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
Наиболее близким по техническому решению — прототипом - является радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов (патент №110893 (ПМ), МПК: Н05К 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.
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 высокая сложность, трудоемкость изготовления, включающая в себя несколько специфических технологичных операций для создания фрактальных структур и, как следствие, высокая стоимость, а также относительно невысокая 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, а также снижение трудоемкости его изготовления.
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, а пластина выполнена из пенометалла с открытыми порами.
Штыри радиатора могут иметь, например, квадратную, прямоугольную или цилиндрическую и др. форму поперечного сечения.
3
Поясним, что структура, состоящая, как правило, из алюминия, а также или из никеля, цинка, бронзы, латуни, их сплавов и др. и содержащая большое количество наполненных газом пор - называется пенометалл (металлическая пена). Как правило, примерно 75...95% ее объема составляют пустоты. Материал обладает уникально малым весом - некоторые виды пенометаллов настолько легки, обладают плотностью менее 1 (г/см), что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.
Пенометаллы имеют также следующие термофизические и механические свойства: очень низкая масса (плотность 5...25% от плотности твердых макрочастиц, в зависимости от способа производства); большая поверхность обмена (250...10000 м/м); относительно высокая проницаемость; относительно высокая эффективная теплопроводность (5...30 Вт/(м-К); 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. Например, металлическая пена на основе никеля - пеноникель, разрабатываемая, в частности, российской компанией "Новомет-Пермь", обладает экстремально высокой сообщающейся пористостью, достигающей 96%, идругими экстраординарными свойствами. Пенометалл - металлическую пену с открытыми ячейками также называют металлической губкой.
На фиг.1 показан предлагаемый радиатор 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 - штыри, 2 -пластина, 4 - теплопроводная полка, 3 - отверстия в штырях, 5 -охлаждаемый электронный прибор.
На фиг. 3 показан участок пластины, выполненный из пенометалла, на фиг.4 показана структура указанного пенометалла с открытыми порами.
Охлаждаемый электронный прибор 5 может располагаться непосредственно на самой пластине 2 или на теплопроводной полке 4. 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 2, 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.
В течение последних нескольких лет было разработано несколько технологий для производства металлических пен, однако только некоторые из этих технологических процессов могут быть использованы для производства пенометалла - алюминиевой пены в промышленных масштабах, в том числе:
2
3
введение газов напрямую в жидкий металл. В качестве добавок, увеличивающих вязкость расплавленного металла, вводятся SiC или А1О (10... 15%).
2
Технологический газ (воздух, азот - N или аргон - Аг) вводят в расплав с помощью вращающейся крыльчатки. Таким способом могут быть получены плиты из пенометалла - металлической пены значительных размеров (до 0,1×1×10 м). При этом пористость материала достигается 80...97%; а также пористый материал - пенометалл на основе алюминия увеличивается примерно в 5 раз от первоначального объема.
Один из вариантов эффективной технологии изготовление пенометалла с открытыми порами описан, например, в [Т. Miyoshi, M. Itoh, S. Akiyama, A. Kitahara. Aluminum Foam, "Alporas": The Production Process, Properties and Applications. Published online by Cambridge University Press: 10 February 2011. MRS Online Proceeding Library Archive 521; DOI: 10.1557/PROC-521-133].
2
3
Технологический процесс Alporas Shinko Wire Co. Ltd. (Осака, Япония) включает в себя добавление 1,5% Са - кальция в алюминиевый расплав для регулирования вязкости. Кальций вводится в расплавленный алюминий при 680°С и перемешивается в течение 6 мин. Полученный алюминиевый расплав заливают в литейные формы и перемешивают с добавкой сухого пенообразователя на основе гидрида титана TiH с помощью вращающейся крыльчатки. В процессе перемешивания пенообразователь разлагается под влиянием тепла и водорода, увеличивая свой объем в течение 15 мин. Затем расплав охлаждается в форме с помощью вентиляторов и затвердевает в виде блока с пористостью 89...93%, при этом его плотность составляет 0,069...0,54 г/см. Литые блоки имеют размеры 450×2050×650 мм и весят примерно 160 кг). Далее полученные литые блоки разрезают на листы требуемой толщины и механически обрабатывают до придания им необходимой формы.
По оценочному сравнению с прототипом за счет использования в предлагаемой конструкции радиатора пенометалла на основе алюминия.
Реальное увеличение площади поверхности, соприкасаемой с окружающей средой, возможно в 1,5...2 раза.
Таким образом, предлагаемая конструкция радиатора позволяет в результате интенсификации теплообмена с окружающей средой - за счет значительного увеличения площади контакта при выполнении пластины из пенометалла с открытыми порами - увеличить отвод тепла от полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов без увеличения внешних размеров радиатора, что даже при тех же габаритах радиатора и в таких же условиях эксплуатации, приведет к повышению эффективности теплообмена устройства примерно в 1,5... 1,7 раза; а также существенно упростить технологию изготовления и снизить себестоимость радиатора, решая тем самым поставленную задачу предлагаемой полезной модели.