Исследование способов улучшения тепловых режимов теплонагруженных микроэлектронных устройств

Постоянное совершенствование современной аппаратуры неразрывно связано с возникновением проблемы обеспечения нормального теплового режима проектируемых устройств и отдельных теплонагруженных элементов. Это объясняется тем, что количество теплонагруженных элементов, размещаемых в единице объема, неуклонно увеличивается, что в свою очередь приводит к возрастанию плотности рассеиваемой мощности и неприменимости в ряде случаев традиционных способов отвода тепла из-за их недостаточной эффективности.

Отечественная промышленность выпускает широкий ассортимент изделий электронной техники, применение которых позволяет создавать малогабаритную, экономичную и надежную радиоаппаратуру [1−3]. Электронные приборы заменяют традиционные механические и электромеханические устройства (реле, счетчики, индикаторы и т. п.) и при этом дают выигрыш в габаритах, массе и надежности. В больших интегральных схемах, например для запоминающих устройств, на кристалле площадью в несколько квадратных миллиметров размещается запоминающее устройство емкостью в десятки мегабайт, что соответствует созданию на этом кристалле миллионов транзисторов.

Достижения электроники раскрывают большие перспективы дальнейшего улучшения качественных показателей разрабатываемой радиоаппаратуры. В то же время непрерывное ее усложнение неразрывно связано с ростом количества используемых элементов, дальнейшим увеличением плотности монтажа и миниатюризацией элементной базы. Это обусловливает рост удельной тепловой нагрузки на элемент и соответственно повышение требований к надежности самих элементов. В свою очередь рост удельной тепловой нагрузки и задача обеспечения больших выходных мощностей радиоаппаратуры связаны с проблемой отвода тепла — неизбежного побочного продукта ее элементов, что в свою очередь требует поиска новых конструкций и способов теплоотвода [4−9].

Обеспечение оптимальных тепловых режимов изделий электронной техники является одной из важнейших проблем конструирования радиоэлектронной аппаратуры. Повышение температуры изделия электронной техники значительно снижает надежность их работы. Так, например, если уменьшить рабочую температуру полупроводникового прибора всего на 20%, то интенсивность отказов снизится в 3 раза [10].

Опыт эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры показывает, что при ее конструировании не всегда обеспечивается нормальный тепловой режим работы. Значительная часть отказов эксплуатируемой аппаратуры обусловлена тепловыми воздействиями. Эти воздействия объясняются также и результатом неправильной эксплуатации (более жесткие условия окружающей среды).

Повышенная температура эксплуатации изделий электронной техники является не только причиной отказов, но и значительно ухудшает их основные параметры, что приводит к необходимости поиска и применения различных способов и методов охлаждения, обеспечивающих сохранение параметров в заданных нормах.

По мере усложнения аппаратуры, увеличения количества применяемых элементов и степени их интеграции, вопросы отвода тепла, а также методы расчетов тепловых режимов приобретают особую актуальность.

Дополнительные аспекты этой проблемы возникают при каждом новом «скачке» в области электрических характеристик электронных приборов, например при повышении быстродействия цифровых микросхем, или увеличении выходной мощности аналоговых.

Основные исследования закономерностей теплообмена и разработка методов теплового расчета аппаратуры изложены в немногочисленных книгах и монографиях [11−14]. Однако обобщенные материалы по способам и системам охлаждения электронных устройств в литературе практически отсутствуют.

Так как надежность работы и стабильность параметров электронных устройств в значительной степени определяются их температурным состоянием, то стоит уделить внимание, с одной стороны, созданию новых перспективных методов теплового расчета отдельных элементов и всего устройства в целом, а с другой — конструкторской разработке эффективных способов их охлаждения.

Расчет теплового режима является неотъемлемой частью в проектировании и конструировании не только РЭА и отдельных ее элементов. Поддерживание оптимальной температуры является залогом надежной и качественной работы любого теплонагруженного элемента в любой сфере его применения.

Цель диссертационной работы:

Целью данной работы является совершенствование способов повышения эффективности теплоотводов и теплоотводящих систем, для решения задачи понижения температуры на теплонагруженном микроэлектронном элементе или устройстве в целом.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• Обобщение и систематизация имеющихся и используемых в настоящее время теплоотводов и теплоотводящих систем в микроэлектронной аппаратуре, с выявлением их достоинств и недостатков.

• Разработка методики расчета эффективности теплоотвода тепловой трубы (ТТ) и описание рекомендаций по ее применению.

• Теоретическое исследование зависимости температуры теплонагруженного микроэлектронного элемента в стационарном и переходном режимах от формы радиатора.

• Выявление влияния взаиморасположения источника и приемника тепла на температуру источника.

• Оптимизация формы поверхности радиатора для обеспечения минимальной температуры источника.

• Оптимизация массогабаритных параметров радиатора методом электростатической аналогии.

Проведение моделирования в математическом редакторе MathCad.

• Экспериментальное исследование теплоотводящих свойств оптимизированных радиаторов в микроэлектронной аппаратуре.

Научная новизна:

• Разработан способ расчета эффективности теплоотвода тепловой трубы в представлении аэродинамической теории газов.

• Предложен метод электростатической аналогии, который позволяет находить значение температуры в любой точке системы тело-поток, не прибегая к традиционным эмпирическим коэффициентам подобия.

• Определены оптимальные массогабаритные характеристики, обеспечивающие минимизацию температуры теплонагруженного микроэлектронного элемента.

• Разработан способ анализа распределения теплового поля в системе тело-поток.

Практическая значимость:

• Предложены оптимизированные конструкции паропровода и конденсора тепловой трубы, позволяющие повысить эффективность теплоотвода.

• Полученные решения позволяют производить расчеты эффективности теплоотвода тепловой трубы, не прибегая к эмпирическим коэффициентам.

• Получена оптимизированная форма радиатора. Изготовленные по разработанной методике опытные образцы оптимизированных радиаторов позволяют снизить температуру на теплонагруженном микроэлектронном элементе по сравнению с известными конструкциями при сохранении массогабаритных показателей.

• Полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты нашли практическое применение в опытно-конструкторской работе № 324 176 «Модернизация аппаратуры контрольно-регистрирующей» НКБ «МИУС» ЮФУ г. Таганрог и внедрены в учебный процесс кафедры КЭС ТИ ЮФУ г. Таганрог.

Основные положения выносимые на защиту:

• Способ повышения эффективности теплоотвода тепловой трубы в представлении аэродинамической теории газов.

• Результаты теоретического исследования оптимизированных конструкций паропровода и конденсора тепловой трубы.

• Результаты теоретического и экспериментального исследования оптимизированной конструкции радиатора.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из них 6 статей и 3 тезисов докладов на научно-технических конференциях различного уровня.

Содержание работы:

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, приведено содержание работы.

В первом разделе приведен анализ способов теплоотвода, с целью выявления их достоинств и недостатков и постановки задач диссертационной работы. Описаны способы отвода тепла теплопроводностью, естественной и принудительной конвекцией, тепловой трубой (испарением в вакуум). Обоснована необходимость исследования и применения оптимизированных конструкций тепловых труб и радиаторов.

Во втором разделе приводится устройство и принцип действия тепловой трубы.

Предлагается методика расчета ее эффективности отличающаяся от существующих отсутствием многочисленных эмпирических коэффициентов.

Предлагаются оригинальные конструкции конденсоров для тепловых труб. Анализируется общий подход к описанию и расчету эффективности теплоотвода радиаторов.

В третьем разделе рассматривается влияние взаиморасположения источника и приемника тепла на температуру источника.

Исследуется зависимость температуры источника от его расположения в радиаторе.

Оптимизируется форма радиатора в условиях теплопроводности, с использованием электротепловой аналогии, с целью минимизации температуры теплонагруженного элемента.

Делается сравнительный расчет радиаторов стержневой и сферической форм в переходном режиме.

В четвертом разделе предлагается метод электростатической аналогии для оптимизации массогабаритных параметров радиаторов. Строится модель обтекаемого потоком радиатора с внутренним источником тепла.

Рассчитываются тепловые поля для конвективного потока аналитически через функции комплексного переменного, и с применением моделирования в математическом редакторе MathCad.

Производится сравнительный анализ эффективности известных и оптимизированных конструкций радиаторов.

Приводятся оптимизированные конструкции паропровода тепловой трубы на основе анализа движения частицы со сверхзвуковой скоростью, с целью повышения эффективности теплоотвода.

В пятом разделе описываются проведенные экспериментальные исследования опытных образцов оптимизированных радиаторов.

Производится сравнение температур источника в оптимизированном и штыревом радиаторах.

В заключении приведены основные результаты выполненных исследований и выводы по работе.

В приложении 1 приведены вспомогательные материалы по моделированию для четвертого раздела диссертации.

В приложении 2 приведены акты внедрения результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные в работе исследования и расчеты можно обобщить и применить к конкретной конструкции теплоотвода. Например, она может представлять собой следующее: t.

1 — конденсор,.

2 — паропровод,.

3 — корпус,.

4 — рабочее вещество,.

5 — теплонагруженный элемент,.

6 — вентилятор.

Рисунок — Оптимизированная система теплоотвода.

Преимуществами данной конструкции теплоотвода являются: обеспечение сверхзвуковой скорости тепломассопереноса, за счет оптимизации паропровода при помощи волновой теорииобеспечение большей вероятности конденсации пара рабочего вещества, за счет оптимизации конденсора, который при необходимости может являться и радиатором.

В диссертационной работе была обоснована актуальность выбранной тематики исследований.

На основе проведенного анализа литературы по теме диссертации была поставлена цель — оптимизация конструкций теплоотводящих систем.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Обобщение и систематизация имеющихся в настоящее время конструкций теплоотводов и теплоотводящих систем в микроэлектронной аппаратуре, с выявлением их достоинств и недостатков.

Выбор конкретной системы теплоотвода зависит от конструкторских особенностей аппаратуры, от рассеиваемой мощности и внешних условий.

Применение радиаторов обусловлено большим коэффициентом теплопроводности, превышающим коэффициент теплопроводности газа на несколько порядков, и жидкости в десятки раз.

Тепловые трубы применяются из-за обеспечения высокой скорости теплоотвода при небольших температурных перепадах. Теплоотвод в этом случае обеспечивается изменением агрегатного состояния и циклическим движением рабочего вещества от теплонагруженного элемента по паропроводу до конденсора и обратно.

2. Разработана методика расчета эффективности теплоотвода тепловой трубы и приведено описание рекомендаций по ее применению. Проведена оптимизация конструкций паропровода и конденсора тепловой трубы.

Разработанная методика отличается от существующих отсутствием эмпирических коэффициентов, и позволяет производить расчет эффективности теплоотвода ТТ на основе значения равновесного давления вещества при определенной температуре.

Предложенные конструкции конденсоров тепловых труб на основе МАЧТ, лазерного рефрижератора с газодинамической накачкой и конденсора с использованием адиабатического размагничивания парамагнитного вещества, позволяют увеличить эффективность теплоотдачи при сохранении мас-согабаритных показателей.

3. Произведено теоретическое исследование зависимости температуры точечного источника тепла в стационарном и переходном режимах от формы радиатора.

Расчет температур на точечном источнике в радиаторах сферической и стержневой форм в переходном режиме показал, что сферическая форма более предпочтительна с точки зрения снижения температуры источника.

4. Выполнено исследование влияния взаиморасположения источника и приемника тепла на температуру источника.

Исследование зависимости температуры источника от его расположения в радиаторе и расположения приемника тепла показала, что наиболее оптимальное расположение источника тепла для максимального снижения температуры источника — центр масс радиатора.

5. Выполнена оптимизация массогабаритных параметров радиатора методом электростатической аналогии. Проведено моделирование в математическом редакторе MathCad.

Метод электростатической аналогии показал возможность нахождения значения температуры в любой точке системы тело — поток аналитически. Как известно, аналитический метод дает абсолютное решение, а не приближенное.

Найдено распределение скоростей в системе тело — поток. Решено уравнение Лапласа, как математической основы для задач подобного рода, с помощью теории функций комплексного переменного.

Разработана аналитическая модель с использованием электростатического подобия обтекания радиатора потоком.

6. Проведено экспериментальное исследование теплоотводящих свойств оптимизированных радиаторов.

Проведенные эксперименты показали, что увеличение площади радиатора, при сохранении массы, приводит не к снижению, а даже к некоторому повышению температуры источника.

Для минимизации температуры на теплонагруженном элементе, радиатор следует выполнять по эквитемпературным поверхностям от элемента.

Автор диссертационной работы благодарит научного руководителя, оппонентов, сотрудников кафедры конструирования электронных средств и всех тех, кто оказывал помощь при подготовке и написании работы.

Особая благодарность близким и родственникам за поддержку и понимание.