Охлаждение изделий микроэлектроники

УДК 621.317

ОХЛАЖДЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ В.В. Зенин, Е.П. Новокрещенова, К.А. Мухин, Ю.В. Шарапов

Рассмотрены теплопроводные материалы. Приведена сравнительная характеристика различных систем охлаждения. Проанализированы способы и устройства для охлаждения ППИ при эксплуатации. Показаны преимущества и недостатки различных методов охлаждения

Ключевые слова: охлаждение, приборы, никель, углерод, покрытия

Введение. Существуют две основные группы методов охлаждения полупроводниковых изделий (ППИ): пассивные и активные. Для пассивных методов характерен естественный путь отвода тепла - конвекцией, теплопроводностью и излучением. В активных методах используется принудительный теплоотвод с применением вентиляторов, термоохладителей или омывающих жидкостей.

При естественном воздушном теплоотводе примерно 70 % тепла отводится конвекцией, 30 % -излучением. В зависимости от температуры нагретого тела доля теплового излучения составляет от 2 % при 55 0С до 30 % при 150 0С , а при температурах свыше 600 0С тепловое излучение преобладает в воздушном теплоотводе. Принудительная конвекция снижает долю излучения до 2 - 7 %, при этом конструкция охладителя становится более компактной. Естественное воздушное охлаждение имеет низкий коэффициент теплообмена - до 10 Вт/(м-К).

Рассеиваемая мощность современных ППИ достигает сотен ватт на квадратный сантиметр. Повышение степени интеграции неизбежно приводит к дальнейшему росту плотности тепловых потоков, т. к. при неизменной мощности ППИ уменьшается площадь излучения. Воздушные системы охлаждения практически исчерпали свой ресурс.

Теплопроводные материалы. Для отвода тепла от кристалла к корпусу в первую очередь необходим правильный выбор материала с высокой теплопроводностью (табл. 1).

Использование для отвода тепла металлов (Си, А1 и др.) приводит к возникновению значительных механических напряжений вследствие большой разницы температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) металлов и 81 (или 8Ю2) - в 5 - 10 раз. Это может привести к выходу из строя приборов.

Зенин Виктор Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук,

профессор, тел. 8-905-051-19-79

Новокрещенова Елена Павловна - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8-920-426-27-21

Мухин Константин Александрович - ВГТУ, студент -магистрант, тел. 8-960-105-89-42

Шарапов Юрий Викторович - ВГТУ, студент, тел. 8-920-434-85-50

Таблица 1

Коэффициенты теплопроводности материалов

Материал X, Вт/

Алмаз 2000

Al 209

Сталь 47

Cu 384

SiC 100 - 490

Al2O3 22 - 30

BeO 220 - 240

AlN 140 - 180

Кроме того, теплоотводы из меди и алюминия в несколько раз превышают по размерам охлаждаемый элемент. Из-за разницы ТКЛР медь используется в паре с молибденом (ТКЛР меди 16,5 •10-6 К-1, Si - 2,5-10-6 К-1, SiO2 - 0,55 -10'6 К-1, молибдена - 5-10-6 К-1).

Изолирующими теплоотводами являются керамика на основе BeO, керамика на основе AlN, природный и синтетический алмазы [1]. Использование алмаза как теплоотвода теоретически снижает тепловое сопротивление в 5 раз в сравнении с медью. Практическое использование природного алмаза снизило тепловое сопротивление в 1,2 - 1,8 раза, синтетического - в 1,2 - 1,3 раза. Искусственные алмазы, созданные методом высокого давления, имеют незначительные размеры. Проблема получения алмазных поликристаллических пластин была решена при применении CVD-метода (Chemical Vapor Depositions) [2]. Он основан на разложении углеводородов в смеси с водородом и осаждением алмаза на нагретой подложке. Таким образом, получают пластины диаметром до 300 мм. Монтаж кристалла на теплоотвод проводится эвтектическим сплавом Au-Ge при температуре 420 0С. Теплоотвод с кристаллом монтируется на фланец корпуса из медного сплава МД-50. Для согласования ТКЛР между ними помещают пластичный материал -свинцово-индиевый припой ПСИн-12. Другой вариант конструкции - металлизация поверхности алмаза. Для адгезионного слоя используют Ti или Ta, для проводящего слоя металлизации - Ni и его сплавы. Для нанесения слоев используется ионнолучевое и магнетронное распыление. Конструкция алмазного теплоотвода показана на рис. 1. Алма-зопободная пленка АПП нанесена на металлический хладопровод, TiC или Ti адгезионный слой толщиной 0,05 - 0,1 мкм, Ni или монель (Ni + 18 %

Си) - токопроводящий слой толщиной 0,3 - 0,8 мкм.

Рис. 1.

теплоотвода[2]

Конструкция алмазного

Алмазы используются и в составе композиционных материалов: никелевое покрытие с алмазным порошком наносится на медный корпус прибора с помощью припоев.

Для отвода тепла от кристалла широко используется DBC-керамика (Direct Bonded Copper). В качестве керамики чаще всего используется AlN. Применение такой керамики снижает тепловое сопротивление вдвое (рис. 2). Комбинированная структура медь - керамика имеет ТКЛР, слегка превышающий его значение для керамики (7,2 - 7,6 • 10-6 К-1). Это позволяет монтировать силовые ППИ напрямую, не используя компенсационных слоев. Технология производства DBC, использующая чистую медь, дает возможность получать интегрированные токовыводы.

Рис. 2. Распределение тепла в конструкции с медным основанием и с ОБС-керамикой:1 - полупроводниковый кристалл, 2 - слой припоя, 3 -медное основание, 4 - изолятор из слюды, 5 -ЭБС-керамика (состоит из трех слоев), 6 - радиатор (основание силового модуля) [3,4]

В работе [5] показана перспективностьис-пользования в качестве теплоотвода пленок №-С. Проанализированы способы и устройства для отвода тепла СПП. Показана перспективность использования в качестве теплоотвода плёнок из поликри-сталлического алмаза. Проведены режимы осаждения композиционных покрытий №-С и их влияние на количество осаждённого на поверхность алмазного порошка. Рассмотрены особенности пайки кристаллов к основаниям корпусов СПП с использованием №-С покрытий.

По данным [6] Тихоокеанской - Северозападной национальной научно - исследовательской лаборатории (РМЫЬ) и университета штата Орегон (ОБИ), наноразмерные покрытия могут увеличить эффективность отвода тепла с полупроводниковых и других приборов. Установлено, что для нано-структурированных поверхностей, нанесенных на «обнаженную» алюминиевую подложку, десяти-

кратное улучшение коэффициента теплопередачи. Метод нанесения наноразмерного покрытия, получивший название «осаждение наноматериала с помощью микрореактора (microreactor assisted nanomaterial deposition, MAND)», заключается в осаждении малых гранул оксида цинка поверх объемных алюминия и меди. Сформированные нано-структурированные покрытия отводят тепло более эффективно.

В номенклатуре американской компании Berqquist в настоящее время более сотни типов теплопроводящих материалов на основе силиконовых полимеров, позволяющих значительно улучшить тепловые режимы электронных устройств и приборов. Одним из таких материалов является Thermal Clad подобен фольгированным стеклотек-столитам типа FR4 и предназначен для изготовления печатных плат.

Композитный материал Thermal Clad представляет собой трехслойную структуру следующего состава[7]: первый, верхний слой - токопроводящий - медная фольга для формирования токопроводящих дорожек печатной платы; второй, средний слой - диэлектрик для изоляции токопроводящих дорожек от третьего, нижнего слоя; третий, нижний слой - теплоотводящий, представляющий собой металлическую пластину для отвода тепла от токоведущих дорожек и компонентов, размещенных на поверхности печатной платы.

Толщина медной фольги варьируется по желанию заказчика от 35 до 356 мкм. Большая толщина используется для компактных устройств с большими плотностями тока в токопроводящих дорожках. Второй или средний слой изготовлен из особого диэлектрика с высокой теплопроводностью толщиной от 75 до 150 мкм. Материал Thermal Clad состоит из смеси полимера со специальной керамикой - наполнителем, который улучшает теплопроводность материала. Теплоотводящий слой представляет собой алюминиевую или медную пластину толщиной от 0,5 до 3,2 мм.

Все материалы (токопроводящий или базовый слой) могут иметь специальные покрытия поверхностей под сборочные операции, а также для защиты поверхности теплоотвода от повреждения в агрессивной среде в процессе травления. Следует отметить еще один продукт компании Berqquist -это самоклеющиеся материалы серии Bond Ply, представляющие собой стекловолоконную основу с нанесенными с обеих сторон акриловыми клеевыми слоями. Продукты Bond Ply обладают высокой адгезией и удобны при креплении радиатора к процессору компьютера или к печатной плате силового модуля.

Способы и устройства для охлаждения

ППИ. Самый простой способ охлаждения ППИ -пассивный теплоотвод с применением радиаторов. Он основан на явлениях теплопроводности материалов, естественной конвекции и теплового излучения [8].

Размеры полупроводникового кристалла слишком малы, чтобы конвекции было достаточно для его охлаждения. При закреплении корпуса

ППИ на радиаторе многократно увеличивается площадь охлаждаемой поверхности. За счет теплопроводности тепло от корпуса микросхемы передается металлическому радиатору. Далее теплоотдача от радиатора осуществляется конвективным и лучистым теплообменом.

По конструкции различают пластинчатые, ребристо-пластинчатые, игольчатые (штырьковые) радиаторы (рис. 3). Для естественной конвекции лучшей является игольчатая конструкция. На рис. 4 показана различная форма ребер радиатора. В отличие от классической формы - а, усовершенствованные формы радиаторов - б и в предназначены для принудительного воздушного охлаждения. Оребренные радиаторы в сотни и даже в тысячи раз увеличивают площадь охлаждаемой поверхности.

Лучшее охлаждение дает принудительная конвекция, например, за счет обдува вентилятором. В настоящее время промышленностью выпускаются миниатюрные вентиляторы, минимальные размеры которых составляют 15 X15 X 6 мм3, вентиляторы, смонтированные на радиаторе - кулеры (от анг. “cooler” - охладитель).

игольчатый радиатор

Рис. 3. Конструкции радиаторов[1]

Рис. 4. Различные формы ребер радиатора: а - классическая, б - двойного оребрения, в - комбинированная [3 ]

На рис. 5 приведены зависимости рассеиваемой мощности от максимальной рабочей температуры прибора и требуемого объема рабочего тела охладителя для различных систем охлаждения.

Принудительное воздушное охлаждение не всегда позволяет добиться требуемой рабочей температуры ППИ по причине низкой теплоемкости и теплопроводности газов (в условиях принудительного охлаждения роль теплового излучения мала, т.к. на его долю приходится около 3 % отводимого тепла).

Рис. 5. Зависимости рассеиваемой мощности от максимальной рабочей температуры прибора

(а) и требуемого объема рабочего тела охладителя

(б) для различных систем охлаждения [8]

Жидкостное охлаждение. Известно, что теплоемкость жидкостей значительно выше, чем газов. Система жидкостного охлаждения работает следующим образом: миниатюрный резервуар, объем которого меньше, чем у воздушного радиатора, закрепляется на поверхности ППИ, из него по шлангу с помощью помпы жидкость перекачивается в герметичный наружный радиатор, который может обдуваться наружным вентилятором. Эффективность охлаждения зависит от следующих факторов: скорости охлаждающей жидкости; состава охлаждающей жидкости; наличия турбулентности; количества каналов охлаждения в радиаторе; материала радиатора (медь на 20 % лучше, чем алюминий).

Наиболее эффективно микроканальное охлаждение, в котором используются протравленные химическим методом тонкие медные листы, соединенные между собой по технологии ЭБС. Керамика ЭБС представляет собой керамическую пластину с нанесенными медными шинами, керамика может быть либо из А12О3, либо из АШ, последний вариант предпочтительнее ввиду большего значения теплопроводности нитрида алюминия. По созданным в меди отверстиям в форме шестиугольных сот проходит охлаждающая жидкость.

Особым типом жидкостного охлаждения являются тепловые трубки. Естественную конвекцию с применением тепловых трубок целесообразно использовать при невозможности жидкостного охлаждения (по технологическим причинам) или охлаждения с применением вентилятора (в условиях очень грязной среды). Тепловая трубка представляет собой тонкостенный металлический сосуд. Если один конец тепловой трубки подключить к источнику тепла с температурой Т1, а другой - к приемнику - радиатору с температурой Т2

(Т2<Т0, будет происходить интенсивный теплообмен. Количество отводимого тепла окажется во много раз больше, чем при использовании радиаторов из меди или серебра. Отсутствие насосов и помп делает этот метод экономичным (нет шума и потребления энергии), однако малая длина трубок (до 30 см) снижает эффективность метода.

Термоохладители. Современной технологией охлаждения является применение термоохладителей, действие которых основано на эффекте Пельтье. При протекании постоянного тока через цепь из двух разнородных проводников в местах контактов в зависимости от направления тока выделяется или поглощается тепло. Термоохладители выдерживают 200 тысяч часов работы (вентиляторы - 50 тысяч).

Существенными преимуществами построения систем охлаждения и термостабилизации с применением ТЭМ является [9]: малые габариты (3,4 • 3,4 мм и менее) и вес (меньше 2 грамм) определяют отсутствие альтернативных решений для термостабилизации и охлаждения в микро- и фотоэлектронике; высокая надежность (компания «КРИОТЕРМ» РФ гарантирует для своих ТЭМ среднее время наработки на отказ не менее 200 тыс. часов); высокая охлаждающая способность на единицу веса и объёма (до 150 В/г и до 100 Вт/см2); возможность плавного и высокоточного регулирования холодопроизводительности и температурного режима; малая инерционность, быстрый переход из режима охлаждения в режим нагрева; отсутствие рабочих жидкостей и газов и др.

Преимущества и недостатки различных методов. Метод естественного охлаждения не требует затрат энергии, при его реализации ничто не движется, а, следовательно, не ломается. Это обеспечивает его надежность и простоту. Недостаток - низкая эффективность охлаждения и большие габариты: на 1 Вт мощности требуется поверхность охлаждения 25 - 30 см2.

Наиболее эффективная жидкостная система имеет следующие недостатки: возможность протечек; микронасос и вентилятор требуют потребления энергии; система занимает определенные габариты; все, что движется (вентилятор и насос), снижает надежность и является источником шума. Термоохладители надежны и бесшумны, имеют малые габариты, однако их недостатком является большое потребление энергии, термоохладитель сам является источником выделения тепла, для его работы требуются токи до десятков ампер, тогда как у жидкостных систем ток не превосходит 0,3А.

В табл. 2 дается сравнительная характеристика различных систем охлаждения. Наиболее эффективен метод жидкостного охлаждения, в особенности для ППИ силовой электроники с мощностью более 1 МВт.

Таблица 2

Сравнительная характеристика систем охлаждения [10’

Охлаждение Преимущества Недостатки Применение

Принудительное воздушное Низкая цена, отсутствие утечек Большой объем, необходимость распределения тепла, высокое тепловое сопротивление, акустические шумы Во всех областях электроники

Жидкостное Малый объем, гибкая конфигурация, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов Необходим компрессор, возможность утечек, высокая цена Лазерные диоды, силовая электроника

Тепловые трубки Малый объем, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов Ограниченная теплонесущая способность, высокая цена, сложная конструкция Компьютеры, силовая электроника, космос

Термоэлектри- ческое Малый объем, низкое тепловое сопротивление Ограниченная теплонесущая способность, низкая эффек-тивость Оптоэлектроника

Для сравнения мощность вентиляционных систем охлаждения составляет 0,5 - 2 Вт, термоэлектрических - до 100 Вт. Однако есть одно преимущество - высокая разность температур АТ - ни одно устройство по габаритам сравнимое с термомодулем не дает такого охлаждения. Еще один недостаток: ему требуется охлаждение горячей стороны, только тогда достигается хорошая разность температур. В результате на бесшумный, малогабаритный, надежный модуль устанавливают большой радиатор и мощный вентилятор, и все предыдущие преимущества пропадают (если требуется высокая

степень охлаждения). Поэтому энергетически выгодно использовать термоохладители при небольших АТ. С другой стороны сильное охлаждение может снизить эффективность работы ППИ или вызвать конденсацию влаги. При высокой влажности

охлаждение от 25 до 180С вызывает выпадение росы. Широкое применение модулей Пельтье [11] ожидается в ближайшем будущем, а сегодня основным методом охлаждения остается использование вентиляторов.

Литература

1. Вяхирев В.Б., Духновский М.П., Ратникова А.К., Федоров Ю.Ю. Изолирующие теплоотводы на основе CVD-алмаза для силовой электроники // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2009. Вып. 3 (502). С. 37 - 40.

2. Ланин В., Телеш Е. Алмазные теплоотводы для изделии электроники повышенной мощности // Силовая электроника. 2008. № 3 . С. 120 - 124.

3. Исламгазина Л. Применение различных

материалов обеспечивающих оптимальные

тепловые режимы силовых полупроводниковых приборов // Силовая электроника. 2005. № 3 . С. 96

- 99.

4. Скоков С. Fiscer Elektronik - почему

анодированные радиаторы дороже? // Силовая

электроника. 2005. № 3 . С. 100 - 101.

5. Зенин В.В., Владимиров Д.С., Мухин К. А., Спиридонов Б. А. Охлаждение силовых полупроводниковых приборов с использованием композиционных покрытий никель углерод // Вестник ВГТУ, 2010, с. 1 - 5.

6. R. Colin Johnson. Nano - coating cools chips four times faster // EE Times, 06/14/2010.

7. Косырев В. Теплопроводные материалы компании Berqquist // Силовая электроника, 2008, №2, с. 118 - 122.

8. Колпаков А. Охлаждение в системах высокой мощности // Силовая электроника. 2010. № 3. С. 62 - 66.

9. Шостаковский П. Современные решения термоэлектрического охлаждения для радиоэлектронной, медицинской, промышленной и бытовой техники // Силовая электроника, 2009, №12, с. 120 - 126.

10. Шульц-Хардер Ю., Валев С. В поисках идеального решения: жидкостное охлаждение в современных компактных корпусах высокой мощности // Силовая электроника. 2005. № 3 . С. 92

- 95.

11. Вихарев Л. Как нужно работать, чтобы не сгореть на работе, или Кратко о методах и средствах охлаждения РЭА // Силовая электроника. 2005. № 4. С. 54 - 59.

Воронежский государственный технический университет

REFRIGERATION MICROELECTRONICS PRODUCTS V.V. Zenin, E.P. Novokreshchenova, K.A. Mukhin, Y.V. Sharapov

Considered conductive materials. A comparative characteristic of various cooling systems. Analyzed by methods and devices for cooling the PPI during the operation. Showing advantages and disadvantages of various cooling methods

Key words: cooling, appliances, nickel, carbon, covering