Герметичний мікроелектронний блок

1. Герметичний мікроелектронний блок, що містить виконаний з теплопровідного матеріалу герметичний корпус з основою та бічними стінками, всередині якого встановлено щонайменше один мікроелектронний модуль з потужним мікроелектронним елементом та теплову тр убу з двома відігнутими кінцями та прямою ділянкою між ними, причому відігнуті кінці встановлені із забезпеченням теплового контакту на внутрішніх поверхнях першої та другої, протилежної до першої, бічних стінках герметичного корпусу блока, та теплопровідну шину, що знаходиться в тепловому контакті як з U 2 (19) 1 3 29528 наявність двох ребристих радіаторів призводить до значного збільшення габаритних розмірів блоку. Крім того, з'єднання теплових труб за допомогою скоби, призводить до збільшення загального термічного опору конструкції, що знижує ефективність тепловідведення. Відома інша конструкція мікроблока з зовнішнім встановленням на його корпусі батареї теплових тр уб [див. рис.6.6. на с.88 в книзі Яшин А.А. Конструирование микроблоков с общей герметизацией, М.: Радио и связь, 1985г.]. Найбільш потужні тепловиділяючі елементи встановлені всередині корпуса, в верхній її частині, безпосередньо під верхньою основою корпуса блоку. Для зменшення габаритних розмірів задня стінка корпуса виконана зі скосом. Недоліком такої конструкції є збільшення габаритних розмірів мікроблоку внаслідок встановлення на зовнішній поверхні його корпусу батареї теплових тр уб і радіатора. Відома також конструкція надвисокочастотного мікроблоку, відведення теплоти від потужних мікроелектронних елементів (діодів Ганна) якого, розміщених всередині герметичного корпусу, здійснюється за допомогою трьох мініатюрних теплових труб прямокутного поперечного перерізу, зони теплопідведення яких розміщено всередині герметичного корпусу блока, а зони тепловідведення - ззовні нього, при цьому на зонах тепловідведення трьох теплових труб встановлено один спільний пластинчатий радіатор [див. рис.6.7. на с.88 в книзі Яшин А. А. Конструирование микроблоков с общей герметизацией, М.: Радио и связь, 1985г.]. Розміщення радіатора за межами корпуса мікроблока призводить до збільшення його габаритних розмірів, що є основним недоліком даної конструкції. Найбільш близькою до запропонованої за сукупністю ознак і технічному результату є конструкція герметичного мікроелектронного блока, що містить виконаний з теплопровідного матеріалу герметичний корпус з основою та чотирма бічними стінками, всередині якого встановлено підсилювальний мікроелектронний модуль з потужним мікроелектронним елементом (транзистором) та теплову трубу складної форми з двома відігнутими кінцями (ділянками тепловідведення) та прямою ділянкою між ними, до якої під прямим кутом приєднано ділянку зони нагріву теплової труби, причому відігнуті кінці встановлені із забезпеченням теплового контакту на внутрішніх поверхнях двох протилежних бічних стінок герметичного корпусу блока, а ділянку зони нагріву приєднано до теплопровідної шини, що знаходиться в тепловому контакті з поверхнею потужного мікроелектронного елемента [див. статтю Батуркин В.М., Николаенко Ю.Е., Галяутдинов Д.М., Владимиров И.Т. "Эффективное охлаждение мощного сверхвысокочастотного микроэлектронного блока" в журнале "Технология и конструирование в электронной аппаратуре", 2007г., №3, с.46-50, рис.1, рис.7 та текст], який вибрано за прототип. Теплова труба на всіх ділянках, окрім ділянки зони 4 нагріву, має поперечний переріз у формі прямокутного кільця, а на ділянці зони нагріву переріз має форму круглого кільця. Шари капілярної структури ділянки зони нагріву та інших ділянок з'єднані між собою та з корпусом теплової труби методом спікання. Паровий простір всіх ділянок теплової труби спільний. На поверхні теплопровідної шини, що контактує з потужним мікроелектронним елементом (транзистором), виконано паз, глибина якого більше висоти верхньої частини корпуса транзистора, виступаючої над фланцем. Шина має зовнішню форму прямокутного паралелепіпеда, в якому виконано циліндричний отвір для встановлення в ньому ділянки зони нагріву теплової труби. Теплоносій теплової труби - вода. Нижня поверхня фланця мікроелектронного елемента встановлена з забезпеченням теплового контакту на основі підсилювального модуля, який в свою чергу встановлено на теплопровідній основі блока всередині останнього. Конструкція пристрою-найближчого аналога дозволяє забезпечити ефективне відведення теплоти від потужного мікроелектронного блока як шляхом теплопровідності від нижньої поверхні основи транзистора до основи блока, так і завдяки передачі теплоти від верхньої поверхні фланця транзистора через теплові контакти, теплопровідну шину, корпус теплової тр уби і далі шляхом випаровувально-конденсаційного циклу всередині теплової труби до бічних стінок герметичного корпуса блоку без збільшення габаритних розмірів блока. Основними недоліками найближчого аналога є недостатні теплопередавальні характеристики блока, які обумовлені тим, що описаній конструкції притаманний значний [до 45%, див. рис.9 (криві І) та висновки на с.50 зазначеної вище статті] термічний опір між теплопровідною шиною і парою теплоносія всередині теплової труби, та низька технологічність виготовлення, що обумовлено складністю та недосконалістю конструкції теплової труби та теплопровідної шини. Оскільки теплопровідна шина в процесі монтажу повинна мати можливість переміщуватися по циліндричній частині зони нагріву теплової труби, то їх неможливо з'єднати наприклад паянням, що не дозволяє звести до мінімуму контактний термічний опір. Виготовлення описаної конструкції теплової труби з тр убної заготовки прямокутного перерізу є складним технологічним завданням, а зрощування шарів капілярної структури прямої ділянки і перпендикулярної до неї циліндричної ділянки теплової труби потребує спеціального технологічного оснащення, багаторічного досвіду та навичок відповідних фа хівців-технологів. В основу корисної моделі поставлено задачу створити таку удосконалену конструкцію герметичного мікроелектронного блоку з потужним мікроелектронним елементом та тепловою трубою і теплопровідною шиною всередині блока, яка б була те хнологічною в виготовленні та мала підвищені теплопередавальні характеристики. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у герметичному мікроелектронному блоці, 5 29528 який містить виконаний з теплопровідного матеріалу герметичний корпус з основою та бічними стінками, всередині якого встановлено щонайменше один мікроелектронний модуль з потужним мікроелектронним елементом та теплову тр убу з двома відігнутими кінцями та прямою ділянкою між ними, причому відігнуті кінці встановлені із забезпеченням теплового контакту на внутрішніх поверхнях першої та другої, протилежної до першої, бічних стінках герметичного корпусу блока, та теплопровідну шину, що знаходиться в тепловому контакті як з тепловою трубою, так і з поверхнею потужного мікроелектронного елемента, теплова труба на всіх ділянках має поперечний переріз у формі круглого кільця, теплопровідна шина має зовнішню форму зрізаної чотирикутної піраміди, в тілі якої з боку широкої основи виконана напівциліндричної форми канавка, за допомогою якої теплопровідна шина встановлена з забезпеченням теплового контакту на прямій ділянці теплової труби, а виступи, за допомогою яких теплопровідна шина встановлена з забезпеченням теплового контакту на потужному мікроелектронному елементі, виконано на поверхні вузької основи теплопровідної шини. При цьому середина довжини напівциліндричної канавки розташована на поверхні теплопровідної шини так, що поділяє пряму ділянку теплової труби на дві частини, відстані від лінії поділу до першої та другої бічних стінок корпусу блока дорівнюють, відповідно, відстаням від осі симетрії потужного мікроелектронного елемента до першої та другої бічних стінок корпусу блока. За рахунок такого удосконалення конструкції герметичного мікроелектронного блока стало можливим підвищити технологічність його виготовлення та зменшити термічний опір на ділянці між теплопровідною шиною та парою теплової труби, і як наслідок - підвищити теплопередавальні характеристики блока. Конструкція та принцип дії запропонованого герметичного мікроелектронного блока пояснюються кресленнями. На Фіг.1 показано вид зверху на герметичний мікроелектронний блок зі знятою верхньою кришкою. На Фіг.2 зображено теплову трубу з теплопровідною шиною в розібраному вигляді (для кращого сприйняття), на Фіг.3 - поперечний переріз теплової труби по лінії А-А в збільшеному масштабі, а на Фіг.4 - зовнішній вигляд виготовленого зразка теплової труби з теплопровідною шиною. Герметичний мікроелектронний блок (див. Фіг.1) містить виконаний з теплопровідного матеріалу, наприклад з алюмінієвого сплаву, герметичний корпус 1 з основою 2 та бічними стінками, всередині якого встановлено щонайменше один підсилювальний мікроелектронний модуль 3 з потужним мікроелектронним елементом 4, наприклад потужним транзистором, та теплову трубу 5 з двома відігнутими кінцями 6 та 7 та прямою ділянкою 8 між ними. Відігнутий кінець 6 встановлений із забезпеченням теплового 6 контакту (наприклад, за допомогою паяння) на внутрішній поверхні першої бічної стінки 9, а відігнутий кінець 7 теплової труби на вн утрішній поверхні другої бічної стінки 10, протилежної до першої бічної стінки 9 блока. Корпус 11 теплової труби на всіх її ділянках має поперечний переріз у формі круглого кільця (див. наприклад переріз по лінії А-А на Фіг.3) і виконано його з циліндричної трубної заготовки з теплопровідного матеріалу, наприклад з міді. До внутрішньої поверхні корпуса 11 теплової труби припечений шар 12 капілярної структури, спечений, наприклад, з мідного войлока. Теплоносій теплової труби - вода. На прямій ділянці 8 теплової труби з забезпеченням теплового контакту встановлено, наприклад, за допомогою паяння або, як варіант, за допомогою пластини 13 та гвинтів 14, теплопровідну шину 15, що має форму зрізаної чотирикутної піраміди (див. Фіг.2 та Фіг.4). З боку широкої основи в тілі теплопровідної шини 15 виконана напівциліндричної форми канавка 16, за допомогою якої вона встановлена на прямій ділянці 8 теплової труби, а з боку вузької основи на поверхні теплопровідної шини виконано два виступи 17 та 18, за допомогою яких теплопровідна шина встановлена з забезпеченням теплового контакту на потужному мікроелектронному елементі 4. Теплопровідна шина встановлена на тепловій трубі таким чином, що середина довжини напівциліндричної канавки 16 в теплопровідній шині 15 поділяє пряму ділянку 8 теплової тр уби (на Фіг.1 та Фіг.2 лінія поділу позначена літерами Б-Б) на дві частини, а відстані від лінії поділу на прямій ділянці теплової труби до першої бічної стінки 9 та другої бічної стінки 10 корпуса 1 блоку дорівнюють відповідно відстаням від вісі симетрії потужного мікроелектронного елементу 4 (на Фіг.2 вісь симетрії позначено штрих-пунктирною лінією) до першої бічної стінки 9 та другої бічної стінки 10 корпуса блоку. Герметичний мікроелектронний блок працює наступним чином. Теплота, яку виділяє потужний мікроелектронний елемент 4 при роботі блока, передається виступам 17 та 18 теплопровідної шини 15 (Фіг.2), які знаходяться в тепловому контакті з мікроелектронним елементом 4, а далі за рахунок теплопровідності по теплопровідній шині 15 до прямої ділянки 8 теплової труби. Оскільки вибране взаємне розміщення прямої ділянки 8 теплової труби, теплопровідної шини, мікроелектронного елемента та першої і другої бічних стінок забезпечує можливість їх монтажу при умові нераз'ємного з'єднання теплової труби і теплопровідної шини, наприклад, за допомогою паяння в напівциліндричній канавці, то термічний опір між ними значно зменшується і теплота ефективно передається до корпуса теплової труби в зоні контакту і до шару капілярної структури. Під впливом теплоти рідкий теплоносій у шарі 12 капілярної структури всередині теплової труби починає випаровуватися та кипіти, поглинаючи підведену теплоту. Температура насиченої пари та тиск у зоні випаровування підвищуються і пара рухається до більш холодних ділянок теплової 7 29528 труби, якими є відігнуті кінці 6 та 7 теплової труби, де пара конденсується і віддає заховану теплоту пароутворення. Конденсат під дією капілярних сил перекачується по шару 12 капілярної структури знову до зони випаровування на прямій ділянці теплової труби. Цикл кипіння-конденсації та передачі теплоти повторюється. Температура пари є однаковою по усій довжині теплової труби. Теплота від зовнішньої поверхні відігнути х кінців 6 та 7 теплової труби за рахунок теплопередачі по тепловому контакту передається бічним стінкам 9 та 10 відповідно, а від них природньою конвекцією та випромінюванням відводиться до оточуючого середовища. Передача теплоти від нижньої поверхні основи мікроелектронного елемента до основи підсилювального модуля і далі до основи блоку шляхом теплопровідності здійснюється аналогічно, як і в пристрої-прототипі. Таким чином, завдяки зменшенню термічного опору між теплопровідною шиною та прямою ділянкою теплової труби, зменшення щільності теплового потоку за рахунок збільшення поверхні теплового контакту між ними, високим коефіцієнтам тепловіддачі при кипінні забезпечується мінімальний термічний опір між теплопровідною шиною 15 та парою в тепловій трубі, що зменшує загальний перепад температури між потужним мікроелектронним елементом та корпусом герметичного блока, що підвищує тепло передавальні характеристики блока. Як засвідчили результати теплових досліджень, проведені в лабораторії теплових труб НТУУ "КПІ", де була виготовлена теплова труба і теплопровідна шина (див. Фіг.4), заявлена конструкція герметичного мікроелектронного блока у порівнянні із найближчим аналогом дозволяє зменшити перепад температури між теплопровідною шиною та парою в тепловій трубі з 24 до 9°С при потужності мікроелектронного елемента 50Вт, що призводить до відповідного зменшення загального перепаду температури від мікроелектронного елемента до корпуса блока. Пропоноване технічне рішення може бути використано при модернізації герметичного мікроелектронного блока, яке пов'язане зі збільшенням потужності мікроелектронного елемента, при умові збереження габаритних розмірів базового варіанта блоку. Таким чином, запропонований герметичний мікроелектронний блок є промислово придатний. Він є більш технологічним, у порівнянні з найближчим аналогом, та забезпечує підвищення ефективності охолодження блока за рахунок покращення теплопередавальних характеристик. 8 9 29528 10