Алмазный теплоотвод

Изобретение относится к твердотельной электронике, в частности к теплоотводам полупроводниковых приборов повышенной мощности, а также может быть использовано в различных теплотехнических устройствах, работающих с большими удельными тепловыми нагрузками. Техническим результатом изобретения является повышение отводимой мощности от локального источника тепла. Алмазный теплоотвод выполнен в виде слоистой структуры из алмазных пластин, при этом толщина слоистой структуры больше минимального вдоль поверхности структуры размера локального источника тепла. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к твердотельной электронике, в частности к теплоотводам полупроводниковых приборов повышенной мощности, а также может быть использовано в различных теплотехнических устройствах, работающих с большими удельными тепловыми нагрузками.

Увеличение мощности полупроводниковых приборов, размещаемых на поверхности теплоотводов, требует усовершенствования их конструкций и использования в них высокотеплопроводящих материалов, лидером среди которых является алмаз с теплопроводностью до 2000 Вт/м·К (Физические величины: Справочник /А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.)/.

Известен алмазный теплоотвод, использующий CVD - алмазную пластину толщиной 0,3-0,5 мм (Куликов Е.Н., Духновский М.П., Ратникова А.К., Федоров Ю.Ю. Исследование влияния свойств теплоотводов из поликристаллического алмаза на тепловые характеристики карбидкремниевых диодов Шотки. Микроэлектроника 2014, №5 и Патент РФ 2285977).

Недостатком этого теплоотвода является ограничение отводимой мощности от полупроводникового прибора (здесь и далее источник тепла) при увеличении его размеров, так как рассеяние тепла в алмазной пластине протекает эффективно, когда ее толщина становится соизмеримой с размерами источника и превышает их.

Ближайшим техническим решением является алмазный теплоотвод для охлаждения по крайней мере одного источника тепла, включающий алмазную пластину, расположенную на медном хладопроводе и нанесенном на ее поверхность токопроводящим слоем, на котором размещен локальный источник тепла (Ланин В., Телеш Е. Алмазные теплоотводы для изделий электроники повышенной мощности. Силовая электроника, 2008, №3).

Недостатком этого технического решения является сохраняющееся ограничение по отводимой мощности при увеличении размеров источника тепла, поскольку толщина алмазной пластины обычно не превышает 0,5 мм.

Ограничение толщины применяемых в теплоотводах алмазных пластин связано с тем, что изготовление алмазных пластин толщиной 1 мм и более сопряжено с определенными трудностями. Пластины из монокристаллического алмаза ограничены по размерам и дороги. Получение CVD - алмазных пластин больших размеров решенная задача, но увеличение толщины пластин при сохранении скорости роста приводит к ухудшению теплопроводности. Снижение скорости роста приводит к резкому увеличению цены CVD - алмазной пластины.

Задачей изобретения является устранение указанного выше недостатка.

Техническим результатом предложенного технического решения является повышение отводимой мощности от локального источника тепла (полупроводникового прибора).

Указанная задача решается, а технический эффект достигается за счет того, что алмазный теплоотвод для охлаждения, по крайней мере, одного локального источника тепла, размещенного на поверхности алмазной пластины, выполнен в виде слоистой структуры из алмазных пластин, при этом толщина слоистой структуры больше минимального вдоль поверхности структуры размера локального источника.

Контактирующие поверхности смежных алмазных пластин соединены между собой слоем металла, толщина которого много меньше толщины смежных пластин.

Поверхность алмазной пластины, на которой размещен локальный источник тепла, покрыта токопроводящим слоем.

Локальный источник тепла расположен внутри структуры между двумя смежными пластинами и имеет тепловой контакт с поверхностями обеих пластин.

Слоистая структура из алмазных пластин имеет тепловой контакт с хладопроводом или на части поверхности алмазных пластин размещена система принудительного жидкостного охлаждения.

На фиг. 1 приведена расчетная зависимость температуры источника тепла, расположенного на поверхности алмазной пластины, от ее толщины.

На фиг. 2 показан слоистый алмазный теплоотвод с локальным источником тепла, размещенным на его поверхности.

На фиг. 3 показан слоистый алмазный теплоотвод с локальными источниками тепла, размещенными внутри теплоотвода.

На фиг. 4 показан алмазный теплоотвод с принудительной системой жидкостного охлаждения.

В тепловых расчетах поверхностный локальный источник тепла с плотностью мощности q моделировался прямоугольной полоской размерами 3×dмм на поверхности алмазной пластины толщиной Н, при этом варьировалось отношение d/Н.

В ходе проведенных расчетов было установлено, что алмазная пластина эффективно отводит тепло, выделяемое на ее поверхности в локальной области, когда толщина пластины становится сравнимой с минимальным размером полоски, фиг. 1: кривая «а» (q=60 кВт/см2 и время воздействия 0,1 с), кривая «b» (q=40 кВт/см2 и время воздействия 0,3 с).

Расчеты показали, что замена одной толстой алмазной пластины на слоистую структуру из нескольких алмазных пластин такой же толщины при обеспечении надежного теплового контакта между ними практически не меняет температурный режим локального источника (температура прямоугольной полоски).

Расчеты проводились на программе Ansys, теплофизические характеристики меди брались согласно (Физические величины: Справочник /А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.), а температурная зависимость теплопроводности алмаза брались согласно (Ивакин Е.В., Суходолов А.В., Ральченко В.Г. и др. Измерение теплопроводности поликристаллического CVD - алмаза методом импульсных динамических решеток. Квантовая электроника, 32, №4 (2002), с. 367-372)(.

Конструкция и работа алмазного теплоотвода пояснена на фиг. 2.

Тепло 1, выделяемое локальным источником 2, например транзистором, размещенным на поверхности алмазной пластины 3, например CVD - пластины, распространяется от источника по всей структуре, состоящей из таких же алмазных пластин, во все стороны. Чем больше количество пластин, тем толще структура, тем меньшая плотность мощности приходится на ее теплоотводящую поверхность 4 структуры, тем легче отводить от нее тепло, разместив ее, например, на массивном хладопроводе 5, например медном.

Надежный тепловой контакт пластин обеспечивается, например, полировкой контактирующих поверхностей пластин с последующим их механическим прижатием.

Таким образом, слоистая структура из алмазных пластин, находящихся в тепловом контакте, позволяет эффективно отводить тепло от источника тепла (полупроводникового прибора) независимо от его линейных размеров: при увеличении размеров источника надо пропорционально увеличить число пластин.

Для обеспечения надежного контакта алмазных пластин структуры пластины соединены между собой слоем металла 6, например золотом в процессе пайки, фиг. 2.

Для фиксации источника тепла 2 на поверхности алмазной пластины его припаивают к алмазу через токопроводящий слой 7, например слой металла, фиг. 2.

Для повышения отводимой мощности источник тепла 2 размещают внутри слоистой структуры между алмазными пластинами. В этом случае тепло от источника отводится в две стороны даже при его контакте с поверхностью одной из пластин, т.е. рассеивается на большую площадь, фиг. 3.

Для интенсификации процесса теплоотвода источник тепла размещают внутри структуры между пластинами и создают дополнительный тепловой контакт 8 источника 2 с поверхностью алмазной пластины, противолежащей пластине с размещенным на ней источником тепла.

Для увеличения времени работы локального источника теплоотвод размещают на массивном хладопроводе 5 фиг. 2, или поверхность алмазных пластин принудительно охлаждают потоком жидкости фиг. 4, причем можно охлаждать как внешнюю поверхность 4, так и внутреннюю, через каналы 9 в структуре, что позволяет реализовать, как импульсный, так и непрерывный режим работы.

1. Алмазный теплоотвод для охлаждения по крайней мере одного локального источника тепла, размещенного на поверхности алмазной пластины, отличающийся тем, что теплоотвод выполнен в виде слоистой структуры из алмазных пластин, при этом толщина слоистой структуры больше минимального вдоль поверхности структуры размера локального источника тепла.

2. Алмазный теплоотвод по п. 1, отличающийся тем, что контактирующие поверхности смежных алмазных пластин соединены между собой слоем металла, толщина которого много меньше толщины смежных пластин.

3. Алмазный теплоотвод по п. 1, отличающийся тем, что поверхность алмазной пластины, на которой размещен локальный источник тепла, покрыта токопроводящим слоем.

4. Алмазный теплоотвод по п. 1, отличающийся тем, что локальный источник тепла расположен внутри структуры между двумя смежными пластинами.

5. Алмазный теплоотвод по п. 4, отличающийся тем, что локальный источник тепла имеет тепловой контакт с поверхностями обеих пластин.

6. Алмазный теплоотвод по п. 1, отличающийся тем, что слоистая структура из алмазных пластин имеет тепловой контакт с хладопроводом.

7. Алмазный теплоотвод по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере на части поверхности алмазных пластин размещена система принудительного жидкостного охлаждения.



 

Похожие патенты:

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.

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.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для изготовления осветительных приборов. Техническим результатом является расширение арсенала технических средств.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к охлаждению тепловыделяющих элементов электронной аппаратуры. Технический результат - обеспечение высокоэффективного отвода тепла от каждого из собранных в модуль полупроводниковых светодиодов при минимальном значении сопротивления теплопередаче и минимальном влиянии неконденсированных примесей.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к охлаждению тепловыделяющих элементов электронной аппаратуры. Технический результат - обеспечение высокоэффективного отвода тепла при минимальном значении сопротивления теплопередачи от каждого из собранных в модуль полупроводниковых светодиодов.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при создании мощных гибридных интегральных схем СВЧ-диапазона многоцелевого назначения. Технический результат - улучшение электрических характеристик за счет улучшения теплоотвода, повышение технологичности при сохранении массогабаритных характеристик.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам охлаждения силовых электронных устройств. Технический результат - увеличение эффективности охлаждения путем создания прочной и надежной конструкции охладителя с большой площадью для размещения охлаждаемых элементов, а также упрощение конструкции, улучшение технологичности изготовления, упрощение процесса ремонта при засорении.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для охлаждения силовых модулей электронной аппаратуры. Технический результат - повышение технологичности и упрощение процесса изготовления, а также сокращение сроков проведения ремонтных и профилактических работ за счет наличия заглушек, обеспечение возможности параллельного и последовательного соединения охладителей для регулирования перепада давления и расхода хладагента.

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для обеспечения отвода тепла от тепловыделяющих радиоэлементов и может быть использовано при построении преобразователей, мощных усилителей, выпрямителей и умножителей.

Изобретение относится к способам для рассеивания тепла в многослойных 3-D интегральных схемах (ИС). Путем заполнения воздушного промежутка между слоями многослойного ИС устройства проводящим тепло материалом тепло, генерируемое в одной или более областях внутри одного из слоев, может быть рассеяно в поперечном направлении.

Изобретение может применяться для охлаждения группы тепловыделяющих элементов, размещенных на печатной плате. Технический результат - обеспечение эффективного отвода тепла при минимизации объемов конструкции, отсутствии необходимости использования внутри устройства принудительной циркуляции воздуха, обеспечение электромагнитного экранирования печатной платы с установленными электронными компонентами при ограничениях по толщине устройства. Достигается тем, что на каждой стороне базовой печатной платы между тепловыделяющими элементами группы субмодулей, размещенных с обеих сторон базовой печатной платы, и базовой печатной платой установлена пластина теплопроводящая, соединенная с радиатором с образованием электрически замкнутого объема. При этом тепловыделяющие элементы субмодулей обращены крышкой корпуса к пластинам теплопроводящим, а между печатными платами субмодулей и внутренней поверхностью радиаторов установлены прокладки теплопроводящие, при этом радиаторы соединены с базовой печатной платой. 3 ил.

Использование: для монтажа и демонтажа, по крайней мере, одной полупроводниковой микросхемы. Сущность изобретения заключается в том, что корпус микросхемы состоит из фланца и подложки с размещением, по крайней мере, одной микросхемы и подложки на одной стороне фланца, фланец изготавливается из электро- и теплопроводного материала, при этом сборный корпус микросхемы содержит, по крайней мере, одно охлаждающее устройство, а также электрическую изоляцию между выводами, по крайней мере, одной микросхемы и, по крайней мере, одним охлаждающим устройством. Технический результат: обеспечение возможности высокоэффективного отвода тепла. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к полупроводниковому прибору для поверхностного монтажа. Устройство с одним или несколькими приборами для поверхностного монтажа, смонтированными на несущей подложке, причем полупроводниковый прибор для поверхностного монтажа содержит один полупроводниковый элемент, смонтированный на подложке (1) прибора или интегрированный в подложку (1) прибора, причем подложка (1) прибора имеет верхнюю поверхность и нижнюю поверхность и имеет одну или несколько контактных площадок (2) электрического соединения первой высоты и одну площадку (3) теплового контакта второй высоты, расположенные на нижней поверхности подложки (1) прибора, вторая высота площадки (3) теплового контакта больше, чем первая высота контактной площадки (площадок) (2) электрического соединения, площадка (3) теплового контакта отделена от площадки (площадок) (2) электрического контакта канавкой или зазором, упомянутая несущая подложка содержит металлическую пластину (7) или слой металлической основы, покрытый диэлектрическим слоем (8), на котором расположен электропроводящий слой (9), причем упомянутый электропроводящий слой (9) и упомянутый диэлектрический слой (8) не присутствуют или удалены под площадкой (3) теплового контакта упомянутого прибора и под частью упомянутой канавки или упомянутого зазора, при этом упомянутая площадка (3) теплового контакта соединена термически посредством слоя (5) межсоединений теплового контакта с металлической пластиной (7) или слоем металлической основы, а упомянутые контактные площадки (2) электрического соединения соединены электрически посредством слоя (5) межсоединений электрического контакта с электропроводящим слоем (9), при этом разница по высоте первой высоты и второй высоты равна сумме толщин электропроводящего слоя (9) и диэлектрического слоя (8). Изобретение обеспечивает возможность монтажа просто и надежно непосредственно соединить площадку теплового контакта с металлической подложкой изолированной металлической подложки. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области теплопроводящих диэлектрических композиций и может быть использовано в приборостроении для герметизации элементов радиоэлектронной аппаратуры, например транзисторов, диодов, конденсаторов. Теплопроводящая диэлектрическая композиция содержит эпоксидную смолу ЭД-20 (ГОСТ 10587-84) и порошок алмазный синтетический АС6100/80 (ГОСТ 9206-80). Для повышения теплопроводности, электрической прочности и вибропрочности в заявляемую теплопроводную диэлектрическую композицию введен отвердитель для эпоксидных смол Л-18 (ТУ 6-06-1123-98), представляющий собой аддукт полиаминов с кислотами растительных масел при определенном соотношении компонентов. 2 табл.

Изобретение относится к производству жидкостных охладителей для устройств с высокой плотностью мощности с большим выделением тепла для применения в электротехнической, радиоэлектронной, автомобильной промышленности, в установках индукционного нагрева металла. Технический результат - создание недорогого эффективного способа изготовления жидкостных охладителей для охлаждения силовых модулей с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками. Достигается тем, что в предложенном способе по предварительно смоделированным тепловым режимам, на обрабатывающем центре проводят фрезерование емкости охладителя с каналами для охлаждающей жидкости. Для повышения турбулентности охлаждаемой жидкости стенки каналов выполняют извилистыми и сужающимися от основания емкости к вершине, а каналы выполняют волнообразными. Охладитель имеет подводящие и отводящие трубки со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости. По периметру площадок на места соприкосновения охладителя с модулем наносят термопасту. Устанавливают силовой модуль. Углубление по периметру между корпусом модуля и стенкой охладителя заполняют герметиком. 13 ил.

Изобретение относится к твердотельной электронике, в частности к теплоотводам полупроводниковых приборов повышенной мощности, а также может быть использовано в различных теплотехнических устройствах, работающих с большими удельными тепловыми нагрузками. Техническим результатом изобретения является повышение отводимой мощности от локального источника тепла. Алмазный теплоотвод выполнен в виде слоистой структуры из алмазных пластин, при этом толщина слоистой структуры больше минимального вдоль поверхности структуры размера локального источника тепла. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх