- •Введение
- •Глава 1
- •Материалы кристаллов, корпусов, печатных плат
- •И теплоотводов: физко-химические
- •И технологические свойства
- •Глава 2 Алюминиевая металлизация на кристаллах и корпусах ппи
- •Глава 3 металлизация кристаллов и корпусов серебром, золотом и другими металлами
- •Олово–висмутовое покрытие. В технологии производства ппи на сборочных операциях широко используется сплав олово-висмут как в виде покрытий, так и в виде припоев.
- •Глава 4 медная металлизация в кремниевых сбис
- •Глава 5 припои, в том числе бессвинцовые
- •Глава 6 способы охлаждения ппи и конструкции теплоотводов
- •6.1. Способы охлаждения ппи
- •6.1.1. Механизмы теплопередачи
- •6.1.2. Конструкции радиаторов
- •6.1.3. Принудительные системы охлаждения
- •Преимущества и недостатки различных методов
- •6.2. Тепловое сопротивление ппи и пути его снижения
- •6.2.1.Понятие теплового сопротивления
- •6.2.2. Отвод тепла в корпусах ппи
- •6.2.3. Отвод тепла от корпуса во внешнюю среду
- •Глава 7 нанесение шариковых выводов на кристаллы и платы
- •Глава 8 способы подготовки к сварке и пайке кристаллов, корпусов и плат
- •После пайки кристаллов разварку алюминиевых выводов к контактным площадкам кристалла и траверсы корпуса проводят ультразвуковой сваркой.
- •Глава 9 методы совмещения шариковых выводов с контактными площадками
- •Глава 10 входной контроль кристаллов и корпусов перед операцией сборки
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
6.1.3. Принудительные системы охлаждения
На рис. 6.3 приведены зависимости рассеиваемой мощности от максимальной рабочей температуры прибора и требуемого объема рабочего тела охладителя для различных систем охлаждения. В табл. 6.1 дается сравнительная характеристика различных систем охлаждения, а на рис. 6.4 изображена зависимость стоимости охлаждающих систем от эффективности охлаждения. Наиболее эффективен метод жидкостного охлаждения, в особенности для ППИ силовой электроники с мощностью более 1 МВт.
Рис. 6.3. Зависимости рассеиваемой мощности от максимальной рабочей температуры прибора (а) и требуемого объема рабочего тела охладителя (б) для различных систем охлаждения
Принудительное воздушное охлаждение не всегда позволяет добиться требуемой рабочей температуры ППИ по причине низкой теплоемкости и теплопроводности газов (в условиях принудительного охлаждения роль теплового излучения мала, так как на его долю приходится около 3 % отводимого тепла).
Таблица 6.1
Сравнительная характеристика систем охлаждения
Охлаждение |
Преимущества |
Недостатки |
Применение |
Принудительное воздушное |
Низкая цена, отсутствие утечек |
Большой объем, необходимо распределения тепла, высокое тепловое сопротивление, акустические шумы |
Во всех областях электроники |
Жидкостное |
Малый объем, гибкая конфигурация, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов |
Необходим компрессор, возможность утечек, высокая цена |
Лазерные диоды, силовая электроника |
Тепловые трубы |
Малый объем, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов |
Ограниченная теплонесущая способность, высокая цена, сложная конструкция |
Компьютеры, силовая электроника, космос
|
Термоэлектрическое |
Малый объем, низкое тепловое сопротивление |
Ограниченная теплонесущая способность, низкая эффективость |
Оптоэлектро-ника |
Рис. 6.4. Зависимость стоимости систем охлаждения от их эффективности
Жидкостное охлаждение. Известно, что теплоемкость жидкостей значительно выше, чем газов. Система жидкостного охлаждения работает следующим образом: миниатюрный резервуар, объем которого меньше, чем у воздушного радиатора, закрепляется на поверхности ППИ, из него по шлангу с помощью помпы жидкость перекачивается в герметичный наружный радиатор, который может обдуваться наружным вентилятором. Эффективность охлаждения зависит от следующих факторов:1) скорости охлаждающей жидкости, 2) состава охлаждающей жидкости, 3) наличия турбулентности, 4) количества каналов охлаждения в радиаторе, 5) материала радиатора (медь на 20 % лучше, чем алюминий).
Наиболее эффективно микроканальное охлаждение, в котором используются протравленные химическим методом тонкие медные листы, соединенные между собой по технологии DBC (Direct Bonding Copper). Керамика DBC представляет собой керамическую пластину с нанесенными медными шинами, керамика может быть либо из Al2O3, либо из AlN, последний вариант предпочтительнее ввиду большего значения теплопроводности нитрида алюминия, отличие достигает 20 раз. По созданным в меди отверстиям в форме шестиугольных сот проходит охлаждающая жидкость.
Тепловые трубки. Особым типом жидкостного охлаждения являются тепловые трубки. Естественную конвекцию с применением тепловых труб целесообразно использовать при невозможности жидкостного охлаждения (по технологическим причинам) или охлаждения с применением вентилятора (в условиях очень грязной среды). Тепловая трубка (рис. 6.5) представляет собой тонкостенный металлический сосуд – 1, внутренние стенки которого выложены капиллярно-пористым материалом – фитилем – 2. Фитиль пропитан рабочей жидкостью. Внутренний объем - 3, свободный от фитиля, заполнен паром рабочей жидкости. Если один конец тепловой трубки подключить к источнику тепла с температурой Т1, а другой – к приемнику – радиатору с температурой Т2 (Т2 Т1), будет происходить интенсивный теплообмен. Количество отводимого тепла окажется во много раз больше, чем при использовании радиаторов из меди или серебра. Отсутствие насосов и помп делает этот метод экономичным (нет шума и потребления энергии), однако малая длина трубок (до 30 см) снижает эффективность метода.
.
Рис. 6.5. Конструкция тепловой трубы
Обычно трубы встраивают в радиаторы кулеров.
Термоохладители. Современной технологией охлаждения является применение термоохладителей, действие которых основано на эффекте Пельтье. При протекании постоянного тока через цепь из двух разнородных проводников в местах контактов в зависимости от направления тока выделяется или поглощается тепло – рис. 6.6. Наиболее эффективен термоэлемент, составленный из двух полупроводников (n- и p-типа проводимости). На рис. 6.7 показан тепловой модуль. Для большей эффективности модули каскадируются. На горячую поверхность первого модуля устанавливается второй чуть большего размера и т.д. Таким образом можно получить пирамиду модулей, с помощью которой достигают ΔT = 70 – 75 при температуре окружающей среды 25 Термоохладители выдерживают 200 тысяч часов работы (вентиляторы – 50 тысяч)
.
Рис. 6.6. Устройство Рис. 6.7. Устройство термоэлектрического
термоэлемента Пельтье модуля