Капиллярная система теплоотвода ibm
Используя идею трёхуровневой капиллярной сети, позволяющей под небольшим давлением в полном объёме и равномерно снабжать кровью живую плоть, инженеры IBM разработали процессорный радиатор с высокой плотностью теплоотдачи (рис.1.8).
Рис.1.8. Входные и выходные каналы для подачи и забора хладагента.
Смысл пронизанного густой сетью каналов радиатора в том, что подаваемая через них термопаста равномерно распределяется в микрозазоре между подошвой радиатора и поверхностью чипа. Как бы не были отполированы верхушка кристалла и основа радиатора, зазор между ними будет всегда. Нанося термопасту обычным способом нельзя добиться высокой равномерности её распределения. Иное дело – подача пасты через микропоры. По словам IBM, эффективность "капиллярного" радиатора в 10 раз превышает параметр теплоотдачи "цельных" радиаторов. Примечательно, что ввиду относительной простоты реализации новой системы теплоотвода, её серийные решения могут появиться на рынке очень и очень скоро.
Параллельно IBM разрабатывает другое направление в системах теплоотвода. Точнее, это направление является частным случаем описанной выше "капиллярной" технологии. Только в ней вместо термопасты задействован жидкий хладагент (вода) (рис.1.9).
Рис.1.9. Система каналов для охлаждения кристалла хладагентом
В данной схеме охлаждения чип напрямую омывается жидкостью, отчего эффективность отвода тепла от кристалла процессора достигает едва ли не своего максимального значения. Прототип, демонстрировавшийся на саммите, мог похвастаться плотностью отвода тепла 370 Вт/см., тогда как воздушное охлаждение в аналогичных условиях позволяло отводить тепло плотностью 75 Вт/см. Учитывая сложность конструкции, до рыночного внедрения данной технологии охлаждения процессоров всё ещё далеко.
Особенности обеспечения теплоотвода в теплонапряженных модулях
Одна из основных тенденций современной микроэлектроники – увеличение степени интеграции, объединение на одном кристалле или в одном корпусе максимального количества компонентов для полного решения какой-либо задачи. В области силовой техники эта тенденция привела в свое время к разработке полумостовых и мостовых силовых модулей.
При разработке конструкции модуля основное внимание уделяется обеспечению высокой надежности и хороших тепловых характеристик. Как правило, силовые кристаллы модуля устанавливаются на изолирующую подложку, размещенную на базовой несущей плате. Несущая плата изготавливается из меди или сплава AlSiC, и предназначена для передачи тепла на радиатор. Тепловые характеристики платы оказывают существенное влияние на термодинамику модуля и суммарное тепловое сопротивление «кристалл-радиатор». Соединение чипов между собой в маломощных модулях осуществляется проводами, а в модулях большой мощности – многослойной шиной. Этим требованиям отвечают модули, выпускаемые фирмой Semikron по технологии SkiiP (Semikron integrated intelligent Power), при разработке которых был произведен анализ недостатков конструкции и отказов модулей. Выяснилось, что отказы в основном связаны с неоптимальным согласованием коэффициентов теплового расширения СТЕ (Coefficient of Thermal Expansion) конструктивных материалов и в первую очередь – алюминиевых соединительных выводов кристаллов. Еще одно слабое место – усталостные процессы в паяных соединениях. Улучшить термодинамические характеристики алюминиевого соединительного слоя помогает полиимидное покрытие. Такое покрытие позволяет повысить долговременную надежность соединений более чем 4 раза при испытаниях на циклическое изменение температуры с градиентом более 100 0С.
Наибольшую устойчивость к термодинамическим воздействиям выдерживают модули, в которых применяются материалы с согласованным значением КТР. Согласование может быть достигнуто при использовании подложки из нитрида алюминия (AlN). Кроме согласования КТР этот материал обеспечивает и меньшее значение теплового сопротивления. Теплопроводность AlN в 7 раз выше, чем Al 2O3 – основного материала, применяемого для изготовления подложек.
Проблемы, связанные с повреждением паяных соединений, в модулях Semikron устраняются использованием прижимных контактов (pressure-contact-technology). Долговременные испытания на устойчивость модуля к термическим воздействиям показали, что одной из главных проблем является отслоение медного основания из-за усталости процессов. Эта проблема решена заменой медного основания на основание из AlSiC. Данный материал достаточно хорошо согласуется с нитридом алюминия по коэффициенту теплового расширения.
Табл. 1 показывает соотношение характеристик теплового расширения в модулях различной конструкции с медным основанием, с основанием из AlSiC и без несущей платы. Основание из AlSiC устраняет проблему несогласования коэффициента теплового расширения, однако этот материал имеет большее тепловое сопротивление, что в конечном итоге приводит к перегреву кристалла. Кроме того, стоимость основания из AlSiC намного выше медного.
Таблица 1.
Решением всех указанных проблем является отказ от несущей платы, что и реализовано в модулях SkiiP. При этом градиент температуры на участке кристалл - теплоотвод снижается более чем на 5-10% по сравнению с модулем, имеющим медное основание, и обеспечивается отличное согласование КТР.
Конструкция силовых модулей Semikron принципиально отличается от общепринятой в промышленности. На рис.1.10 показано устройство перспективного модуля SkiiP, рассчитанного на напряжение 3300 В и ток 1200 А. Модуль содержит теплосток, керамическое основание с мощными кристаллами, плату управления и элементы крепления.
Рис.1.10. Конструкция модуля SkiiP
Керамическая пластина с силовыми кристаллами установлена непосредственно на теплостоке. В модулях SkiiP она называется DCB ceramic (Direct Bonded Copper) – керамическая подложка с многослойной медной шиной связи.
Стандартное медное основание в силу технологических особенностей имеет менее ровную поверхность, чем основание AlSiC или керамическая подложка. Неровность поверхности может достигать 50 мкм, поэтому при креплении модуля к теплоотводу необходимо использование теплоотводящей пасты. При непосредственном креплении керамической подложки на теплосток неровность сопрягаемых поверхностей может быть снижена до 20 мкм. За счет этого суммарное тепловое сопротивление снижается более чем на 10%.
В модулях Semikron теплосток является составной частью конструкции. Это позволяет обеспечить необходимые тепловые режимы и, соответственно, повысить надежность устройства. Модуль закрепляется на теплоотводе с помощью специальных прижимных контактов. Такая технология снижает переходное тепловое сопротивление на участке кристалл-теплосток, позволяет оптимизировать термодинамические характеристики модуля и повышает эффективность термозащиты.
Технология SkiiP используется при производстве модулей SkiM (Semikron integrated Module) – новых модулей фирмы Semikron. Конструкция модуля SkiM представлена на рис.1.11. Керамическая плата DBC с установленными на ней силовыми кристаллами электрически изолирует модуль от радиатора и отводит на радиатор тепло. Непосредственная запрессовка платы на теплосток исключает необходимость использования медного несущего основания, которое обычно применяется в силовых модулях. Такая конструкция позволяет резко снизить тепловое сопротивление кристалл-теплосток, в результате чего температура кристалла при данном значении рассеиваемой мощности оказывается ниже. Плотный контакт между подложкой и теплоотводом, необходимый для снижения теплового сопротивления, достигается с помощью специального устройства сопряжения, состоящего из большого количества вертикальных запрессованных направляющих. Они равномерно передают давление на подложку и обеспечивают тепловой контакт в местах расположения силовых кристаллов.
Рис.1.11. Конструкция модуля SkiM
Пружинящая прокладка, состоящая из нескольких слоев эластичного пористого материала, передает давление от жесткой платы к сопрягающим элементам и обеспечивает равномерность распределения давления. Прижимная плата электрически соединяется с теплоотводом крепежными болтами и служит экраном, снижающим уровень наводок на плату драйвера.
Благодаря перечисленным особенностям и исключению медного основания из общего значения теплового сопротивления удалены составляющие, которые вносятся материалами паяных соединений и медной базовой платы. В результате снижения суммарного теплового сопротивления уменьшается перегрев силовых кристаллов, увеличивается допустимая токовая нагрузка, возрастает надежность и долговечность модулей. Упрощение конструкции также снижает возможность возникновения различных механических напряжений.
Вариант сопряжения силовой части модуля с платой драйвера показан на рис.1.12:
Рис.1.12. а) сопряжение модуля SkiM с платой драйвера; б) модуль SkiM с установленной платой драйвера
Благодаря отсутствию жесткого контакта керамики и радиатора размер керамической платы практически не ограничен. При возникновении механических напряжений DBC – плата просто «плавает» по слою теплопроводящей пасты, не повреждаясь и не нарушая теплового контакта. Постоянный надежный тепловой контакт силовых кристаллов с теплоотводом обеспечивается платой сопряжения, которая своими направляющими элементами постоянно прижимает кристаллы керамике. На рис.1.13 показана рамка с установленной DBC-платой и плата сопряжения:
Рис.1.13. Модуль SkiM с силовыми кристаллами Trench IGBT. Показана рамка с установленной DBC–платой и плата сопряжения.
Использование силовых модулей особенно целесообразно в области средних и больших мощностей, где конструкционные и технологические проблемы стоят наиболее остро, а эксперименты и макетирование почти исключаются.
К настоящему времени в мировой технической практике монтажа имеется определенный опыт обеспечения теплоотвода, основанный как на применении различных теплопроводных материалов плат, так и специальных конструктивно-технологических решений для монтажа кристаллов. Для выработки конструктивно-технологических вариантов исходят из того, что тепло в модуле передается в основном кондуктивным путем по элементам конструкции. Основными тепловыми сопротивлениями являются соединения, обеспечивающие контакты кристалла с коммутационной платой. Вопросы внешней теплоотдачи от МКМ, как правило, не рассматриваются при разработке технологии монтажа СБИС в МКМ. Они решаются целым рядом известных способов конвекции, излучения, с использованием оребрения и принудительного охлаждения, включая жидкостное.