ФРАКТАЛЬНЫЙ РАДИАТОР ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТ

Полезная модель относится к системам охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных компонент, а именно к радиаторам, осуществляющим теплообмен между корпусом миниатюрных электронных приборов и охлаждающей средой.
Современные теплоотводящие системы представляют собой сложные конструкции, состоящие из радиаторов, воздуховодов, вентиляторов и различных прокладок из специальных материалов, улучшающих теплоотдачу. Независимо от способа охлаждения, для отвода тепла от электронного компонента необходим радиатор, имеющий непосредственный тепловой контакт с охлаждаемым электронным компонентом или контакт через прокладки из специальных материалов. Поскольку площадь поверхности радиатора во много раз больше, чем у охлаждаемого компонента, теплообмен с окружающей средой усиливается. От конструкций теплоотводящих элементов зависит не только эффективность отвода тепла, но также габариты и, конечно, надежность электронных устройств.
Известен теплообменный элемент [А.с. №1409848, МПК F28F 3/02, 15.07.1988 г.] для интенсификации теплообмена используют перфорированные уголковые элементы, которые турбулизируют поток охлаждающей среды на концах элементов, создавая дополнительную скорость пограничному слою на тыльной стороне уголковых элементов.
Недостатком данного устройства является то, что увеличение интенсивности теплообмена происходит только за счет турбулизации ядра потока охлаждающей среды при сравнительно малой поверхности охлаждения радиатора.
Известен штыревой радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов [Патент РФ №2037988, МПК: H05K 7/20, H01L 23/34, 19.06.1995 г.], 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 монтажную площадкой для прибора (теплопроводную полку), которая передает тепло от охлаждаемой электронных компонент основанию 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 охлаждающей среды, 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 также является невысокая интенсивность охлаждения, предполагающая использование для охлаждения радиатора мощного потока охлаждающей среды.
Наиболее близким по техническому решению является предложенный авторами фрактальный радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов [Патент РФ №110893, МПК: H05K 7/20, 27.11.2011 г.], в котором площадь тепловыделяющих элементов увеличена за счет того, что штыри выполнены с дополнительными отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру, а на пластине и полке для размещения электронных компонент выполнены поверхностные фрактальные структуры.
Штыри радиатора могут иметь квадратную форму поперечного сечения, а дополнительные отверстия в штырях образуют пространственную фрактальную структуру в виде губки Менгера.
Одним из недостатков прототипа, при применении его для охлаждения миниатюрных и сверхминиатюрных полупроводниковых и микроэлектронных компонент, являются малая турбулизации ядра потока охлаждающей среды и сравнительно небольшие размеры площадей охлаждаемых поверхностей, занимаемых поверхностными фрактальными структурами, выполненными на основании и полке для размещения электронных компонент. Это, несмотря на малые размеры самих микроэлектронных и полупроводниковых компонент, вызывает необходимость сохранения больших габаритов системы охлаждения при возрастании (или сохранении) уровня выходной мощности электронных компонент, что снижает эффективность охлаждения. Кроме того, выполнение в штырях дополнительных отверстий, образующих пространственную фрактальную структуру в виде губки Менгера, приводит к значительной трудоемкости изготовления радиатора. Поэтому 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 и микроэлектронных компонент за счет повышения интенсивности их теплообмена с окружающей средой путем увеличения площади охлаждаемых поверхностей радиатора без увеличения его внешних габаритных размеров, а также упрощение конструкции.
Технический результат заключается в интенсификации охлаждения миниатюрных полупроводниковых и микроэлектронных компонент вследствие возрастания их теплообмена с окружающей средой при увеличении площади охлаждаемых поверхностей радиатора, имеющих фрактальную наноструктуру с одновременным снижением его внешних габаритных размеров при незначительном возрастании трудоемкости изготовления.
Поставленная задача достигается тем, что предложен фрактальный радиатор для охлаждения полупроводниковых или микроэлектронных компонент, содержащий основание, штыри и теплопроводную полку для размещения электронного прибора, причем на штырях установлены тепловыделяющие пластины, имеющие отверстия в форме фрактальной структуры ковра Серпинского.
Штыри радиатора повторяют форму отверстий ковра Серпинского второго ранга, выполненных в тепловыделяющих пластинах, а тепловыделяющие пластины установлены на штырях одна на другую с зазорами, образуя по высоте объемную пространственную структуру и в зазорах между пластинами установлены промежуточные теплопроводящие элементы, а тепловыделяющие пластины, штыри и промежуточные теплопроводящие элементы скреплены друг с другом, например, теплопроводящим клеем.
При этом промежуточные теплопроводящие элементы повторяют форму центрального прямоугольного отверстия тепловыделяющей пластины, имеющего размерность ковра Серпинского первого ранга, а промежуточные теплопроводящие элементы повторяют форму внешних сторон угловых отверстий ковра Серпинского второго ранга.
Для увеличения площади охлаждаемых поверхностей радиатора на поверхностях тепловыделяющих пластин выполнены дополнительные поверхностные нанофрактальные структуры, например, из углеродных нанотрубок или оксида цинка.
Такие дополнительные нанофрактальные структуры могут быть также выполнены на поверхностях тепловыделяющих пластин элементов методом лазерного микрофрезерования.
В одном из вариантов полезной модели предлагаемый радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных компонент представляет собой во фронтальной проекции модульную конструкцию, состоящую из нескольких наборов тепловыделяющих пластин, ориентированных параллельно теплопроводящей полке или из набора тепловыделяющих пластин и теплопроводящих элементов, установленных на боковых гранях основания, имеющего треугольную форму.
Для повышения технологичности предлагаемый радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных компонент в горизонтальной проекции представляет собой, по крайней мере, двухмодульную конструкцию, расположенную на общей теплопроводной полке.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид предлагаемого радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных компонент.
На фиг.1 приведен общий вид фрактального радиатора предлагаемой конструкции, где позициями обозначены: основание 1, штыри 2, теплопроводная полка 3, электронный компонент 4, тепловыделяющие пластины 5, отверстия 6, промежуточные теплопроводящие элементы 7, поверхностные нанофрактальные структуры 8.
На фиг.2 показан общий вид радиатора в сборке.
На фиг.3 показаны тепловыделяющие пластины радиатора с отверстиями, которые повторяют форму отверстий фрактальной структуры, выполненной в виде ковра Серпинского.
Эта фрактальная структура образуется следующим образом (фиг.3).
Исходный квадрат n=0 делится прямыми, параллельными его сторонам, на 9 равных квадратов. Из квадрата n=1 удаляется центральный квадрат. Получается множество, состоящее из 8 оставшихся квадратов "первого ранга". Поступая точно так же с каждым из квадратов первого ранга, можно получить множество n=2, состоящее из 64 квадратов второго ранга.
На фиг.4 показаны варианты конструктивного выполнения промежуточных теплопроводящих элементов:
- промежуточные теплопроводящие элементы частично повторяют форму центрального прямоугольного отверстия тепловыделяющей пластины, имеющего размерность ковра Серпинского первого ранга (фиг.4а);
- промежуточные теплопроводящие элементы полностью повторяют форму центрального прямоугольного отверстия тепловыделяющей пластины, имеющего размерность ковра Серпинского первого ранга (фиг.4в);
- промежуточные теплопроводящие элементы повторяют форму внешних сторон угловых отверстий ковра Серпинского второго ранга (фиг.4с).
Фрактальный радиатор предлагаемой конструкции состоит из основания 1, штырей 2, теплопроводной полки 3, электронного компонента 4, тепловыделяющих пластин 5, отверстий 6, промежуточных теплопроводящих элементов 7, поверхностных нанофрактальных структур 8.
Охлаждаемый электронный компонент 4 может располагаться непосредственно на самом основании 1 в зазорах между штырями или на теплопроводной полке 3, как показано на фиг.1. Штыри 2 выполнены в виде параллелепипедов, а тепловыделяющие пластины 5 устанавливаются на штырях одна на другую с зазорами, образуя по высоте пространственную структуру, в зазорах между пластинами установлены промежуточные теплопроводящие элементы 7.
Поток охлаждающей рабочей среды, например воздух, проходя через отверстия тепловыделяющих пластин 5 радиатора, которые повторяют форму отверстий фрактальной структуры, выполненной в виде ковра Серпинского, образует отрывные вихревые зоны, интенсифицирующие теплообмен. Размещение тепловыделяющих пластин 5 на штырях одна на другой с зазорами, с образованием по высоте пространственной структуры, с установленными в зазорах между пластинами 5 промежуточными теплопроводящими элементами 7, интенсивно турбулизирует пограничный слой по всей поверхности охлаждаемых пластин. Дополнительное охлаждение прибора осуществляется за счет поверхностных нанофрактальных структур 8, расположенных на внешних и внутренних поверхностях тепловыделяющих пластин 5 и промежуточных теплопроводящих элементов 7.
Дополнительно увеличить площадь обдува охлаждаемых поверхностей охлаждающей средой можно в модульной конструкции, состоящей из набора тепловыделяющих пластин и теплопроводящих элементов, установленных под углом к теплопроводной полке на боковых гранях основания, имеющего треугольную форму.
Таким образом, предлагаемая конструкция радиатора позволяет в результате интенсификации теплообмена с окружающей средой, за счет значительного увеличения площади контакта из-за выполненных пространственной и поверхностной нанофрактальных структур, увеличить отвод тепла от полупроводниковых и микроэлектронных компонент без увеличения внешних размеров радиатора. За счет применения таких устройств реальное увеличение площади поверхности, контактирующей с охлаждающей средой, возможно в 10…20 раз, что даже при тех же габаритах радиатора, и в таких же условиях эксплуатации, приведет к повышению эффективности теплообмена устройства примерно в 3…5 раз.
На фиг.5 изображена модульная конструкция фрактального радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных компонент, расположенная на общей теплопроводной полке, позволяет просто и технологично наращивать геометрические размеры предлагаемого радиатора для различных типов изделий не только микроэлектронной техники, но и изделий мощной вакуумной СВЧ электроники, например, клистронов и ЛБВ.