Закон Мура предсказал резкое увеличение плотности размещения электронных компонентов в корпусах изделий, произошедшее за последние десятилетия. Одновременно с увеличением коэффициента использования объема изделия увеличивается и плотность тепловых потоков.

Физические основы систем охлаждения электронных приборов.

Рис 1.2. Зависимости допустимого тепловыделения от (а) максимальной рабочей температуры прибора и (б) требуемого объема рабочего тела охладителя

Физическими условиями, определяющими применение той или иной системы охлаждения прибора, являются максимально допустимая рабочая температура прибора и максимальное количество теплоты, генерируемое с единицы площади прибора. На рис. 1.2.а упрощенно показана зависимость между плотностью потока тепла и рабочей температурой различных типов приборов. Самые высокие характеристики -- у лазерных диодов, которые имеют тепловыделение до 400 Вт/см2. Такие диоды необходимо охлаждать до сравнительно невысоких температур -- 50-60 °C.

Данные по светодиодам на рис. 1.2. являются характеристиками дискретных устройств. В будущем кристаллы из SiC должны иметь гораздо более высокие рабочие температуры, а следовательно, и допустимые тепловые потери.

Физические условия, определяющие применение системы охлаждения, зависят от максимального рассеивания тепла на единицу площади контакта, температуры окружающей среды и максимально допустимого объема изделия.

На рис. 1.2.b приведена упрощенная схема, показывающая эффективность разных типов систем охлаждения по значению максимального рассеивания тепла на единицу площади и по объему, занимаемому этой системой при данной производительности. С точки зрения максимального теплоотвода при минимальном объеме системы самым эффективным решением является микроканальный охладитель.

Естественная конвекция требует объема, более чем в 100 раз превышающего объем жидкостного теплообменника, при этом значение рассеивания тепла на единицу площади в случае естественной конвекции наихудшее.

Таблица 1.2. Преимущества и недостатки различных способов охлаждения

Другие типы систем охлаждения по своим характеристикам занимают промежуточное положение. Эффективность пассивных систем охлаждения сильно зависит от внешних условий, активные способы отвода тепла не имеют таких ограничений. Существуют еще две технологии для промышленных применений -- это системы охлаждения с термоэлектрическими элементами (элементы Пельтье) и компрессорные системы охлаждения. Недавно появились сообщения об экспериментальных системах термоакустического охлаждения в космических аппаратах. В таблице 1.2. приводится краткий анализ преимуществ, недостатков и областей применения каждого из типов систем отвода тепла.

Естественное охлаждение достигается благодаря конвекции и излучению при свободном движении воздушного потока вдоль поверхностей охладителя и самого прибора.

В воздушной системе охлаждения для таблеточных СПП большой мощности (рис. 1.3.) таблеточный СПП 2 крепится между двумя охладителями 1 и 3 с помощью двух болтов 4. Болты изолированы от охладителей втулками 5. Требуемое усилие сжатия обеспечивается траверсой 6 из закаленной стали. Для обеспечения равномерного давления на контактные поверхности таблетки усилие сжатия от траверзы передается через промежуточный полусферический элемент (на рис. 1.3. не показан). Охладители с продольными ребрами 7 представляют собой элементы с сильно развитой поверхностью из стандартных прессованных алюминиевых профилей разнообразного сечения. В комплекте с охладителем имеются токоподводящие шины 8 и детали крепления. В табл. 1.3. приведены технические данные типовых охладителей для воздушного охлаждения таблеточных СПП.

Буквенно-цифровое обозначение воздушных охладителей содержит: букву О, трехзначную цифру для обозначения конструктивного исполнения (для приборов штыревого исполнения последняя цифра 1, для приборов таблеточного исполнения -- 3); трехзначную цифру, соответствующую длине L охладителя в мм; климатическое исполнение и категорию размещения. Например, полное обозначение охладителя О131-60У2 означает охладитель для прибора штыревого исполнения длиной 60 мм, исполнение для умеренного климата, категория размещения 2.

Рис 1.3. Охладитель О243-150

Таблица 1.3. Параметры полупроводниковых приборов

Охладитель воздушного охлаждения при размерах примерно 150x150x150 мм3 обеспечивает при естественном охлаждении рассеивание мощности 220 Вт. Применение принудительного охлаждения позволяет с помощью этих же охладителей рассеивать мощность большую в 3--4 раза.

Принудительное охлаждение может быть воздушным и жидкостным, чаще всего водяным. Водяное охлаждение позволяет рассеивать большие мощности, чем воздушное охлаждение.

Упрощенная конструкция водяного охладителя (рис. 1.4.) содержит основание 1 с двумя штуцерами, корпус 2 с внутренней полостью в виде сложного лабиринта для повышения теплопередачи и резьбовое отверстие 3 для крепления прибора 4. Для подвода и отвода охлаждающей воды на штуцеры крепятся шланги 5. При двустороннем водяном охлаждении таблеточных приборов водяные охладители позволяют рассеивать мощности до 3 кВт и более. В качестве водо-подводящих труб могут использоваться шины, на которых крепятся СПП.

Рис 1.4. Охладитель для полупроводникового прибора штыревого исполнения с водяным охлаждением

Из рис. 1.2.a видно, что жидкостное охлаждение позволяет рассеивать максимальное количество теплоты прямо с поверхности нагретого компонента. Ниже приводятся два показательных примера применения систем жидкостного охлаждения.

1.2.1 Системы охлаждения лазерных диодов

Рис1.5.Конструкция системы охлаждения лазерного диода

Рис 1.6. Распределение температуры при раб. лазерного диода.

На рис. 1.5.a показана конструкция мощной линейки лазерных диодов с водяным охлаждением. Диоды смонтированы на охладителе посредством сверхтонкого слоя припоя.

Жидкость подается в нижний штуцер в конце радиатора, затем поднимается и выводится через верхний штуцер. На рис. 1.5.b показано реальное изделие, на рис. 1.6.c -- внутренняя структура системы охлаждения. Слои микроканального охладителя представляют собой тонкие медные листы, протравленные химическим методом. Слои меди соединены между собой с применением технологии прямой эвтектической связи Direct Bonding Copper (DBС). Распределение температуры при тепловыделении 40 Вт и расходе воды 0,3 л/мин показано на рис. 1.6. В этом случае из-за ограниченного объема системы жидкостное охлаждение признано единственным приемлемым вариантом.

1.2.2 Системы охлаждения силовых модулей

Рис 1.7. Система жидкостного охлаждения силового модуля

Рис 1.8. Сравнение значений тепловых сопротивлений силовых модулей различных конструкций

На рис. 1.7.a и 1.7.b показаны силовые модули, у которых изолирующая подложка из нитрида алюминия является неотъемлемой частью системы микроканального охлаждения. Внутренняя структура представляет собой шестиугольные соты, протравленные в нескольких слоях меди, соединенных друг с другом по технологии DBC. Тепловое сопротивление такого модуля составляет всего лишь 36% от сравнимого по мощности стандартного модуля, установленного на подложку с водяным охлаждением (рис.1.8.).

По сравнению со стандартным модулем, имеющим воздушное охлаждение, тепловое сопротивление в данном случае уменьшено на 90%. Модуль, показанный на иллюстрации, работает с током 450 A и охлаждается жидкостью, которая может иметь температуру на входе вплоть до 80 °C. К тому же сокращение расстояния от кристалла до теплоотводящей жидкости системы существенно уменьшает габариты модуля.

1.2.3 Испарительное охлаждение с промежуточным теплоносителем

Такие системы охлаждения состоят из двух контуров: внутреннего замкнутого, в котором используется своя охладительная среда -- теплоноситель, и наружного разомкнутого, который обеспечивает охлаждение промежуточного теплоносителя. Принцип их действия заключается в том, что теплота от СПП передается жидкости (например, воде), которая испаряется, ее пары по трубкам внутреннего контура поступают в конденсатор и конденсируются, затем конденсат вновь поступает к охладителю СПП. Конденсатор включается во внешний разомкнутый контур, например, воздушного или жидкостного охлаждения.

В испарительной системе погруженного типа (рис. 1.9. а) СПП 1, закрепленные в охладителях 2, помещаются в охлаждающую жидкость 3, которая заливается в закрытый бак 4. При нагревании приборов жидкость испаряется, и пар поступает в конденсатор 6, где конденсируется, и жидкость 7 из конденсатора вновь стекает в бак. Конденсатор охлаждается воздухом с помощью вентилятора 8. В качестве промежуточного теплоносителя используется легкокипящая жидкость, например фреон, точка кипения которого 47 °С. При этом в баке создается разрежение, что приводит к снижению точки кипения жидкости.

Рис 1.9. Испарительные системы охлаждения.

Может применяться также разнесенная испарительная система (рис. 1.9.б), в которой полупроводниковые приборы 1 закрепляются с помощью охладителей 2, заполненных охлаждающей жидкостью.

Корпус каждого охладителя посредством изолирующих патрубков 3 и соединительных труб 4 сообщается с баком 6, заполненным охлаждающей жидкостью 5. Пары жидкости 7 поступают в конденсатор 8, и конденсат 9 вновь стекает в бак 6. Конденсатор охлаждается с помощью вентилятора 10.

Обе рассмотренные системы испарительного охлаждения громоздки и сложны в эксплуатации. В современной преобразовательной технике перспективным является применение испарительной системы охлаждения с охладителями в виде тепловых труб (рис. 1.10.а), которые совмещают функции собственно охладителя и конденсатора.

Рис 1.10. Схема испарительного охлаждения с тепловой трубой и график изменения температуры

Таблетка СПП 1 устанавливается на корпусе 2 охладителя, в который вмонтированы одна или несколько трубок 3. Внутренняя поверхность трубок покрыта слоем материала 4 с капиллярными каналами. Трубки герметически запаяны и снабжены ребрами 5, многократно увеличивающими поверхность теплопередачи внешней охлаждающей среды. Внутренняя полость корпуса 2 и трубок 3 заполнена на 20-- 30 % объема жидкостью (промежуточный теплоноситель). Жидкость испаряется и в виде пара 6 движется вдоль трубок, где пары охлаждаются и конденсируются. Конденсат 7 по капиллярным каналам возвращается в зону нагревания. С помощью вентилятора 8 воздух внешней среды направляется в межреберное пространство охладителя и выводит теплоту во внешнее пространство. В охладителе имеются (рис. 1.10.б) зоны парообразования 1, передачи теплоты 2, конденсации 3. В зоне / происходит интенсивное поглощение теплоты, а в зоне 3 -- выделение теплоты. В отличие от простого охладителя, у которого теплосток со всех точек поверхности крайне неравномерный, в тепловой трубе достигается высокая интенсивность использования охлаждающей поверхности, благодаря чему можно рассеивать мощности до нескольких киловатт. При этом размеры и масса трубчатых охладителей меньше, чем у обычных воздушных охладителей. Тепловые трубы для СПП на токи 320--2000 А имеют длину L=600+650 мм, ширину В = 100-5-120 мм, высоту Я = 60 мм.

1.2.4 Основные методы охлаждения

Все способы охлаждения РЭА по методу действия можно разделить на две основные группы: на пассивный и активный методы. Для первого характерен естественный путь отвода тепла при помощи конвекции, теплопроводности и излучения. Для второго -- принудительный теплоотвод с применением вентиляторов, термоэлектроохладителей и омывающих жидкостей.

Самый простой и потому часто применяющийся способ -- пассивный теплоотвод с применением радиаторов. Этот метод основан на явлениях теплопроводности материалов и естественной конвекции.

Обдув радиатора воздушной струей от вентиляторов решает эту проблему и значительно усиливает теплоотвод.

Намного успешнее с задачей справляются жидкости, теплоемкость которых существенно выше. Система охлаждения при этом выглядит так: миниатюрный резервуар закрепляется на поверхности охлаждаемого чипа. Через шланг, с помощью микропомпы, напоминающей бытовой аквариумный насосик, охлаждающая жидкость перекачивается в герметичный наружный радиатор.

Рис 1.11. Устройство термоэлектроэлемента Пельтье

Рис 1.12. Устройство типового термоэлектромодуля

Он, в свою очередь, может обдуваться струей воздуха от специального вентилятора.

Особый тип жидкостной системы охлаждения -- тепловые трубки. Тепловые трубки всегда входят в состав систем иного рода в качестве средства повышения эффективности теплопередачи. Трубка выполняется из материалов с высокой теплопроводностью и внешне не отличается от обычных медных трубок. Внутри она полая, а ее стенки покрыты пористым материалом, по которому жидкий теплоноситель стекает от радиатора к горячему концу. Нагреваясь, жидкость испаряется, поглощая тем самым тепло охлаждаемого компонента. Горячий пар по внутренней полости трубки свободно поднимается вверх, к радиатору, где, остывая, вновь превращается в жидкость, впитывается пористым материалом стенок и стекает к горячему концу. Покрывая стенки пористым материалом с капиллярной структурой, удается достичь подъема жидкости даже против действия сил притяжения.

Рис 1.13. Каскадный термоэлектромодуль

Еще одна современная технология охлаждения -- применение термоэлектроохладителей, действие которых основано на эффекте Пельтье. Суть явления заключается в том, что при подаче постоянного тока в цепь, составленную из двух разнородных проводников, в местах контактов, в зависимости от направления тока, будет выделяться или поглощаться тепло. Количество теплоты зависит от свойств материалов и величины тока.

Устройство полупроводникового термо-электроэлемента приведено на рис. 1.11, а на рис. 1.12 изображен типовой модуль. Часто оказывается, что для надежного охлаждения детали вполне достаточно простого модуля. Но иногда для достижения большей эффективности теплоотвода модули каскадируются. В этом случае на горячую поверхность первого модуля устанавливается второй чуть большего размера. Иногда собирается целая пирамида модулей. С ее помощью можно достичь разницы (ДТ) температур в 70-75 °С при температуре окружающей среды 25 °C. Пример составного (каскадного) модуля приведен на рис. 1.13.

1.3 Основные понятия о законах вентиляции