УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ КЕРАМИЧЕСКОЙ ПЛАТЫ
MULTILAYER CERAMIC PLATE COOLING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и направлено на снижение температуры мощных электрорадиоэлементов (ЭРИ), устанавливаемых на поверхности многослойных керамических плат, выполненных по технологии низкотемпературной совместно спекаемой многослойной керамики.
Многослойные керамические платы, выполненные по технологии низкотемпературной совместно спекаемой многослойной керамики (Low Temperature Co-fired Ceramic - LTCC) имеют очень хорошие электрические свойства, механическую стабильность, возможность 3D интеграции (создание полостей, отверстий, каналов, встроенных элементов и т.п.). Однако, несмотря на ряд преимуществ, теплопроводность низкотемпературной керамики невысока - 2÷4 Вт/м·К. При использовании элементов с высокой плотностью выделения тепловой мощности необходимо принимать меры по увеличению эффективности отвода тепла.
Одним из наиболее простых и дешевых методов является встраивание в керамическую структуру под тепловыделяющими элементами тепловых металлических стоков (CN 102637815 (A) - High-heat-conduction LTCC (low temperature co-fired ceramic) substrate, 2012; CN 202159709 (U) - LTCC LED substrate structure, 2012). Это позволяет увеличить эффективную теплопроводность и снизить градиенты температуры. Однако плотность тепловой мощности остается высокой, что не решает проблему отвода тепла от самой керамической платы.
Другим более эффективным направлением отвода тепла от элементов на многослойной керамической плате является создание миниатюрных каналов в некоторых слоях и прокачивание по ним охлаждающей жидкости (M. Farhan Shafique. Fabrication of embedded microfluidic channels in low temperature co-fired ceramic technology using laser machining and progressive lamination. Journal of the European Ceramic Society, volume 31, issue 13, November 2011, pages 2199-2204). Данное решение позволяет значительно увеличить эффективность отвода тепла, однако требует создания жидкостного контура и использования насоса. Это приводит к существенному усложнению системы и снижению надежности.
В качестве третьего направления можно выделить использование встроенных тепловых труб в керамическую структуру. Существует ряд зарубежных исследований по данному направлению (Marc Anthony Zampino, Embedded heat pipes in cofired ceramic substrates for enhanced thermal management of electronics. A dissertation submitted in partial fulfillment of the doctor of Philosophy. Interim Dean Richard K. Irey College of Engineering. Florida International University, Miami, 2001; Jones, W.K., Yanqing Liu. Micro heat pipes in low temperature cofire ceramic (LTCC) substrates. Components and Packaging Technologies, IEEE Transactions on, 2003, pp.110-115, volume 26, issue: 1; Peter Z. Shi, K.M. Chua, Design and performance optimization of miniature heat pipes in LTCC, Journal of Physics: Conference Series 34 (2006) 142-147; International MEMS Conference 2006). В керамической структуре создаются полости для движения пара и миниатюрные каналы, в которых движется жидкость (как правило, вода) за счет капиллярных сил. Встроенные тепловые трубы позволяют отводить тепло от участков с высокой плотностью тепловыделения, однако создание требуемой капиллярной структуры непосредственно в керамике приводит к технологическим сложностям, кроме того, керамика обладает большим значением предельного угла смачивания, что уменьшает эффективность капиллярных сил.
4
5
Известны устройства типа плоских тепловых труб (Патент РФ №2457417 от 27.07.2012.), имеющие эффективную теплопроводность 10÷10 Вт/м·К, использующиеся для отвода тепла от печатных плат радиоэлектронных приборов. Однако установка многослойной керамической платы на такое теплоотводящее основание не обеспечивает охлаждение мощных ЭРИ на поверхности платы, т.к. керамическая плата имеет значительную толщину 3÷5 мм и низкую теплопроводность 2÷4 Вт/м·К.
Наиболее близкой к заявленному изобретению является конструкция керамических многослойных плат со встроенной плоской тепловой трубой, описанная в статье (W. Kinzy Jones, Yanqing Liu and Mingcong Gao. Micro heat pipes in low temperature cofire ceramic (LTCC) substrates. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2003, pp. 110-115, volume 26, issue: 1) и выбранная в качестве прототипа.
Описаны два варианта образцов: тепловая труба для переноса тепла на некоторое расстояние и распределитель тепла, обеспечивающий снижение плотности тепловой мощности. Распределитель тепла (vapor chamber) - это плоская тепловая труба в виде полости, на стенках которой находится пористая среда, обеспечивающая движение теплоносителя. Распределитель тепла преимущественно предназначен для «растаскивания» тепла от сконцентрированного источника на большую площадь.
Для создания полостей в керамической плате использовались вставки из органики, которые при обжиге разлагались и удалялись через заправочное отверстие. Пористая среда была изготовлена из спеченного порошка серебра.
Для снижения перепада температуры между нагревателем и теплоносителем тепловой трубы, а также между холодильником и теплоносителем в керамику были встроены тепловые перемычки (thermal vias) из серебра (паста DuPont для тепловых перемычек №6141). Описанная конструкция обладает высокими теплофизическими характеристиками. Основным недостатком ее является технологическая сложность образования полостей и пористой структуры внутри керамической платы и невозможность контроля характеристик этих структур. Определенную сложность представляет и удаление из внутренних полостей керамической платы остатков органического наполнителя, которые могут влиять на характеристики теплоносителя (в частности - угол смачивания).
Задачей предлагаемого изобретения является создание надежного и технологически простого устройства охлаждения, встроенного в многослойную керамическую плату, на основе предварительного изготовленной пористой металлической структуры (ленты) с внутренними каналами.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом устройстве охлаждения многослойной керамической платы, состоящем из пористой структуры с совокупностью каналов, герметично встроенной внутрь керамической платы и заполненной теплоносителем, пористая структура представляет собой пористую металлическую ленту (например, медную), содержащую внутренние каналы и помещенную между верхними керамическими слоями.
Вариантом заявляемого устройства охлаждения многослойной керамической платы является конструкция, в которой часть пористой металлической ленты установлена в верхних керамических слоях в местах теплоотводов от электрорадиоэлементов, а оставшаяся часть - в изогнутом состоянии в нижних керамических слоях.
Другим вариантом заявляемого устройства охлаждения многослойной керамической платы является конструкция, в которой пористая металлическая лента в верхних керамических слоях соединена с теплоотводами электрорадиоэлементов с помощью тепловых перемычек.
Объединение нескольких технических решений в одну заявку связано с тем, что они связаны общей задачей, решаемой за счет конструктивных особенностей устройств, которые являются равноценными для решения поставленной задачи, но не могут быть объединены обобщающим параметром.
Изобретение поясняется чертежами:
На фиг. 1 показана многослойная керамическая плата;
На фиг. 2 показана встроенная гипертеплопроводящая (ГТП) структура по первому варианту;
На фиг. 3 показана встроенная ГТП структура по второму варианту.
Устройство охлаждения керамической платы необходимо для снижения температуры источников тепла (электрорадиоэлементов), установленных непосредственно на многослойной керамической плате и имеющих высокую плотность мощности тепловыделения. Многослойная керамическая плата (фиг. 1) представляет собой структуру, внутри которой скомпонована электронная схема - проводники (1), сопротивления (2), индуктивности (3), емкости (4) и т.п. Мощные элементы - транзисторы, микросхемы (5) устанавливаются на поверхность платы. С противоположной стороны (с нижней) осуществляется отвод тепла.
2
Требуемая плотность тепловой мощности от элементов с высоким уровнем тепловыделения составляет q≈20 Вт/см. Поскольку теплопроводность многослойной керамической платы невысока - 2÷4 Вт/м·К (для дальнейших оценок используем значение 3 Вт/м·К), перепад температуры при переносе тепла сквозь многослойную керамическую плату толщиной δ=4 мм будет иметь характерное значение ΔT=qδ/λ≈260 градусов. Таким образом, требуется использовать дополнительное охлаждение элементов с высокой плотностью мощности.
3
4
Для снижения температуры источников тепла предлагается непосредственно внутрь многослойной керамической платы герметично встраивать пористую структуру, заполненную теплоносителем и обеспечивающую его движение между областями выделения и стока тепла. Вблизи источников тепла теплоноситель испаряется и движется по паровым каналам к области отвода тепла, где конденсируется, и далее по пористой структуре в жидком виде возвращается к источникам тепла. Циркуляция теплоносителя осуществляется за счет капиллярных сил пористой структуры. Таким образом, в некоторых слоях многослойной керамической платы создаются плоские тепловые трубы - гипертеплопроводящие (ГТП) структуры, обеспечивающие высокую эффективность переноса тепла (эффективная теплопроводность составляет ~10÷10 Вт/(м·К)).
1
2
1
1
1
2
2
2
2
1
2
1
2
2
2
2
2
По первому варианту (трансформатор тепла) в верхних слоях многослойной керамической платы (фиг. 2) встроена ГТП структура (1), которая обеспечивает «растаскивание» тепла от электрорадиоэлементов (2) на всю занимаемую ей площадь и снижение плотности тепловой мощности при переносе тепла к нижней охлаждаемой поверхности многослойной керамической платы. Полный перепад температуры между областью подвода тепла и областью стока тепла составит ΔT=ΔT+ΔT≈25 градусов, где ΔT=qδ/λ≈15 градусов - перепад температуры между поверхностью подвода тепла и ГТП структурой, δ≈0,2 мм - толщина слоя керамики между поверхностью подвода тепла и ГТП структурой, ΔT=qδ/λ≈10 градусов, q=qS/S≈1 Вт/см - плотность потока тепла от ГТП структуры к поверхности отвода тепла (нижняя поверхность), S/S≈5 см /100 см = 0,05 - отношение площади источников тепла к площади охлаждаемой поверхности, δ≈3 мм - толщина керамического слоя между ГТП структурой и поверхностью стока тепла. Перепад температуры на ГТП структуре считается незначительным. Таким образом, описанный вариант позволит уменьшить перепад температуры между областями подвода и отвода тепла на порядок, что обеспечит значительное снижение температуры мощных элементов. Следует заметить, что сквозь ГТП структуру могут проходить керамические «столбики», содержащие проводники (3).
1
1
Тепловой контакт между ЭРИ и ГТП структурой может быть значительно улучшен за счет площади контакта тепловой перемычки (4) с использованием пасты из серебра (например, пасты DuPont для тепловых перемычек). Применение тепловой перемычки не нарушает работу ГТП структуры, в то же время градиент температуры ΔT=qδ/λ значительно снизится и будет менее 1,0 градуса.
1
2
1
2
2
1
1
1
По второму варианту (фиг. 3) в нижних слоях керамической платы, вблизи поверхности отвода тепла, расположена изогнутая ГТП структура (1), которая у края платы изгибается и переходит в верхние слои под мощные тепловыделяющие элементы (2), установленные на краю. Предложенная конфигурация позволяет отводить тепло непосредственно от источников тепла к стоку, избегая толстые керамические слои. Полный перепад температуры между областью подвода тепла и областью стока тепла составит ΔT=ΔT+ΔT≈15 градусов, при этом перепад температуры между поверхностью подвода тепла и ГТП структурой такой же, как и для первого варианта ΔT≈15 градусов. Однако перепад температуры между ГТП структурой и поверхностью отвода тепла становится незначительным ΔT=qδ/λ<1 градуса. Таким образом, второй вариант обеспечивает более низкие температуры по сравнению с первым, однако тепловыделяющие элементы не могут располагаться произвольно, а только над ГТП структурой, которая располагается вблизи верхней поверхности многослойной керамической платы. Кроме того, необходимо обеспечить изгиб ГТП структуры, не нарушая целостности пористого материала. При использовании тепловой перемычки (3) в месте установки ЭРИ градиент температуры (как и в первом варианте) может быть значительно снижен ΔT=qδ/λ<1,0 градуса.
ГТП структура должна состоять из пористого материала - фитиля (или мелких каналов) для обеспечения движения жидкости за счет капиллярных сил, а также паровых каналов для движения пара. Предлагается создавать такую структуру отдельно в виде пористых металлических лент с внутренними каналами и запечатывать ее в плате при спекании слоев керамики.
Оценку характеристик пористой среды проведем для теплоносителя вода, а материала пористой среды - медь. Данная пара материалов является совместимой, при этом вода обладает высоким значением скрытой теплоты парообразования.
Проведенные оценки показывают, что пористая структура должна иметь средний радиус пор ~30 мкм, а пористость ~0,7. Оценки характерных размеров ГТП структуры для плотности мощности q=20 Вт/см представлены в табл.1.
Изготовление такой ленты не представляет больших технологических трудностей.
Таким образом, заявляемое техническое решение существенно отличается от известных на данный момент времени.