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], в котором для повышения эффективности охлаждения в межреберное пространство радиатора введена гофрированная вставка, которая перераспределяет воздушный поток по высоте ребра.
Недостатком данного устройства является невысокая интенсивность охлаждения и необходимость использования внешнего вентилятора.
В теплообменном элементе [А.с. №1409848, МПК: F28F 3/02] для интенсификации теплообмена используют перфорированные уголковые элементы, которые турбулизируют поток 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 при сравнительно малой поверхности охлаждения радиатора.
Наиболее близким по техническому решению является штыревой радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов [Патент РФ №2037988, МПК: Н05К 7/20, H01L 23/34], в котором площадь тепловыделяющих элементов увеличена за счет того, что в его конструкцию введены пластина и штыри, выполненные в виде параллепипедов, 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.
Современный этап развития полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов характеризуется миниатюризацией при одновременном возрастании (или сохранении) уровня выходной мощности. В связи с этим, недостатком прототипа, при применении его для охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, является малая площадь охлаждаемой поверхности. Поэтому интенсивность охлаждения таких приборов невысока, даже при наличии принудительного обдува внешним вентилятором. Это ограничивает уровень выходной мощности миниатюрных электронных приборов и снижает срок их службы.
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 без увеличения его внешних габаритных размеров.
Поставленная задача достигается тем, что радиатор для охлаждения полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, содержит 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.
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 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.
Возможен также вариант выполнения поверхностных фрактальных структур на пластине и теплопроводной полке для размещения электронного прибора из пиролитического графита или из углеродных нанотрубок.
Для формирования губки Менгера каждый штырь условно разбивают на несколько последовательно соединенных кубов. В свою очередь каждый куб разбивают на 27 одинаковых кубиков с длиной ребра, равной 1/3 длины первоначального куба. Затем, удаляют 7 кубиков, причем противоположные грани исходного куба соединяются сквозными центральными отверстиями квадратной формы. Современные лазерные технологии, применяемые в микроэлектронике, позволяют выполнить такие операции.
Образованная таким образом губка Менгера имеет пространственную фрактальную структуру с очень большой площадью проверхности за счет большого количества пор (отверстий). Пространственная фрактальная структура штырей может также иметь форму недостроенной губки Менгера, когда штырь имеет в поперечном сечении форму, равную половине куба. Не исключено применение и других форм пространственных фрактальных структур.
Дополнительно повысить эффективность теплообмена можно за счет выполнения поверхностных фрактальных структур на пластине и теплопроводной полке для размещения электронного прибора.
4
6
-2
В качестве одного из вариантов выполнения такой поверхностной фрактальной структуры может служить многоострийная структура из углеродных материалов, в частности, из стеклоуглерода, с плотностью упаковки 10÷10 см. Причем каждое острие поверхностной фрактальной структуры имеет вид усеченного конуса высотой около 10÷20 мкм. Для получения такой структуры могут быть использованы технологии плазмохимического травления [Бурцев А.А. Фрактальные углеродные наноструктуры: технология получения и автоэмиссионные свойства. МИЭМ. М. - 2008, с.12.].
В качестве другого варианта выполнения поверхностных фрактальных структур на пластине и теплопроводной полке для размещения электронного прибора является выполнение их из пиролитического графита с последующей микролазерной обработкой [http://nicopeia.com/lazyernaya-viryezka-syetok-iz-pirolitichyeskogo-grafita-dlya-elyektronno-optichyeskih-sistyem-priborov-svch-diapazona/].
Одним из перспективных вариантов выполнения поверхностных фрактальных структур являются наноразмерных покрытия, выполненные например, в виде углеродных нанотрубок. Возможность применения поверхностных наноразмерных покрытий для увеличения эффективности отвода тепла от полупроводниковых и других приборов показана в работе [R.C.Johnson. Nano-coating cools chips four times faster., http://www.eetimes.com/showArticle.ihtml?articleID=22570049].
На фиг.1 показан предлагаемый радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов. На этом же рисунке показан участок штыря с выполненной на нем пространственной фрактальной структурой в виде губки Менгера. На фиг.2 приведен боковой вид полупроводникового или микроэлектронного электровакуумного прибора с радиатором предлагаемой конструкции, где позициями обозначены: 1 - штыри, 2 - пластина, 4 - теплопроводная полка, 3 - отверстия в штырях, образующие пространственную фрактальную структуру, 5 - охлаждаемый электронный прибор, 6 - поверхностные фрактальные структуры.
Охлаждаемый электронный прибор 5 может располагаться непосредственно на самой пластине 2 или на теплопроводной полке 4. Штыри 1 выполнены в виде параллелепипедов и повернуты или гранями или ребрами к потоку охлаждающей среды и, кроме того, штыри на всем их протяжении выполнены с отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру в виде, например, губки Менгера.
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 2, образует отрывные вихревые зоны, интенсифицирующие теплообмен. Различное (шахматное и (или) коридорное) расположение штырей позволяет турбулизировать само ядро потока, а выполнение штырей на всем их протяжении с отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру в виде, например, губки Менгера, турбулизируют пограничный слой по всей поверхности охлаждаемой пластины. Дополнительное охлаждение прибора осуществляется за счет поверхностных фрактальных структур 6, расположенных на внешних поверхностях пластины 2 и теплопроводной полки 3.
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 фрактальных структур, увеличить отвод тепла от полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов без увеличения внешних размеров радиатора. За счет применения таких устройств реальное увеличение площади поверхности, соприкасаемой с окружающей средой, воможно 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.