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 [Авторское свидетельство №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 [Авторское свидетельство №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.
Известен 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.
Недостатком данного устройства является трудоемкость изготовления, высокая стоимость, а также малая невысокая площадь охлаждаемой поверхности.
4
6
-2
Известен радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов по патенту авторов №110893 (ПМ), МПК: H05K 7/20, 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. При этом штыри выполнены с дополнительными отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру, а на пластине и полке для размещения электронного прибора выполнены поверхностные фрактальные структуры. Кроме того, штыри радиатора могут иметь квадратную форму поперечного сечения, а дополнительные отверстия в штырях образуют пространственную фрактальную структуру в виде губки Менгера. Дополнительно созданные 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.
Недостатком данного устройства является трудоемкость изготовления, высокая стоимость, а также малая площадь охлаждаемой поверхности.
Наиболее близким по техническому решению - прототипом - является радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов по патенту авторов №207764 (ПМ), МПК: Н05К 7/20, содержащий пластину, штыри, теплопроводную полку для размещения электронного прибора и отверстия для прохождения охлаждающей среды, а штыри выполнены с дополнительными отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру, на пластине и полке для размещения электронного прибора выполнены поверхностные фрактальные структуры, а пластина выполнена из пенометалла с открытыми порами.
Современный этап развития полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов характеризуется миниатюризацией при одновременном возрастании (или сохранении) уровня выходной мощности. В связи с этим, недостатком известного радиатора, принятого за прототип, при применении его для охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, является недостаточная эффективность охлаждения для мощных полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов, обладающих высоким тепловыделением при работе радиоэлектронной аппаратуры
Поэтому интенсивность охлаждения таких приборов также остается невысокой, 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, реализуемой при установке на пластине терморедуцирующего элемента, понижающего температуру на основе электрокалорического эффекта.
Поставленная задача достигается тем, что в радиаторе для охлаждения полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, содержащим пластину, штыри, теплопроводную полку для размещения электронного прибора и отверстия для прохождения охлаждающей среды, а штыри выполнены с дополнительными отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру, на пластине и полке для размещения электронного прибора выполнены поверхностные фрактальные структуры, пластина выполнена из пенометалла с открытыми порами, а на пластине установлен терморедуцирующий элемент, понижающий температуру на основе электрокалорического эффекта.
Укажем, что в университете штата Пенсильвания (Pennsylvania State University, USA) разработан охлаждающий полимерный материал, температура которого меняется в зависимости от приложенного электрического поля [http://www.russianelectronics.ru/leader-r/pechat/16820/; 11.08.2008 г.] В частности, он позволяет за счет электрокалорического эффекта - изменения температуры диэлектрика под действием электрического поля - дополнительно понизить температуру потока охлаждающего воздуха. На сегодняшний день получена тонкая пленка из электрокалорического полимера толщиной от 4 до 2 мкм, температура которой понижается на 12°С под действием электрического поля.
Одной из важных характеристик охлаждающей системы является количество тепла, которое может быть отведено. Как показали измерения специалистов университета штата Пенсильвания, полимерный материал отводит в семь раз больше тепла, чем керамика. Это объясняется массивностью и сложностью перемещения атомов керамики.
На фиг.1 показан предлагаемый радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов.
На фиг.2 приведен вид сбоку полупроводникового или микроэлектронного электровакуумного прибора с радиатором предлагаемой конструкции, где позициями обозначены: 1 - штыри, 2 - пластина, 4 - теплопроводная полка, 3 - отверстия в штырях, 5 - охлаждаемый электронный прибор, 6 - терморедуцирующий элемент.
На фиг.3 показана структура терморедуцирующего элемента 6 в разрезе, состоящего из слоев электрокалорического полимера 7, разделенных друг от друга электрически изолированными слоями 8.
На фиг.4 показан внешний вид тонкой пленки из электрокалорического полимера толщиной 4…2 мкм, температура которой понижается на 12°С под действием электрического поля.
Охлаждаемый электронный прибор 5 может располагаться на теплопроводной полке 4 или непосредственно на самой пластине 2.
Штыри радиатора могут иметь, например, квадратную, прямоугольную или цилиндрическую и другую форму поперечного сечения.
Штыри 1 выполнены, в частности, в виде параллелепипедов и повернуты или гранями или ребрами к потоку охлаждающей среды. 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 1, образует отрывные вихревые зоны, интенсифицирующие теплообмен. Различное (шахматное и (или) коридорное) расположение штырей позволяет турбулизировать само ядро потока и пограничный слой по всей поверхности охлаждаемой пластины.
Терморедуцирующий элемент 6, установленный на пластине 2, состоит из слоев электрокалорического полимера 7, разделенных друг от друга электрически изолированными слоями 8.
В качестве слоев электрокалорического полимера может быть использована, например, тонкая пленка из электрокалорического полимера толщиной 4…2 мкм, внешний вид которой приведен на фиг.4, температура которой понижается на 12°С под действием электрического поля, разработанная в университете штата Пенсильвания (Pennsylvania State University, USA).
В качестве электрически изолированных слоев 8, разделяющих слои электрокалорического полимера 7, могут быть использованы, например, тонкие пленки на основе пенокерамики с открытыми порами.
Керамическая пена с открытыми порами представляет собой закаленную керамику с открытыми порами по всему объему материала. Такие материалы могут изготавливаться с содержанием воздуха от 94 до 96% по объему с термостойкостью до 1700°С.
2
3
Дополнительно отметим, что керамические пены, например, на основе нитрида алюминия (AlN) и других материалов обладают также следующие термофизическими и механическими свойствами: низкая масса (плотность 5…25% от плотности твердых макрочастиц объемной керамики, в зависимости от способа производства); большая поверхность обмена (250…10000 м/м); относительно высокая проницаемость; относительно высокая эффективная теплопроводность: - до (250…275) Вт/(м⋅K); что практически в 7…9 раз превышает эффективную теплопроводность пенометалла; высокая устойчивость к резким перепадам температур, высоким давлениям, высоким температурам, влаге, износу и термоциклированию; хорошая амортизация механических воздействий и шумопоглощающие свойства и др.; при этом как размер пор, так и пористость можно варьировать при их производстве (Fraunhofer-Institut fuer Keramische Technologien und Systeme IKTS. Keramische Kuehler fuer die Leistungelektronik. Germany; www. ikts. fraunhofer. de).
Керамическая пена на основе, например, нитрида алюминия, может быть произведена, например, по LTCC - технологии - низкотемпературной совместно обжигаемой керамики при температуре обжига менее 1000°С, либо на основе НТСС -технологии - высокотемпературной совместно обжигаемой керамики и др.
По оценочному сравнению терморедуцирующий элемент, состоящий соответственно из 3…4 слоев электрокалорического полимера 7, разделенных друг от друга электрически изолированными слоями 8, способствует повышению эффективности теплообмена устройства примерно в 1,5…1,8 раза.
Таким образом, предлагаемая конструкция радиатора позволяет в результате интенсификации теплообмена с окружающей средой - за счет установки на пластине терморедуцирующего элемента, понижающего температуру на основе электрокалорического эффекта - увеличить отвод тепла от полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов без увеличения внешних размеров радиатора, что даже практически при тех же габаритах радиатора и в таких же условиях эксплуатации, приведет к повышению эффективности теплообмена устройства примерно в 1,5…1,8 раза; решая тем самым поставленную задачу предлагаемой полезной модели.