XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Новый тип радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Одна из главных проблем электроники — уменьшение габаритов устройств и увеличение роста производительности и надежности. Но размещение большого числа электронных модулей на малой площади приводит к быстрому нагреву. Поэтому, чем миниатюрней меньше устройство, тем важнее для него проблема эффективного охлаждения1.
Для этого нужно развивать надежные системы отвода тепла от электронных компонентов.
Разработанная 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.
Назначение радиаторов
В физике есть известный закон Джоуля-Ленца, согласно которому ток, протекающий по проводам, нагревает их. Поэтому все, что работает от электричества, часть проходящей энергии преобразует в тепло. Нагревающиеся радиодетали передают окружающему их воздуху тепло, а от воздуха требуется принять тепло и его рассеять. Процесс отдачи тепла называется охлаждением.
Известно, что если температура полупроводникового радиоэлектронного прибора превышает его допустимую расчетную даже всего на 100 С, то его надежность такого прибора снижается сразу в два раза. Поэтому для поддержания и сохранения требуемой рабочей температуры радиоэлектронного прибора применяют различные радиаторы. Назначение радиаторов – отводить тепло от полупроводников, это позволяет снизить влияние температуры на рабочие параметры приборов.
Для этого применяют различные типы радиаторов – например, пластинчатые, ребристые, штыревые радиаторы и другие. Чем больше радиатор по размерам (площади рассеивания), тем лучше он отводит тепло от радиодеталей, благодаря чему они меньше нагреваются.
Для улучшения отвода тепла полупроводниковый прибор лучше всего крепить непосредственно к радиатору. Если необходима электрическая изоляция полупроводникового прибора от шасси, то радиатор крепят на шасси через изолирующие прокладки (рис 1)2.
Рис.1
Теплоизолирующая способность радиатора зависит от степени черноты материала, из которого он сделан. Чем больше черноты, тем отвод тепла будет эффективнее. Приведем примеры несколько видов разных радиаторов. Сейчас используется несколько технологий при изготовлении радиаторов из алюминия и его сплавов. В основном используют две технологии – литье и экструзия. Выбор производства радиаторов определяется вопросом- цена / качество. К тому же ребристые радиаторы дешевле изготавливать.
При выборе радиатора нужно обращать внимание на много критериев, в числе которых материал радиатора, площадь его рабочей поверхности, форма охладителя, стоимость радиатора и многое другое. Все это значительно влияет на характеристики теплоотвода. Дешевые радиаторы из алюминия и его сплавов охлаждают хуже, чем медные радиаторы и графитовые, но в тоже время последние значительно дороже.
Материал, из которого изготавливаются радиаторы для транзисторов / светодиодов / микросхем, – это сплавы алюминия или медь3 ( Рис.2).
Рис.2
При этом – медные радиаторы – дороже, но у них лучший отвод тепла, так как медные радиаторы обладают лучшей теплопроводностью. Например, радиатор для процессора компьютера, радиатор для видеокарты и радиатор для чипсета – рекомендуется выбирать на основе меди. В тоже время радиаторы для транзисторов или светодиодов целесообразнее использовать на основе алюминия (его сплавов), так как в данном случае получается оптимальное соотношение цена / качество. Рассмотрим более подробно некоторые виды радиаторов.
а) штыревой радиатор
Штыревой (игольчатый) радиатор является эффективным теплоотводом для полупроводниковых приборов. Они изготавливаются из дюралюминия толщиной 4-6 мм и алюминиевой проволоки диаметром 3-5 мм. На поверхности предварительно обработанной пластины радиатора нужно наметить кернером места для отверстий под штыри, выводы транзисторов, диодов и крепежные винты (Рис.3).
Рис.3
Расстояние между центрами должно быть равно 2-2.5 диаметрам применяемой алюминиевой проволоки. Диаметр отверстий под штыри выбирают с таким расчетом, что бы проволока входила в них с возможно меньшим зазором. С обратной стороны отверстия под штыри зенкуют на глубину 1-1.5 мм. При минимальном объеме такой радиатор имеет максимальную эффективную площадь рассеивания. Площадь поверхности такого теплоотвода равна сумме площадей каждого штырька и площади основного тела.
в) ребристый радиатор
Ребристый (пластинчатый) радиатор. Площадь этих радиаторов равна сумме площадей всех сторон. Чем больше площадь поверхности, тем выше эффективность теплопередачи. Для улучшения охлаждения элементов нужно увеличивать площадь радиатора. Для того, чтобы не увеличивать размеры, так как это не всегда можно из-за конструкции устройства, радиаторы делают с ребрами и микрорельефом на них. Количество ребер и их размеры значительно увеличивают площадь радиаторов (Рис.4).
Рис.4
Так же радиаторы с ребрами отличаются по расстоянию между ребрами. На радиаторах, между которыми небольшое расстояние, также рекомендуется использовать принудительное охлаждение. Такие радиаторы используются и в компьютерах для охлаждения процессоров блоков. Радиаторы с большим расстоянием между ребрами используются без вентиляторов. Хотя и первые так же можно использовать без принудительного охлаждения.
Усовершенствованный пластинчатый теплоотвод представляет собой набор из нескольких пластин, загнутых в разные стороны. Этот радиатор при площади поверхности равной простейшему пластинчатому имеет меньшие габариты. Устанавливается такой теплоотвод аналогично пластинчатому. Количество пластин может быть различным – в зависимости от необходимой поверхности. Площадь рассеивания такого радиатора равна сумме площадей всех загнутых участков пластин, плюс площадь поверхности центральной части. Это тип радиатора имеет и недостатки: пониженную эффективность отвода тепла от всех пластин, а также невозможность получения идеально прямой поверхности в местах соединения пластин между собой.
с) радиаторы с принудительным охлаждением
Существуют типы радиаторов, которые желательно принудительно охлаждать. Такие можно увидеть и в компьютерных блоках питания. При небольшой площади такие радиаторы рассеивают большое количество мощности. Их недостатком является шум в работе и износ вентиляторов (Рис.5).
Рис.5
Делаются они из алюминия и его сплавов. Так же есть медные радиаторы, но их цена намного дороже. Но отводят они тепло намного лучше.
Поясним, что охлаждение бывает двух типов - конвекционное и принудительное. Конвекция - это самостоятельное распространение тепла. Радиаторы конвекционного типа устанавливаются чаще всего снаружи приборов. Изнутри к ним прикрепляются, например, транзисторы или другие микросхемы. Такие радиаторы нельзя накрывать, закрывать доступ воздуха, иначе радиатору некуда будет рассеивать тепло, он перегреется сам и откажется принимать тепло у транзистора, который перегреется и выйдет из строя. Принудительное охлаждение - это когда мы заставляем воздух активнее обдувать радиатор, протекать по его ребрам, щтырям и отверстиям. Для этого используются вентиляторы, различные каналы воздушного охлаждения и другие способы. Причем вместо воздуха может быть, например, вода, масло, жидкий азот и другое. Мощные генераторные радиолампы, применяемые в радиолокаторах, охлаждаются проточной водой.
Однако постоянно увеличивать размеры радиаторов для эффективного охлаждения радиоэлектронных компонент не целесообразно и не всегда получается, так как это в числе прочего значительно увеличивает габариты всего устройства. Поэтому была предложена и разработана иная более совершенная конструкция радиатора для охлаждения радиоэлектронных компонент.
Для чего нужна «Полезная модель?»
Она нужна для повышения эффективности охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов за счет повышения интенсивности их теплообмена с окружающей средой путем увеличения площади охлаждаемых поверхностей радиатора без увеличения его внешних габаритных размеров. Это достигается тем, что в радиаторе для охлаждения полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, содержащем пластину, штыри, теплопроводную полку для размещения электронного прибора и отверстия для прохождения охлаждающей среды, штыри выполнены с дополнительными отверстиями, которые образуют пространственную фрактальную структуру. На пластине и полке для размещения электронного прибора выполнены поверхностные фрактальные структуры.
Самое главное – не изменяя габаритов пластины, мы увеличиваем площадь пластины, выполняющей роль радиатора, на которой установлен радиоэлектронный прибор. Пластина выполнена из пенометалла с открытыми порами.
Поясним, что структура, состоящая, как правило, из алюминия, а также или из никеля, цинка, бронзы, латуни, их сплавов и др. и содержащая большое количество наполненных газом пор - называется пенометалл (металлическая пена). Как правило, примерно 75…95 % ее объема составляют пустоты. Материал обладает уникально малым весом - некоторые виды пенометаллов настолько легки, обладают плотностью менее 1 (г/см3), что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.
Пенометаллы имеют также следующие термофизические и механические свойства: очень низкая масса (плотность 5…25% от плотности твердых макрочастиц, в зависимости от способа производства); большая поверхность обмена (250…10000 м2/м3); относительно высокая проницаемость; относительно высокая эффективная теплопроводность (5…30 Вт/(м·K); 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. Например, металлическая пена на основе никеля – пеноникель, разрабатываемая, в частности, российской компанией “Новомет-Пермь”, обладает экстремально высокой сообщающейся пористостью, достигающей 96 % и другими экстраординарными свойствами. Пенометалл - металлическую пену с открытыми ячейками также называют металлической губкой.
Охлаждаемый электронный прибор может располагаться непосредственно на самой пластине или на теплопроводной полке. Штыри 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, 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.
В течение последних нескольких лет было разработано несколько технологий для производства металлических пен, однако только некоторые из этих технологических процессов могут быть использованы для производства пенометалла - алюминиевой пены в промышленных масштабах, в том числе:
введение газов напрямую в жидкий металл. В качестве добавок, увеличивающих вязкость расплавленного металла, вводятся SiC или Al2O3 (10…15%). Технологический газ (воздух, азот - N2 или аргон - Ar) вводят в расплав с помощью вращающейся крыльчатки. Таким способом могут быть получены плиты из пенометалла - металлической пены значительных размеров (до 0,1х1х10 (м). При этом пористость материала достигается 80...97%; а также пористый материал – пенометалл на основе алюминия увеличивается примерно в 5 раз от первоначального объема.
Один из вариантов эффективной технологии изготовление пенометалла с открытыми порами описан, например, в [T. Miyoshi, M. Itoh, S. Akiyama, A. Kitahara. Aluminum Foam, “Alporas”: The Production Process, Properties and Applications. Published online by Cambridge University Press: 10 February 2011. MRS Online Proceeding Library Archive 521; DOI: 10.1557/PROC-521-133].
Технологический процесс Alporas Shinko Wire Co. Ltd. (Осака, Япония) включает в себя добавление 1,5% Ca - кальция в алюминиевый расплав для регулирования вязкости. Кальций вводится в расплавленный алюминий при 680 градусах C и перемешивается в течение 6 мин. Полученный алюминиевый расплав заливают в литейные формы и перемешивают с добавкой сухого пенообразователя на основе гидрида титана TiH2 с помощью вращающейся крыльчатки. В процессе перемешивания пенообразователь разлагается под влиянием тепла и водорода, увеличивая свой объем в течение 15 мин. Затем расплав охлаждается в форме с помощью вентиляторов и затвердевает в виде блока с пористостью 89...93%, при этом его плотность составляет 0,069…0,54 (г/cм3). Литые блоки имеют размеры 450x2050x650 (мм) и весят примерно 160 (кг). Далее полученные литые блоки разрезают на листы требуемой толщины и механически обрабатывают до придания им необходимой формы.
По оценочному сравнению с прототипом за счет использования в предлагаемой конструкции радиатора пенометалла на основе алюминия реальное увеличение площади поверхности, соприкасаемой с окружающей средой, возможно в 1,5…2 раза.
Таким образом, предлагаемая конструкция радиатора позволяет в результате интенсификации теплообмена с окружающей средой - за счет значительного увеличения площади контакта при выполнении пластины из пенометалла 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 1,5…1,7 раза; а также существенно упростить технологию изготовления и снизить себестоимость радиатора, решая тем самым поставленную задачу предлагаемой полезной модели. Это можно посмотреть на рис.6.
Рисунок 6.
А теперь рассмотрим предлагаемый радиатор. Он показан на Рис7.
|
Рис.7 |
Рис. 8 |
А на Рис. 8 приведен боковой вид полупроводникового или микроэлектронного электровакуумного прибора с радиатором предлагаемой конструкции, где позициями обозначены: 1- штыри, 2-пластина, 3-отверстие в штырях, 4- теплопроводная полка, 5- охлаждаемый электронный прибор.
|
Рис . 9 |
Рис. 10 |
На Рис. 9 показан участок пластины, выполненный из пенометалла, а на Рис. 10. показана структура указанного пенометалла с открытыми порами.
На предложенную конструкцию радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов была подана и получен патент на изобретение №207764 (Приложение 1).
Одной из важнейших задач конструирования и эксплуатации различных типов электрорадиоэлементов является обеспечение требуемого теплового режима, от которого зависит надежность работы каждого элемента конструкции [1]. В этой связи большое значение имеет математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса в электронных устройствах и элементах с целью определения оптимальных условий их охлаждения [2 - 4].
Для интенсификации охлаждения электрорадиоэлементов используются, например, пластинчатые, ребристые, штыревые радиаторы различных типоразмеров. Причем в схемах, в которых требуется рассеивать большие мощности до нескольких сотен ватт, требуется принудительное воздушное охлаждение. Для этого применяются радиаторы больших размеров, предназначенные для работы с вентиляторами и имеющие очень низкое тепловое сопротивление от радиатора к внешней среде - от 0,05 до 0,2 °C/Вт.
Недостатками существующих радиаторов охлаждения являются: большие габариты; необходимость дополнительного применения вентиляторов; повышенный шум при эксплуатации и ограниченный срок работы (механический износ вентилятора) и др.
Перспективным направлением повышения эффективности систем охлаждения радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных компонентов является применения в качестве радиатора пенометалла или пенокерамики с открытыми порами, например, на основе алюминиевого сплава. Применение пенометалла / пенокерамики обеспечивает:
- в несколько раз большую площадь поверхности для рассеивания теплоты;
- повышенную эффективность рассеивания теплоты позволяет в ряде случаев уменьшить габариты и отказаться от принудительного обдува внешним вентилятором, (либо снизить его габариты и мощность);
- отсутствие шума и снижение энергопотребления и вибрации, уменьшение массы и габаритов конструкции.
Рис. 11. Геометрическая модель электронного элемента с пористым радиатором: 1- область тепловыделения (электронный элемент); 2 – пористый радиатор
Результаты моделирования представлены на Рис. 12- и таблице. На рис.12 и 13в качестве примера показаны результаты моделирования для диаметра отверстий 1мм и толщины радиатора 1мм.
Рис. 12. Распределение температурного поля на наружной поверхности в момент времени 300 с для диаметра отверстий 1 мм и толщины радиатора 1 мм
Рис. 13. - Зависимость температуры от времени: 1 –в центре электронного элемента; 2 – в наиболее удаленной точке радиатора
Рис. 14. Зависимость максимальной температуры от диаметра отверстий в радиаторе при толщине радиатора h= 2 мм
Рис. 15. Зависимость максимальной температуры от толщины радиатора при диаметре отверстий d = 1 мм
Таблица 1. Зависимость максимальной температуры от коэффициента теплопроводности радиатора при h = 2 мм и d = 0,5 мм
|
Материал радиатора |
Алюми-ний |
Керами-ческая пена Al |
Медь |
|
Коэффициент теплопроводности радиатора, Вт/(м·К) |
238 |
275 |
400 |
|
Максимальная температура, С |
33,2 |
32,6 |
31,1 |
На основе проведенного анализа результатов моделирования установлено следующее:
Применение радиатора с открытыми порами позволяет существенно снизить максимальную температуру охлаждаемого электронного элемента (на 45…70 % в зависимости от размеров радиатора и диаметра отверстий).
Установившийся тепловой процесс наступает за время до 100 с момента начала нагрева (рис. 4).
При уменьшении диаметра пор от 2 мм до 0,5 мм максимальная температура нагрева уменьшается на 15 0С (рис. 5).
При увеличении толщины радиатора от 1 мм до 6 мм максимальная температура нагрева уменьшается на 29 0С (рис. 6).
При увеличении коэффициента теплопроводности радиатора (при использовании алюминия, керамической пены Al и меди) максимальная температура нагрева снижается незначительно - на 2,1 0С.
Таким образом, проведенное математическое моделирование показало, что повышение эффективности охлаждения электронных элементов с помощью пористых радиаторов с открытыми порами в основном определяется диаметром пор и толщиной радиатора. Предложенные математические модели в программном пакете COMSOL Multiphysics могут быть использованы при разработке конструкций радиаторов охлаждения электронных элементов.
Авторы патентов считают предложенную конструкцию интересной и перспективной. Также рассматривается вопрос об изготовлении макетных образцов. А также планируют серийное производство на базе данной полезной модели: радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов.
Была предложена конструкция радиатора на основе пенокерамики. На предложенную конструкцию радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов была подана заявка и получен патент на изобретение №212836 (Приложение 2).
Список использованных источников и литера туры
А.А. Скрипкин, С.В. Тригорлый. Моделирование тепловых режимов охлаждения полупроводниковых микроэлектронных компонентов / “Вопросы электротехнологии”, СГТУ им. Гагарина Ю.А., г. Саратов, № 4, 2022 г.
Патент на изобретение (РФ) №149463 «Радиатор дляохлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов, 2014г., Скрипкин А.А, , Игнатьев А.А.
Марущенко Д. Печатные платы с металлическим основанием// Электроника. 2009г. С.100-101.
https://cyberleninka.ru/article/n/ohlazhdenie-izdeliy-mikroelektroniki
https://poleznayamodel.ru/model/11/110893.html
Приложение 1
Приложение 2
1 Марущенко Д. Печатные платы с металлическим основанием // Электроника. 2009. С.100–101.
2 А.А. Скрипкин, С.В. Тригорлый. Моделирование тепловых режимов охлаждения полупроводниковых микроэлектронных компонентов / “Вопросы электротехнологии”, СГТУ им. Гагарина Ю.А., г. Саратов, № 4, 2022 г.
3 А.А. Скрипкин, С.В. Тригорлый. Моделирование тепловых режимов охлаждения полупроводниковых микроэлектронных компонентов / “Вопросы электротехнологии”, СГТУ им. Гагарина Ю.А., г. Саратов, № 4, 2022 г.