УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПЛАСТИН ИЗ АЛЮМОНИТРИДНОЙ КЕРАМИКИ

Заявляемое техническое решение относится к электронной технике и может быть использовано для оперативного контроля теплопроводности пластин из алюмонитридной керамики, предназначенных для отвода тепла в мощных полупроводниковых приборах, модулях силовой электроники и т.п.
∗
∗
Одним из перспективных материалов для теплоотводов в полупроводниковых приборах является алюмонитридная керамика, теплопроводность которой близка к теплопроводности алюминия. В то же время, теплопроводность керамики на основе нитрида алюминия может колебаться в широких пределах (от 80 Вт/мК до 220 Вт/мК) в зависимости от используемого сырья, его состава и технологических режимов, что предопределяет необходимость проведения оперативного контроля теплопроводности пластин из алюмонитридной керамики.
Известно устройство для определения теплофизических характеристик материала [1], содержащее последовательно соосно расположенные нагреватель, однонаправленный композиционный образец заданного сечения на основе исследуемого образца заданной длины и материала матрицы, эталонный образец заданной длины и радиатор, соединенные между собой, четыре термопары, при этом первая и вторая термопары расположены в области расположения однонаправленного композиционного образца, а третья и четвертая - на концах эталонного образца, причем однонаправленный композиционный и эталонный образцы и соединения между элементами выполнены в виде монолитного твердого материала матрицы, при этом эталонный образец и соединения между элементами выполнены из материала матрицы, эталонный образец ограничен третьей и четвертой термопарами, а соединения между элементами - самими соответственно последовательно соосно расположенными элементами.
Данное устройство предназначено для исследований теплофизических характеристик материала и не может быть использовано для оперативного контроля теплопроводности пластин из алюмонитридной керамики [1].
В устройстве [2] для определения теплопроводности материалов используют плоский исследуемый образец и эталонный образец, состоящий из нескольких плоских пластин. Между ними помещен плоский источник теплоты. Образцы приведены в тепловой контакт через источник теплоты. Внешняя плоскость эталонного образца приведена в тепловой контакт с термостатом. Внешняя плоскость исследуемого образца приведена в тепловой контакт с термостатом, который снабжен источником давления. Боковые поверхности исследуемого образца и эталонного образца окружены адиабатической оболочкой.
Данное устройство предназначено для исследований теплофизических характеристик материала с низкой теплопроводностью, например, из оргстекла и не может быть использовано для оперативного контроля теплопроводности пластин из алюмонитридной керамики.
Известен метод продольного теплового потока для исследования металлов и других материалов с относительно большой теплопроводностью. На одном из торцов длинного образца создается равномерный тепловой поток. Между двумя сечениями образца расположенными на некотором расстоянии один от другого, измеряют разность температур. При этом используют устройство, содержащее блок нагревателя, образец, охранный цилиндр, холодильники, нагреватель охранного цилиндра и термопары, располагаемые на некотором расстоянии один от другого на исследуемом образце. [3 - прототип].
Данное устройство не обеспечивает создание одномерного осевого теплового потока, его измерения и учета тепловых потерь с боковой поверхности образца и предназначено, в основном, для исследования теплофизических свойств образцов материала круглого сечения и не может быть использовано для оперативного контроля теплопроводности пластин из алюмонитридной керамики. Кроме того, при каждом исследовании требуется новая установка термопар на исследуемом образце, что может снизить точность измерений.
Техническим результатом заявляемого технического решения является обеспечение оперативного контроля теплопроводности пластин из алюмонитридной керамики, что необходимо при использовании теплоотводящих элементов из этой керамики, например в мощных полупроводниковых приборах, модулях силовой электроники.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для контроля теплопроводности пластин из, алюмонитридной керамики, содержащем нагреватель, термостат, прижим пластины к нагревателю и термостату и датчики температуры, нагреватель выполнен в виде пластины из алюмонитридной керамики, покрытой тонкой металлической пленкой, датчики температуры размещены в зонах теплового контакта контролируемой пластины с нагревателем и термостатом, нагреватель связан с термостатом посредством стоек, выполненных из теплоизоляционного материала, причем поверхности нагревателя и термостата, предназначенные для контакта с контролируемой пластиной размещены в одной плоскости. Металлическая пленка нагревателя выполнена из осажденной в вакууме композиции металлов титан, платина.
Сущность заявляемого технического решения. Выполнение нагревателя в виде пластины из высокотеплопроводной алюмонитридной керамики, покрытой тонкой металлической пленкой, представляющая собой осажденную в вакууме систему титан, платина обеспечивает нагрев до одной температуры всей поверхности нагревателя, находящейся в контакте с контролируемой пластиной.
Размещение датчиков температуры на нагревателе и термостате в зонах теплового контакта контролируемой пластины с нагревателем и термостатом обеспечивает достаточно точное определение разницы температур между указанными зонами, так как термопары установлены стационарно, тепловое сопротивление между термопарой и нагревателем и термопарой и термостатом остается постоянным от измерения к измерению.
Термостат, являющийся основанием устройства и выполненный из металла с высокой теплопроводностью, обеспечивает минимальный разброс измеряемых температур на участке контролируемой пластины, контактируемым с термостатом.
Выполнение связи нагревателя с термостатом посредством стоек, выполненных из теплоизоляционного материала, обеспечивает тепловую развязку между нагревателем и термостатом.
Расположение поверхностей нагревателя и термостата, предназначенных для контакта с контролируемой пластиной, в одной плоскости обеспечивает надежный тепловой контакт контролируемой пластины с нагревателем и термостатом.
Сущность заявленного технического решения поясняется рисунком 1, где:
1 - нагреватель, выполненный из изолирующей теплопроводящей пластины из керамики на основе нитрида алюминия с нанесенной металлической пленкой;
2 - термостат, выполненный из теплопроводящего металла с высокой теплопроводностью, например из алюминия;
3 - стойки, соединяющие нагреватель с термостатом, выполненные из материала с низкой теплопроводностью, например - из капролона;
4 - датчик температуры, закрепленный на нагревателе;
5 - датчик температуры, измеряющий температуру термостата в месте прижима к нему контролируемой пластины;
6 - контролируемая пластина;
7 - устройство прижима пластины к нагревателю и поверхности.
Процесс контроля теплопроводности пластин из алюмонитридной керамики с использованием предложенного устройства проводится по следующей методике.
Прежде всего, формируют набор эталонных пластин с различными теплопроводностями, теплопроводность которых измеряют, например, на установке LFT-2 лазерным флеш-методом.
2
1
2
1
2
Затем эталонные пластины тестируют, прижимая каждую пластину поочередно к поверхности нагревателя 1, на котором размещен датчик температуры 4, и к поверхности термостата 2, вблизи которой закреплен датчик температуры 5. На нагреватель подают электрическое напряжение U, т.е. нагревают мощностью W=U/R, где R электрическое сопротивление нагревателя. После прекращения роста температуры на нагревателе, замеряют температуру T нагревателя и температуру T термостата. Для данной пластины записывают значение разности измеренных температур ΔT=T-T. Такие измерения проводят для каждой эталонной пластины.
Проводя измерения ΔT для контролируемых пластин и сравнивая с ΔT эталонных пластин из набора, с достаточной точностью определяют теплопроводность контролируемой пластаны, причем, чем ниже значение ΔT, тем теплопроводность выше.
Достигаемый технический результат подтверждается следующим примером. На установке LFT-2 лазерным флеш-методом были измерены значения теплопроводности пяти эталонных пластин из алюмонитридной керамики толщиной 1 мм со стандартным размером 48×60 мм, а на заявляемом устройстве пластины были протестированы по приведенной выше методике. Результаты представлены в таблице 1. Контролируемые пластины №№6, 7, 8, 9 и 10 по теплопроводности соответствуют эталонным пластинам №№1, 2, 3, 4 и 5 соответственно.
Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки.
1. Патент РФ №2319950 с приоритетом 25.09.2006
2. Патент РФ №2478940 МПК: G01N 25/18 с приоритетом 26.08.2011.
3. А.Г. Коротких, Теплопроводность материалов, учебное пособие, издательство Томского политехнического университета, 2011, стр. 25.