограничение температуры кристалла на допустимом уровне.

Для моделирования с помощью ЭВМ тепловых процессов, протекающих в конструкциях РЭА, таких как стоечные конструкции, блоки, печатные узлы, функциональные ячeйки, микросборки, могут быть использованы тепловые модели. Целью моделирования является получение тепловых полей конструкций РЭА, функциональных ячеек, печатных плат, подложек, температур активных зон и корпусов электрорадиоэлементов. Тепловые модели позволяют решать следующие задачи:

- определение тепловых режимов работы всего множества радиокомпонентов и несущих конструкций с учетом конструктивно-технологических и эксплуатационных особенностей РЭА различного назначения (авиационной, космической, автомобильной и др.) и внесение изменений в конструкцию с целью обеспечения необходимых с точки зрения электрических характеристик или показателей надежности тепловых режимов работы РЭА;

- выбор лучшего варианта конструкции РЭА из нескольких имеющихся, с точки зрения тепловых характеристик;

- обоснование в необходимости дополнительной защиты РЭА от температурных воздействий;

- создание эффективной программы испытаний аппаратуры на тепловые воздействия.

2. Перспективы развития конструктивно-технологических решений эффективного теплоотвода

Известно, что одна из самых важных и сложных задач, возникающих при разработке электронной аппаратуры,- отвод выделяемого ею тепла. При современной устойчивой тенденции к уменьшению габаритов электронных устройств эта проблема не исчезает, а напротив, становится все более острой, и тем сильнее, чем выше мощность устройства и меньше его физический объем.

К настоящему времени в мировой технической практике МКМ имеется определенный опыт обеспечения теплоотвода, основанный на применении как различных теплопроводных материалов плат, так и специальных конструктивно-технологических вариантов для монтажа кристаллов в МКМ.

Теплопроводящие материалы для электронных устройств и приборов

Быстрое развитие электроники было бы невозможно без столь же быстрого развития промышленности специальных материалов. Как правило, цель их разработки и внедрения в производство электронных устройств - уменьшение габаритов и снижение энергопотребления. А это, в свою очередь, приводит к появлению новых потребительских свойств и даже принципиально новых технических направлений.

Компания Bergquist (США), один из лидеров среди производителей специальных материалов для электронной аппаратуры, уже более 30 лет выпускает различные теплопроводящие материалы, значительно улучшающие тепловые режимы работы электронных устройств и приборов. И в первую очередь - это композит Thermal Clad*, предназначенный, подобно фольгированным текстолитам типа FR4, для изготовления теплонапряженных систем на печатных плат (рис.1.2).

Размещено на http://allbest.ru

Рис.1.2. Печатные платы, изготовленные из материала Thermal Clad: а) алюминиевая основа толщиной 1 мм, двухслойный диэлектрик FR4/LTI, медная фольга толщиной 35 мкм с покрытием из олова; б) медная основа толщиной 2 мм, диэлектрик HT, медная фольга толщиной 356 мкм с покрытием никель-золото

Такая структура, отличающаяся высокими прочностью и жесткостью, позволяет эффективно отводить тепло от всей площади печатной платы. Первый слой материала Thermal Clad представляет собой медную фольгу толщиной от 35 до 350 мкм и служит для изготовления токоведущих дорожек печатной платы. Как и в случае применения обычных фольгированных текстолитов, рисунок печатной платы на слое Thermal Clad можно выполнять травлением или фрезерованием. Второй, или средний, слой с высокой теплопроводностью и толщиной 75-200 мкм изготовлен из особого диэлектрика - смеси полимера со специальной керамикой. Полимер выбирается исходя из его диэлектрических свойств, тогда как керамический наполнитель предназначен для улучшения теплопроводности материала, благодаря чему средний слой имеет и отличные диэлектрические свойства, и очень низкое тепловое сопротивление. Объемное удельное сопротивление материала этого слоя не менее 1014 Ом·см. При толщине диэлектрика 75 мкм допустимое рабочее напряжение между первым и третьим слоями составляет 5,5 кВ переменного тока и более, что вполне достаточно для большинства приложений. В композите Thermal Clad средний слой - ключевой, поскольку соединяет первый слой с третьим, металлическим (алюминиевым или медным) базовым слоем (толщиной 1-3,5 мм), который служит радиатором для всей печатной платы и выполняет функцию проводника тепла к этому третьему слою или к подложке.

Поставляется достаточно широкая номенклатура композитов Thermal Clad с различными диэлектриками: HT/LTI (High Temperature/Low Thermal Impedance - высокотемпературный диэлектрик с низким полным тепловым сопротивлением); MP (Multi_Purpose - диэлектрик широкого применения); CML (Circuit Material Laminate - слоистый диэлектрический материал типа гетинакса) и другие. Тангенс угла диэлектрических потерь всех типов диэлектриков довольно низкий, что обеспечивает использование на частотах до 150 МГц.

Композиты, помимо эффективного отвода тепла от печатной платы, позволяют решать и другие проблемы, возникающие при разработке и производстве электронных устройств. На такой печатной плате с теплоотводом можно без специальной изоляции размещать активные элементы (мощные транзисторы и микросхемы) с различной полярностью на теплоотводящем выводе. Это способствует увеличению плотности монтажа, упрощает сборку изделия, снижает стоимость производства при значительном повышении его надежности.

Однако необходимо учитывать, что при нагреве печатных плат из фольгированных текстолитов происходит отслаивание токопроводящих дорожек, что часто приводит к их окислению и обрыву. Температура нагрева, при которой может произойти такое отслаивание, колеблется от 100 до 160°С, время нагрева - от нескольких минут до нескольких месяцев.

Для высокотемпературных приложений, где подобные нежелательные явления наиболее вероятны, выпускаются материалы с подложкой, изготовленной из низкоуглеродистой стали толщиной 1-2 мм.

Для электронных устройств, работающих в неблагоприятных условиях при высокой температуре, выпускаются специальные композиты Thermal Clad HTV. Они имеют более высокие технические характеристики: теплопроводность до 2,2 Вт/м·К и напряжение пробоя не ниже 9 кВ переменного тока при толщине диэлектрического слоя 150 мкм. Толщина медной фольги в материалах этой группы несколько больше - 140-350 мкм, что не только снижает сопротивление токоведущих дорожек (при заданной их ширине), но и увеличивает теплоотдачу от нагревающихся элементов.

От конструкций теплоотводящих элементов зависит не только эффективность отвода тепла, но также габариты и, конечно, надежность электронных устройств. Современные теплоотводы представляют собой сложные конструкции, состоящие из радиаторов, воздуховодов, вентиляторов и различных прокладок из специальных материалов, улучшающих теплоотдачу. В большинстве современных электронных систем в основном используется воздушное охлаждение, но в последнее время все чаще можно встретить жидкостное охлаждение, а также модули Пельтье. В любом случае, независимо от способа охлаждения, для отвода тепла от электронного компонента необходим радиатор, имеющий непосредственный тепловой контакт с охлаждаемым электронным компонентом или контакт через прокладки из специальных материалов. Поскольку площадь поверхности радиатора во много раз больше, чем у охлаждаемого компонента, теплообмен с окружающей средой усиливается. Главное при использовании радиаторов - обеспечить хороший тепловой контакт с охлаждаемыми поверхностями. В противном случае тепловое сопротивление охлаждающей системы резко увеличивается и эффективность теплоотвода падает. Поверхности охлаждаемых электронных компонентов (микросхем, транзисторов, тиристоров, диодов и др.), как правило, не очень ровные и не гладкие. Поэтому между ними и радиаторами для получения надежного теплового контакта располагаются специальные материалы, заполняющие неровности и обеспечивающие хороший тепловой контакт и максимальную теплопроводность системы. В качестве таких материалов наибольшее распространение получили специальные пластичные смеси - теплопроводные пасты или, как их еще называют, термопасты. Изготавливаются они на жидкой силиконовой основе с наполнителем из теплопроводного материала - окисла металла (цинка), металлической пудры и т.п. Их главные достоинства - простота использования и низкая стоимость, а основной недостаток - старение, высыхание и ухудшение теплового контакта. Вдобавок термопасты не обеспечивают электрической изоляции между охлаждаемым компонентом и радиатором, что часто бывает необходимо, например, при установке нескольких мощных разнополярных транзисторов на один, а не на несколько радиаторов. Кроме термопаст для улучшения теплового контакта применяются твердые материалы, такие как слюда, графит, керамика, фторопласт и др. Слюда обладает хорошими электроизолирующими свойствами, но хрупка и очень нетехнологична. Из-за высокой вероятности возникновения паразитных емкостей между корпусом компонента и радиатором при использовании слюды, характеризуемой высокой диэлектрической проницаемостью, ее применение на высоких частотах ограничено. Вдобавок, работа со слюдой требует специальных защитных средств для персонала. Графит используется в виде тонких пластин. Графитовые прокладки выпускаются в различных конфигурациях, они часто поставляются вместе с радиаторами для процессоров, используемых в микрокомпьютерах. Такие радиаторы, как правило, поставляются в комплекте со специальным вентилятором - кулером. Теплопроводность графита высокая, и он обеспечивает достаточно хороший тепловой контакт радиатора и компонента. Но этот материал очень хрупок и не обладает электроизоляционными свойствами. Керамические прокладки также имеют высокую теплопроводность и, кроме того, отличные электроизоляционные свойства, но они хрупки и очень дороги. Кроме того, производятся они в основном только для конкретных компонентов, их нельзя вырезать под нестандартные размеры. Электроизоляционные свойства фторопластовых пленок отличные. Они гибкие и легко режутся. Однако из-за высокой твердости эти пленки не обеспечивают хорошего теплового контакта, особенно если одна или обе поверхности охлаждаемого компонента не ровные, имеют шероховатости и микродефекты. Фторопласт плохо клеится, и к тому же его пленки довольно дороги.

С учетом приведенного краткого перечня достоинств и недостатков применяемых сегодня теплопроводных материалов можно определить основные предъявляемые к ним требования. Так, современные материалы, предназначенные для отвода тепла электронных компонентов, должны: иметь хорошую теплопроводность; иметь высокое пробивное напряжение; быть эластичными; легко обрабатываться и резаться; иметь клеевой слой с одной или двух сторон по желанию заказчика; быть экологически чистыми и не выделять вредные вещества при нагреве; иметь доступную цену.

Теплопроводящие подложки и пасты

Керамико-полимерные материалы на стеклотканевой или полиимидной основах применяются для изолирования посадочных поверхностей полупроводниковых приборов при монтаже.

Отличительные особенности:

- не требуют нанесения промежуточных слоев теплопроводящей пасты, что обеспечивает сокращение времени и чистоту сборки;

- интенсивный теплоотвод через изоляционную подложку гарантируется применением керамического наполнителя с высокой теплопроводностью;

- высокая эластичность обеспечивает надежный контакт поверхностей в соединении полупроводник-изолятор-радиатор;

- экологически чист;

- снижает стоимость монтажа за счет уменьшения трудоемкости и замены композиции слюда-паста.

Эластичные теплопроводящие изоляторы. Такие изоляторы предназначены для электрической изоляции и отвода тепла от тепловыделяющих элементов электронных устройств, а также нагревающихся при работе конструкций и узлов. Изготавливаются из теплопроводящей керамики на кремний-органической связке. Поставляются в виде листов и двухкомпонентного компаунда.

Применяются для изолирования посадочных поверхностей полупроводниковых приборов при монтаже. Используются вместо слюды и теплопроводящей пасты КПТ-8."Номакон GS" - эластичный керамико-полимерный материал, армированный стеклотканью. Благодаря армирующему слою материал имеет отличные прочностные характеристики на разрыв и раздир. Наполнитель из высокотеплопроводящего керамического порошка обеспечивает теплопроводность на уровне лучших зарубежных аналогов. Термостойкая силиконовая связка придает материалу эластичность мягкой резины, что способствует заполнению шероховатостей микрорельефа сопрягаемых поверхностей, снижая тепловое сопротивление между ними. Диапазон толщины материала "Номакон GS", в отличие от других аналогов, варьируется по требованию заказчика в пределах от 0,15 до 2 мм и более. Стандартная толщина 0,22±0,05 мм. Существуют различные теплопроводящие интерфейсные материалы, обладающие разным термосопротивлением и свойствами.

Термопасты (thermal greases). Синтетические смолы (силикон, например) смешиваются с определенным количеством теплопроводящего порошка (обычно соотношение 40% и 60% соответственно). Образуется вязкая паста беловатого или серого цвета. Беловатый цвет свидетельствует о применении оксида цинка в качестве теплопроводящего вещества, серый - оксида алюминия. В экзотических случаях может быть и оксид серебра. Термопасты не затвердевают и могут быть легко убраны с поверхности радиатора или процессора. Хотя они не и являются электрическими изоляторами, протекание в них сколько-нибудь существенных токов маловероятно. Минусы термопаст - слабые клейкие свойства (в некоторых случаях может потребоваться дополнительное закрепление радиатора - эпоксидной смолой, например), возможно смешивание с нежелательными компонентами (может привести к частичной или даже существенной потере теплопроводящих свойств).

Термические смеси (thermal compounds). В общем случае представляют собой смесь эпоксидной смолы, теплопроводящей присадки и загустителя. При применении смесь переходит в резиноподобное состояние, крепко закрепляя радиатор. Однако, процесс удаления этого материала тоже достаточно прост. Тепловые характеристики термической смеси являются наилучшими. Но работать с ними достаточно сложно, так как часто приходится самостоятельно приготавливать смесь, поскольку производители поставляют именно компоненты, а не готовую смесь. Кроме этого невозможно вторичное применение бывшей в употреблении смеси.

Теплопроводящие прокладки (thermally conductive elastomers). Резинопо- добные пластины, содержащие теплопроводящие присадки. Может быть добавлено стекловолокно для увеличения прочности. Являются электрическими изоляторами, поэтому смело могут быть использованы для соединения поверхностей разных потенциалов. Обладая наибольшим коэффициентом теплопроводности, эти эластомеры, однако, не являются эффективным тепловым интерфейсом, так как не полностью заполняют нерегулярности поверхностей. Только при обеспечении сильного сжатия поверхностей они могут составить конкуренцию термопастам.

Теплопроводящие клейкие пленки (thermally conductive adhesive tapes). Двусторонние клейкие пленки, содержащие теплопроводящий наполнитель. Алюминиевая фольга может служить укрепляющим каркасом. Быстрота и удобство работы с этим материалом не могут компенсировать слабую эффективность теплопередачи. Многие пользователи рекомендуют воздерживаться от применения таких пленок, поскольку в исключительных случаях даже просто отсутствие теплового интерфейса может оказаться более эффективным. Все это касается существующих пленок. Однако, разработчики не топчутся на месте, и вполне возможно появление эффективных вариантов этого теплового интерфейса.

Материалы, меняющие агрегатные состояния (phase change materials).

Такие материалы при комнатной температуре представляют собой твердые микрочастицы. При достижении определенной температуры (обычно 45-60 °C) микрочастицы плавятся - происходит фазовый переход. При этом материал становится близок к термопастам по своим теплопроводящим свойствам. Более того, такие материалы могут обладать существенно меньшим термосопротивлением, меньшей текучестью и лучшими эксплуатационными свойствами. Благодаря этому данные материалы все чаще и чаще применяются в качестве тепловых интерфейсов.

Миниатюрные охлаждающие агрегаты

Рис. 1.3. Типовые конструкции охлаждающих агрегатов серии «LAM»

Для рассеивания большого количества тепла в маленьком объеме, использование охлаждающих агрегатов с принудительным воздушным охлаждением дает большие преимущества по сравнению с радиаторами с естественным охлаждением.

На охлаждающие агрегаты маленького объема, компания Fischer Elektronik разработала малогабаритные охлаждающие агрегаты с поперечным сечением 30x30 или 40x40 мм. Эти охлаждающие агрегаты серии LAM удобны для установки в корпусах и печатной плате. Компактный дизайн с внутренней системой теплообмена способствуют однородной теплоотдаче. Мощный осевой вентилятор с напряжением питания 12-24 В отличается высокой пропускной способностью при высоком давлении, благодаря этому дистанция охлаждения увеличивается.

Используя охлаждающие агрегаты, можно очень эффективно отводить тепло от электронных компонентов, т.к. сильный поток воздуха гарантирует намного большее рассеивание тепла, чем естественное охлаждение.

Дизайн и схема охлаждающих агрегатов оптимальна для различных приложений требующих отвода тепла:

- многомодульные охлаждающие устройства для силовых полупроводниковых модулей,

- миниатюрные охлаждающие агрегаты для непосредственного монтажа на печатную плату,

- охлаждающие устройства высокой мощности с полыми рёбрами или с ламинарной структурой для тиристорных модулей, твёрдотельных реле, IGBT, AC-ключей, выпрямительных мостов и т.д.

Радиаторы

В зависимости от конструкции устройства в качестве теплостока может быть использован специальный радиатор, шасси или корпус устройства. Во всех случаях необходимо обеспечить эффективный отвод тепла от базовой поверхности модуля в окружающую среду, оптимальный тепловой контакт с охлаждающей поверхностью и высокую теплоемкость радиатора для исключения локального перегрева при кратковременных перегрузках.

Из материалов, применяемых для изготовления радиаторов, наиболее высокими значениями теплоемкости на единицу объема обладают сталь, медь, латунь, алюминий. По теплоемкости на единицу веса лучшие характеристики имеют никель и алюминий.

Самую высокую теплопроводность из доступных материалов обеспечивают медь, алюминий и латунь. Если не думать о весе радиатора, то наибольшая теплоемкость у никеля, однако на практике алюминиевые радиаторы предпочтительнее с точки зрения соотношения эффективности теплоотдачи на единицу объема.

На рынке сейчас имеются алюминиевые теплоотводы различных форм и размеров. Как правило, производители радиаторов определяют тепловое сопротивление радиатора как функцию геометрических размеров и рассеиваемой мощности.

Легко монтируемые (slip-on) радиаторы изготавливаются из прессованного алюминиевого профиля. Они предназначены для электронных компонентов в корпусах типа TO220, TO247 и аналогичных им. Эти радиаторы монтируются на транзисторы или вместе сними на плату.

Ширина этих компактных радиаторов не превышает ширины компонента. Радиатор может использоваться как единичный, так и входить в состав группы радиаторов. Допускается вертикальная и горизонтальная установка. Передача тепла от транзистора радиатору осуществляется благодаря металлической прижимной скобе.

Радиаторы игольчатого типа

Радиаторы игольчатого типа серии “ICKS” компании Fischer Elektronik - перспективное направление в области изготовления радиаторов. Компактные радиаторы этой серии имеют большое количество игольчатых выводов, что позволяет обеспечить оптимальное рассеянье тепла проходящим воздухом. Использованный при изготовлении материал с повышенной теплопроводностью AL99.5, геометрия, рассчитанная с учетом направления теплового потока, и структура радиаторов этого типа делает их идеальным решением для совместного использования с силовыми электронными компонентами c целью постоянного, качественного рассеянья тепла, особенно при дополнительном воздействии направленного воздушного потока.

Несмотря на небольшой вес, радиаторы данной серии обладают гораздо лучшими характеристиками в сравнении с игольчатыми радиаторами такого же размера выполненными из прессованного профиля, а в особенности штампованного алюминия.

Крепление радиаторов этой серии к определенным компонентам осуществляется с помощью термического клея, термической фольги или специальных зажимов.

Теплопроводящие трубки

Теплопроводящая трубка представляет собой полую медную трубку, которая в вакуумной среде заполняется жидкостью и запаивается с обеих сторон. Эта жидкость переносит тепло от одного края трубки к другому с более высокой скоростью, чем если бы тепло распространялось через медь, материал, имеющий и очень высокую теплопроводность. Чаще всего в качестве рабочего тела, то есть, жидкости, заполняющей трубку, применяются спирты, ацетон или аммиак.

При нагревании жидкость, находящаяся внутри трубки, испаряется, и её пары перемещается в более холодную часть трубки, где они отдают тепло в окружающую среду (или радиатору) и конденсируются. Сконденсированная жидкость стекает обратно, в горячую часть теплопроводящей трубки, и цикл повторяется заново. Термическое сопротивление трубки очень низкое - от 0.002 до 0.01 C/W на один миллиметр длины, и оно обратно пропорционально переносимой через трубку тепловой мощности. То есть, чем больше рассеиваемая источником тепла мощность, тем меньше термическое сопротивление трубки, и тем эффективнее она будет работать. Внутри теплопроводящая трубка, обычно, имеет пористую структуру, за счёт чего жидкость по ней может двигаться в любом направлении - горизонтальном и вертикальном. В последнее время теплоотводящие трубки используются в кулерах для ноутбуков, в кулерах для видеокарт и центральных процессоров.

Теплоотводящие трубки выгодно использовать в тех случаях, когда надо эффективно перенести тепло на расстояние. Например, распределить между двумя радиаторами одного кулера или же равномерно распределить по поверхности одного радиатора.

Основная задача тепловой трубки - максимально быстро передать тепло с одного конца на другое. Как правило, тепловая трубка изготавливается из меди; внутри нее легкокипящая жидкость. Внутри трубки (в той части, которая наиболее приближена к источнику тепла) жидкость испаряется, поглощая тепло. А на другом конце трубки жидкость конденсируется, при условии если к трубке подсоединен какой-либо радиатор (рис.1.4). Иными словами, "тепловая трубка" предназначена исключительно для передачи тепла, но сама по себе охладить процессор (или другой источник тепла) не в состоянии.

Рис.1.4. Тепловая трубка с радиатором

Конструкция радиатора: на полностью медном основании установлено более двух десятков медных ребер. А для более быстрой теплопередачи в основание радиатора встроено три "тепловых" трубки.

При этом, каждое ребро соприкасается с трубкой довольно обширной площадью. Для этого отверстия в ребрах имеют специальные "лепестки", которые плотно охватывают трубку. Кроме того, между "трубкой" и "лепестком" есть небольшой слой термоинтерфейса, что также способствует теплопередаче.

Углеродные нанотрубки

Представители Fujitsu Laboratories сообщили об успехах, которых им удалось добиться при использовании углеродных нанотрубок в качестве средства теплоотвода для полупроводниковых микросхем. Крошечные трубки в перспективе могут прийти на смену металлическим радиаторам усилителей базовых станций сотовой телефонии следующего поколения. Аналогичная технология со временем, возможно, найдет применение и в наиболее распространенных больших интегральных схемах или процессорных чипах.

Углеродные нанотрубки представляют собой полые цилиндры, образованные атомами углерода (рис.1.5). По ним можно передавать большой ток, их электрическое сопротивление по сравнению с медными проводниками очень мало, а в сравнении с алмазами они обладают низким термическим сопротивлением.

Рис.1.5. Углеродные нанотрубки

Мощные усилители базовых станций сотовой телефонной связи построены на основе транзисторов, смонтированных на металлических блоках, которые служат для отвода лишнего тепла. При такой компоновке транзисторы располагаются над платой, а следовательно они должны подключаться к плате с помощью кабельного соединения, но это приводит к росту индуктивности и снижает мощность усилителя. Новые сотовые телефонные системы работают на увеличенной частоте и им нужен более высокий коэффициент усиления, поэтому кабель может стать узким местом.

Возможное решение заключается в том, чтобы перевернуть микросхему и соединить транзисторы с маленькими металлическими контактами на печатной плате. Это позволит конструкторам избавиться от кабеля, но подобная компоновка не слишком удачна с точки зрения отвода тепла.

Для того чтобы преодолеть трудности, связанные с ростом индуктивности и с выделением тепла, инженеры Fujitsu предложили использовать углеродные нанотрубки, которые обладают хорошими характеристиками и с точки зрения электропроводности, и с позиций теплоотвода.

Из углеродных нанотрубок можно выстраивать достаточно точные конструкции, и инженеры Fujitsu спроектировали шаблон, соответствующий схеме размещения транзисторов. Шаблон включает в себя группы нанотрубок, называемые «контактными площадками», которые в поперечнике имеют около 10 микрон, а в высоту не более 15 микрон.

В результате по сравнению с традиционным усилителем с кабельными соединениями, работающим на частоте более 3 ГГц, получается выигрыш примерно в 2 децибела, причем здесь можно добиться еще более значительной оптимизации.

Охлаждение элементом Пельтье

Термоэлектрические пластины (рис.1.6) используют эффект Пельтье (обратный эффект термопары, заключающийся в том, что при протекании тока через два соприкасающихся полупроводника от одного к другому, пластина нагревается с одной стороны и охлаждается с другой, причём перепад температур на обоих сторонах пластины одинаков. За это свойство модуль Пельтье называют термонасосом. Сам по себе он не может охладить процессор. Он просто перекачивает выделяемое тепло от одной обкладки к другой - от процессора к кулеру. Получается, что термоэлектрический насос имеет холодную сторону, где тепло поглощается, и горячую, где выделяется. Причём, как и в случае с обычным насосом, выделяемое тепло должно куда-то отводиться, то есть, его надо охлаждать кулером. Но на горячей стороне термопары выделяется также тепло, образующееся в следствии потерь, так как по ней тоже течёт ток, а законы физики никто не отменял. В итоге кулер должен охладить не только выделяемое процессором тепло, но и тепло, выделяемое самой термоэлектрической пластинкой, так как эффективность у неё не 100% и сам модуль Пельтье сильно греется.

Рис.1.6. Охлаждающий модуль на эффекте Пельтье

Плоские теплоотводы http://www.furukawa.co.jp/english/

Компания Furukawa Electric (Япония) разработала очень тонкий, подобный листу бумаги, теплоотвод, который позволит охлаждать полупроводниковые микросхемы в мобильных электронных устройствах типа ноутбуков, сотовых телефонов и КПК. Теплоотвод может также использоваться для регулирования разницы температур внутри корпуса устройств.

Рис.1.7. Типовые плоские теплоотводы

Поскольку домашняя электроника и коммуникационные устройства становятся все легче, тоньше и меньше, установка обычных теплоотводов становится затруднительной из-за ограниченного места. Возникает необходимость в разработке эффективного проводника тепла, который был бы тонким и гибким как бумага, при этом обеспечивая функции рассеивания тепла и теплорегуляции. Толщина разработанного японцами теплоотвода меньше 1 мм (рис.1.7). А поскольку его размеры могут свободно изменяться в зависимости от нужд устройства, теплоотвод легко устанавливается на свободное место любого размера.

Новинка довольно эффективна при решении многих температурных проблем, например, устранения нагревания, уравнивания температур и рассеивания тепла. К примеру, теплоотвод толщиной 0,6 мм, широтой 20 мм и длиной 150 мм может рассеять до 10 Вт тепловой энергии. Если же он будет несколько толще, например, 1 мм, то количество рассеиваемой энергии увеличится до 20-30 Вт.

Охлаждение микросхем распылением на них жидкости

Hewlett Packard намеревается применить для охлаждения интегральных схем технологии, разработанные для струйных принтеров. Эта разработка позволит добиться повышенной производительности электронного оборудования, без затрат на жидкое охлаждение. Принцип распыленного охлаждения весьма прост по своей сути. Он схож с механизмом охлаждения человеческого тела путем испарения влаги. Однако электронные приборы не выделяют влагу, поэтому охладители нужно распылять над поверхностью плат и блоков, где они будут нагреваться и испаряться. HP предложила использовать для охлаждения позиционную программируемость головок струйных принтеров. Для этого будет создана температурная карта чипа, и жидкость будет наноситься в те места, где это требуется. По заявлению компании, такая технология намного опережает все существующие методы охлаждения, как по качеству, так и по цене.

Капиллярная система теплоотвода IBM

Используя идею трёхуровневой капиллярной сети, позволяющей под небольшим давлением в полном объёме и равномерно снабжать кровью живую плоть, инженеры IBM разработали процессорный радиатор с высокой плотностью теплоотдачи (рис.1.8).

Рис.1.8. Входные и выходные каналы для подачи и забора хладагента.

Смысл пронизанного густой сетью каналов радиатора в том, что подаваемая через них термопаста равномерно распределяется в микрозазоре между подошвой радиатора и поверхностью чипа. Как бы не были отполированы верхушка кристалла и основа радиатора, зазор между ними будет всегда. Нанося термопасту обычным способом нельзя добиться высокой равномерности её распределения. Иное дело - подача пасты через микропоры. По словам IBM, эффективность "капиллярного" радиатора в 10 раз превышает параметр теплоотдачи "цельных" радиаторов. Примечательно, что ввиду относительной простоты реализации новой системы теплоотвода, её серийные решения могут появиться на рынке очень и очень скоро.

Параллельно IBM разрабатывает другое направление в системах теплоотвода. Точнее, это направление является частным случаем описанной выше "капиллярной" технологии. Только в ней вместо термопасты задействован жидкий хладагент (вода) (рис.1.9).



Рис.1.9. Система каналов для охлаждения кристалла хладагентом

В данной схеме охлаждения чип напрямую омывается жидкостью, отчего эффективность отвода тепла от кристалла процессора достигает едва ли не своего максимального значения. Прототип, демонстрировавшийся на саммите, мог похвастаться плотностью отвода тепла 370 Вт/см., тогда как воздушное охлаждение в аналогичных условиях позволяло отводить тепло плотностью 75 Вт/см. Учитывая сложность конструкции, до рыночного внедрения данной технологии охлаждения процессоров всё ещё далеко.

Особенности обеспечения теплоотвода в теплонапряженных модулях

Одна из основных тенденций современной микроэлектроники - увеличение степени интеграции, объединение на одном кристалле или в одном корпусе максимального количества компонентов для полного решения какой-либо задачи. В области силовой техники эта тенденция привела в свое время к разработке полумостовых и мостовых силовых модулей.

При разработке конструкции модуля основное внимание уделяется обеспечению высокой надежности и хороших тепловых характеристик. Как правило, силовые кристаллы модуля устанавливаются на изолирующую подложку, размещенную на базовой несущей плате. Несущая плата изготавливается из меди или сплава AlSiC, и предназначена для передачи тепла на радиатор. Тепловые характеристики платы оказывают существенное влияние на термодинамику модуля и суммарное тепловое сопротивление «кристалл-радиатор». Соединение чипов между собой в маломощных модулях осуществляется проводами, а в модулях большой мощности - многослойной шиной. Этим требованиям отвечают модули, выпускаемые фирмой Semikron по технологии SkiiP (Semikron integrated intelligent Power), при разработке которых был произведен анализ недостатков конструкции и отказов модулей. Выяснилось, что отказы в основном связаны с неоптимальным согласованием коэффициентов теплового расширения СТЕ (Coefficient of Thermal Expansion) конструктивных материалов и в первую очередь - алюминиевых соединительных выводов кристаллов. Еще одно слабое место - усталостные процессы в паяных соединениях. Улучшить термодинамические характеристики алюминиевого соединительного слоя помогает полиимидное покрытие. Такое покрытие позволяет повысить долговременную надежность соединений более чем 4 раза при испытаниях на циклическое изменение температуры с градиентом более 100 ⁰С.

Наибольшую устойчивость к термодинамическим воздействиям выдерживают модули, в которых применяются материалы с согласованным значением КТР. Согласование может быть достигнуто при использовании подложки из нитрида алюминия (AlN). Кроме согласования КТР этот материал обеспечивает и меньшее значение теплового сопротивления. Теплопроводность AlN в 7 раз выше, чем Al ₂O₃ - основного материала, применяемого для изготовления подложек.

Проблемы, связанные с повреждением паяных соединений, в модулях Semikron устраняются использованием прижимных контактов (pressure-contact-technology). Долговременные испытания на устойчивость модуля к термическим воздействиям показали, что одной из главных проблем является отслоение медного основания из-за усталости процессов. Эта проблема решена заменой медного основания на основание из AlSiC. Данный материал достаточно хорошо согласуется с нитридом алюминия по коэффициенту теплового расширения.

Табл. 1 показывает соотношение характеристик теплового расширения в модулях различной конструкции с медным основанием, с основанием из AlSiC и без несущей платы. Основание из AlSiC устраняет проблему несогласования коэффициента теплового расширения, однако этот материал имеет большее тепловое сопротивление, что в конечном итоге приводит к перегреву кристалла. Кроме того, стоимость основания из AlSiC намного выше медного.

Таблица 1.

Решением всех указанных проблем является отказ от несущей платы, что и реализовано в модулях SkiiP. При этом градиент температуры на участке кристалл - теплоотвод снижается более чем на 5-10% по сравнению с модулем, имеющим медное основание, и обеспечивается отличное согласование КТР.

Конструкция силовых модулей Semikron принципиально отличается от общепринятой в промышленности. На рис.1.10 показано устройство перспективного модуля SkiiP, рассчитанного на напряжение 3300 В и ток 1200 А. Модуль содержит теплосток, керамическое основание с мощными кристаллами, плату управления и элементы крепления.



Рис.1.10. Конструкция модуля SkiiP

Керамическая пластина с силовыми кристаллами установлена непосредственно на теплостоке. В модулях SkiiP она называется DCB ceramic (Direct Bonded Copper) - керамическая подложка с многослойной медной шиной связи.

Стандартное медное основание в силу технологических особенностей имеет менее ровную поверхность, чем основание AlSiC или керамическая подложка. Неровность поверхности может достигать 50 мкм, поэтому при креплении модуля к теплоотводу необходимо использование теплоотводящей пасты. При непосредственном креплении керамической подложки на теплосток неровность сопрягаемых поверхностей может быть снижена до 20 мкм. За счет этого суммарное тепловое сопротивление снижается более чем на 10%.

В модулях Semikron теплосток является составной частью конструкции. Это позволяет обеспечить необходимые тепловые режимы и, соответственно, повысить надежность устройства. Модуль закрепляется на теплоотводе с помощью специальных прижимных контактов. Такая технология снижает переходное тепловое сопротивление на участке кристалл-теплосток, позволяет оптимизировать термодинамические характеристики модуля и повышает эффективность термозащиты.

Технология SkiiP используется при производстве модулей SkiM (Semikron integrated Module) - новых модулей фирмы Semikron. Конструкция модуля SkiM представлена на рис.1.11. Керамическая плата DBC с установленными на ней силовыми кристаллами электрически изолирует модуль от радиатора и отводит на радиатор тепло. Непосредственная запрессовка платы на теплосток исключает необходимость использования медного несущего основания, которое обычно применяется в силовых модулях. Такая конструкция позволяет резко снизить тепловое сопротивление кристалл-теплосток, в результате чего температура кристалла при данном значении рассеиваемой мощности оказывается ниже. Плотный контакт между подложкой и теплоотводом, необходимый для снижения теплового сопротивления, достигается с помощью специального устройства сопряжения, состоящего из большого количества вертикальных запрессованных направляющих. Они равномерно передают давление на подложку и обеспечивают тепловой контакт в местах расположения силовых кристаллов.

Рис.1.11. Конструкция модуля SkiM

Пружинящая прокладка, состоящая из нескольких слоев эластичного пористого материала, передает давление от жесткой платы к сопрягающим элементам и обеспечивает равномерность распределения давления. Прижимная плата электрически соединяется с теплоотводом крепежными болтами и служит экраном, снижающим уровень наводок на плату драйвера.

Благодаря перечисленным особенностям и исключению медного основания из общего значения теплового сопротивления удалены составляющие, которые вносятся материалами паяных соединений и медной базовой платы. В результате снижения суммарного теплового сопротивления уменьшается перегрев силовых кристаллов, увеличивается допустимая токовая нагрузка, возрастает надежность и долговечность модулей. Упрощение конструкции также снижает возможность возникновения различных механических напряжений.

Вариант сопряжения силовой части модуля с платой драйвера показан на рис.1.12:

Рис.1.12. а) сопряжение модуля SkiM с платой драйвера; б) модуль SkiM с установленной платой драйвера

Благодаря отсутствию жесткого контакта керамики и радиатора размер керамической платы практически не ограничен. При возникновении механических напряжений DBC - плата просто «плавает» по слою теплопроводящей пасты, не повреждаясь и не нарушая теплового контакта. Постоянный надежный тепловой контакт силовых кристаллов с теплоотводом обеспечивается платой сопряжения, которая своими направляющими элементами постоянно прижимает кристаллы керамике. На рис.1.13 показана рамка с установленной DBC-платой и плата сопряжения:

Рис.1.13. Модуль SkiM с силовыми кристаллами Trench IGBT. Показана рамка с установленной DBC-платой и плата сопряжения.

Использование силовых модулей особенно целесообразно в области средних и больших мощностей, где конструкционные и технологические проблемы стоят наиболее остро, а эксперименты и макетирование почти исключаются.

К настоящему времени в мировой технической практике монтажа имеется определенный опыт обеспечения теплоотвода, основанный как на применении различных теплопроводных материалов плат, так и специальных конструктивно-технологических решений для монтажа кристаллов. Для выработки конструктивно-технологических вариантов исходят из того, что тепло в модуле передается в основном кондуктивным путем по элементам конструкции. Основными тепловыми сопротивлениями являются соединения, обеспечивающие контакты кристалла с коммутационной платой. Вопросы внешней теплоотдачи от МКМ, как правило, не рассматриваются при разработке технологии монтажа СБИС в МКМ. Они решаются целым рядом известных способов конвекции, излучения, с использованием оребрения и принудительного охлаждения, включая жидкостное.

Обеспечение теплоотвода при монтаже высокоскоростных

модулей на основе бескорпусных БИС

На уменьшение теплового сопротивления (Rт) «кристалл - окружающая среда (внешние монтажные выводы МКМ)» направлено развитие технологий как создания СБИС, так и их монтажа в МКМ. При корпусном исполнении применение керамических микрокорпусов обеспечило снижение теплового сопротивления почти вдвое (с 40 до 20 К/Вт для 24-выводного кристалла) по сравнению с пластмассовыми корпусами. Дальнейшее снижение Rт даже в конструктиве керамического микрокорпуса стало возможным только при введении в конструктив дополнительных теплоотводов, увеличивающих массогабаритные показатели корпуса, или применяя внешний обдув, увеличивая скорость воздушного потока. Действительно, уменьшение размеров микрокорпуса приводит к ограничению площади, участвующей в теплопередаче конвекцией, зазор между основанием кристаллоносителя и платой препятствует отводу тепла к металлизированной поверхности платы посредством теплопроводности, а выводы, служащие в корпусах своеобразными радиаторами, в кристаллоносителях укорочены или отсутствуют. Поэтому во многих публикациях указывается на необходимость конструктивной доработки носителей для сборки кристаллов с обеспечением либо большей рассеиваемой мощности, либо организации воздушного принудительного или жидкостного охлаждения. Фирмой Texas Instruments путем моделирования на ЭВМ представлены зависимости Rт от разности температур между корпусом (за температуру корпуса была принята температура выводов) и средой для ряда кристаллоносителей (рис.1.14), подтверждающие вышеупомянутые выводы.



Рис. 1.14. Расчетные зависимости величины R_ja от температуры перегрева корпуса для пластмассового кристаллоносителя с 68 выводами (кривая 1) и керамических 68- (кривая 2) и 84-контактных (кривая 3) кристаллоносителей.

Применение матричных микрокорпусов с повышенной степенью заполнения матрицы, то есть увеличенным числом выводов, служащих одновременно мини теплоотводами, к существенному уменьшению Rт не привело. Положительные результаты стали достигаться после введения промежуточных высокотеплопроводных вставок или теплорастекателей из бериллиевой керамики, карбида кремния, медных или алмазных пластин. Тепловое сопротивление таких корпусов (рис. 1.15, 1.16) с учетом введения радиаторов и внешнего обдува удается снизить до 5 К/Вт.

Рис. 1.15. Матричный корпус ЭСЛ СБИС фирмы Mitsubishi Elektric 1- индиевый припой, 2- медная пластина, 3- радиатор, 4- крышка корпуса, 5- припой, 6- основание корпуса



Рис. 1.16. Шестикристальный модуль фирмы Hitachi.

1- пластина карбида кремния, 2- припой, 3- радиатор, 4- стеклоприпой, 5- керамическая плата, 6- крышка, 7- выводы.

Применение конструктивно-технологического варианта, представленного на рис.1.16 для многокристального исполнения, осложнено тем, что требуется высокая прецизионность монтажа теплопроводных вставок для кристаллов различной толщины. В противном случае наблюдается нарушение целостности паяных соединений кристалла с платой, выполненных через шариковые выводы. Массогабаритные показатели такого МКМ существенно ухудшаются за счет весьма объемного радиатора.

Для улучшения теплорассеивания наряду с радиаторами, смонтированными индивидуально на каждом кристалле в МКМ, используют теплопроводные штыри. Примером таких конструкций является модуль, имеющий плоское основание с многослойной подложкой, на которую монтируются кристаллы обращенным способом. Модуль герметизируется П-образной крышкой, изготовленной из Al, Cu, W, AlN и др. В верхней части радиаторов имеется набор горизонтальных параллельных пластин, а в нижней - цилиндрические штыри из Al, Cu или керамики, конец которых имеет округлую форму. Штырь проходит через круглое отверстие в крышке и упирается в кристалл. Чтобы улучшить отвод тепла от кристалла и механического крепления радиатора, в зазор между крышкой и штырем вводится расплавленный припой Sn-Pb, который, стекая по штырю, образует конусообразную форму вокруг штыря на кристалле и герметизирует крышку.