Системы охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий

Статья содержит обзор методов охлаждения полупроводниковых электрорадиоизделий (ЭРИ). Приведена сравнительная характеристика различных систем охлаждения. Показаны преимущества и недостатки различных способов охлаждения.

Ключевые слова: охлаждение, ЭРИ, характеристика, система охлаждения, преимущества, недостатки.

The article provides an overview of methods to cool semiconductor products. The comparative characteristics of different cooling systems. The advantages and disadvantages of different methods of cooling.

Keywords:cooling, ERI, characterization, cooling system, advantages, disadvantages.

Введение

Одна из тенденций современной электроники — уменьшение габаритов устройств при одновременном росте требований к их производительности и надежности. Но размещение большого числа электронных модулей на малой площади приводит к интенсивному нагреву. Поэтому, чем миниатюрней электронное устройство, тем актуальнее для него проблема эффективного охлаждения [1]. Следствием этого является необходимость в развитии надежных систем отвода тепла от электронных компонентов. Существующие в настоящий момент системы охлаждения принято разделять на две основные группы: пассивные системы охлаждения; активные системы охлаждения [2, 7].

Существующие системы охлаждения

Для пассивных методов характерен естественный путь отвода тепла — конвекцией, теплопроводностью и излучением. В активных методах используется принудительный теплоотвод с применением вентиляторов, термоохладителей или омывающих жидкостей.

Самый простой способ охлаждения ЭРИ — пассивный теплоотвод с применением радиаторов. Он основан на явлениях теплопроводности материалов, естественной конвекции и теплового излучения [3]. Размеры полупроводникового кристалла слишком малы, чтобы конвекции было достаточно для его охлаждения. При закреплении корпуса ЭРИ на радиаторе многократно увеличивается площадь охлаждаемой поверхности. За счет теплопроводности тепло от корпуса микросхемы передается металлическому радиатору. Далее теплоотдача от радиатора осуществляется конвективным и лучистым теплообменом. По конструкции различают пластинчатые, ребристо-пластинчатые, игольчатые радиаторы (рис. 1). Для естественной конвекции лучшей является игольчатая конструкция.

                                      а)                                                                      б)

Рис.1. Конструкция радиаторов: а- ребристый; б — игольчатый.

Более эффективное охлаждение дает принудительная конвекция, например, за счет обдува вентилятором. Принудительное воздушное охлаждение не всегда позволяет добиться требуемой рабочей температуры ЭРИ 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. Для повышения качества обдува можно использовать один или нескольких методов: увеличение количества вентиляторов; увеличение скорости вращения крыльчатки вентилятора; установка вентиляторов большего диаметра; увеличение количества лопастей, а также изменение их формы (т. е. замена существующих вентиляторов на более «продвинутые» модели); разработка более эффективной схемы движения воздушных масс; устранение препятствий на пути отвода воздуха. К достоинствам такой системы охлаждения относят: низкую стоимость; простоту установки и обслуживания. Однако у данной системы есть и существенные недостатки: вращающаяся крыльчатка является основным источником шума в устройстве; скромные, в сравнении с другими активными системами, показатели эффективности; небольшой потенциал для покрытия постоянно возрастающих потребностей в охлаждении; вентиляторы обладают крайне невысокой надежностью [4].

Более эффективным считается 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 ЭРИ, из него по шлангу с помощью помпы жидкость перекачивается в герметичный наружный радиатор, который может обдуваться наружным вентилятором. Эффективность охлаждения зависит от следующих факторов: скорости охлаждающей жидкости; состава охлаждающей жидкости; наличия турбулентности; количества каналов охлаждения в радиаторе; материала радиатора. Особым типом жидкостного охлаждения являются тепловые трубки. Естественную конвекцию с применением тепловых трубок целесообразно использовать при невозможности жидкостного охлаждения или охлаждения с применением вентилятора. Тепловая трубка представляет собой тонкостенный металлический сосуд. Если один конец тепловой трубки подключить к источнику тепла, а другой — к приемнику — радиатору, 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.

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. Термоохладители выдерживают 200 тысяч часов работы (вентиляторы– 50 тысяч). Существенными преимуществами построения систем охлаждения и термостабилизации с применением ТЭМ является [5]: малые габариты и вес определяют отсутствие альтернативных решений для термостабилизации и охлаждения в микро- и фото-электронике; высокая надежность; высокая охлаждающая способность на единицу веса и объёма; возможность плавного и высокоточного регулирования холодопроизводительности и температурного режима; малая инерционность, быстрый переход из режима охлаждения в режим нагрева; отсутствие рабочих жидкостей и газов и др.

Метод естественного охлаждения не требует затрат энергии, при его реализации ничто не движется, а, следовательно, не ломается. Это обеспечивает его надежность и простоту. Недостаток — низкая эффективность охлаждения и большие габариты: на 1 Вт мощности требуется поверхность охлаждения 25–30²см. Наиболее эффективная жидкостная система имеет следующие недостатки: возможность протечек; микронасос и вентилятор требуют потребления энергии; система занимает определенные габариты; все, что движется (вентилятор и насос), снижает надежность и является источником шума. Термоохладители надежны и бесшумны, имеют малые габариты, однако их недостатком является большое потребление энергии, термоохладитель сам является источником выделения тепла, для его работы требуются токи до десятков ампер, тогда как у жидкостных систем ток не превосходит 0,3А [5]. Результаты обзора представлены в таблице.

Вывод

Каждая из рассмотренных систем охлаждения ЭРИ имеет свои достоинства и недостатки. С развитием силовой электроники повышается плотность мощности, и расширяется температурный диапазон, а так же уменьшаются габариты изделия. Дальнейший прогресс техники содержащей теплонагруженные ЭРИ возможен только при условии повышения эффективности систем охлаждения, наиболее перспективными из которых являются системы, построенные с применением новых материалах. В связи с чем необходимы новые средства оценки, анализа и исследования работы систем охлаждения. К таким средствам можно отнести специализированные информационно-измерительные комплексы (ИИК) описание которых приведено в работах [6–8]. ИИК не только позволяет проводить измерения температуры реальной системы охлаждения, но и проводить вычислительный эксперимент. Последний позволяет получить не только градиент температуры, но и рассчитать тепловое сопротивление системы охлаждения [9]. Подобные ИИК активно применяются не только в научно-исследовательской деятельности кафедры, но и при подготовке выпускной квалификационной работы [10].

Литература:

1.                 Марущенко Д. Печатные платы с металлическим основанием // Электроника. 2009. С.100–101.

2.                 Алексюнин Е. С. Системы активного охлаждения электронных компонентов на основе пьезоустройств // Инженерный вестник Дона. 2013. Т. 25. № 2. С. 21.

3.                 Колпаков А. Охлаждение в системах высокой мощности // Силовая электроника. 2010. № 3. С. 62–66.

4.                 Юрков Н. К. Концепция создания автоматизированной системы выбора теплоотвода электрорадиоэлемента / Н. К. Юрков, Н. В. Горячев // Современные информационные технологии. 2010. № 11. С. 171–176.

5.                 Шостаковский П. Современные решения термоэлектрического охлаждения для радиоэлектронной, медицинской, промышленной и бытовой техники // Силовая электроника. 2009. № 12. С. 120–126.

6.                 Горячев Н. В. Стенд исследования тепловых полей элементов конструкций РЭС/ Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, П. Г. Андреев, В. А. Трусов // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2008. Т. 2. С. 162–166.

7.                 Горячев Н. В. Информационно-измерительный лабораторный комплекс исследования теплоотводов электрорадиоэлементов / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 239–240.

8.                 Горячев Н. В. Алгоритм функционирования стенда исследования теплоотводов и систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры/ Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2011. № 1. С. 385–391.

9.                 Горячев Н. В. Программа инженерного расчёта температуры перегрева кристалла электрорадиокомпонента и его теплоотвода / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 242–243.

10.             Горячев Н. В. Опыт применения систем сквозного проектирования при подготовке выпускной квалификационной работы / Н. В. Горячев, Н. К. Юрков // Известия Пензенского государственного педагогического университета им. В. Г. Белинского. 2011. № 26. С. 534–540.