Пристрій для охолодження та термостабілізації напівпровідникового приладу

1 Пристрій для охолодження та термостабілізац» напівпровідникового приладу, який містить у своєму складі напівпровідниковий кристал, термоелектричну батарею з холодною та гарячою пластинами, парову камеру з рідким теплоносієм, що знаходиться у тепловому контакті з однією із пластин термоелектричної батареї, та зовнішній теплообмінник який відрізняється тим, що парова камера з рідким теплоносієм встановлена між напівпровідниковим кристалом та холодною пластиною термоелектричної батареї, а зовнішній теплообмінник встановлений з забезпеченням теплового контакту на гарячій пластині термоелектричної батареї 2 Пристрій для охолодження та термостабілізац» напівпровідникового приладу за п 1, який відрізняється тим, що у паровому просторі парової камери розміщений датчик температури І Запропонований пристрій відноситься до галузі електронної техніки і може бути використаний при конструюванні потужних напівпровідникових приладів, зокрема, напівпровідникових лазерів При конструюванні апаратури мікро- та оптоелектроніки однією з важливих проблем є забезпечення нормального теплового режиму напівпровідникових елементів, оскільки підвищення температури р-n переходу напівпровідникового кристалу призводить до значного зниження надійності його роботи (див книгу Обеспечение тепловых режимов изделий электронной техники / А А Чернышев, В И Иванов А И Аксенов, Д Н Глушкова - М Энергия, 1980 - 216 с , рис 1 4 на с 9) Крім того, для напівпровідникових приладів оптоелектроніки, ьаприклад, таких, як напівпровідникові лазери, зростання температури знижує потужність оптичного випромінювання На функціональні характеристики напівпровідникових приладів, зокрема, напівпровідникових лазерів, негативно впливає не лише підвищення рівня температури, а також і недостатня стабільність температури кристалу лазеру у часі Так, у волоконно-оптичних системах зв'язку широко застосовується спектральне ущільнення каналів, тобто одночасна передача по одному скловолокну значної КІЛЬКОСТІ випромінювань напівпровідникових лазерів з різними довжинами хвиль Для надійного функціонування такої системи зв'язку різниця довжин хвиль суміжних спектральних каналів повинна складати частину нанометра Тому похибка фіксації довжини хвилі джерел випромінювання не повинна перевищувати 0,05 нм (див статтю Дианов Е М На пороге Тера-эры II Квантовая электроника - 2000 - Т 30, - № 8 - С 659-663), що можливо забезпечити лише шляхом термостабілізацм напівпровідникового кристалу лазера Відомий пристрій для охолодження та підтримування температури напівпровідникового лазеру в умовах експлуатації на заданому рівні в припустимих межах шляхом розміщення лазеру у термостаті (див статтю Заргарьянц М Н, Зборовский А А , Креопалов В И , Курбатов Л Н , Шляк Ф Д Применение полупроводниковых лазеров в малогабаритных линиях связи // Квантовая электроника Сб статей -1972 - № 3 ( 9 ) -С 101103, рис 3 на с 102) У відомому пристрої кристал напівпровідникового лазеру розташований всередині термостату з теплоізоляційного матеріалу, що значно зменшує вплив температури навколишнього середовища на тепловий стан кристалу лазера J забезпечує його роботу в діапазоні температур від минус 45°С до плюс 45°С Недоліком відомого пристрою є залежність температури напівпровідникового кристалу всередині термостату від можливої зміни електричних параметрів та потужності лазеру, що може призвести до порушення його функціонування Відомий ІНШИЙ пристрій для охолодження та термостабілізаціі напівпровідникових приладів, у тому числі напівпровідникових лазерних модулів, що наведений у статті Осинський В И , Вербицкий В Г , Николаенко Ю Є , Жук С К, Бобженко С В , Мержвинский П А Тепловые процессы в микролазерных устройствах информационных систем // Технология и конструирование в электрон 960 ной аппаратуре - 2000 - № 2, 3 - С 27 - 35, рис 6,6 нас 31 Пристрій для охолодження та термостабілізаЦ)і напівпровідникових приладів складається з корпусу, всередині якого розташовані термоелектрична батарея, п'єдестал, термодатчик, лазерний діод і фотодюд зворотного зв'язку та вузла вводу скловолокна Термодатчик та лазерний діод розташовані на металевому п'єдесталі Металевий п'єдестал та фотодюд зворотного зв'язку встановлені з забезпеченням теплового контакту на холодній пластині термоелектричної батареї Термоелектрична батарея своєю гарячою пластиною контактує з внутрішньою поверхнею теплопровідного корпусу лазерного модуля, від якого при роботі пристрою тепловий потік розсіюється в оточуюче середовище (повітря) До недоліків наведеного пристрою для охолодження та термостабілізацп лазерного модуля слід віднести значний термічний опір на шляху проходження теплового потоку високої ЩІЛЬНОСТІ від напіпровідникового кристалу з незначними геометричними розмірами, наприклад, 0,5 х 0,3 х х 0,2 мм, через масивні контактуючі елементи (п'єдестал, термоелектрична батарея, корпус) зі значною теплоємністю до оточуючого середовища та значну інерціиність пристрою, що призводить до підвищення рівня температури кристала лазера та зменшення його надійності при значній потужності лазерного модуля та підвищенні частоти випромінювання Відомі пристрої для охолодження та термостабілізацм напівпровідникових приладів, які містять у своєму складі парові камери, що працюють за замкненим випаровувапьно-конденсаційним циклом, завдяки чому, зменшується загальна різниця температур від джерела теплоти до оточуючого середовища 3 таких відомих пристроїв найбільш близьким до запропонованого, за сукупністю ознак і технічним результатом, є пристрій, що відомий з патенту Японії № 05167143 А від 1993 р МПК H01S 3/043, H01S 3/18 Пристрій-прототип для охолодження та термостабілізацп матричного лазерного напівпровідникового кристалу містить у своєму складі матричний лазерний напівпровідниковий кристал з тепловою потужністю 10 Вт, термоелектричну батарею з холодною та гарячою пластинами, мідну пщкладинку, що встановлена між напівпровідниковим кристалом та холодною пластиною термоелектричної батареї, мідний тепловідвід, що знаходиться у тепловому контакті з гарячою пластиною термоелектричної батареї, ЗОВНІШНІЙ теплообмінник та парову камеру з рідким теплоносієм, встановлену на ділянці від мідного тепловідводу до зовнішнього теплообмінника ЗОВНІШНІЙ теплообмінник виконаний у вигляді ребристого радіатора та призначений для скидання теплоти у оточуюче середовище, що її поглинає, наприклад, у повітря Для обдуву зовнішнього теплообмінника в конструкції пристрою передбачений вентилятор Парова камера виконана у вигляді теплової труби Наведений пристрій в деякій мірі дозволяє зменшити температуру матричного лазерного кристалу завдяки використанню на дільниці теплового тракту від мідного тепловщвода до зовнішнього теплообмінника теплової труби, що забезпечує передачу теплоти на цій ДІЛЬНИЦІ ШЛЯХОМ замкненого випаровувально-конденсаційного циклу, і підвищити надійність роботи напівпровідникового приладу Недоліками пристрою-прототипу є недостатня ефективність охолодження та значна інерціиність термостабілізацп, що призводить до обмеження функціональних можливостей напівпровідникового приладу та зниження надійності роботи в умовах експлуатації Це обумовлено значним термічним опором та високою теплоємністю конструкційних елементів в найбільш теплонавантаженій зоні відводу теплоти від джерела зі значною ЩІЛЬНІСТЮ теплової потужності, яким є, наприклад, лазер В основу корисної моделі поставлено задачу створити такий пристрій для охолодження та термостабілізацГі напівпровідникових приладів, до складу якого входить термоелектрична батарея з холодною та гарячою пластинами, парова камера та зовнішній теплообмінник, який би шляхом нового підключення термоелектричної батареї та парової камери до конструктивних елементів пристрою забезпечив підвищення ефективності охолодження, зниження інерційиості термостабілізацн та за рахунок цього - розширення функціональних можливостей напівпровідникового приладу та підвищену надійність його роботи в умовах експлуатації Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в пристрої для охолодження та термостабілізацп напівпровідникового приладу, який містить у своєму складі напівпровідниковий кристал, термоелектричну батарею з холодною та гарячою пластинами, парову камеру з рідким теплоносієм, що знаходиться у тепловому контакті з однією з пластин термоелектричної батареї, та зовнішній теплообмінник, парова камера з рідким теплоносієм встановлена між напівпровідниковим кристалом та холодною пластиною термоелектричної батареї, а ЗОВНІШНІЙ теплообмінник встановлений з забезпеченням теплового контакту на гарячій пластині термоелектричної батареї, причому у паровому просторі парової камери розміщений датчик температури Суть та принцип дії запропонованого пристрою пояснюється кресленнями На фіг 1 наведений пристрій для охолодження та термостабілізацп напівпровідникового приладу, парова камера якого виконана у вигляді термосифона, всередині якого розташовані напівпровідникові кристали, що охолоджуються, та рідкий теплоносій на фіг 2 - пристрій для охолодження та термостабілізацп напівпровідникового приладу, парова камера якого виконана у вигляді теплової труби, на поверхні якої розміщений напівпровідниковий кристал лазеру, що охолоджується Пристрій для охолодження та термостабілізацп напівпровідникового приладу (фіг 1) містить у своєму складі напівпровідникові кристали 1 потужного напівпровідникового приладу (або декількох приладів), термоелектричну батарею 2 з холодною пластиною 3 та з гарячою пластиною 4 парову камеру 5 з рідким діелектричним теплоносієм, наприклад, МД-ЗФ, ДЕФ, Фреон-113 Кількість рідкого теплоносія обрана такою, що його рівень повністю покриває всі напівпровідникові кристали 1, але до 960 пари в тепловій трубі (і, відповідно, у критичній зоні 7) і підтримування температури у заданих межах здійснюється аналогічно, як описано при роботі пристрою за фіг 1. Перепад температури між напівпровідниковим кристалом 11 і насиченою парою визначається коефіцієнтом тепловіддачі при пароутворюванні (або кипінні) в зоні випаровування теплово'і труби. У наведеному прикладі конструктивного виконання пристрою термодатчик у паровому просторі парової камери може бути відсутнім. У цьому випадку для підтримування заданої температури на сиченої пари і, відповідно, температури лазерного кристалу 11, та стабілізації її у заданих границях, використовують, наприклад, зворотній зв'язок з блоком керування 9 через фотодюд зворотного зв'язку У іншому, робота пристрою за фіг. 2 аналогічна роботі пристрою за фіг. 1. Таким чином, запропонований пристрій є промислово придатним і забезпечує підвищення ефективності охолодження та зниження інерційності термостабілізації, що сприяє підвищенню надійності та розширенню функціональних можливостей напівпровідникового приладу ФІГ.1 і з 5 ПАРА' . \ ' 7 a Фіг.2 960 верхньої основи парової камери ще залишається паровий простір Перед заповненням теплоносієм, парова камера вакуумується Парова камера 5 знаходиться у тепловому контакті з холодною пластиною 3 термоелектричної батареї 2, наприклад, припаяна до неї Гаряча пластина 4 термоелектричної батареї 2 знаходиться у тепловому контакті з ЗОВНІШНІМ теплообмінником 6 наприклад припаяна до нього Критична зона 7 (на фіг 1 та на фіг 2 показана точкою), температуру в якій в умовах експлуатації підтримують стабільною на заданому рівні, розміщена у паровому просторі парової камери 5 В критичній зоні 7 розміщений термодатчик 8 (на кресленнях показаний стрілкою), наприклад, термопара, який забезпечує зворотний температурний зв'язок з блоком керування 9 термоелектричною батарею 2 Напівпровідникові кристали 1 можуть бути покриті шаром 10 капілярнопористого матеріалу, наприклад склотканини Пристрій для охолодження та термостабілізації напівпровідникового приладу (або декількох приладів) працює наступним чином Під впливом теплоти що виділяється в потужних напівпровідникових кристалах 1 (див фіг 1) при роботі напівпровідникового приладу, рідкий теплоносій в паровій камері 5 починає випаровуватися (або кипіти) Шар 10 капілярно-пористого матеріалу зменшує небажаний динамічний вплив рідкого теплоносія на напівпровідниковий кристал при інтенсивному кипінні та сприяє термостабілізацп кристалу Температура насиченої пари у паровому просторі, у тому числі і у критичній зоні 7, підвищується і перевищує температуру верхньої основи парової камери 5, що знаходиться у тепловому контакті з холодною пластиною 3 термоелектричної батареї 2 Насичена пара конденсується на внутрішній поверхні верхньої основи парової камери і віддає їй заховану теплоту пароутворення Конденсат під дією сипи тяжіння повертається до рідкого теплоносія Температура рідкого теплоносія дорівнює температурі насиченої пари, яка вимірюється за допомогою термодатчика 8 Сигнал від термодатчика 8 передається до блоку керування 9 Блок керування 9 порівнює виміряне значення температури в критичній зоні 7 з заданою температурою стабілізації напівпровідникових кристалів 1, виробляє сигнал керування і подає його на термобатарею 2, внаслідок чого, температура холодної пластини З змінюється до рівня, що забезпечує задану температуру насиченої пари, а тим самим і в критичній зоні 7 Температура напівровідникових кристалів 1 перевищує температуру у критичній зоні 7 на величину, що визначається коефіцієнтом тепловіддачі від нагрітих напівпровідникових кристалів до рідкого теплоносія Для розрахунків коефіцієнтів тепловіддачі при кипінні рідин МД-ЗФ та ДЕФ можна використовувати співвідношення, що наведені, наприклад, у дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук Кравец В Ю Теплообмен при кипении жидкостей на микроповерхностях в большом объеме, применительно к охлаждению элементов радиоэлектронной аппаратуры - К , 1984, а при кипінні Фреона-113 - у книзі Туник А Т Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры жидкими диэлектриками - М Сов радио, 1973 пластині 4, теплопровідністю передається безпосередньо зовнішньому теплообміннику 6, який скидає її конвекцією та частково випромінюванням у оточуюче середовище, наприклад, у повітря Завдяки передачі теплоти на найбільш теплонавантаженій ДІЛЬНИЦІ, від напівпровідникових кристалів 1 до холодної пластини 3 термоелектричної батареї 2, шляхом високоефективного замкненого випаровувально-конденсаційного циклу, забезпечується миттєве встановлення заданого рівня температури напівпровідникових кристалів 1 та підтримання и в заданих границях незалежно від типу дестабілізуючих факторів чи то від впливу ЗОВНІШНІХ ЧИННИКІВ (наприклад, зміна температури оточуючого середовища), чи то від впливу внутрішніх чинників (наприклад, зміна потужності, або інших електричних показників) При цьому, теплова шерЦІЙНІСТЬ пристрою у часі суттєво зменшується, що дає можливість використовувати його у приладах з імпульсним режимом роботи, що розширює функціональні можливості пристрою ВІДВІД теплоти шляхом випаровувальноконденсаційного циклу з малим термічним опором на найбільш теплонавантаженій ДІЛЬНИЦІ знижує температуру напівпровідникових кристалів і підвищує надійність напівпровідникових приладів При виконанні парової камери 5 у вигляді теплової труби (див фіг 2) робота пристрою аналогічна наведеному прикладу з наступними особливостями При роботі потужного напівпровідникового приладу, наприклад лазеру, його напівпровідниковий кристал 11 виділяє теплоту, яка передається шляхом теплопровідності через тонку теплопровідну стінку корпусу теплової труби до рідкого теплоносія, що міститься у шарі 12 капілярної" структури, наприклад, зі спеченої металевої повсті, або одержаного за технологією, описаною у статті Николаенко Ю Е , Кравец В Ю Исследование режимов температурной обработки медных оболочек тепловых микротруб // Технология и конструирование в электронной аппаратуре 2000 - № 1 - С 19-22 Рідкий теплоносій (яким може бути у даному прикладі не тільки діелектрична рідина, а й ІНШІ речовини, наприклад, вода, яка має найкращі теплофізичні властивості), що знаходиться у шарі 12 капілярної структури зони випаровування (зона теплової труби, що знаходиться у тепловому контакті з напівпровідниковим кристалом 11), випаровується або закипає {в залежності від величини щільності підведеного теплового потоку), а його насичена пара рухається до більш холодної поверхні зони конденсації (зона, що знаходиться в тепловому контакті з холодною пластиною 3 термоелектричної батареї 2) При цьому виділяється захована теплота пароутворювання і за рахунок теплопровідності тонкої верхньої стінки теплової труби передається до холодної пластини 3 Конденсат з поверхні зони конденсації завдяки діям капілярних сил всмоктується в шар 12 капілярної структури і транспортується по ньому знову в зону випаровування Таким чином, передача теплоти шляхом випаровувально-конденсаційного циклу на дільниці від напівпровідникового кристалу 11 до холодної пластини 3 термоелектричної батареї повторюється Теплота, що виділена при цьому на гарячій Встановлення рівня температури насиченої 960 ДП "Український Інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв Лесі Украґнки, 26 (044)295-81-42,295-61-97 Підписано до друку ІЬ.Ц. 2001 р. Формат 60x84 1/8 Обсяг 0{ 5} обл.-вид арк. Тираж 50 прим Зам $ > Оі УкрІНТЕІ, 03680, Киів-39МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 і