АНАЛИЗ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Воздушное, естественное и принудительное охлаждение, испарительное охлаждение с промежуточным теплоносителем

Закон Мура предсказал резкое увеличение плотности размещения электронных компонентов в корпусах изделий, произошедшее за последние десятилетия. Одновременно с увеличением коэффициента использования объема изделия увеличивается и плотность тепловых потоков.

Физические основы систем охлаждения электронных приборов.

Подпись: Рис 1.2. Зависимости допустимого тепловыделения от (а) максимальной рабочей температуры прибора и (б) требуемого объема рабочего тела охладителязависимости доп тепловыд рис2
Физическими условиями, определяющими применение той или иной системы охлаждения прибора, являются максимально допустимая рабочая температура прибора и максимальное количество теплоты, генерируемое с единицы площади прибора. На рис. 1.2.а упрощенно показана зависимость между плотностью потока тепла и рабочей температурой различных типов приборов. Самые высокие характеристики — у лазерных диодов, которые имеют тепловыделение до 400 Вт/см2. Такие диоды необходимо охлаждать до сравнительно невысоких температур — 50–60 °C.

Данные по светодиодам на рис. 1.2. являются характеристиками дискретных устройств. В будущем кристаллы из SiC должны иметь гораздо более высокие рабочие температуры, а следовательно, и допустимые тепловые потери.

Физические условия, определяющие применение системы охлаждения, зависят от максимального рассеивания тепла на единицу площади контакта, температуры окружающей среды и максимально допустимого объема изделия.

На рис. 1.2.b приведена упрощенная схема, показывающая эффективность разных типов систем охлаждения по значению максимального рассеивания тепла на единицу площади и по объему, занимаемому этой системой при данной производительности. С точки зрения максимального теплоотвода при минимальном объеме системы самым эффективным решением является микроканальный охладитель.

Естественная конвекция требует объема, более чем в 100 раз превышающего объем жидкостного теплообменника, при этом значение рассеивания тепла на единицу площади в случае естественной конвекции наихудшее.

Подпись: Таблица 1.2. Преимущества и недостатки различных способов охлаждениятабл рис3Другие типы систем охлаждения по своим характеристикам занимают промежуточное положение. Эффективность пассивных систем охлаждения сильно зависит от внешних условий, активные способы отвода тепла не имеют таких ограничений. Существуют еще две технологии для промышленных применений — это системы охлаждения с термоэлектрическими элементами (элементы Пельтье) и компрессорные системы охлаждения. Недавно появились сообщения об экспериментальных системах термоакустического охлаждения в космических аппаратах. В таблице 1.2. приводится краткий анализ преимуществ, недостатков и областей применения каждого из типов систем отвода тепла.

Естественное охлаждение достигается благодаря конвекции и излучению при свободном движении воздушного потока вдоль поверхностей охладителя и самого прибора.

В воздушной системе охлаждения для таблеточных СПП большой мощности (рис. 1.3.) таблеточный СПП 2 крепится между двумя охладителями 1 и 3 с помощью двух болтов 4. Болты изолированы от охладителей втулками 5. Требуемое усилие сжатия обеспечивается траверсой 6 из закаленной стали. Для обеспечения равномерного давления на контактные поверхности таблетки усилие сжатия от траверзы передается через промежуточный полусферический элемент (на рис. 1.3. не показан). Охладители с продольными ребрами 7 представляют собой элементы с сильно развитой поверхностью из стандартных прессованных алюминиевых профилей разнообразного сечения. В комплекте с охладителем имеются токоподводящие шины 8 и детали крепления. В табл. 1.3. приведены технические данные типовых охладителей для воздушного охлаждения таблеточных СПП.

Буквенно-цифровое обозначение воздушных охладителей содержит: букву О, трехзначную цифру для обозначения конструктивного исполнения (для приборов штыревого исполнения последняя цифра 1, для приборов таблеточного исполнения — 3); трехзначную цифру, соответствующую длине L охладителя в мм; климатическое исполнение и категорию размещения. Например, полное обозначение охладителя О131-60У2 означает охладитель для прибора штыревого исполнения длиной 60 мм, исполнение для умеренного климата, категория размещения 2.

Подпись: Рис 1.3. Охладитель О243-150

Таблица 1.3. Параметры полупроводниковых приборов

Параметр

О243-150

О135-150

О343-150

О353-150

О123-100

О143 150

О273-250

О173-200

Тепловое сопротивление Rthhu, "С/Вт, при охлажде­нии:

естественном (/'рас, Вт)

0,28 (220)

0,27 (220)

-

0,34 (220)

0.7 (120)

0,5 (120)

0,13 (460)

0,15 (400)

принудительном (v = 6 м/с)

0,08

0,075

0,097

0,095

0,21

0,12

0,043

0,045

Наибольший диаметр таблет­ки СПП, мм

74

84

74

84

40

58

105

105

Осевое усилие сжатия, кН

15

26

15

26

8

15

50

50

Масса, кг

5,8

6,0

5,3

5,7

2,0

3,0

20,0

17,0

Размеры, мм:

В

175

175

150

150

122

122 .

240

240

L

150

150

150

150

100

150

250

200

Н1

170

170

170

170

135

135

250

250

Н2

230

230

230

230

185

185

350

350

Охладитель воздушного охлаждения при размерах примерно 150x150x150 мм3 обеспечивает при естественном охлаждении рассеивание мощности 220 Вт. Применение принудительного охлаждения позволяет с помощью этих же охладителей рассеивать мощность большую в 3—4 раза.

Принудительное охлаждение может быть воздушным и жидкостным, чаще всего водяным. Водяное охлаждение позволяет рассеивать большие мощности, чем воздушное охлаждение.

Упрощенная конструкция водяного охладителя (рис. 1.4.) содержит основание 1 с двумя штуцерами, корпус 2 с внутренней полостью в виде сложного лабиринта для повышения теплопередачи и резьбовое отверстие 3 для крепления прибора 4. Для подвода и отвода охлаждающей воды на штуцеры крепятся шланги 5. При двустороннем водяном охлаждении таблеточных приборов водяные охладители позволяют рассеивать мощности до 3 кВт и более. В качестве водо-подводящих труб могут использоваться шины, на которых крепятся СПП.

Подпись: Рис 1.4. Охладитель для полупроводникового прибора штыревого исполнения с водяным охлаждениемохладитель

Из рис. 1.2.a видно, что жидкостное охлаждение позволяет рассеивать максимальное количество теплоты прямо с поверхности нагретого компонента. Ниже приводятся два показательных примера применения систем жидкостного охлаждения.

к жидкостному  рис3
к жидкостному  рис41.2.1. Системы охлаждения лазерных диодов


На рис. 1.5.a показана конструкция мощной линейки лазерных диодов с водяным охлаждением. Диоды смонтированы на охладителе посредством сверхтонкого слоя припоя.

Жидкость подается в нижний штуцер в конце радиатора, затем поднимается и выводится через верхний штуцер. На рис. 1.5.b показано реальное изделие, на рис. 1.6.c — внутренняя структура системы охлаждения. Слои микроканального охладителя представляют собой тонкие медные листы, протравленные химическим методом. Слои меди соединены между собой с применением технологии прямой эвтектической связи Direct Bonding Copper (DBС). Распределение температуры при тепловыделении 40 Вт и расходе воды 0,3 л/мин показано на рис. 1.6. В этом случае из-за ограниченного объема системы жидкостное охлаждение признано единственным приемлемым вариантом.

Реализация сложных логических функций на интегральных микросхемах