РАДИАТОР ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ

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.
Известен охладитель для силового полупроводникового прибора [А.с.№1229982, МПК: Н05К 7/20, H01L 23/34, опубликовано 07.05.1986г.], содержащий корпус с площадкой для прижима полупроводникового прибора с плоскими ребрами и установленными между ними гофрированными вставками, глубина гофрирования которых обратно пропорциональна расстоянию от основания вставки до ее вершины, при этом он снабжен пластиной, прикрепленной к торцам плоских ребер, а гофрированный вставки установлены на пластине своим основанием.
Недостатком данного устройства является невысокая интенсивность охлаждения и необходимость использования внешнего вентилятора.
Известен теплообменный элемент [А.с.№1409848, МПК: F28F 3/02, опубликовано 15.07.1988г.], содержащий пару плоских пластин, образующих канал для рабочей среды, в котором расположены ряды турбулизирующих вставок в виде уголковых элементов со стенками, расположенными перпендикулярно пластинам, при этом стенки уголковых элементов выполнены перфорированными и размещены под острым углом, обращенным вершиной навстречу потоку рабочей среды, причем сами элементы расположены в канале в шахматном порядке и минимальное расстояние между смежными элементами в каждом поперечном ряду равно максимальному поперечному размеру этих элементов.
Недостатком данного устройства является то, что увеличение интенсивности теплообмена происходит только за счет турбулизации ядра потока при сравнительно малой поверхности охлаждения радиатора.
Известен штыревой радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов [Патент РФ №2037988, МПК: Н05К 7/20, H01L 23/34, опубликовано 19.06.1995г.], в котором площадь тепловыделяющих элементов увеличена за счет того, что в его конструкцию введены пластина и штыри, выполненные в виде параллелепипедов, и повернутые или гранями, или ребрами к потоку охлаждающей среды, а также выступы, имеющие прямоугольную форму. Кроме того, это устройство содержит теплопроводную полку, которая передает тепло от охлаждаемого электронного прибора пластине и штырям через отверстия для прохождения охлаждающей среды. Причем в указанном устройстве штыри расположены как в шахматном, так и в коридорном порядке, что позволяет турбулизировать само ядро потока, а основание штырей и выступы турбулизируют пограничный слой по всей поверхности охлаждаемой пластины, поскольку они находятся в промежутке между штырями, как в поперечном, так и в продольном направлениях.
Недостатком данного устройства является невысокая интенсивность охлаждения и необходимость использования внешнего вентилятора.
Наиболее близким по техническому решению является радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов, содержащий пластину, штыри, теплопроводную полку для размещения электронного прибора; и отверстия для прохождения охлаждающей среды, при этом штыри выполнены с дополнительными отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру, а на пластине и полке для размещения электронного прибора выполнены поверхностные фрактальные структуры [патент РФ №110893, МПК: Н05К 7/20, опубликовано 27.11.2011г.].
Причем в указанном радиаторе штыри радиатора могут иметь квадратную форму поперечного сечения, а дополнительные отверстия в штырях образуют пространственную фрактальную структуру в виде губки Менгера.
4
6
-2
Поверхностные фрактальные структуры на пластине и теплопроводной полке для размещения электронного прибора могут быть выполнены в виде многоострийной структуры из углеродных материалов с плотностью упаковки 10…10 см, например, из стеклоуглерода, причем каждое острие имеет вид усеченного конуса высотой около 10…20 мкм.
Современный этап развития полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов характеризуется миниатюризацией при одновременном возрастании (или сохранении) уровня выходной мощности. В связи с этим, одним из недостатков прототипа, при применении его для охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, при его большой площади охлаждаемой поверхности является значительная трудоемкость изготовления, связанная с существенными затратами при создании поверхностных и особенно пространственных фрактальных структур, а также большие габариты. Поэтому даже при серийном производстве себестоимость производства такого радиатора будет высокой, что приведет к удорожанию всего изделия в целом и снижению его конкурентной способности в условиях рынка.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов за счет повышения интенсивности их теплообмена с окружающей средой путем увеличения площади охлаждаемых поверхностей радиатора.
Технический результат заключается в интенсификации охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов вследствие возрастания их теплообмена с окружающей средой при увеличении площади охлаждаемых поверхностей радиатора с одновременным снижением его внешних габаритных размеров при незначительном возрастании трудоемкости изготовления.
Поставленная задача достигается тем, что радиатор для охлаждения полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, содержит пластину, теплопроводную полку для размещения электронного прибора; а на полке для размещения электронного прибора выполнена поверхностная фрактальная структура, причем пластина выполнена из пакета геометрической формы, состоящего из отрезков капиллярных трубок одинаковой высоты из цветных металлов или их сплавов высокой теплопроводности, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами, а для обеспечения механической прочности отрезки капиллярных трубок на наружной стороне пластины соединены в горизонтальных направлениях между собой, а на противоположной стороне пластины в вертикальных направлениях между собой.
Отрезки капиллярных трубок, набранные в пакет и соединенные боковыми сторонами между собой, исходя из конструктивных и технологических соображений при размещении их в различных блоках радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) могут представлять собой геометрическую фигуру различной формы, например, прямоугольник, квадрат, круг, эллипс и др.
Использование пакета капиллярных трубок обеспечивает повышение эффективности охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов за счет увеличения интенсивности их теплообмена с окружающей средой путем увеличения площади охлаждаемых поверхностей радиатора.
Отрезки капиллярных трубок одинаковой высоты из цветных металлов высокой теплопроводности, используемые при создании пакета, например, прямоугольной формы для пластины, могут быть выполнены, например, из меди или латуни. Для радиатора РЭА диаметр капиллярных трубок может составлять 0,5…2,5 мм (по определению, капилляр это трубочка с очень тонким внутренним каналом).
Отрезки капиллярных трубок установлены своими торцами по всей наружной поверхности радиатора вплотную друг другу боковыми сторонами, соединены между собой и заполняют всю наружную поверхность.
Высота капиллярных трубок для радиатора как минимум на порядок превосходит (например, в 10…30 раз) диаметр капиллярных трубок, при диаметре капиллярных трубок в 1 мм их высота может составлять 10…30 мм. Также возможно одновременное использование для создания пакета прямоугольной формы для пластины отрезков капиллярных трубок различных диаметров и/или различной высоты для интенсификации теплообмена с окружающей средой.
Соединение отрезков капиллярных трубок боковыми сторонами в пакет может быть осуществлено, например, путем лазерной (точечной) сварки в местах контакта отрезков капиллярных трубок между собой.
Выбор отрезков капиллярных трубок различного диаметра и различной высоты для конкретного типа радиатора определяется местом его расположения в блоке РЭА, требуемой величиной рассеиваемой тепловой мощности и т.д.; причем в конкретной конструкции радиатора, исходя из конструктивных, технологических и прочностных соотношений при использовании в нем отрезков капиллярных трубок различных диаметров и высоты отношение максимального диаметра и максимальной высоты отрезка капиллярной трубки к минимальному диаметру и минимальной высоте не превосходит 5.
На фиг.1 показаны противоположные стороны пакета пластины радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов. На фиг.2 приведен боковой вид полупроводникового или микроэлектронного электровакуумного прибора с радиатором предлагаемой конструкции, где позициями обозначены: 1 -боковые стороны пластины, 2 - пластина, 3 - пакет пластины отрезков капиллярных трубок, 4 - теплопроводная полка, 5 - охлаждаемый электронный прибор, 6 - поверхностная фрактальная структура, 7 - точки соединения между собой отрезков капиллярных трубок; на фиг.3 показан вид радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов, в конструкции которого использованы отрезки капиллярных трубок различных диаметров и высоты; на фиг.4 показан вид сбоку радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов, в конструкции которого использованы отрезки капиллярных трубок различных диаметров и высоты.
Охлаждаемый электронный прибор 5 может располагаться непосредственно на самой пластине 2 или на теплопроводной полке 4.
Радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов содержит пластину 2, состоящую из пакета пластины, например, прямоугольной формы отрезков капиллярных трубок 3, соединенных между собой боковыми сторонами, например, с помощью лазерной сварки или пайки в точках соединения между собой отрезков капиллярных трубок 7, причем на наружной стороне пластины 2 отрезки капиллярных трубок 3 соединены боковыми сторонами в горизонтальных направлениях между собой, а на противоположной стороне пластины 2 в вертикальных направлениях между собой (фиг.1). Для улучшения условий теплоотдачи путем увеличения площади поверхности контакта с окружающей средой на боковых сторонах пакета пластины отрезков капиллярных трубок 3, расположенных по внешнему периметру пластины 2, создана поверхностная фрактальная структура 6; а охлаждаемый электронный прибор 5 может располагаться непосредственно на самой пластине 2 или на теплопроводной полке 4.
Радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов работает следующим образом
Поток рабочей среды, проходя через отверстия пакета пластины отрезков капиллярных трубок 3, образующих пакет пластины 2, в котором некоторые из отрезков капиллярных трубок 3 могут быть различных диаметров и/или также различной высоты, образует отрывные вихревые зоны, интенсифицирующие теплообмен. Дополнительное охлаждение электронного прибора 5, который может располагаться непосредственно на самой пластине 2 или на теплопроводной полке 4 осуществляется за счет поверхностной фрактальной структуры 6, расположенной на внешней поверхности теплопроводной полки 4 (фиг.2).
Таким образом, предлагаемая конструкция радиатора позволяет в результате интенсификации теплообмена с окружающей средой за счет значительного увеличения площади контакта из-за выполненной поверхностной фрактальной структуры и выполнения пластины из пакета, например, прямоугольной формы, состоящего из отрезков капиллярных трубок из цветных металлов высокой теплопроводности, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами, увеличить отвод тепла от полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов.
За счет применения таких устройств реальное увеличение площади поверхности, соприкасаемой с окружающей средой, при использовании отрезков капиллярных трубок из меди с параметрами: наружный диаметр 2 мм; внутренний диаметр 0,5 мм; высота 5 мм; при размерах пластины для размещения электронного прибора, например: 20х10х5 (мм) - возможно в 3…4 раза, что даже при тех же габаритах радиатора и в таких же условиях эксплуатации приведет к повышению эффективности теплообмена устройства примерно в 1,5…2,5 раза.