Конструктивно-технологические методы обеспечения эффективного теплоотвода - Конструктивно-технологические методы обеспечения эффективного теплоотвода у перспективных электронных компонентов бортовой аппаратуры космического аппарата

Актуальность и современное состояние проблемы

Теплопроводящий охлаждающий агрегат электронный

Основными тенденциями электронных средств в микроэлектронном исполнении являются увеличение их сложности и снижение габаритов, с одной стороны, и увеличение требований к стабильности параметров - с другой. Эти тенденции противоречивы, так как увеличение сложности и уменьшение габаритов приводят к увеличению напряженности теплового режима, а требование обеспечения стабильности параметров системы связано с необходимостью его облегчения. В данных условиях основная проблема в технологии МКМ - обеспечение требуемого уровня качества и надежности ИМС. А одним из основных показателей монтажа МКМ является обеспечение тепловых характеристик и в первую очередь интенсивного отвода тепла, выделяемого кристаллами. Актуальность проблемы связана с тем, что элементы конструкции электронных средств могут нормально функционировать в ограниченном температурном диапазоне и обладают ограниченной термостойкостью. Так при нарушении теплового режима возможны следующие воздействия на работоспособность МКМ: нестабильность и деградация электрических параметров, обрывы и короткие замыкания соединений и выводов, потеря герметичности корпуса, изменение механических характеристик и т. д. Поэтому эффективность и качество конструкции электронных средств в значительной степени зависят от их способности отводить теплоту.

Обеспечение нормативных тепловых режимов всех элементов, входящих в электронные устройства, является необходимым, хотя и не единственным условием их надежной работы. Современные тенденции повышения быстродействия и микроминиатюризации электронных средств увеличивают удельную тепловую нагрузку и усложняют проблему теплового конструирования.

В рабочих условиях в результате внутреннего тепловыделения температура внутри устройства становится выше температуры окружающей среды. Вследствие неравномерного распределения источников тепла по объему устройства появляется неравномерность распределения температуры внутри устройства (рис.1.1). Изменения температуры вызывают соответственно изменения электрических и механических свойств материалов и характеристик электронных устройств. При этом возникают обратимые и необратимые эффекты, приводящие к снижению надежности и появлению нестабильности работы устройства.

а)б)

Рис.1.1. Изменения температуры в модуле МКМ в результате переноса тепла от кристаллов: а) до включения; б) после включения

Обеспечение нормативных тепловых режимов электронных средств, т. е. обеспечение такого температурного поля в устройстве, при котором все используемые элементы работают в условиях, соответствующих требованиям ТУ, является одной из основных задач, решаемых при конструировании. Основной способ обеспечения требуемого теплового режима заключается в создании теплового динамического равновесия, т. е. создание условий, при которых количество рассеиваемого в окружающей среде тепла равняется количеству тепла, выделяемого в устройстве. Основные потери в силовых транзисторах и модулях создаются непосредственно в кристалле. Тепло, выделяемое полупроводниковым кристаллом, отводится через корпус элемента на теплоотвод и далее в окружающую среду. Передача тепла от аппаратуры, модулей и блоков в окружающую среду осуществляется кондукцией, конвекцией, излучением. В процессе охлаждения в зависимости от способа отвода тепла любой из этих процессов может доминировать. Например, если охлаждаемое устройство установлено на теплосток с жидкостным охлаждением, большая часть тепла отводится за счет теплопроводности. При использовании вентиляторов в режиме принудительного охлаждения основное тепло отводится за счет конвекции.

При выборе способа охлаждения учитываются режим работы аппаратуры, конструктивное исполнение, величина рассеиваемой мощности, плотность теплового потока, объект установки, условия окружающей среды.

При кондуктивном охлаждении передача теплоты осуществляется через непосредственный контакт с помощью тепловых разъемов, теплопроводящих шин, печатных плат на металлической основе, радиаторов. Количество теплоты QK, передаваемой в статическом режиме кондукцией, определяется выражением:

Где ЛM - Коэффициент теплопроводности; S - площадь теплостока; L - длина пути передачи тепла; ДT - разность температуры конструкции и окружающей среды.

При конвективном теплоотводе, как правило, используются следующие 3 способа охлаждения:

1) Воздушное естественное. Применяется в бытовой аппаратуре и в блоках, где плотность тепловых потоков не превышает 0,05 Вт/см2. При компоновке необходимо стремиться к равномерному распределению выделяемого тепла по всему объему блоков. 2) Принудительное воздушное охлаждение. С помощью автономных вентиляторов обеспечивается теплоотвод от модулей и блоков с мощностью излучения не более 0,5 Вт/см2. Применяется вытяжная или приточно-вытяжная схема охлаждения. 3) Водовоздушная система охлаждения. Используется в герметичной аппаратуре, а также при обеспечении теплоотвода от модулей и блоков с мощностью излучения свыше 0,5 Вт/см2. Отвод теплоты от блоков осуществляется от центрального кондиционера или с помощью автономных вентиляторов воздухом, или жидким хладогеном.

Тепло от кристалла отводится прежде всего через материалы, находящиеся в непосредственном контакте с ним, т. е. корпус элемента и теплоотвод. Поскольку теплоотвод имеет конечные размеры, его температура всегда выше температуры окружающей среды. Эта разница зависит от размера, формы, материала радиатора и способа охлаждения (естественная или принудительная вентиляция, жидкостное охлаждение). Целью всегда является ограничение температуры кристалла на допустимом уровне.

Для моделирования с помощью ЭВМ тепловых процессов, протекающих в конструкциях РЭА, таких как стоечные конструкции, блоки, печатные узлы, функциональные ячeйки, микросборки, могут быть использованы тепловые модели. Целью моделирования является получение тепловых полей конструкций РЭА, функциональных ячеек, печатных плат, подложек, температур активных зон и корпусов электрорадиоэлементов. Тепловые модели позволяют решать следующие задачи:

- определение тепловых режимов работы всего множества радиокомпонентов и несущих конструкций с учетом конструктивно-технологических и эксплуатационных особенностей РЭА различного назначения (авиационной, космической, автомобильной и др.) и внесение изменений в конструкцию с целью обеспечения необходимых с точки зрения электрических характеристик или показателей надежности тепловых режимов работы РЭА; - выбор лучшего варианта конструкции РЭА из нескольких имеющихся, с точки зрения тепловых характеристик; - обоснование в необходимости дополнительной защиты РЭА от температурных воздействий; - создание эффективной программы испытаний аппаратуры на тепловые воздействия.

Перспективы развития конструктивно-технологических решений эффективного теплоотвода

Известно, что одна из самых важных и сложных задач, возникающих при разработке электронной аппаратуры,- отвод выделяемого ею тепла. При современной устойчивой тенденции к уменьшению габаритов электронных устройств эта проблема не исчезает, а напротив, становится все более острой, и тем сильнее, чем выше мощность устройства и меньше его физический объем.

К настоящему времени в мировой технической практике МКМ имеется определенный опыт обеспечения теплоотвода, основанный на применении как различных теплопроводных материалов плат, так и специальных конструктивно-технологических вариантов для монтажа кристаллов в МКМ.

Теплопроводящие материалы для электронных устройств и приборов

Быстрое развитие электроники было бы невозможно без столь же быстрого развития промышленности специальных материалов. Как правило, цель их разработки и внедрения в производство электронных устройств - уменьшение габаритов и снижение энергопотребления. А это, в свою очередь, приводит к появлению новых потребительских свойств и даже принципиально новых технических направлений.

Компания Bergquist (США), один из лидеров среди производителей специальных материалов для электронной аппаратуры, уже более 30 лет выпускает различные теплопроводящие материалы, значительно улучшающие тепловые режимы работы электронных устройств и приборов. И в первую очередь - это композит Thermal Clad*, предназначенный, подобно фольгированным текстолитам типа FR4, для изготовления теплонапряженных систем на печатных плат (рис.1.2).

Рис.1.2. Печатные платы, изготовленные из материала Thermal Clad:

А) алюминиевая основа толщиной 1 мм, двухслойный диэлектрик FR4/LTI, медная фольга толщиной 35 мкм с покрытием из олова; Б) медная основа толщиной 2 мм, диэлектрик HT, медная фольга толщиной 356 мкм с покрытием никель-золото

Такая структура, отличающаяся высокими прочностью и жесткостью, позволяет эффективно отводить тепло от всей площади печатной платы. Первый слой материала Thermal Clad представляет собой медную фольгу толщиной от 35 до 350 мкм и служит для изготовления токоведущих дорожек печатной платы. Как и в случае применения обычных фольгированных текстолитов, рисунок печатной платы на слое Thermal Clad можно выполнять травлением или фрезерованием. Второй, или средний, слой с высокой теплопроводностью и толщиной 75-200 мкм изготовлен из особого диэлектрика - смеси полимера со специальной керамикой. Полимер выбирается исходя из его диэлектрических свойств, тогда как керамический наполнитель предназначен для улучшения теплопроводности материала, благодаря чему средний слой имеет и отличные диэлектрические свойства, и очень низкое тепловое сопротивление. Объемное удельное сопротивление материала этого слоя не менее 1014 Ом-см. При толщине диэлектрика 75 мкм допустимое рабочее напряжение между первым и третьим слоями составляет 5,5 кВ переменного тока и более, что вполне достаточно для большинства приложений. В композите Thermal Clad средний слой - ключевой, поскольку соединяет первый слой с третьим, металлическим (алюминиевым или медным) базовым слоем (толщиной 1-3,5 мм), который служит радиатором для всей печатной платы и выполняет функцию проводника тепла к этому третьему слою или к подложке.

Поставляется достаточно широкая номенклатура композитов Thermal Clad с различными диэлектриками: HT/LTI (High Temperature/Low Thermal Impedance - высокотемпературный диэлектрик с низким полным тепловым сопротивлением); MP (Multi_Purpose - диэлектрик широкого применения); CML (Circuit Material Laminate - слоистый диэлектрический материал типа гетинакса) и другие. Тангенс угла диэлектрических потерь всех типов диэлектриков довольно низкий, что обеспечивает использование на частотах до 150 МГц.

Композиты, помимо эффективного отвода тепла от печатной платы, позволяют решать и другие проблемы, возникающие при разработке и производстве электронных устройств. На такой печатной плате с теплоотводом можно без специальной изоляции размещать активные элементы (мощные транзисторы и микросхемы) с различной полярностью на теплоотводящем выводе. Это способствует увеличению плотности монтажа, упрощает сборку изделия, снижает стоимость производства при значительном повышении его надежности.

Однако необходимо учитывать, что при нагреве печатных плат из фольгированных текстолитов происходит отслаивание токопроводящих дорожек, что часто приводит к их окислению и обрыву. Температура нагрева, при которой может произойти такое отслаивание, колеблется от 100 до 160°С, время нагрева - от нескольких минут до нескольких месяцев.

Для высокотемпературных приложений, где подобные нежелательные явления наиболее вероятны, выпускаются материалы с подложкой, изготовленной из низкоуглеродистой стали толщиной 1-2 мм.

Для электронных устройств, работающих в неблагоприятных условиях при высокой температуре, выпускаются специальные композиты Thermal Clad HTV. Они имеют более высокие технические характеристики: теплопроводность до 2,2 Вт/м-К и напряжение пробоя не ниже 9 кВ переменного тока при толщине диэлектрического слоя 150 мкм. Толщина медной фольги в материалах этой группы несколько больше - 140-350 мкм, что не только снижает сопротивление токоведущих дорожек (при заданной их ширине), но и увеличивает теплоотдачу от нагревающихся элементов.

От конструкций теплоотводящих элементов зависит не только эффективность отвода тепла, но также габариты и, конечно, надежность электронных устройств. Современные теплоотводы представляют собой сложные конструкции, состоящие из радиаторов, воздуховодов, вентиляторов и различных прокладок из специальных материалов, улучшающих теплоотдачу. В большинстве современных электронных систем в основном используется воздушное охлаждение, но в последнее время все чаще можно встретить жидкостное охлаждение, а также модули Пельтье. В любом случае, независимо от способа охлаждения, для отвода тепла от электронного компонента необходим радиатор, имеющий непосредственный тепловой контакт с охлаждаемым электронным компонентом или контакт через прокладки из специальных материалов. Поскольку площадь поверхности радиатора во много раз больше, чем у охлаждаемого компонента, теплообмен с окружающей средой усиливается. Главное при использовании радиаторов - обеспечить хороший тепловой контакт с охлаждаемыми поверхностями. В противном случае тепловое сопротивление охлаждающей системы резко увеличивается и эффективность теплоотвода падает. Поверхности охлаждаемых электронных компонентов (микросхем, транзисторов, тиристоров, диодов и др.), как правило, не очень ровные и не гладкие. Поэтому между ними и радиаторами для получения надежного теплового контакта располагаются специальные материалы, заполняющие неровности и обеспечивающие хороший тепловой контакт и максимальную теплопроводность системы. В качестве таких материалов наибольшее распространение получили специальные пластичные смеси - теплопроводные пасты или, как их еще называют, термопасты. Изготавливаются они на жидкой силиконовой основе с наполнителем из теплопроводного материала - окисла металла (цинка), металлической пудры и т. п. Их главные достоинства - простота использования и низкая стоимость, а основной недостаток - старение, высыхание и ухудшение теплового контакта. Вдобавок термопасты не обеспечивают электрической изоляции между охлаждаемым компонентом и радиатором, что часто бывает необходимо, например, при установке нескольких мощных разнополярных транзисторов на один, а не на несколько радиаторов. Кроме термопаст для улучшения теплового контакта применяются твердые материалы, такие как слюда, графит, керамика, фторопласт и др. Слюда обладает хорошими электроизолирующими свойствами, но хрупка и очень нетехнологична. Из-за высокой вероятности возникновения паразитных емкостей между корпусом компонента и радиатором при использовании слюды, характеризуемой высокой диэлектрической проницаемостью, ее применение на высоких частотах ограничено. Вдобавок, работа со слюдой требует специальных защитных средств для персонала. Графит используется в виде тонких пластин. Графитовые прокладки выпускаются в различных конфигурациях, они часто поставляются вместе с радиаторами для процессоров, используемых в микрокомпьютерах. Такие радиаторы, как правило, поставляются в комплекте со специальным вентилятором - кулером. Теплопроводность графита высокая, и он обеспечивает достаточно хороший тепловой контакт радиатора и компонента. Но этот материал очень хрупок и не обладает электроизоляционными свойствами. Керамические прокладки также имеют высокую теплопроводность и, кроме того, отличные электроизоляционные свойства, но они хрупки и очень дороги. Кроме того, производятся они в основном только для конкретных компонентов, их нельзя вырезать под нестандартные размеры. Электроизоляционные свойства фторопластовых пленок отличные. Они гибкие и легко режутся. Однако из-за высокой твердости эти пленки не обеспечивают хорошего теплового контакта, особенно если одна или обе поверхности охлаждаемого компонента не ровные, имеют шероховатости и микродефекты. Фторопласт плохо клеится, и к тому же его пленки довольно дороги.

С учетом приведенного краткого перечня достоинств и недостатков применяемых сегодня теплопроводных материалов можно определить основные предъявляемые к ним требования. Так, современные материалы, предназначенные для отвода тепла электронных компонентов, должны: иметь хорошую теплопроводность; иметь высокое пробивное напряжение; быть эластичными; легко обрабатываться и резаться; иметь клеевой слой с одной или двух сторон по желанию заказчика; быть экологически чистыми и не выделять вредные вещества при нагреве; иметь доступную цену.

Похожие статьи