РАДИАТОР ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ

Название	РАДИАТОР ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Разработчик (Авторы)	Игнатьев А.А., Скрипкин А.А.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	149463
Дата регистрации	14.03.2014
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Область применения (класс МПК)	H01L 23/36 (2006.01) H05K 7/20 (2006.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

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 теплообменный элемент [а.с. СССР №1409848, МПК: F28F 3/02, опубликовано 15.07.1988 г.], содержащий пару плоских пластин, образующих канал для рабочей среды, в котором расположены ряды турбулизирующих вставок в виде уголковых элементов со стенками, расположенными перпендикулярно пластинам, при этом стенки уголковых элементов выполнены перфорированными и размещены под острым углом, обращенным вершиной навстречу потоку рабочей среды, причем сами элементы расположены в канале в шахматном порядке и минимальное расстояние между смежными элементами в каждом поперечном ряду равно максимальному поперечному размеру этих 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 на изобретение №2037988, МПК: H05K 7/20, H01L 23/34, опубликовано 19.06.1995 г.], в котором площадь тепловыделяющих элементов увеличена за счет того, что в его конструкцию введены пластина и штыри, выполненные в виде параллелепипедов, 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 невысокая интенсивность охлаждения и необходимость использования внешнего вентилятора.

Известен радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов, содержащий пластину, штыри, теплопроводную полку для размещения электронного прибора; и отверстия для прохождения охлаждающей среды, при этом штыри выполнены с дополнительными отверстиями, образующими пространственную фрактальную структуру, а на пластине и полке для размещения электронного прибора выполнены поверхностные фрактальные структуры [патент РФ на полезную модель №110893, МПК: H05K 7/20, опубликовано 27.11.2011 г.]. В указанном радиаторе штыри радиатора могут иметь квадратную форму поперечного сечения, а дополнительные отверстия в штырях образуют пространственную фрактальную структуру в виде губки Менгера. 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 10⁴…10⁶ см^-2, например, из стеклоуглерода, причем каждое острие имеет вид усеченного конуса высотой около 10…20 мкм.

Недостатком данного устройства является сложность технологии изготовления и высокая себестоимость.

Наиболее близким по техническому решению является радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов [патент РФ на полезную модель №123285, МПК: H05K 7/20, H01L 23/36, опубликовано 20.12.2012 г.], который содержит пластину, теплопроводную полку для размещения электронного прибора; а на полке для размещения электронного прибора выполнена поверхностная фрактальная структура, причем пластина выполнена из пакета геометрической формы, состоящего из отрезков капиллярных трубок одинаковой высоты из цветных металлов или их сплавов высокой теплопроводности, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами, а для обеспечения механической прочности отрезки капиллярных трубок на наружной стороне пластины соединены в горизонтальных направлениях между собой, а на противоположной стороне пластины соединены в вертикальных направлениях между собой.

Недостатком данного устройства является сложность технологии изготовления и высокая себестоимость. Современный этап развития полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов характеризуется миниатюризацией при одновременном возрастании (или сохранении) уровня выходной мощности. В связи с этим, одним из недостатков прототипа, при применении его для охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, при его большой площади охлаждаемой поверхности является значительная трудоемкость изготовления, связанная с существенными затратами при создании поверхностных и особенно пространственных фрактальных структур, а также большие габариты. Поэтому даже при серийном производстве себестоимость производства такого радиатора будет высокой, что приведет к удорожанию всего изделия в целом и снижению его конкурентной способности в условиях рынка.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка радиатора для охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов при снижении внешних габаритных размеров и себестоимости изготовления.

Технический результат заключается повышение эффективности охлаждения за счет повышения интенсивности их теплообмена с окружающей средой.

Поставленная задача достигается тем, что радиатор для охлаждения полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, содержащий теплопроводную полку для размещения электронного прибора; пластину, выполненную из пакетов геометрической формы, состоящих из отрезков капиллярных трубок различной высоты из цветных металлов или сплавов высокой теплопроводности, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами и чередующихся между собой, согласно решению, на торцевой поверхности пластины и боковых сторонах составляющих ее пакетов установлена лента из аморфного или нанокристаллического металла с теплопроводностью, превышающей теплопроводность металла капиллярных трубок.

Отрезки капиллярных трубок различной высоты из цветных металлов или сплавов высокой теплопроводности, размещенные вертикально друг к другу боковыми сторонами, набранные в пакеты, соединенные боковыми сторонами и чередующиеся между собой, исходя из конструктивных и технологических соображений при размещении их в различных блоках радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), могут представлять собой геометрические фигуры различной формы, например, прямоугольник, квадрат, круг, эллипс и др.

На чертеже приведена конструкция радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов, в котором позициями обозначены: пластина - 1, теплопроводная полка - 2 для размещения электронного прибора; отрезки капиллярных трубок - 3 различной высоты - 4, 5 из цветных металлов или сплавов высокой теплопроводности, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами и чередующихся между собой, лента - 6 из аморфного или нанокристаллического металла с теплопроводностью, превышающей теплопроводность металла капиллярных трубок.

Радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов содержит пластину - 1, состоящую из пакетов, например, прямоугольной формы отрезков капиллярных трубок 3 одинаковой и различной высоты 4, 5 из цветных металлов или сплавов высокой теплопроводности, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами и чередующихся между собой, а для улучшения условий теплоотдачи на торцевой поверхности пластины 1 и боковых сторонах составляющих ее пакетов из отрезков капиллярных трубок 4, 5 установлена лента 6 из аморфного или нанокристаллического металла с теплопроводностью, превышающей теплопроводность металла капиллярных трубок 3. Лента 6 установлена на торцевой поверхности пластины 1 и боковых сторонах составляющих ее пакетов из отрезков капиллярных трубок 3, 4, 5. Охлаждаемый электронный прибор может располагаться непосредственно на самой пластине 1 или на теплопроводной полке 2.

Дополнительно укажем, что лента 6, установленная для улучшения условий теплоотдачи на боковых сторонах составляющих ее пакетов из отрезков капиллярных трубок 4, 5 может быть изготовлена из магнитного аморфного или нанокристаллического металла с теплопроводностью, превышающей теплопроводность металла капиллярных трубок 3, причем направление намагниченности ленты 6 у чередующихся между собой пакетов из отрезков капиллярных трубок 4, 5 противоположное.

Использование пакетов капиллярных трубок обеспечивает повышение эффективности охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов за счет увеличения интенсивности их теплообмена с окружающей средой путем увеличения площади охлаждаемых поверхностей радиатора, а размещение на торцевой поверхности пластины и боковых сторонах составляющих ее пакетов из отрезков капиллярных трубок ленты из аморфного или нанокристаллического металла (толщиной 20…30 мкм) с теплопроводностью, превышающей теплопроводность металла капиллярных трубок, дополнительно повышает эффективность охлаждения.

Отрезки капиллярных трубок одинаковой высоты из цветных металлов высокой теплопроводности, используемые при создании пакета, например, прямоугольной формы для пластины 1, могут быть выполнены, например, из меди или латуни. Для радиатора РЭА диаметр капиллярных трубок 3 может составлять 0,5…2,5 мм (по определению, капилляр это трубочка с очень тонким внутренним каналом).

Отрезки капиллярных трубок различной высоты 4, 5 из цветных металлов или сплавов высокой теплопроводности, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами, набранные в пакеты, соединенные боковыми сторонами и чередующиеся между собой, установлены своими торцами по всей наружной поверхности радиатора вплотную друг другу боковыми сторонами, соединены между собой и заполняют всю наружную поверхность пластины.

Высота капиллярных трубок для радиатора как минимум на порядок превосходит (например, в 10…30 раз) диаметр капиллярных трубок, при диаметре капиллярных трубок в 1 мм их высота может составлять 10…30 мм. Соединение отрезков капиллярных трубок боковыми сторонами в пакет может быть осуществлено, например, путем лазерной (точечной) сварки в местах контакта отрезков капиллярных трубок между собой.

Отрезки капиллярных трубок различной высоты из цветных металлов или сплавов высокой теплопроводности, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами, набранные в пакеты, соединенные боковыми сторонами и чередующиеся между собой, исходя из конструктивных и технологических соображений при размещении их в различных блоках радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) для осуществления эффективных условий охлаждения, могут отличаться между собой по высоте в 2…5 раз.

Лента 6 из аморфного или нанокристаллического металла высокой теплопроводности (толщиной 20…30 мкм) [ОАО "АМЗ", г. Аша, www.amet.ru; ТУ 12-123-149-2009], превышающей теплопроводность металла капиллярных трубок [Thermal diffusivity and conductivity of supercooled liquid in Zr₄₁Ti₁₄Cu₁₂Ni₁₀Be₂₃ metallic glass. M. Yamasaki, S. Kagao, Y. Kawamura. American Institute of Physics. Applied Physics Letters. Vol. 84, Nu. 23, 07.06.2004, p.p. 4653-4655], может быть установлена на торцевой поверхности пластины и боковых сторонах составляющих ее пакетов из отрезков капиллярных трубок, например, с помощью теплопроводного клея.

Выбор отрезков капиллярных трубок различного диаметра и различной высоты для конкретного типа радиатора определяется местом его расположения в блоке РЭА, требуемой величиной рассеиваемой тепловой мощности и т.д.; причем в конкретной конструкции радиатора, исходя из конструктивных, технологических и прочностных соотношений при использовании в нем отрезков капиллярных трубок различных диаметров и высоты отношение максимального диаметра и максимальной высоты отрезка капиллярной трубки к минимальному диаметру и минимальной высоте не превосходит 5.

Радиатор для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов работает следующим образом

Поток рабочей среды, проходя через отверстия пакетов пластины отрезков капиллярных трубок 3, образующих пластину 1, в котором отрезки капиллярных трубок 3 одинаковой и различной высоты 4, 5 из цветных металлов или сплавов высокой теплопроводности, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами и чередующихся между собой, образует отрывные вихревые зоны, интенсифицирующие теплообмен. Дополнительное охлаждение электронного прибора, который может располагаться непосредственно на самой пластине 1 или на теплопроводной полке 2 осуществляется за счет установки на торцевой поверхности пластины 1 и боковых сторонах составляющих ее пакетов из отрезков капиллярных трубок 4, 5 ленты 6 из аморфного или нанокристаллического металла с теплопроводностью, превышающей теплопроводность металла капиллярных трубок 3.

Таким образом, предлагаемая конструкция радиатора позволяет в результате интенсификации теплообмена с окружающей средой за счет увеличения площади и повышения теплопроводности материала контакта из-за выполнения пластины из пакетов, например, прямоугольной формы, состоящих из отрезков капиллярных трубок различной высоты из цветных металлов или сплавов высокой теплопроводности, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами и чередующихся между собой, и установки на торцевой поверхности пластины и боковых сторонах составляющих ее пакетов из отрезков капиллярных трубок ленты из аморфного или нанокристаллического металла с теплопроводностью, превышающей теплопроводность металла капиллярных трубок, увеличить отвод тепла от полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов.

Изготовление ленты 6 из магнитного аморфного или нанокристаллического металла с теплопроводностью, превышающей теплопроводность металла капиллярных трубок 3 с противоположным направлением намагниченности ленты 6 у чередующихся между собой пакетов из отрезков капиллярных трубок 4, 5 позволяет при необходимости быстро изменять форму и площадь пластины 1.

Технический результат заявляемого технического решения заключается в интенсификации охлаждения миниатюрных полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов вследствие возрастания их теплообмена с окружающей средой с одновременным снижением его внешних габаритных размеров.

За счет применения таких устройств реальное увеличение площади поверхности, соприкасающейся с окружающей средой, при использовании отрезков капиллярных трубок различной высоты из меди с параметрами: наружный диаметр 2 мм; внутренний диаметр 0,5 мм; высота 5…15 мм; при размерах пластины для размещения электронного прибора, например: 20×10×5 (мм) - возможно в 3…4 раза, что даже при тех же габаритах радиатора и в таких же условиях эксплуатации приведет к повышению эффективности теплообмена устройства примерно в 1,5…2,5 раза.

Формула полезной модели

1. Радиатор для охлаждения полупроводниковых или микроэлектронных электровакуумных приборов, содержащий теплопроводную полку для размещения электронного прибора, пластину геометрической формы, состоящую из отрезков капиллярных трубок из цветных металлов или сплавов с высокой теплопроводностью, размещенных вертикально друг к другу боковыми сторонами, отличающийся тем, что отрезки капиллярных трубок образуют пакеты, на торцевой поверхности пластины и боковых сторонах составляющих ее пакетов из отрезков капиллярных трубок установлена лента из аморфного или нанокристаллического металла с теплопроводностью, превышающей теплопроводность металла капиллярных трубок.

2. Радиатор по п. 1, отличающийся тем, что лента изготовлена из магнитного металла.

3. Радиатор по п. 1, отличающийся тем, что отрезки капиллярных трубок имеют различную высоту.

4. Радиатор по п. 2, отличающийся тем, что у соседних лент направление намагниченности противоположное.

Изобретение "РАДИАТОР ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ" (Игнатьев А.А., Скрипкин А.А.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога