УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЭЛЕКТРОНИКИ

Полезная модель относится к области технической физики и предназначена, в частности, для использования в электронике и микроэлектронике.
В объектах электроники и микроэлектроники, как правило, возникает задача охлаждения отдельных элементов схем. Эта задача решается различными путями, в основном, с использованием вентиляторов (кулеров) и охлаждающих элементов на основе эффекта Пельтье. Особенно актуальна эта проблема для вычислительной техники и персональных компьютеров. При достижении критической температуры происходит отказ в работе прибора и выход его из строя. Для предотвращения этого ставятся защитные системы, которые отключают прибор при достижении критической температуры.
Основным недостатком известных устройств для охлаждения элементов электронных схем является потребление ими большого количества электроэнергии. Кроме того, установка кулеров и блокировочных систем приводит к увеличению массы и габаритов приборов.
Известно устройство, одним из применений которого является охлаждение микрообъектов (патент RU №2310950, H01L 35/32; H01L 23/38), решающее задачу теплоотвода тем, что термоэлемент выполнен в виде двухслойной пленки, слои которой являются электродами и изготовлены из материалов с разными коэффициентами Пельтье (в частности - полупроводниковых материалов), коммутационных площадок и токовыводов. При прохождении тока в направлении от одной пленки к другой поглощается тепло по всей площади контакта слоев. Оба слоя при этом будут одновременно охлаждаться, поэтому обе поверхности двухслойной пленки могут использоваться в качестве поверхностей теплообмена с теплорегулируемым объектом. Геометрия пленочных слоев такова, что коммутационные площадки слоев находятся вне терморегулируемой области, что исключает теплообмен между ними и теплостабилизируемой областью путем теплопроводности. Тепло, поглощенное в области терморегулирования, выделяется на коммутационных площадках, а теплообмен между этими площадками и окружающей средой организуется любым известным способом. Расстояние, на которое предлагаемое устройство отводит тепло от терморегулируемой области, равно расстоянию от нее до коммутационных площадок и может быть выполнено сколь угодно большим.
Основным недостатком этого устройства является потребление им электроэнергии.
За прототип предлагаемого устройства взято устройство [Письма ЖТФ, 2005г., т.31, в. 14, стр.45-49, "Тепловые эффекты, возникающие в монокристаллах сульфида самария под действием равномерного нагрева", Каминский В.В; Соловьев С.М.], основанное на выявленном авторами эффекте охлаждения образца из полупроводникового сульфида самария (SmS) при генерации электрического напряжения за счет термовольтаического эффекта, возникающего при нагревании образца.
Устройство представляет собой образец из монокристаллического сульфида самария (SmS) с контактными площадками для создания электрического контакта и подсоединенными к ним токовыводами, размещенными на противоположных гранях кристалла. При нагревании устройства на одной из граней с токовыводом наблюдается существенное по величине (до 125 К) понижение температуры, в то время как на другой грани температура остается равной температуре окружающей среды. Наличие эффекта связано с характерным для SmS фазовым переходом первого рода полупроводник - металл. Охлаждающаяся грань может использоваться в качестве поверхности теплообмена с теплорегулируемым объектом, например, устройством электроники (микроэлектроники) без затрат электроэнергии.
Недостатками являются обеспечение этим устройством только кратковременного периода охлаждения и его нестабильного характера, что приводит к сложности применения на практике.
Предлагаемая полезная модель решает задачи достижения стабильного и непрерывного процесса охлаждения объектов электроники без использования источников электроэнергии.
1-x
x
Задачи решаются устройством для охлаждения объектов электроники, выполненным в виде структуры, состоящей из слоя полупроводникового моносульфида самария (SmS) и слоя твердого раствора SmYyS, где Yy -лантаноиды, трехвалентные в моносульфидах: La, Се, Gd, Pr, Nd, Dy, Но, Еr, 0<х<1, с контактными площадками, электрически соединенными с внешней поверхностью слоев структуры, и с подсоединенными к ним токовыводами, замкнутыми между собой через электросопротивление нагрузки.
c
c
Устройство по п.1, в котором величина R электросопротивления нагрузки удовлетворяет соотношению 0≤ R≤ R, где R - внутреннее электросопротивление структуры, решает задачу охлаждения объектов при их расположении с любой стороны упомянутой полупроводниковой структуры или сразу с обеих сторон.
1-x
x
Одно из выполнений предлагаемой структуры - на основе слоя SmS и слоя твердого раствора SmS с YyS (сульфидом лантаноида, трехвалентного в моносульфидах) - SmYyS - представлено схематически на фиг., где:
1 - слой полупроводника SmS;
1-x
x
2 - слой твердого раствора SmYyS;
3 - контактные площадки;
4 - токовыводы;
5 - электросопротивление нагрузки.
Структура выполнена с возможностью обеспечения прохождения процесса диффузии между слоями 1 и 2 (например, путем спекания слоев), токовыводы 4 подсоединены к слоям полупроводниковых материалов 1 и 2 через контактные площадки 3 для обеспечения необходимых омических контактов. Контактные площадки 3 через токовыводы 4 подсоединены к электросопротивлению нагрузки 5, которое может иметь разную величину.
Авторами создано устройство для охлаждения микрообъектов, обеспечивающее стабильный и непрерывный процесс охлаждения объектов, не требующее источников внешней электроэнергии и реализующееся в малых размерах, сравнимых с размером чипа.
1-x
x
Как определили авторы, моносульфид самария (SmS) может быть использован как в виде монокристалла, так и поликристаллический, и в предлагаемом устройстве могут быть применены твердые растворы моносульфида самария с моносульфидами редкоземельных элементов -лантаноидов, которые трехвалентны в моносульфидах: La, Се, Gd, Pr, Nd, Dy, Но, Еr. Эти элементы обозначены нами в общем виде как Yy, а твердые растворы - как SmYyS.
1-x
x
1-x
x
1-x
x
2+
2+
3+
Принцип действия предлагаемого устройства основан на том, что в твердом растворе SmYyS концентрация электронов проводимости существенно больше, чем в полупроводниковом SmS. Это приводит к интенсификации процесса ионизации ионов Sm при нагревании структуры и переходу их в трехвалентное состояние (Sm→Sm+е). Этот процесс вместе с диффузией между слоями приводит к созданию градиента концентрации примеси (дефектных ионов самария) и, с одной стороны, к изменению характера термовольтаического эффекта (стабилизации), а с другой - к слиянию отдельных временных интервалов понижения температуры, характерных для прототипа, в единый непрерывный процесс охлаждения, который и наблюдается. При замыкании слоев 1 и 2 через контактные площадки 3 и токовыводы 4 на электросопротивление 5 и нагревании структуры температура контактной площадки 3 на слое SmS 1 растет быстрее температуры контактной площадки 3 на слое SmYyS 2 (в зависимости от величины сопротивления нагрузки). Таким образом, в данном случае контактная площадка на слое SmYyS становится поверхностью теплообмена более пригодной для теплорегуляции объекта. Избыток тепловой энергии выделяется на нагрузочном электросопротивлении 5, которое может быть вынесено на необходимое удаление от теплорегулируемой области за счет удлинения токовыводов 4. Авторы определили, что зависимость понижения температуры охлаждаемой контактной площадки от температуры среды линейна и описывается соотношением ΔТ=кТ, где коэффициент к (безразмерная величина) зависит от состава полупроводникового материала и условий эксперимента.
1-x
x
По п.2, в случае замыкания токовыводов накоротко или через электросопротивление, меньшее или равное внутреннему электросопротивлению структуры, поверхностью теплообмена, пригодной для теплорегуляции объекта, становится также контактная площадка 3 на слое 1 из SmS, т.к. большее количество электроэнергии выделяется за счет термовольтаического эффекта на внешней цепи (токовыводы и сопротивление нагрузки), и, соответственно, большее количество тепловой энергии отнимается у генерирующей электрический сигнал полупроводниковой структуры. В результате последняя охлаждается не только со стороны контактной площадки 3, прилегающей к слою SmYyS, но и с противоположной стороны.
Авторами экспериментально установлено, что толщина и форма полупроводниковых слоев на наличии и качестве (стабильности и непрерывности изменения температуры) эффекта охлаждения существенно не сказывается, и они могут быть выполнены с различной конфигурацией и размерами.
Устройство работает следующим образом.
1-x
x
Между одним из электродов структуры, схематически представленной на фиг., и охлаждаемым объектом осуществляется тепловой контакт. В случае контакта с контактной площадкой 3, присоединенной к слою 2 с составом Sm YyS, при нагревании структуры происходит спонтанное уменьшение скорости нагрева ее и объекта по сравнению с нагреваемой окружающей средой, и объект охлаждается. Это происходит при любом значении сопротивления нагрузки 5.
В случае контакта охлаждаемого объекта с контактной площадкой 3, присоединенной к слою 1, состоящему из SmS, для получения эффекта охлаждения необходимо замкнуть контактные электроды 3 через токовыводы 4 между собой либо накоротко, либо через нагрузочное сопротивление 5, меньшее или равное внутреннему сопротивлению структуры. При этом на обеих внешних поверхностях структуры (на контактных площадках 3) будет происходить охлаждение.
Пример 1.
0.93
0.07
0.93
0.07
Был создан плоский образец со слоями 1 из SmS и 2 из SmGdS, с размерами (8×6,4×3,85)мм. Электросопротивление этой структуры при комнатной температуре составило 8,1 Ом. На внешних поверхностях слоев для лучшего электрического контакта были напылены контактные площадки 3 в виде слоев никеля. К этим слоям прикладывались медные пластины с размерами 25×7,4×0,75 мм, служившие одновременно токовыводами 4 и объектами, температура которых измерялась. В данном эксперименте охлаждение осуществлялось при замыкании электродов (контактных площадок 3 с токовыводами 4) охлаждающей структуры с помощью сопротивления нагрузки 5 величиной 1 МОм, что намного превышает внутреннее сопротивление структуры. Использовалось следующее оборудование: шкаф сушильный электрический круглый 2В-151 ГУ 54-1-1411-76; термопары хромель-алюмель по ГОСТ Р 8.585-2001; ЭВМ с АЦП MD-142. При нагревании температура пластины, прилегающей к слою 2 из SmGdS, повышалась постепенно, но медленнее, чем температура окружающей среды и пластины, прижатой к слою 1 из SmS, и при достижении температуры среды 89°С ее температура достигла значения лишь 60°С и стабильно и непрерывно поддерживалась в течение длительного времени. Эта температура является рабочей для большинства персональных компьютеров. Таким образом, очевидно, что микросхема, охлаждаемая предлагаемым охладителем, будет работоспособна и при температуре окружающей среды 89°С без применения для охлаждения внешнего источника электроэнергии.
Пример 2.
0.93
0.07
Охлаждающая структура и конфигурация эксперимента были такими же, как в примере 1. Нагрев образца с медными пластинами происходил в сушильном шкафу от комнатной температуры до 160°С. При температуре 152°С электроды образца были замкнуты через сопротивление нагрузки 5 величиной 0,6 Ом, значительно меньшей величины внутреннего сопротивления структуры. К этому моменту термопара на слое SmS показывала также 152°С, а термопара на слое SmGdS показывала 114°С. После замыкания температура, показываемая термопарой на слое SmS, снизилась также до 114°С. При дальнейшем поддержании температуры в течение 40 минут в интервале 152-160°С разница температур оставалась практически неизменной (порядка 40°С). Таким образом, в результате проведенного эксперимента удалось понизить температуру объектов общим весом 2,5 г (2 медные пластины по 1,25 г весом) на ~40°С по сравнению с температурой нагревающейся среды и поддерживать эту разницу температур без применения внешнего электрического источника.
В данных примерах в качестве контактных площадок использовались напыленные на поверхности образца слои никеля, которые покрывали две грани образца полностью. Однако вполне возможно использовать и прижимные контакты различных размеров, которые соответствуют геометрии поверхности образца в области соприкосновения ее с охлаждаемым объектом. Также могут использоваться напыленные контактные площадки различных размеров и конфигурации по поверхности образца в необходимом количестве. Материал - любой металл. Сами образцы также могут быть выполнены различной формы, размеров и конфигурации.