Тепловідведення (варіанти)
H01L23 / 36 - вибір матеріалів або спеціальної форми для полегшення охолодження або нагрівання, наприклад пристрої для відводу тепла
Власники патенту RU 2589942:
Товариство з обмеженою відповідальністю "Твін" (RU)
Винахід відноситься до твердотільної електроніки, зокрема до теплоотводу напівпровідникових приладів підвищеної потужності, і може бути використано в різних теплотехнічних пристроях, що працюють з великими питомими тепловими навантаженнями. Тепловідведення для охолодження принаймні одного локального джерела тепла містить підставу у вигляді алмазної пластини. На зазначеному підставі закріплена шарувата структура з теплопровідних пластин. Пластини шаруватої структури розташовані паралельно підставі. При цьому частина суміжних поверхонь зазначених пластин має тепловий контакт, а в областях між іншими частинами цих поверхонь розташоване теплоємність речовина. Технічний результат - підвищення потужності відводиться від локального джерела тепла (напівпровідникового приладу) при збільшенні часу роботи останнього. 8 з.п. ф-ли, 1 мул.
Винахід відноситься до твердотільної електроніки, зокрема до теплоотводу напівпровідникових приладів підвищеної потужності, і може бути використано в різних теплотехнічних пристроях, що працюють з великими питомими тепловими навантаженнями.
Недоліком цього тепловідведення є обмеження відводиться від напівпровідникового приладу (джерела тепла) потужності при збільшеному часу його роботи. Так, вже через час t> 10da 2 / ka ≈6 мс (ka - коефіцієнт температуропровідності алмазу, ka = 2,7 см 2 / с) розподіл температури в алмазної пластини під джерелом тепла стане відповідати практично безперервному режиму. Отже, максимальна щільність потужності q, що виділяється на поверхні алмазної пластини, де розташований локальний джерело тепла, буде виділятися на протилежному боці пластини з поправкою на множник ≈ 1 / (1 + d), який для цього тепловідведення становить величину ≈ 1. Таким чином, максимальна щільність потужності на протилежному боці алмазної пластини практично дорівнює підводиться щільності потужності, тобто складе більше 0,5 кВт / см 2. Відводити таку щільність потужності тривалий час технічно складно, а при збільшенні потужності локального джерела в 2-3 рази стає практично неможливо.
Недоліком цього технічного рішення є зберігається обмеження по відводиться потужності при збільшенні часу роботи джерела тепла, оскільки товщина алмазної пластини зазвичай не перевищує 0,5 мм, а площа передачі тепла від алмазної пластини до мідного хладопроводов обмежена площею їх контакту, тобто щільність потужності на кордоні хладопроводов велика.
Вирішити зазначену задачу - знизити величину щільності потужності на охолоджувальної стороні алмазної пластини можна значним збільшенням її товщини, що вкрай важко. Обмеження товщини застосовуваних в тепловідведення алмазних пластин пов'язано з тим, що виготовлення алмазних пластин товщиною 1 мм і більше пов'язане з певними труднощами. Пластини з монокристалічного алмазу обмежені за розмірами і дороги. Отримання CVD-алмазних пластин великих розмірів - вирішена задача, але збільшення товщини пластин при збереженні швидкості росту призводить до погіршення теплопровідності. Зниження швидкості росту призводить до різкого збільшення ціни CVD-алмазної пластини.
Завданням винаходу є усунення зазначених недоліків. Технічний результат полягає в підвищенні потужності, що відводиться від локального джерела тепла (напівпровідникового приладу), при збільшенні часу роботи останнього.
Поставлена задача вирішується, а технічний результат досягається тим, що в теплоотводе для охолодження, принаймні, одного локального джерела тепла, що містить підставу у вигляді алмазної пластини, на зазначеному підставі закріплена шарувата структура, виконана з теплопровідних пластин з теплопровідністю більше 4 Вт / см · К, розташованих паралельно підставі, причому частина суміжних поверхонь зазначених пластин має тепловий контакт, а в областях між іншими частинами цих поверхонь розташоване теплоємність речовина. Як теплоємність речовини може бути використано речовина з фазовим переходом першого роду в діапазоні температур роботи локального джерела тепла. В шаруватої структурі теплопроводящие пластини доцільно виконати з алмаза, а співвідношення параметрів теплопровідних пластин і областей теплоємність речовини переважно задовольняє нерівності r / s> λа / cb ρb d 2. де r - розмір області теплоємність речовини уздовж поверхні суміжних теплопровідних пластин шаруватої структури, cb і ρb - його теплоємність і щільність відповідно; s - відстань між областями теплоємність речовини уздовж поверхні суміжних теплопровідних пластин шаруватої структури, λa - їх теплопровідність; d - товщина шаруватої структури. Як теплоємність речовини доцільно використовувати воду. В цьому випадку тепловідвід переважно постачають пристроєм, примусово прокачувати воду уздовж поверхні теплопровідних пластин шаруватої структури. Всі алмазні пластини доцільно виконувати з CVD-алмаза, а поверхня підстави, на якій розміщений локальний джерело тепла, покривати струмопровідних шаром. Тепловий контакт поверхонь суміжних теплопровідних пластин шаруватої структури може бути виконаний за допомогою їх пайки.
На кресленні представлений пропонований тепловідвід.
Локальний джерело тепла 1, наприклад напівпровідниковий транзистор, розміщують на одній стороні підстави 2 пропонованого відводу тепла, виконаного у вигляді алмазної пластини. На іншій стороні зазначеного підстави закріплена шарувата структура, яка містить тепловідвідні пластини 3 і теплоємність речовина 4. Пластини 3 виконані з карбіду кремнію або алмазу, що зменшує перепад температури в шаруватої структурі, тобто між джерелом тепла 1 і речовиною 4, акумулює тепло. Як матеріал для алмазних пластин 2 і 3 використовують CVD-пластини, характеристики яких можна регулювати при їх виготовленні. Для поліпшення теплового контакту локального джерела тепла 1 з основою 2 його поверхню покривають струмопровідних шаром 5, наприклад, металлизируют. Тепловідведення може бути виконаний здвоєним, в цьому випадку підстави 2 і джерела тепла 1 розташовують по обидва боки шаруватої структури.
Шарувата структура виконана з карбідокремнієвих або алмазних теплопровідних пластин 3, розташованих паралельно підставі 2, причому частина суміжних поверхонь зазначених пластин 3 за допомогою пайки має тепловий контакт, а в областях (відкритих і / або закритих порожнинах) між іншими частинами цих поверхонь розташоване теплоємність речовина 4 з великою теплоємністю cb. (Наприклад, берилієм cb = 2,2 Дж / г · К) і / або великою теплотою плавлення з фазовим переходом першого роду в діапазоні роботи джерела тепла 120 ° C - 80 ° C (наприклад, гідроксиламіном з температурою плавлення 33 ° C і теплотою плавлення ≈ 500 Дж / г, температурою кипіння 58 ° C і теплотою випаровування ≈ 1500 Вт / г). При більшій теплоємності речовини 4 (берилію) в порівнянні з теплоємністю ca матеріалу пластин 3 (у алмазу ca = 0,8 Дж / г, у карбіду кремнію ca = 0,85 Дж / г К) берилій поглинає більше тепла, ніж карбід кремнію або алмаз, сповільнюючи тим самим зростання температури всієї структури. При використанні гидроксиламина один його грам на обох фазових переходах першого роду поглине енергії 2 кДж, що еквівалентно нагріванню на 20 ° 125 грамів алмазу пластини 3 або 130 г карбіду кремнію пластини 3, причому при фазовому переході першого роду температура гидроксиламина не росте, а отже, температура всього тепловідведення зростатиме значно повільніше.
Внаслідок розвиненості поверхні контакту площа, через яку тепло від теплопровідних пластин 3 передається теплоємність речовини 4, значно більше (число пластин може бути значним), ніж у прототипу, де передача тепла відбувається лише від однієї алмазної пластини. Площа, через яку тепло від теплопровідних пластин 3 передається речовині 4, збільшується в 2n (n - число пластин 3) разів у порівнянні з прототипом. Отже, щільність потужності, що відводиться від пластин, знижується в стільки ж разів, тобто в 2n. Таким чином, запропонований тепловідвід дозволяє відвести від джерела тепла 1 більше потужності при більш тривалому часу роботи.
Для оптимізації конструкції тепловідведення параметри тепловідвідних пластин 3 і областей теплоємний речовиною 4 повинні задовольняти нерівності
де r - розмір області теплоємність речовини уздовж поверхні суміжних теплопровідних пластин шаруватої структури, cb і ρb - його теплоємність і щільність відповідно;
s - відстань між областями теплоємність речовини уздовж поверхні суміжних теплопровідних пластин шаруватої структури, λа - їх теплопровідність;
d - товщина шаруватої структури.
Нерівність отримано з умови стабільної роботи тепловідведення: щільність потужності теплового потоку, що поглинається речовиною 4, більше щільності потужності теплового потоку, що передається від джерела тепла 1 в глиб шаруватої структури.
Для підвищення ефективності передачі тепла від теплопровідних пластин 3 в якості теплоємність речовини 4 використовують воду, яку додатково для інтенсифікації теплопередачі примусово прокачують уздовж пластин 3. Крім того, використання процесу кипіння води, що володіє великим поглинанням тепла, стабілізує тепловий режим і подовжує час роботи.
Пропонований тепловідвід працює наступним чином.
Тепло, що виділяється локальним джерелом тепла 1, через провідний шар 5 поширюється по підставі 2 на всі боки, перетікаючи далі в пластини 3 і поширюючись в них. Оскільки теплопровідність пластин 2, 3 велика, їх температурний режим швидко вийде в стаціонарний режим. Від пластин 3 тепло передається теплоємність речовини 4 і акумулюється ім.
Пропонована конструкція дозволяє значно підвищити потужність, що відводиться від локального джерела тепла (напівпровідникового приладу), при збільшенні часу роботи останнього.
1. Тепловідведення для охолодження принаймні одного локального джерела тепла, що містить підставу у вигляді алмазної пластини, що відрізняється тим, що на зазначеному підставі закріплена шарувата структура, виконана з теплопровідних пластин з теплопровідністю більше 4 Вт / см · К, розташованих паралельно підставі, причому частина суміжних поверхонь зазначених пластин має тепловий контакт, а областях між іншими частинами цих поверхонь розташоване теплоємність речовина.
2. Тепловідведення по п. 1, який відрізняється тим, що теплопроводящие пластини шаруватої структури виконані з алмазу.
3. Тепловідведення по п. 1, який відрізняється тим, що в якості теплоємність речовини використано речовина з фазовим переходом першого роду в діапазоні температур роботи локального джерела тепла.
4. Тепловідведення по п. 1, який відрізняється тим, що в шаруватої структурі співвідношення параметрів теплопровідних пластин і областей теплоємність речовини задовольняє нерівності
r / s> λa / cb ρb d 2,
де r - розмір області теплоємність речовини уздовж поверхні суміжних теплопровідних пластин шаруватої структури, cb і ρb - його теплоємність і щільність відповідно;
s - відстань між областями теплоємність речовини уздовж поверхні суміжних теплопровідних пластин шаруватої структури, λа - їх теплопровідність;
d - товщина шаруватої структури.
5. Тепловідведення по п. 1, який відрізняється тим, що в якості теплоємність речовини використовують воду.
6. Тепловідведення по п. 5, що відрізняється тим, що має пристрій, примусово прокачувати воду уздовж поверхні теплопровідних пластин шаруватої структури.
7. Тепловідведення по п. 2, який відрізняється тим, що всі алмазні пластини виконані з CVD-алмаза.
8. Тепловідведення по п. 1, який відрізняється тим, що поверхня основи, на якій розміщений локальний джерело тепла, покрита струмопровідних шаром.
9. Тепловідведення по п. 1, який відрізняється тим, що тепловий контакт поверхонь суміжних теплопровідних пластин шаруватої структури виконаний за допомогою їх пайки.