Устройство охлаждения ис



Устройство охлаждения ис
Устройство охлаждения ис
Устройство охлаждения ис
Устройство охлаждения ис
Устройство охлаждения ис
Устройство охлаждения ис
Устройство охлаждения ис

 


Владельцы патента RU 2528392:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронной техники" (RU)

Изобретение относится к области электроники и предназначено для отвода тепла от ИС, СБИС, силовых модулей, блоков радиоэлектронной аппаратуры и т.п. Технический результат - повышение теплоотвода от кристалла к корпусу; упрощение технологии сборки с использованием теплоотводов на основе эффекта Пельтье. Достигается тем, что в устройстве охлаждения ИС, основанном на использовании эффекта Пельтье, на ИС в керамическом корпусе наклеивается алюминиевый теплорассекатель, а на него охлаждающий полупроводниковый блок, использующий эффект Пельтье. При этом основание корпуса ИС является одновременно верхним теплопереходом охлаждающего полупроводникового блока, при этом пайка кристаллов к подложке, подложки с основанием корпуса (верхним теплопереходом ТЭМ), верхнего теплоперехода с одной поверхностью полупроводниковых ветвей p- и n-типа происходит при температуре на 20-25°C ниже температуры пайки другой поверхности полупроводниковых ветвей к нижнему теплопереходу, причем полупроводниковые ветви размещены между теплопереходами таким образом, что все горячие поверхности контактируют с одним теплопереходом, а все холодные - с противоположным и с помощью металлизации соединены в единую электрическую цепь, которая подключена к источнику питания, для контроля температуры корпуса ИС к нему крепится термопара, а для стабилизации температуры (нагрева или охлаждения) термопара соединена с блоком переключения полярности источника питания. 7 ил.

 

Изобретение относится к области электроники и предназначено для отвода тепла от ИС, СБИС, силовых модулей, блоков радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и т.п.

Тепловой режим полупроводниковых изделий (ППИ) в значительной степени определяет их надежность. Статистика показывает, что в 60% случаев причиной выхода радиоэлектронной аппаратуры из строя является нарушение теплового режима как устройства в целом, так и отдельных его элементов.

Разработка способов и устройств отвода тепла от ППИ - это актуальная задача, на решение которой направлены усилия всех специалистов, работающих в области полупроводниковой микроэлектроники.

Существуют различные способы отвода тепла от ИС, СБИС, силовых модулей, блоков РЭА и т.п.

Известен теплоотвод [1], представляющий собой устройство из алюминиевого сплава для отвода тепла с использованием термоэлектрического элемента Пельтье, которое имеет форму куба и монтируется к охлаждаемому прибору нижней поверхностью. Параллельно нижней установочной поверхности объем куба просверлен насквозь в нескольких местах по взаимно перпендикулярным направлениям. Для улучшения воздушной вентиляции устройства сквозные отверстия сообщаются с вертикальными отверстиями, выходящими на верхнюю поверхность куба. Одновременно в объем куба введено несколько тепловых трубок, заполняемых на 15-18% своего объема рабочей охлаждающей жидкостью.

Основным недостатком данного теплоотвода является сложность технологии сборки охлаждающего полупроводникового блока к охлаждаемому изделию микроэлектроники.

Основными преимуществами построения систем охлаждения и термостабилизации с применением термоэлектрических модулей (ТЭМ) на основе эффекта Пельтье являются [2]:

малые габариты (3,4 мм×3,4 мм) и вес (меньше 2 г.) определяют отсутствие альтернативных решений для термостабилизации и охлаждения в микро- и фотоэлектронике;

высокая надежность, например, компания «КРИОТЕРМ» гарантирует для своих ТЭМ среднее время наработки на отказ не менее 200000 часов;

высокая охлаждающая способность на единицу веса и объема - до 150 Вт/г и до 100 Вт/см2;

возможность плавного и высокоточного регулирования температурного режима;

малая инерционность, быстрый переход из режима охлаждения в режим нагрева.

ТЭМ на основе эффекта Пельтье включают более 250 наименований со стандартными типоразмерами (40 мм×40 мм,30 мм×30 мм, 15 мм×15 мм и др.), а также специально разработанные от микромодулей до модулей с габаритами 62,5 мм×62,5 мм.

Основным недостатком использования ТЭМ является снижение передачи тепла от ИС, СБИС, силовых модулей и блоков РЭА к охладителю.

Известно [3], что силовые модули крепятся к охладителю с помощью винтов, заклепок, подпружинистых шайб и др. Для наилучшей передачи тепла от основания к охладителю используют теплопроводящие пасты и специальные прокладки из алюминиевой фольги, тонкие прокладки из теплопроводящего, но изолирующего материала (каптона, полиамидной пленки). Использование специальных теплопроводящих паст и прокладок необходимо для сглаживания неровностей соединяемых поверхностей. Чем больше шероховатость поверхностей, тем толще должен быть вспомогательный слой.

Таким образом, эти факторы усложняют технологию сборки ППИ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство охлаждения ИС [4], заключающееся в том, что на ИС в керамическом корпусе наклеивается алюминиевый теплорассекатель, а на него - охлаждающий полупроводниковый блок, использующий эффект Пельтье. На верхнюю горячую поверхность охлаждающего блока присоединяется радиатор, к которому привинчивается вентилятор. Для сборки устройства применяется теплопроводящая адгезионная пленка.

Основным недостатком данного устройства является снижение теплоотвода от кристалла к корпусу из-за использования промежуточной адгезионной пленки. Кроме того, использование радиатора и вентилятора усложняет технологию сборки ИС.

Задача, на решение которой направлено заявляемое решение, - это повышение теплоотвода от кристалла к корпусу; упрощение технологии сборки ППИ с использованием теплоотводов на основе эффекта Пельтье.

Эта задача достигается тем, что в устройстве охлаждения ИС, основанного на использовании эффекта Пельтье, по которому на ИС в керамическом корпусе наклеивается алюминиевый теплорассекатель, а на него охлаждающий полупроводниковый блок, использующий эффект Пельтье, отличающееся тем, что основание корпуса ИС является одновременно верхним теплопереходом охлаждающего полупроводникового блока, при этом пайка кристаллов к подложке, подложки с основанием корпуса (верхним теплопереходом ТЭМ), верхнего теплоперехода с одной поверхностью полупроводниковых ветвей p- и n-типа проводимости происходит при температуре на 20-25°C ниже температуры пайки другой поверхности полупроводниковых ветвей к нижнему теплопереходу, причем полупроводниковые ветви размещены между теплопереходами таким образом, что все горячие поверхности контактируют с одним теплопереходом, а все холодные - с противоположным и с помощью металлизации соединены в единую электрическую цепь, которая подключена к источнику питания, для контроля температуры корпуса ИС к нему крепится термопара, а для стабилизации температуры (нагрева или охлаждения) термопара соединена с блоком переключения полярности источника питания.

Сравнение заявляемого устройства охлаждения ИС с другими устройствами [1-4] из известного уровня техники также не позволило выявить в них признаки, заявляемые в отличительной части формулы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематично изображены:

на фиг.1 - кристалл ИС;

на фиг. 2 - подложка из DBC керамики;

на фиг. 3 - основание корпуса ИС (верхний теплопереход ТЭМ);

на фиг. 4 - нижний теплопереход ТЭМ с полупроводниками n- и p-типа до сборки;

на фиг.5 - нижний теплопереход ТЭМ с полупроводниками n- и p-типа после сборки;

на фиг.6 - схема сборки устройства охлаждения ИС;

на фиг.7 - общий вид устройства охлаждения ИС с охлаждающим полупроводниковым блоком (ТЭМ).

Устройство охлаждения ИС реализуется по схеме (фиг.1). На сборку поступают готовые полупроводниковые кристаллы 1, на лицевой поверхности которых имеются контактные площадки 2, например, в виде алюминиевой металлизации для последующего монтажа внутренних выводов, а на паяемой поверхности кристаллов 1 - многослойная пленочная металлизация 3, например, Ti, Ni-Ti, Ag.

На фиг.2 представлена подложка 4 из DBC-керамики (Direct Bonding Copper), выполняющая роль электроизолирующего и теплопроводящего слоя между кристаллом и корпусом. DBC-керамика (Al2O3 или AlN) с двух сторон имеет металлизацию 5, полученную методом прямого (диффузионного) сращивания с медной фольгой, на которой нанесено никелевое покрытие и любым известным способом припой 6, например, сплав 70Bi/30Sn (в %), имеющий температуру плавления 175°C. Металлизация 5 с припоем 6 нижней поверхности подложки 4 сплошная, а верхней - в виде контактных площадок под пайку кристаллов 1.

На фиг.3 показано основание корпуса 7, которое является одновременно верхним теплопереходом ТЭМ. Технология нанесения металлизации 5 такая же, как и для подложки 4 (фиг.2). Однако металлизация 5 на верхней поверхности основания корпуса 7 сплошная, а нижней - в виде контактных площадок под пайку полупроводниковых ветвей p-типа и n-типа проводимости ТЭМ, при этом на контактные площадки нанесен припой 6.

Использование корпуса ИС в качестве верхнего теплоперехода ТЭМ повышает теплоотвод от кристалла к корпусу.

На фиг.4 представлен нижний теплопереход 8 ТЭМ, который изготавливается отдельно и состоит из того же материала и имеет такую же металлизацию 5, что и основание корпуса 7 (верхний теплопереход). Однако металлизация 5 контактных площадок покрыта припоем 9, например, сплавом 80Bi/20Sn (вес.%), имеющего температуру плавления 200°C. На полупроводниковые ветви p-типа 10 и n-типа 11 предварительно нанесено антидиффузионное покрытие 12, которое хорошо паяется припоями 6 и 9.

Для повышения надежности ТЭМ необходимо при сборке использовать припой (можно пасту или клей), компоненты которых не вступают в реакцию с термоэлектрическим материалом (ветвями p- и n-типа) и не служат источником диффузионной, легирующей или реагентной активности.

На фиг.5 представлена схема сборки нижнего теплоперехода 8 ТЭМ с полупроводниковыми ветвями 10 и 11. Пайка (укладка) полупроводниковых ветвей 10 и 11 на контактные площадки нижнего теплоперехода 8 может осуществляться вручную или механизированным способом (для ветвей сечением более 1 мм2). При этом полупроводниковые ветви контактируют с теплопереходом горячей поверхностью или холодной. Температура пайки подбирается опытным путем исходя из температуры плавления припоя 9. При кристаллизации припоя 9 образуется паяное соединение 13 полупроводниковых ветвей 10 и 11 с нижним теплопереходом 8 ТЭМ.

На фиг.6 приведена схема сборки устройства охлаждения ИС, которая осуществляется в следующей последовательности: полупроводниковый кристалл 1 совмещается с контактными площадками подложки 4, которая устанавливается на основание корпуса 7 (верхний теплопереход). Контактные площадки верхнего перехода совмещаются с полупроводниковыми ветвями, уже присоединенными другой стороной к нижнему теплопереходу 8. Фиксация кристалла 1, подложки 4, основания корпуса 7 относительно полупроводниковых ветвей 10 и 11 осуществляется в прецизионных кассетах. При нагреве до температуры пайки припой 6 расплавляется, а при кристаллизации образуется паянное соединение 14 кристалла 1 с подложкой 4, подложки 4 с основанием корпуса 7 (верхнего теплоперехода), верхнего теплоперехода с полупроводниковыми ветвями 10,11 нижнего теплоперехода.

Таким образом, упрощается технология сборки ППИ с использованием теплоотводов на основе эффекта Пельтье.

Температура пайки с использованием припоя 6 должна быть ниже на 20-25°C температуры плавления припоя 9 состава 80Bi/20Sn (вес.%) для пайки полупроводниковых ветвей к нижнему теплопереходу. В противном случае может произойти распайка полупроводниковых ветвей с нижнего теплоперехода и смещение их относительно друг друга.

Соединения контактных площадок кристаллов ИС между собой и траверсами корпуса формируются с использованием внутренних выводов 15 и 16. После внутреннего монтажа выводов осуществляется герметизация ИС любым известным способом с использованием крышки 17.

На фиг.7 представлен общий вид устройства охлаждения ИС с охлаждающим полупроводниковым блоком (ТЭМ).

Металлизация 5 с высокой электропроводностью верхнего и нижнего теплопереходов соединена в единую электрическую цепь, которая подключена к источнику питания 18.

Для контроля температуры корпуса ИС к нему крепится термопара 19, а для стабилизации температуры (нагрева или охлаждения) ИС 20 термопара соединена с блоком переключения полярности источника питания 21.

Защита полупроводниковых ветвей и металлизации теплопереходов ТЭМ от внешней среды осуществляется заливкой специальным компаундом 22.

На основании вышеизложенного сделано заключение, что использование предлагаемого устройства для охлаждения ИС обеспечивает по сравнению с существующими устройствами следующие приемущества:

1. Повышается теплоотвод от кристалла к корпусу.

2. Упрощается технология сборки ППИ с использованием теплоотводов на основе эффекта Пельтье.

Источники информации

1. Теплоотвод. Heat Radiating device. Пат.5213153 США, МКИ5 F28D 15/02 / Itoh Satomi; Itoh Research and development Lab. CO., Ltd. - №853417; Заявл. 17.3.92; Опубл. 25.5.93; Приор. 20.3.91, №3-130845 (Япония); НКИ 165/104.33.

2. Шостаковский П. Современные решения термоэлектрического охлаждения для радиоэлектронной, медицинской, промышленной и бытовой техники // Силовая электроника,2009. №12. С.122, 126.

3. Исламгазина Л. Применение различных материалов, обеспечивающих оптимальные тепловые режимы силовых полупроводниковых приборов, в том числе модулей и твердотельных реле // Силовая электроника, 2005. №3. С.97, 98.

4. Устройство охлаждения ИС. Integrated circuit cooling apparatus: Пат. 5457342 США, МКИ6 H01L 23/02 / Herbst Gerhard G. - №220204; Заявл. 30.3.94; Опубл. 10.10.95; НКИ 257/712 (прототип).

Устройство охлаждения ИС, основанное на использовании эффекта Пельтье, в котором на ИС в керамическом корпусе наклеивается алюминиевый теплорассекатель, а на него охлаждающий полупроводниковый блок, использующий эффект Пельтье, отличающееся тем, что основание корпуса ИС является одновременно верхним теплопереходом охлаждающего полупроводникового блока, при этом пайка кристаллов к подложке, подложки с основанием корпуса (верхним теплопереходом ТЭМ), верхнего теплоперехода с одной поверхностью полупроводниковых ветвей p- и n-типа происходит при температуре на 20-25°C ниже температуры пайки другой поверхности полупроводниковых ветвей к нижнему теплопереходу, причем полупроводниковые ветви размещены между теплопереходами таким образом, что все горячие поверхности контактируют с одним теплопереходом, а все холодные - с противоположным и с помощью металлизации соединены в единую электрическую цепь, которая подключена к источнику питания, для контроля температуры корпуса ИС к нему крепится термопара, а для стабилизации температуры (нагрева или охлаждения) термопара соединена с блоком переключения полярности источника питания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к области создания охлаждающих элементов. Технический результат: повышение к.п.д.

Изобретение относится к электронным компонентам микросхем. Светотранзистор с высоким быстродействием, выполненный в виде биполярного транзистора с p-n-p или n-p-n-структурой, согласно изобретению в нем p-n-переход, на котором электроны переходят из p зоны в n зону, сформирован в виде светоизлучающего, а n-p-переход, на котором электроны переходят из n зоны в p зону - в виде фотопоглощающего, при этом они образуют интегральную оптопару внутри самого транзистора.

Изобретение относится к системам охлаждения и теплоотвода, например к устройствам для охлаждения компьютерного процессора. Технический результат - получение сверхнизких температур в процессе охлаждения и теплоотвода.

Изобретение относится к электронным компонентам микросхем. .

Изобретение относится к способам охлаждения и теплоотвода, например к способам охлаждения компьютерного процессора. .

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии и может быть использовано для терморегуляции и измерения температуры различных объектов.

Изобретение относится к электрическим силовым инструментам, в которых выходная мощность регулируется переключающими устройствами. Инструмент содержит множество переключающих устройств, выполненных с возможностью регулировки выходной мощности двигателя, монтажную плату, несущую переключающие устройства, и металлический корпус, вмещающий монтажную плату.
Изобретение относится к способам получения композиционных материалов для теплоотводящих оснований полупроводниковых приборов, в частности, композиционного материала Al-SiC, имеющего металлическое покрытие, и изделиям, полученным с использованием этих материалов.

Изобретение относится к технологии химического осаждения из газовой фазы алмазных пленок и может быть использовано, например, для получения алмазных подложек, в которых монокристаллический и поликристаллический алмаз образует единую пластину, используемую в технологии создания электронных приборов на алмазе или применяемую в рентгеновских монохроматорах, где необходимо осуществить теплоотвод от монокристаллического алмаза.

Изобретение относится к каркасам для электрических или электронных деталей или схем. .

Изобретение относится к области электроники и предназначено преимущественно для использования в качестве теплоотводящей электроизолирующей подложки при изготовлении полупроводниковых приборов и электронных систем.

Изобретение относится к устройству для отвода тепла рассеянием, например в электронном оборудовании, и к способу изготовления такого устройства. .

Изобретение относится к композитному материалу и, более конкретно, к медному композитному материалу с низким коэффициентом теплового расширения и высокой теплопроводностью, способу его получения и различным вариантам использования, таким, как использование в полупроводниковых приборах, где этот композитный материал применяется.

Изобретение относится к устройствам, используемым при выращивании кристаллов путем направленной кристаллизации из расплава в вакуумированной ампуле для отвода тепла от затравки, выделяемого в процессе кристаллизации. Радиатор выполнен в виде трубчатой оплетки 7 из медной проволоки диаметром 0,1-0,3 мм, надетой на наружную поверхность ампулы 1 в месте размещения затравки 3 таким образом, что меньшая часть затравки 3 остается не перекрытой, а часть оплетки 7 свисает с ампулы 1. Радиатор обеспечивает надежный тепловой отток от фронта кристаллизации, увеличивает вероятность прорастания моноблочного кристалла высокого качества, при этом он прост по конструкции, в изготовлении и эксплуатации. 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для изготовления осветительных приборов. Техническим результатом является расширение арсенала технических средств. Керамический носитель (10) для светодиодов включает в себя керамический каркас (2), который выполнен монолитно с отводящими тепло керамическими охлаждающими элементами (7), причем на поверхности (3) каркаса (2) в качестве проводящих дорожек размещены спеченные участки металлизации (41), а также светодиоды (13), электрические соединения которых выполнены с возможностью соединения в электрическом отношении с проводящими дорожками. Для достижения технического результата по меньшей мере два идентичных керамических носителя (10) соединены в матрицу. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Группа изобретений относится к базовым элементам светотехнических безламповых устройств на основе светодиодов и к способам изготовления таких элементов. Технический результат - повышение эффективности отвода тепла от светодиодов, увеличение устойчивости блока к ударным и вибрационным нагрузкам, надежность работы при разогреве до высоких температур, уменьшение энергоемкости и материалоемкости производства, исключение экологически вредных отходов и испарений, присущих классической толстопленочной технологии. Достигается тем, что в интегрированном блоке для светодиодного светильника токопроводящая цепь выполнена в виде металлических проводников, адгезионно укрепленных на диэлектрическом слое, материал которого обладает температурным коэффициентом расширения, равным таковому для алюминиевого сплава с точностью плюс-минус 10%, диэлектрический слой нанесен непосредственно на корпус и, в свою очередь, адгезионно укреплен на нем, а светодиод укреплен своим теплоотводящим выводом на корпусе методом пайки. При этом в качестве диэлектрической пасты применена низкотемпературная не содержащая свинца и кадмия стеклосодержащая паста, а в качестве проводниковой пасты применена не содержащая свинца низкотемпературная паста на основе серебра. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для создания блока питания. Сущность изобретения заключается в том, что блок электропитания содержит силовые транзисторы и управляющие компоненты для управления силовыми транзисторами и охлаждаемый посредством теплопроводности, при этом блок электропитания дополнительно содержит: основную плату типа AMB/Si3N4, несущую силовые транзисторы, причем основная плата представляет собой рассеивающую тепло пластину для диссипации тепла, генерируемого силовыми транзисторами, посредством их расположения в блоке в непосредственном контакте с несущей структурой, обеспечивающей охлаждение посредством теплопроводности, когда блок установлен на своем месте; и керамическую плату, несущую управляющие компоненты, причем керамическая плата установлена на основной плате. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения числа компонентов блока, повышения надежности, снижения массы, увеличения компактности. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к твердотельной электронике, в частности к теплоотводам полупроводниковых приборов повышенной мощности, и может быть использовано в различных теплотехнических устройствах, работающих с большими удельными тепловыми нагрузками. Теплоотвод для охлаждения по крайней мере одного локального источника тепла содержит основание в виде алмазной пластины. На указанном основании закреплена слоистая структура из теплопроводящих пластин. Пластины слоистой структуры расположены параллельно основанию. При этом часть смежных поверхностей указанных пластин имеет тепловой контакт, а в областях между остальными частями этих поверхностей расположено теплоемкое вещество. Технический результат - повышение мощности отводимой от локального источника тепла (полупроводникового прибора) при увеличении времени работы последнего. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к системам охлаждения и теплоотвода, например к устройствам для охлаждения компонентов электронной аппаратуры. Технический результат - повышение энергоэффективности системы охлаждения. Устройство содержит светоизлучающий термомодуль с линейным расположением p-n-переходов, обеспечивающий получение холода и светового излучения, и солнечные батареи, преобразующие энергию излучения в электрическую энергию. В качестве полупроводниковых ветвей p-типа и n-типа термомодуля выбраны такие материалы, что протекающий ток на одном из спаев будет формировать излучение, а в другом спае будет происходить поглощение тепловой энергии в соответствии с эффектом Пельтье. Солнечные батареи с зеркальными электродами состоят из p-слоя и n-слоя и расположены параллельно по обе стороны от термомодуля. 1 ил.
Наверх