Способы теплоотвода и помехозащищенность

В наше время основными тенденциями электронных средств в микроэлектронном исполнении являются увеличение их сложности и снижение габаритов, и, как следствие, растут требования к стабильности параметров. На мой взгляд данные тенденции противоречивы. 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.).

Обеспечение нормативных тепловых режимов электронных средств 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.

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. 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.

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.

Теплопроводящие подложки и пасты Керамико-полимерные материалы на стеклотканевой или полиимидной основах применяются для изолирования посадочных поверхностей полупроводниковых приборов при монтаже.

Отличительные особенности:

• — не требуют нанесения промежуточных слоев теплопроводящей пасты, что обеспечивает сокращение времени и чистоту сборки;
• — интенсивный теплоотвод через изоляционную подложку гарантируется применением керамического наполнителя с высокой теплопроводностью;
• — высокая эластичность обеспечивает надежный контакт поверхностей в соединении полупроводник-изолятор-радиатор;
• — экологически чист;
• — снижает стоимость монтажа за счет уменьшения трудоемкости и замены композиции слюда-паста.

Эластичные теплопроводящие изоляторы. Такие изоляторы предназначены для электрической изоляции и отвода тепла от тепловыделяющих элементов электронных устройств, а также нагревающихся при работе конструкций и узлов. Изготавливаются из теплопроводящей керамики на кремний-органической связке. Поставляются в виде листов и двухкомпонентного компаунда.

Применяются для изолирования посадочных поверхностей полупроводниковых приборов при монтаже. Используются вместо слюды и теплопроводящей пасты КПТ-8." Номакон GS" - эластичный керамико-полимерный материал, армированный стеклотканью. Благодаря армирующему слою материал имеет отличные прочностные характеристики на разрыв и раздир. Наполнитель из высокотеплопроводящего керамического порошка обеспечивает теплопроводность на уровне лучших зарубежных аналогов. Термостойкая силиконовая связка придает материалу эластичность мягкой резины, что способствует заполнению шероховатостей микрорельефа сопрягаемых поверхностей, снижая тепловое сопротивление между ними. Диапазон толщины материала «Номакон GS», в отличие от других аналогов, варьируется по требованию заказчика в пределах от 0,15 до 2 мм и более. Стандартная толщина 0,22±0,05 мм. Существуют различные теплопроводящие интерфейсные материалы, обладающие разным термосопротивлением и свойствами.

Термопасты (thermal greases). Синтетические смолы (силикон, например) смешиваются с определенным количеством теплопроводящего порошка (обычно соотношение 40% и 60% соответственно). Образуется вязкая паста беловатого или серого цвета. Беловатый цвет свидетельствует о применении оксида цинка в качестве теплопроводящего вещества, серый — оксида алюминия. В экзотических случаях может быть и оксид серебра. Термопасты не затвердевают и могут быть легко убраны с поверхности радиатора или процессора. Хотя они не и являются электрическими изоляторами, протекание в них сколько-нибудь существенных токов маловероятно. Минусы термопаст — слабые клейкие свойства (в некоторых случаях может потребоваться дополнительное закрепление радиатора — эпоксидной смолой, например), возможно смешивание с нежелательными компонентами (может привести к частичной или даже существенной потере теплопроводящих свойств).

Термические смеси (thermal compounds). В общем случае представляют собой смесь эпоксидной смолы, теплопроводящей присадки и загустителя. При применении смесь переходит в резиноподобное состояние, крепко закрепляя радиатор. Однако, процесс удаления этого материала тоже достаточно прост. Тепловые характеристики термической смеси являются наилучшими. Но работать с ними достаточно сложно, так как часто приходится самостоятельно приготавливать смесь, поскольку производители поставляют именно компоненты, а не готовую смесь. Кроме этого невозможно вторичное применение бывшей в употреблении смеси.

Теплопроводящие прокладки (thermally conductive elastomers). Резиноподобные пластины, содержащие теплопроводящие присадки. Может быть добавлено стекловолокно для увеличения прочности. Являются электрическими изоляторами, поэтому смело могут быть использованы для соединения поверхностей разных потенциалов. Обладая наибольшим коэффициентом теплопроводности, эти эластомеры, однако, не являются эффективным тепловым интерфейсом, так как не полностью заполняют нерегулярности поверхностей. Только при обеспечении сильного сжатия поверхностей они могут составить конкуренцию термопастам.

Теплопроводящие клейкие пленки (thermally conductive adhesive tapes). Двусторонние клейкие пленки, содержащие теплопроводящий наполнитель. Алюминиевая фольга может служить укрепляющим каркасом. Быстрота и удобство работы с этим материалом не могут компенсировать слабую эффективность теплопередачи. Многие пользователи рекомендуют воздерживаться от применения таких пленок, поскольку в исключительных случаях даже просто отсутствие теплового интерфейса может оказаться более эффективным. Все это касается существующих пленок. Однако, разработчики не топчутся на месте, и вполне возможно появление эффективных вариантов этого теплового интерфейса.

Материалы, меняющие агрегатные состояния (phase change materials).

Такие материалы при комнатной температуре представляют собой твердые микрочастицы. При достижении определенной температуры (обычно 45−60 °C) микрочастицы плавятся — происходит фазовый переход. При этом материал становится близок к термопастам по своим теплопроводящим свойствам. Более того, такие материалы могут обладать существенно меньшим термосопротивлением, меньшей текучестью и лучшими эксплуатационными свойствами. Благодаря этому данные материалы все чаще и чаще применяются в качестве тепловых интерфейсов.

Миниатюрные охлаждающие агрегаты Для рассеивания большого количества тепла в маленьком объеме, использование охлаждающих агрегатов с принудительным воздушным охлаждением дает большие преимущества по сравнению с радиаторами с естественным охлаждением.

На охлаждающие агрегаты маленького объема, компания Fischer Elektronik разработала малогабаритные охлаждающие агрегаты с поперечным сечением 30×30 или 40×40 мм. Эти охлаждающие агрегаты серии LAM удобны для установки в корпусах и печатной плате. Компактный дизайн с внутренней системой теплообмена способствуют однородной теплоотдаче. Мощный осевой вентилятор с напряжением питания 12−24 В отличается высокой пропускной способностью при высоком давлении, благодаря этому дистанция охлаждения увеличивается.

Используя охлаждающие агрегаты, можно очень эффективно отводить тепло от электронных компонентов, т.к. сильный поток воздуха гарантирует намного большее рассеивание тепла, чем естественное охлаждение.

Дизайн и схема охлаждающих агрегатов оптимальна для различных приложений требующих отвода тепла:

• — многомодульные охлаждающие устройства для силовых полупроводниковых модулей,
• — миниатюрные охлаждающие агрегаты для непосредственного монтажа на печатную плату,
• — охлаждающие устройства высокой мощности с полыми рёбрами или с ламинарной структурой для тиристорных модулей, твёрдотельных реле, IGBT, AC-ключей, выпрямительных мостов и т. д.

Радиаторы кондукция теплоотвод статический кристалл В зависимости от конструкции устройства в качестве теплостока может быть использован специальный радиатор, шасси или корпус устройства. Во всех случаях необходимо обеспечить эффективный отвод тепла от базовой поверхности модуля в окружающую среду, оптимальный тепловой контакт с охлаждающей поверхностью и высокую теплоемкость радиатора для исключения локального перегрева при кратковременных перегрузках.

Из материалов, применяемых для изготовления радиаторов, наиболее высокими значениями теплоемкости на единицу объема обладают сталь, медь, латунь, алюминий. По теплоемкости на единицу веса лучшие характеристики имеют никель и алюминий.

Самую высокую теплопроводность из доступных материалов обеспечивают медь, алюминий и латунь. Если не думать о весе радиатора, то наибольшая теплоемкость у никеля, однако на практике алюминиевые радиаторы предпочтительнее с точки зрения соотношения эффективности теплоотдачи на единицу объема.

На рынке сейчас имеются алюминиевые теплоотводы различных форм и размеров. Как правило, производители радиаторов определяют тепловое сопротивление радиатора как функцию геометрических размеров и рассеиваемой мощности.

Легко монтируемые (slip-on) радиаторы изготавливаются из прессованного алюминиевого профиля. Они предназначены для электронных компонентов в корпусах типа TO220, TO247 и аналогичных им. Эти радиаторы монтируются на транзисторы или вместе сними на плату.

Ширина этих компактных радиаторов не превышает ширины компонента. Радиатор может использоваться как единичный, так и входить в состав группы радиаторов. Допускается вертикальная и горизонтальная установка. Передача тепла от транзистора радиатору осуществляется благодаря металлической прижимной скобе.

Радиаторы игольчатого типа Радиаторы игольчатого типа серии «ICKS» компании Fischer Elektronik — перспективное направление в области изготовления радиаторов. Компактные радиаторы этой серии имеют большое количество игольчатых выводов, что позволяет обеспечить оптимальное рассеянье тепла проходящим воздухом. Использованный при изготовлении материал с повышенной теплопроводностью AL99.5, геометрия, рассчитанная с учетом направления теплового потока, и структура радиаторов этого типа делает их идеальным решением для совместного использования с силовыми электронными компонентами c целью постоянного, качественного рассеянья тепла, особенно при дополнительном воздействии направленного воздушного потока.

Несмотря на небольшой вес, радиаторы данной серии обладают гораздо лучшими характеристиками в сравнении с игольчатыми радиаторами такого же размера выполненными из прессованного профиля, а в особенности штампованного алюминия.

Крепление радиаторов этой серии к определенным компонентам осуществляется с помощью термического клея, термической фольги или специальных зажимов.

Теплопроводящие трубки Теплопроводящая трубка представляет собой полую медную трубку, которая в вакуумной среде заполняется жидкостью и запаивается с обеих сторон. Эта жидкость переносит тепло от одного края трубки к другому с более высокой скоростью, чем если бы тепло распространялось через медь, материал, имеющий и очень высокую теплопроводность. Чаще всего в качестве рабочего тела, то есть, жидкости, заполняющей трубку, применяются спирты, ацетон или аммиак.

При нагревании жидкость, находящаяся внутри трубки, испаряется, и её пары перемещается в более холодную часть трубки, где они отдают тепло в окружающую среду (или радиатору) и конденсируются. Сконденсированная жидкость стекает обратно, в горячую часть теплопроводящей трубки, и цикл повторяется заново. Термическое сопротивление трубки очень низкое — от 0.002 до 0.01 C/W на один миллиметр длины, и оно обратно пропорционально переносимой через трубку тепловой мощности. То есть, чем больше рассеиваемая источником тепла мощность, тем меньше термическое сопротивление трубки, и тем эффективнее она будет работать. Внутри теплопроводящая трубка, обычно, имеет пористую структуру, за счёт чего жидкость по ней может двигаться в любом направлении — горизонтальном и вертикальном. В последнее время теплоотводящие трубки используются в кулерах для ноутбуков, в кулерах для видеокарт и центральных процессоров.

Теплоотводящие трубки выгодно использовать в тех случаях, когда надо эффективно перенести тепло на расстояние. Например, распределить между двумя радиаторами одного кулера или же равномерно распределить по поверхности одного радиатора.

Основная задача тепловой трубки — максимально быстро передать тепло с одного конца на другое. Как правило, тепловая трубка изготавливается из меди; внутри нее легкокипящая жидкость. Внутри трубки (в той части, которая наиболее приближена к источнику тепла) жидкость испаряется, поглощая тепло. А на другом конце трубки жидкость конденсируется, при условии если к трубке подсоединен какой-либо радиатор. Иными словами, «тепловая трубка» предназначена исключительно для передачи тепла, но сама по себе охладить процессор (или другой источник тепла) не в состоянии.