Глава 6 способы охлаждения ппи и конструкции теплоотводов

Тепловая стабилизация является одним из необходимых условий для работы электронной аппаратуры, даже если она не будет функционировать в экстремальных условиях. Изменения температуры вызывают дрейф выходных параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем, увеличение температуры может привести к тепловому пробою диодов и транзисторов, возникновению механических напряжений в элементах конструкции, отслаиванию и разрыву проводников, микротрещинам, окислению металлических поверхностей и др. Наиболее опасно повышение температуры в силовой электронике. С ростом температуры на каждые 10  ремя безотказной работы сокращается в среднем в два раза.

6.1. Способы охлаждения ппи

Существуют две основные группы методов охлаждения ППИ: пассивные и активные. 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.

6.1.1. Механизмы теплопередачи

Теплопроводность твердых тел, жидкостей и газов подчиняется закону Фурье: плотность Р теплового потока, Вт/м² - количество тепла, проходящего через единицу площади в единицу времени - пропорциональна градиенту температуры: Р = grad T, где – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К). Коэффициент теплопроводности твердых тел примерно на два порядка больше, чем жидкостей, и на четыре порядка больше, чем у газов. Поэтому теплопроводностью газов, а также и жидкостей, в сравнении с твердыми телами можно пренебречь.

Теплопередача конвекцией осуществляется в газах и жидкостях. Конвекция – это перенос тепла потоком жидкости или газа. Естественная конвекция возникает в поле силы тяжести при неравномерном нагреве газа или жидкости. Интенсивность конвекции зависит от разности температур, теплопроводности и вязкости среды. При вынужденной конвекции тепло переносится веществом, которое движется с помощью устройств: насосов, вентиляторов, мешалок.

Еще один механизм теплопередачи – тепловое излучение, плотность теплового потока при котором определяется законом Стефана-Больцмана: Р = σ₀ Т⁴, где - испускательная способность нагретого тела (или коэффициент черноты), σ₀ = 5,67·10^-8 Вт/(м^2·К⁴) – постоянная Стефана-Больцмана, Т - абсолютная температура, К. Для абсолютно черного тела  = 1, для реальных (серых) тел 1.

Теплопередача возрастает при увеличении площади S охлаждаемой поверхности, т.к. тепловой поток W– количество тепла, переносимого в единицу времени (рассеиваемая мощность), Вт: W = P·S.

Самый простой способ охлаждения ППИ – пассивный теплоотвод с применением радиаторов. Он основан на явлениях теплопроводности материалов, естественной конвекции и теплового излучения.

6.1.2. Конструкции радиаторов

Размеры полупроводникового кристалла слишком малы, чтобы конвекции было достаточно для его охлаждения. При закреплении корпуса ППИ на радиаторе многократно увеличивается площадь охлаждаемой поверхности. За счет теплопроводности тепло от корпуса микросхемы передается металлическому радиатору. Далее теплоотдача (теплообмен между поверхностью тела и окружающей средой) от радиатора осуществляется конвективным и лучистым теплообменом.

Сформулируем требования к радиатору: его материал должен иметь максимальную теплопроводность (медь, алюминий и др.), а конструкция должна обеспечивать максимальную площадь поверхности при относительно небольшом объеме. По конструкции различают пластинчатые, ребристо- пластинчатые, игольчатые (штырьковые) радиаторы – рис. 6.1. Для естественной конвекции лучшей является игольчатая конструкция. На рис. 6.2 показана различная форма ребер радиатора. В отличие от классической формы - а, усовершенствованные формы радиаторов - б и в предназначены для принудительного воздушного охлаждения. Оребренные радиаторы в сотни и даже в тысячи раз увеличивают площадь охлаждаемой поверхности.

Рис.6.1. Конструкции радиаторов

Рис. 6.2. Различные формы ребер радиатора: а – классическая;

б – двойного оребрения; в – комбинированная

Лучшее охлаждение дает принудительная конвекция, например, за счет обдува вентилятором. В настоящее время промышленностью выпускаются миниатюрные вентиляторы, минимальные размеры которых составляют 15 мм³ вентиляторы, смонтированные на радиаторе – кулеры (от анг. “cooler” – охладитель). К качеству поверхности радиатора предъявляются определенные требования: сторона, соприкасающаяся с полупроводниковым прибором, должна быть гладкой, она не должна отклоняться от плоскостности, т.к. только при таких условиях будет хороший контакт между деталями. Однако неровности и микропустоты все же остаются, заполняющий их воздух препятствует теплообмену. Для устранения воздуха из зазоров на соприкасающиеся поверхности наносят теплопроводящие пасты или приклеивают теплопроводящие пленки, но те и другие довольно дороги. При естественной конвекции максимальная длина участвующей в теплоотводе поверхности должна располагаться в вертикальной плоскости; ППИ, являющиеся источниками тепла, не должны возвышаться над охладителем. При принудительной конвекции маломощные ППИ должны располагаться в начале потока, а мощные – в конце.

При естественном воздушном теплоотводе примерно 70 % тепла отводится конвекцией, 30 % - излучением. В зависимости от температуры нагретого тела доля теплового излучения составляет от 2 % при 55 до 30 % при 150  , а при температурах свыше 600  тепловое излучение преобладает в воздушном теплоотводе. Принудительная конвекция снижает долю излучения до 2 – 7 %, при этом конструкция охладителя становится более компактной. Естественное воздушное охлаждение имеет низкий коэффициент теплообмена – до 10 Вт/(м²·К).

Рассеиваемая мощность современных ППИ достигает сотен ватт на квадратный сантиметр. Повышение степени интеграции неизбежно приводит к дальнейшему росту плотности тепловых потоков, так как при неизменной мощности ППИ уменьшается площадь излучения. Воздушные системы охлаждения практически исчерпали свой ресурс.