автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Термоэлектрические устройства для охлаждения и термостатирования микроэлектронной техники

с

005043745

ЧЕЛУШКИНА Татьяна Алексеевна

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность

05.04.03-машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Автореферат

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Исмаилов Т.А.

Научный консультант: к.ф.-м.н., доцент Гаджиева С.М.

Махачкала - 2012

1 7 мдм 2012

005043745

Работа выполнена в Федеральном госудфственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования « Дагестанский государственный технический университет».

Научный руководитель:

доктор технических нау к, профессор ИсмаиловТагир Абдурашидович Научный консультант:

кандидат физию-математических нау к,доцентГаджиева Сол тан аг Мага мвдоша

Официальныеоппоненты:

доктор технических нау к, профессор Сулин Александр Борисович, ФГУП «НИИ промышленной и морской медицины», заведующий лабораторией теплофизических технологий;

кандидат технических наук, доцент Шабанов Шабан Шафиевич, ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный университет», доцент кафедры экспериментальной физики

Ведущая организация: ОАО НПК "Русская радиоэлектроника"

Защита диссертации состоится «29» мая 2012 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета К212052Й1 в ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», 367015, г. Махздкала, пр. Имама Шамиля 70, ауд.202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Дагестанский госудфственный технический университет»

Авгорефератразослан «28» апредя2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,доцент

Евдулов О.В.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В софеменной электронике все острее становится задача по обеспечению оптимальных температурные режимов для микрозяекгронной техники (МЭТ). Это обусловлено увеличением степени интеграции полупроводниковых кристаллов при однофеменном повышении быстродействия полупроюдниювых приборов. В результате общий уровень тепло выделений фисталларезю возрастаети традиционные методы отоэта тепла не обладают достаточной эффективностью, так как тепловые потоки должны проникать через кристалл, подложу и корпус, причем все эти тепловые барьеры накапливаются и затрудняют теплоперенос от активных тепловыделяющих ксмпонентовполупроводниговых приборов внутри МЭТ к внешнему теплоотводу для переноса тепла в окружшогцую среду в виде иэндукции, мэнвекции или излучения.

Дополнителшая проблема возникает в виде термических ударов внутри интегральною кристачла, так как высокое быстродействие и нестационарный характер работы МЭТ может привести к локальным перегревам отдельных зон кристалла Проблема усложняется за счет инерционности процессов теплопереноса. Традиционные методы не способны обеспетить необходимое термостатирование режимов работы полупроводникового интегрального кристаллапри нестационфных режимах функционирования.

В настоящее гремя все большую актуальность приобретают методы отвода тепла, СЕЯзанные с непофедственным охлаждением нафетьк участков кристалла. К ним относятся р-и-пфеходы, зоны контактов металлов с полупроводниками. Тепловыделениями тоюв за счет эффекта Джоуля, протекающих через металлы и полупроводники, можно пренебречь, так как они на порядок меньше тепловыделений за счет тфмоэлектрических явлений в полупроводниках и металлах.

Для повышения эффективности систем охлаждения полупроюдниювых кристаллов целесообразно применить новые методики на основе принципиально новых ¡обструкций электродом зинтефачшых схемах и охлаждающих модул ей.

С, ть ^редлатемей методики охлаждения состоит в том, что нафетый кристалл полупроводник) во го прибора будет охлаждаться при томощи дополнительного поглощения тепла в виде биметалличесмэго электрода, причем чфез электрод протекает ток из дополнительного источника питания с ■ одного металла к другому таким образом, что спай биметаллического х народа, находящийся в электрическом и кондукгивном контакте с нафетым полупроводниковым ф и стал л ом, будет охлаждаться и отбираг,, тепло непофедственно от нафетой зоны наружу в источник питания. При такой методике охлаждения можно эффективно управлять процессом теплопфеноса с малой инфционноегью. В софеменных евфхболылих интефатьных о:.мах (СБИС) каждый пфеюпочаюьций элементнаоснове полупроводниковых приборов обладает металлическими выводами, и если их заменить на биметаллические, то от каждого работающего или неработающего транзистора можно отвести часть тепла, что повышает быстродействие процессов теплопфеноса, уменьшает количество тепловых барьфов, а также позволяет в широких пределах осуществить регулирование процесса охлаждения за счет изменения величины тока в биметаллических алектродж. Таким образом, тепло изнутри СБИС от участков фистатла фитичных к высоким темпфатурам и тфмическим удфам будет пфенесено электронами ю внешний источник питания практическиI ц'е критичный куветичению тепловых нагрузок. "Г

Дополнительный отвод тепла непосредственно от ннтсфатьпого кристалла в окружающую феду можно осуществить, разместив в кондукгивном контакте на поверхности тепловыделяющего полупроводниювого иятефалытого кристалла принципиально новый тип термомодуля на основе матрицы последовательно соединенных ультрафиолетовых светодиодов. Предлагаемая матрица электрически идентичнаобычному тфмоэлеюричесюму устройству (ТЭУ) в виде последовательно соединенньк /»-«-пфеходов. Однаю алектроны, пфеходя из одной зоны в другую, выделяют энфгию не в виде тепла, а в виде излучения, причем желательно вместо инфракрасного или видимого спектра излучения использовать ультрафиолет, кванты которого обладает большей энфги ей.Отсюда следует, что количество энфши, которая отдается электронами па этих пфтаодах в виде ультрафиолетоюго излучения, будет равно количеств энфгии, поглощенной этими электронами на обратных пфеходах. Предлагаемые ТЭУ обладают дополнительным преимуществом за счет отсутствия кондукгивного паразитного теплопфеноса между горячими и холодными спаями, моторый ь традиционных ТЭУ снижает их эффективность. Таким образом, имеется возможность мгновенно, со скоростью света, огводмть тепло от полупроводниковых ингефальных схем чфез прозрэшые корпуса в виде ультрафиолетоюго излучения в окружающую феду, что позволит повысить степ еньинтефации, мощность и быстродействие полу про год ни ю вых схем за счег повышения эффективности систем охлаждения.

Для повышения эффективности работы ТЭУ (оообенно изготовленных по тоню и толстоплеточным технологиям) также можно применить нопые методики на основе регулирования токов питания тфмо модул ей. Традиционные методы по использованию постоянного тока различного значения или нестационарного тока в виде импульсов, пульсаций и других типов не обеспечивали оптимальных тепловых режимов работы Тфмомодуля, так как не были учтены все электрофизические процессы внутри полупроводника и на контактах тфмомодуля. Для того чтобы электрон осуществил обмен энфгаей с металлическим спаем, требуется некоторое фемя. Поэтому целесообразно применить импульсное питание, причем скважность между импульсами соответствует временному интфвалу, необходимому для тою, чтобы все электроны завфшили обмен энфгией с атомами горячих и холодных спаев. В результате электроны в тфмомодулебудутсфуппированы в виде энфгетических пакетов дискретно пфемещающихся от одного типа спая к другому. В паузах происходит энфгетический обмен с кристаллами спаев. Длительность импульсов должна соответствовать, с учетом длины свободного пробега электронов и геометрических размфов тфмомодуля (высота р и п ветвей), фемени необходимому для пфемещения группы элеетронов в виде энфгетичесиэго пакета от одного спая к другому. 1фоме того, импульсное питание позволяет увеличить амплитуду тока питания по фавнению с постоянным током питания за счет пауз между импульсами, во фемя которых тфмо модуль частично охлаждается,не выделяя Джоулевого тепла.

Все вышеизложенное обуславливает актуальность проведения данного исследования. На основе проведенного анализа сформулируем цели диссфтационной работы.

Цель диссертационного исследования. Целыо диссертационного и сет едо ван и я явл яется р азр або тка и и ссл едо вани е охл аэвд ающих ТЭУ дл я МЭТ.

В соответствии с целыо исследования в диссфтации поставлены и решены сл еду ющи е зада чи:

1. Разработка биметаллических электродов в СБИС для термоэлектрического охлажден и я теп л о выдел яющих компонентовМЭТ.

2. Разработка ТЭУ со стационарным отводом теплав виде излучения.

3. Разработка математических моделей (ММ) биметаллических электродов в полупроводниковых приборах для тфмо электрического охлаждения тепловыделяющих компонентов МЭТ.

4. Разработка ММ ТЭУ оо стационфнымотюдомтеплаввидеизлучения.

5. Разработка ММ ТЭУ симпульсным питанием.

6. Создание устройств и методик для охлаждения тепло вьщ ел яощих ко мп о н а I то в и п тс гр ал ьн ых схем.

7. Проведение комплекса экспериментальных исследований для подтверждения теоретических данных.

8. Практическая р еатпзаци я р езул ьтато в работы.

9. Разработка рекомендаций для уменьшения тепловыделений компонентов интегральных схем.

Предметом исследования являются электрофизические процессы, происходящие в охлаждающих ТЭУ в стационарных: и нестационарных режимах работы.

Объектом исследования являются системы охлаждения МЭТ, причем акцен тируется о тюд тепл а н ело сред ственно от тепло выл ел яющих компонентов.

Пред мот д нссер та цно нпо го исследовании - оозданиеТЭУ с отюдом тепла в виде ультрафиолета во го излучения и разработка биметаллических охлаждающих элегародовдляМЭТ в стационарных и нестационарных режимах работы.

Теоретическую и методическую основу диссертационного исследования составляют принципы системного подхода, теория теплопроводности твердых тел, математическая статистика, численные методы решения дифференциальных уравнений, метод конечных элементов и экспериментальные методы исследования.

Научная новизна диссертационного исследования. При решетии задан, поставленных в диссертационном исследовании, получеты следующие осношые но вые нг/чшлерезул ьтаты:

1. Разработан принцип построятия биметаллических электродов в СБИС с просярэнственнымразнесением зон поглощениям выделения в МЭТ.

2. Разработана принципиально новая структура ГЭУ со стационарным отюдом тепл а в вид е и злу ч ен и я.

3. Разработана ММ биметаллических электродов в полупроводниювых приборах для термоэлектрического охлаждения тепло вьд ел яющих компонентов МЭТ и выдел а) и я тепла во внешних независимых источниках питания.

4. Разработана ММ безинерционных ТЭУ со стационфным отюдом тепла в видеизлучення.

5. Предложен спогаб формирования импульсного питания ТЭУ с учетом тепло физических свойств полупроводниковых материалов в виде длины свободного пробега ал ектронови дрейфовой скорости движениязарядов. Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что

разработанные ТЭУ для охлаждения МЭТ позволят повысить надежность и эффективность функционирования аппаратуры при стационарных и нестационарных режимах засчетоптимального термостатирования.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертационной работе методы, расчетные модели и устройства использованы при выполнении госбюджетной на/чно-иссчеловательекпй раэоты в рамках

тематического плана ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет». Основные результаты диссертационной работы внедрены в ко мпыотеризиро ванную аппаратуру связи и кодирования информации МВДРД, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет».

Апробация результатов исследования. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуадались на Региональной НТК «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты» (Махачкала, ДГТУ, 2006 г.), XXV, XXVI, XXVIII и ХХЕХ и то го вых НТК пр епод авател ей, со трудни иэ в, асп ир ан то в и сту д енто в ДГТУ (Махачкала, ДГТУ, с 2004 по 2008 гг.), III Всероссийской НТК «Оэстояние и перспехти вы развитая термоэлектрического приборостроения» (Мак ач кал а, ДГТУ, 2007 '.), научно-технических семинарах кафедры теоретической и общей злеетр ■техники ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» с 2006 по 2011 гг., получены золотые медали наXIV Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД -2011» за разработку «Споооб отвода тепла от тепловьда[яощих :л героиных компонентов в виде излучения» (Россия, Москва, 05 А4 - 08.042011 г.) и h;iXV Юбилейном международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД - 2012» за разработку «Способ охлаждения полупроводник)вых тепловыделяющих электронных компонентов через биметаллические термоэлектрические электроды» (Россия, Москва,20 ЮЗ - 23 ЛЗ 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 1 статья, 16 докладов и тезисов докладов на нгучных конференциях, получены 2 пагентаи положительноерешениенавьдачу патентаРФ наизобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоитиз введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Объем работы - 135 страниц машинописного текста, содержит 6 таблиц, 55 рисунюв, список литературы включает 123 наименований и приложений.

2.КРАТКОЕСОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении amo обоснование актуальности темы диссертационной работы и опр ед ел ен а пр актич еская н апр авл енно сть р езу л ьтато в и л о гическая связ ь гл ав.

В первой главе «Обзор литературы и постановка задачи исследования» данахгр акгеристи ка существующих в н aero ящ ее вр емя методов отюда теплоты от МЭТ, проведен их критический анализ на предмет возможности использование для обеспечения температурного режима МЭТ. Анализ традиционных методоч охлаждения показал, что применение систем обеспетения тепловых режимов МЭТ наоснове кэнду ктивного, конвективного и охлаждения излучением часто яачяется невозможным из-за эксплуатационных и массогабаритных ограничений.

Обзор литературы по термоэлектрическому охлаждению показывает, что на сегод 'яшний день в этой области накоплен большой теоретический и экепеоиментальный материал, разработано и внедрено большое количество разнообразных аппаратов, устройств и приборов. Показано, что наиболее целесообразно применение термоэлектрических способовохлажденкя.

Однако следует отметить, что на сегодняшний день недостаточно рассмотрены вопросы, касающиеся возможности эффективного применения в охлаждающих ТЭУ новых полу про воднию вых материалов, успешно применяемых в других полупроводниковых приборах, например, в светодиодах. Для решения у казанньк задач, не решенных в настоящее тремя в полной мере, в диссертационной работе предложена схема охлаждения СБИС на базе охлаждающих биметаллических электродов, выполненных в едином

технологическом процессе при производстве интегральной схемы, причем охлаадаощие спаи поглощаот тепло непосредственно внутри СБИС в зонах тепловыделения, а выделение тепла происходит ю внешних независимых источниках питания, причем работа системы охлаждения как в стационарном, так и в нестационфном режимах пракгачески не оказывает никаких помех в работе самой СБИС. Кроме того, предложено при импульсном питании 'ГЭУ учитывать теплоф«", чческие параметры полу про водни мэ вых ветвей (длину свободного пробега, серость дрейфа зарядов, время для обмена энергией при соудЕрениях зарядов с фисталличесмэй решеткой), что позволит повысить эффективность р ¿боты охл а»д аощих ТЭУ.

С учетом проведенного обзора сформулирована цепь диссерта тонной работы. Поставлены задени диссертационной работы, которые необходим' ранить длкдостиженияу казаннойцели.

Во второй главе «Математические модели термоэлектрических полупроводниковых устройств, функционирующих в стационарных режимах» рассмотрены ММ охл задающих биметаллических электродов С*-И С для МЭГ и излучающих ТЭУ.

Одним из достоинств термоэлектрического охлаждения является независимость эффективности процессов от масштабного фактора. Поэтому величина холодильного коэффициента термоэлектрическою холодил шика может быть получена при рассмотрении единичного биметалличестго термоэлемента, т.е. простой пары разнородных проводников. Ток / проходит через термоэлемент, один из спаев которого находится в контакте с тепловой нагрузкой, а с другого отгодится тепло. Биметаллический термоэлемент должен состоять из проводников, имеющих соответственно положительный и отрицательный абсолютные коэффициенты Зеебека. Температурахолодного спая уменьшается по сражению с температурой горячего спая на величину А Т. Полное сопротивление Яохлазвдаощего биметаллического термоэлемента:

где/ознгнает длину, 5- площадь поперечного сеченияи а— алектропроюдность ветвей охлаэдающего биметаллического термоэлемента.Общая теплопрогодность /Стух пэраллелеиых ветвей термоэлемента

К = + (2) А '2

где к - удельная теплопрогодность. Величина охлаэвдания на холодно спае в результате эффекта Пельтье равна %ц1. Из пфгого соотношения Том: 'на она

раша а21 /, где ац - дифффенциалшая термо-ЭДС, Тм - редняя

абсолютная темпфатура. Эффекту охлавденияпрепятствует Джоулею тепло (для металлических выводов оно незнаштельно) в ветвях и тепло, подводимое от горячего спая (спай расположен ше СБИС внутри независимых источников питания). Полотна всего Джоулева тепла пфесодит к каждому из а.аев. Количестю тепла (пренебрежем Джоулевым теплом), поглощаемого холодным сп аем от и сточни ка в единицу вр емени, равно

Эффектом Томоонаможно пренебреть.

Часть разности потенциалов, приложенной к биметаллическому тфмоэлементу, приходится на сопротивление ветвей, а часть компенсируется

(1)

(3)

напряжением, возникающим в результате наличия разности температур между спаями, в соответствии с эффектом Зеебека. Итак, мощность IV, потребляемая тер мо элементом, равна

IV = 0СцАТ-1. (4)

Характеристика эффективности охлаждаощего ТЭУ определяется как

соотношение —. Следовательно,холодильный коэффициент IV

КАТ

(5)

а2[АТ1

Дляданной пары термоэлектрических материаловхолодильный коэффициент охлаждаощего биметаллического тфмоэлемента является функций тока /, а также сопротивления Я и теплопроводности К. Однаго, две последние величины не являются независимыми, они весьма просто связаны ч ерез размеры атементов. Для заданной холодопроизюдительносш отношение длины к площади попфеянош сечения элементадолжно возрастать сростом электропроводности. ?> достигает максимума, когда размеры элементов подчиняется следующему соотношению:

' ь V2

та I (6)

/2S,

ffzk2

Тотда

ч>=-

(7)

(8)

a21AT(m)

Дифффенцированием <p можно найти оптимальный ток для заданной разности темпфатур

(/4,- = . где: ___El-(9)

<р 2,0

g 10 AT. "с

' Рисунок 1 - Зависимость' холодильного коэффициента биметаллического ТЭУ от разности температур для средней температуры 290 К

Подставляя оптималшую величину из выражения (6) в уравнение (7), находим, что максималшая хфактфисгика эффективности выр ажается как

г,ду1+2ги-1; 1 п0)

<Ршкс - дгу1+2Ти +1) 2- ^

Очешдно, кшда заданы величины Тм и ДТ, характфистока эффекташоста возрастает с увеличением 2. Поэтому 2 является фитфием эффективности или добротности длябиметалличесюго тфмо элемента.

Следует заметить, что коща 2 стремится к бесконечности, то величина ср, получаощаяся из уравнения (10), приближается к (ги-АТ/2)/АТ. Уравнение (10) может быть

AT"»™ 120

100 80 60

40 20

/ /

/ /

/

/

/

использовано для определения максимального значения разности температур на охлаждающем биметаллическом термоэлементе, находящемся в адиабатическом режиме. При этих условиях 0, а потому и (р падаютдо нуля, тахчто

А Т„,

= 2 Г„

1 2 3 4 5

г'к'ю3

Рисунок 2 - Зависимость максимальной разности температур биметаллического ТЭУ от параметра добротности при средней температуре 290° К

.-г——- (П)

Ф+zr*, +1

Рисунок 1 показывает, как изменяется величина холодильного коэффициента в зависимости от разности температур для возможного диапазона изменения величины Z, а рисунок 2 показывает, как максимальная разность температур зависит от величины Z. На обеих диаграммах средняя темперагурабьшапринятарашой 290°К (17°С).

Применение биметаллических электродов имеет преимущество перед полупроводниковыми материалами, так как в данном случае важно невысокое значение сопротивления проводников. Кроме того, за снег параллельного соединения всех биметаллических электродов также снижается общее сопроти вл ение ТЭУ.

Обобщенная тепловая модель охлаждающего ТЭУ со стационарным отюдом тепла в виде излучения, представленная нарис. 3, включает целый рад практических задач расчета температурных полей в монолитных многослойных светоизлучающих структурах (МСС).

Рассматриваемая область V шириной L и толщиной А состоит из п слоев, причем i-и слой характеризуется толщиной <5,, коэффициентом теплопроводности Л,-. Источниками теплового поля являются внутренние источники теплоты с уделшой мощностью q, и внешние тепловые потоки на поверхности структуры с плотностао Q,. Модель, изображенная на рис. 3, состоит из однородных параллельных слоев и не содержит аномальных границ раздела сред, так как все

с одноименным семейством координатных поверхностей у — const; теплопроводность слоев А( не изменяется вдоль указанных границ.

Обобщенная тепловая

модель ТЭУ со стационарным отюдом тепла в виде излучения, изобр аженн ая н а ри с. 4, отно сится к гибридным МСС. Эта модель содержит две аномальные границы раздела сред, являющиеся границами раздела слоеви - 2,п -1 и п -1 ,п (наэтих границах зависимость

теплопроводности от координаты х имеет ступенчатый вид). Такие границы характерны, например, для гибридных матричных МСС

границы слоев совпадают

4

1

г:

_ 3-

4

- в-1

- п-1

о

V

: а

х

Рисунок 3 -Обобщенная тепловая модель МСС без аномальных границ раздела сред

Рисунок 4 -Обобщенная тепловая модель МСС с аномальными границами раздела сред

УФ - диапазона.

В наиболее общем виде температурное поле в МСС, обобщенные тепловые модели ТЭУ которых представлены на рис. 3 и рис. 4, определяется из уравнения теплопроводности

рс— = div{ЛgradT)+q (12)

Ы

при граничных условиях:

Г=Г, навь ,дТ

хЦ-^

дп

О на52,

Л—+а(Т-То) = 0 навз дп

и начальном условии: Т=Т* при /=?о.

Кроме этого, температурное поле в МСС сопряжения на границах раздела слоев / и у.

,дТ

удовлетворяет

ТгЪ

,дТ

дп

(13)

(14)

(15) условиям

(16)

где Т - температура; р - плотность материала; с - теплоемкость; X - коэффициент теплопроводности; q - удельная мощность источников теплоты, которая считается положительной, если теплота подводится к структуре; 0 - поток теплоты на части границы 5, который считается положительным, если теплота теряется структурой; а - коэффициент теплообмена с окружающей средой с температурой Т0; -температура на части границы Я; Т* - начальное распределение температуры; Б в] и 82 и 53 - полная граница многослойной области V; п - внешняя нормаль к границе 5.

Модель (12) - (15) является ММ для расчета температурных полей в МСС ТЭУ со стационарным отводом тепла в виде излучения. При расчете температурных полей в МСС целесообразно пользоваться частными моделями, соответствующими общей. Отметим также, что в ряде практических случаев на боковых поверхностях тепловых моделей, представленных на рис. 3 и рис. 4, имеет место условие адиабатичности.

Поэтому вместо граничного условия (14) можно использовать граничное

условие

^ = 0. дп

(17)

Если температурное поле в МСС стационарно, т.е. процесс установившийся то ураг> ;ение (12) преобразуется к виду

¿/у(Л£гай?Г) + 9 = 0. В случае, когда теплофизические характеристики являются функциями декартовых координат, из (18) получаем

(18) только

аЛ дх) ЗД ду) Это уравнение имеет вид:

аД дх) эД ду

Уравнение (20) применяется для решения двумерных задач температурных полей в МСС ТЭУ со стационарным отводом тепла излучения с плоскостной симметрией при следующих граничных условиях:

'¿га—

-дТ) „

7Гш0-

дп

(19)

(20)

расчета, в виде

и условиях сопряжения на границе раздела слоев / и у (16).

Таким образом, задача расчета температурных полей в МСС сводится к решению сопряженной задачи теплопроводности при разнородных граничных условиях, заданных на различных участках границы 5 многослойной области V.

В основу методики решения краевой задачи (20)-(21), (16) положен метод конечных элементов. Решение этой задачи эквивалентно минимизации функционала

(22)

Для упрощения дальнейших преобразований введены матрицы

ГэгагУ" м=(я о

,55ду)' [С] 1,0 Л С учетом обозначений (23) функционал (22) после преобразований

вид: К = ^ {[¿Г + ]27У.<?.

Область V разбита на непересекающиеся конечные элементы с системой базисных функций М, /=1,2,3. Введем в рассмотрение функции определенные на отдельных конечных элементах. Элементарный вклад конечного элемента И4 в общие значения функционала (24) определяется равенством

= |1[б<"]г[с<'>][б<'>]^- + {^"Г"1^. (25)

М-(|

(23) примет

(24)

С учетом (25) выражение (24) примет вид:

(26)

где N - общее число элементов, на которые разбита многослойная область V.

Для того чтобы минимизировать функционал /% необходимо продифференцировать выражение (24) по {7} и результат приравнять нулю:

8Р — " (27)

I Zj г•

8{Т} %д{т}

где {7} - узловые значения искомой функции Т. Искомая функция Г определена для каждого конечного элемента через базисные функции А7, следующим образом:

{7}.

Таким образом,

г Э<> дЫ? дЫ^

и=

(дГ

дх

дТ

дх дх дх dNl" dN<" dN<,'>

Г71]

Тг ф«>]{г}. (28)

UJ J

ду ду ду

После дифференцирования выражения (26) по {7} с учетом выражений (25) и (28) и приравнивания результата нулю получим систему уравнений

№} = И; M=SH; И=£И; f<"= JM^'W;

/и ,.«>

[/">] = .- j[w(,>]0">dS. (29)

,4.1 S..l

Для учета граничных условий Дирихле (21) систему уравнений (29) преобразуем с помощью метода Джордано-Гаусса. С помощью разработанного комплекса программ были рассчитаны температурные режимы работы гибридной

МСС охлаадающего ТЭУ со стационарным отводом тепла в виде излучения с учетом геометрических размеров кристаллов, полупроводниковых межсоединений, тепловьщелений в кремниевой интегральной схеме, первичной обработки сигналам известных теплоприто ках через границы54и 55.

Расчет проюдился для матричного охлаждающего ТЭУ со стационарным отводом тепла в виде излучения сразмером фи стал л а светодиодной матрицы7х7 мм и размером кристалла кремниевой интегральной схемы 10x10 мм. Высота полупроводниковых межсоединений составляла 10 мкм при площади их сет ений 50x50 мкм. Решалоаьуравнениетеплопро водности (20) с граничными у сносями

ЗТ

5П=313£на5,; ¿— + 2 = 0 на54и55; ^ = ° на(30)

иусловиях сопряжения границразделаслоев г'иу'06).

В результате расчетов бьши получены зависимости максимальной темп ер ату р ы р абоч его слояот тепловыделений в кремниевой интегральной схеме, от теплопроводности клея, от теплоприто ю в через проволочные межсоединения кремниевой интегральной схемы с выводами корпуса и от рассогласования полу про водниювых столби юв-юн такго в.

Результаты расчетов показали, что рассогласование полупроводник)вых столбию в-контакта в при сборке гибридных многослойньк ТЭУ со стационарным отводомтеплав видеиэяучениянедолжнопревышатьЗ мкм.

ИзММочешдно преимущество использованияультрафиолелового диапазона дляполучениябольшей эффектишости охлаждающего ТЭУ.

В третьей главе «Экспериментальные исследования термоэлвстрическш устройств» представлены результаты экспериментальных исследований охлаядаощих биметаллических электродов и излучающих ТЭУ. Эксперименты проводились с целью подтверждения адекватности ММ физическому процессу и дляпроверки правильности сделанных наих основе выводов.

Объектами экспериментальных исследований были опытные образцы охлаждающих биметаллических электродов и излучающих ТЭУ.

Экспериментальный стенд (рис. 5) л •> 5 содержит управляемый блок питания 5,

позволяющий сформировать четыре независимых источника для питания исследуемых образцов ТЭУ 2 и управления режимами работа имитатора тепловых нагрузок 3, который позволяет в широком диапазоне варьировать тепловые нагрузки с высокой точностью за счет применения прецизионного ТЭУ в качестве имитатора тепловых потоков, причем горячий спай ТЭУ находится з кондуктивном контакте с исследуемым образцом кристалла, а холодный спай находится в кондуктивном контакте с контейнером, содержащем плавящийся лед 1. Применение льда в состояний фазового перехода позволяет с высокой точностью обеспечивать температуру холодного спая ТЭУ, а это, в свою

Рисунок 5 - Схема экспериментального стенда для испытания охлаждающих ТЭУ

so

60

40 20 О

50

100

Рисукок 6 - Температурный график

рлооты биметаллических электродов з СБИС для различных металлов (спай алюминия с: 1 золотом; 2 серебром; 3 железом; 4 медью)

Тп,°С4 очередь, повышает точность формиро-

вания температуры горячего спая и количество теплоты, поступающей через ТЭУ в испытуемый образец кристалла. Для определения основных параметров охлаждающих ТЭУ при испытаниях замерялись следующие величины: температура, ток питания и время выхода в стационарный режим соответствующих ТЭУ. Все температурные измерения осуществляются медь-константановыми термопарами 4, холодные спаи которых были термо-стабилизированы при 0 °С.

Для измерения термо-ЭДС, : ipa6a-тываемого термопарами, при снялся аналого-цифровой интерфейс 9 типа Е14-440ADD A converter с автоматическим вьйоромпределовизмерения с низким урошем погрешности измерения (порядка 0fi2 %)и интерфейсомиЗВ подключения кПЭВМ 10.

Программноеобеспечение аналого-цифрового интерфейсаб, 7,8,9 тапаРН-440AD/DA converter позволяет проюдить обработку данных как в виде б зы данных, относительно заданного временного интервала, так и в графическом отображении, при этом формируется файл данных, позволяощий сохранять полученную информацию длядальнейшей анализаи обработки.

В ходе эксперимента определялись напряжения и ток на охлаждающем ТЭУ, температура окружающей среды, температуры на биметаллических контактах, температура на холодных спаях излучат ющих ТЭУ.

В результате проведения эксперимента установлено, что образцы охлаж-даощих биметаллических электродов в СБИС позволяет для различных сочетаний металлов в спае получить температурный график(рис.б).

Эксперимент подтвердил правомерность разработанных ММ и получетных на их основе теоретических положений. Среднее отклонение эксп ер и мен тли тык данных от расчетных составило не более 9 %навсемдиапазонеизмерений.

В результате эксперимен этшых исследований ТЭУ сотводом тепла в виде излучения для термоэлектрического охлаждения тепловьвделяощих компонентов МЭТ можно сделать вывод о целесообразности охлаждения нагретого кристалла полупроводникового прибора при помощи излучения, причем мощность

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1, А

Рисунок 7 - Сравнение расчетных и экспериментальных температурных зависимостей работы излучающих ТЭУ

различного светового диапазона: 1 - обычный ТЭУ, 2 - излучающий ТЭУ в красном диапазоне, 3 - излучающий ТЭУ в желтом диапазоне, 4 -излучающий ТЭУ в зеленом диапазоне, 5 - излучающий ТЭУ в ультрафиолетовом диапазоне

охлаждения прямо пропорциональна частоте излучения (рис. 7). Таким образом, применение оптических матриц в виде светодиодных матриц ультрафиолетового диапазона позволяет изготовить высо ко эффекта ей ые малоинерционные системы охлаждения для МЭТ. Кроме того, частично можно рекуперировать световое излучениеобратНо в электроэнергию при помощи солнечных батарей (до 30 %).

Эксперимент подтвердил прагомерность разргботанных ММ и полученных на их основе теоретических положений. Среднее отклонение экспериментальных д анн ьк о тр ася ешжшеташло н е бол ее 11 % н а всем ди ап азон е измф ений.

В результате, экспериментальных исследований ТЭУ с отводом тепла с импульсным питаньем для тфмоэлектрического охлаждения тепло взд ел яощих компонентов МЭТ можно сделать вывод о целесообразности применения импульсного питания, причем для каждого конкретного ТЭУ «ущеспуют свои оптимальные значения параметров импульсов, позволяющие достичь максимал ьного режима хладопроизводительности (рис.8).

МКС

и

Рисунок 8 - Зависимость температуры охлаждающего спая от длительности (а) 1 скважности (б) импульсов питания: 1-ТВ-12-0.45-1.3; 2-ТВ-11-0.6-1.5; 3-ТВ-17-1.0-0.7

Экспфимент, проведенный для трек образцов ТЭУ, подтвфдил правомфность разработанных ММ и полученных на их основе теоретических положений. Среднее отклонение экспфиментальных данных от растетных составило не бол ее 7 % на всем диапазоне измфений.

В четвертой главе «Термоэлектрические устройства и приборы для охлаждения микроэлектронной техники» описаны разработанные конструкции охлаждающих биметаллических электродов для охлаждения СБИС в МЭТ и излучаощих ТЭУ.

Целесообразно использовать излучающее ТЭУ вместо традиционных кулфов

Рис. 9 - Излучающее ТЭУ для компьютерных процессоров

Рис. 10 - Опытный образец

излучающего ТЭУ для охлаждения транзистора

Рис. 11 - Опытный образец

излучающего ТЭУ для охлаждения мощной СБИС

Преимуществом яаляется:

1. Абшлютнаябесшумность.

2. Малая тепловая инерционность за счет мгновенного переноса тепловой энергии в виде излучения, причем если изготовить светодиодную матрицу непосредственно на полу про во дни ювэм кристалле чипа и сделать мэрпус процессорапрозрэтным, то уменьшится количество тепловых сопротивлений от источника в тепловыд елатядо охладителя.

3. За счет изменения режимов работы излучающего ТЭУ можно динамично изменять режимы охлаждения процессора, тем самым, обеспечив термосгатированиедаже внестационарных режимах работы.

4. С целью обеспечения режима энергосбережения испускаемые излучения могут быть частично рекуперированы при помощи оолнетных батарей, и сгенерированная энергия может быть возвращена в электронную схему. Наиболее целесообразно применять энергосберегающие технологии такого

вида в автономных устройствах для продления режима работы от автономного источника питания (сотовые телефоны, смартфоны, коммуникаторы, ноутбуки, видеокамерыи тд.).

Наиболее ценным качеством созданных охлаждающих устройств с отводом тепла в виде излучения является их безинерционность, так как излучение со сюросгоо света уводит тепло от источника в виде энергии излучения в окружающую среду.

На рис. 10 и 11 приведены опытные образцы изяучаощих ТЭУ для охлаждения мощных полу про годи и юных приборо в (транзи сгорай СБИС).

Для повышения мощности охлаждения тепловыделяющих источников МЭТ можно рекомендовать применение одно гр сменно светодиодных матриц, биметаллических электродов и импульсного питания охлаждающих ТЭУ. Кроме того, импульсный режим питания позволяет путем выбора длительности, скважности и амплитуды импульсов оптимизировать режимы работы для получения максимальной хладопроизводительности ТЭУ.

Дляобычньк ТЭУ одним из конструктивные ограничений являлась толщина модуля, т.е. расстояние между горячими и холодными спаями. Если это расстояниебьшо маленьким,то (индуктивный теплопераюснепозволял получить большой перепад температур, а если расстояние между спаями было большим, то Джоул евы тепловыделения в ветвях ограничивали производительность ТЭУ. Этот недостаток полностью отсутствует в предлагаемом излучающем ТЭУ, так как отсутствует гордаий спай и нет паразитного мэндуктивного теплопереноса на холодный стай. Излучаощее ТЭУ может быть изготовлено в виде тонкой прозргнной многослойной сгру[ауры. Применение нескольких каскадов при отсутствии Джоулевых тепловыделений за счет ничтожно малого омического сопротивления р-п ветвей в виде тонких пленок позволяет легко достичь сверхнизких температур, применяемых для криоалектроники. Дополнительным преимугцестзом является сохранение работоспособности излучающего ТЭУ даже в режимах сверхпро води мости, так как отсутствуют дестабилизирующие тепловыделения при сохранаши охлаждающего эффекта Пельтье за отет разных энергетических уровней электронов в разнородных материалах, даже в режиме сверхпро води мо сти.

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.

В приложении кдиссертации приведены акты вн ед р ен и я р езу л ьтато а р або ты.

З.ОСНОВНЫЕРЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе решения задан, поставленных в диссертационной работе, полу ч ен ы ел еду ющие о ото вн ые р езул ьтаты:

1. Разработаны различные тепловые схемы полупроводниковых 1ЭУ для охлаждения тепловьщеляющих компонентов на основе биметаллических электродов СБИС и со стационарным отюдом тепла в виде излучашя, позволявшие получить конкретные рекомендации по их использованию в МЭТдляразличных успошй эксплуатации.

2. Разработаны ММ биметаллических элекьродов СБИС для тер мо эл екфич есю го охл авдения тепло вьщ еляющихкомпонентовв МЭТ.

3. РазргботаныММТЭУ оо стационарным отюдом теплав видеиалучения.

4 Созданы методики, позволяющие разработчикам проводить целенаправленный выбор охлаждающих ТЭУ с импульсным питанием в зависимостиотпредъявляемых требований.

5. Доказана адекватность разработанных ММ экспериментальным путем; сопоставление эксперименташых и расчетных данных показало, что их

: расхоэвдениенепревысило допустимых знамений.

6. На основе проведенных исследований разработаны принципиально новые тип ы охл аад ающих ТЭУ дл я МЭТ.

7. Результаты диссертационной работы внедрены в производственный процесс

и вучебный процесс вуза.

8. Получены 2 патента и положительное решение на выдачу патента РФ на

изобретения.

9. Разргботаны рекомендации для уменьшения тепловыделении компонентов

интегральных схем в МЭТ.

10. Совокупность результатов проведенных исследований позволяет использовать их в качестве ночной основы в дальнейшем при разработке и создании ТЭУ дл я МЭТ.

Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

1.С татьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях,определенных ВАК:

1 Челушкина ТА. Термоэлектрическое устройство оо стационарным отюдом тепла в виде излучения // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. - Махачкала: ДГТУ,2010.-№18.— С21-30.

II Статьи,опубликованныев других научных журналах и изданиях:

2 И см аилов ТА., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М., Челушкина ТА. Интенсификация теплопереноса в тепловых трубах за счет применения магнитогидродинамической системы // Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты: сб. трудоврегион. науч.-техн. иэнф., 7-9 дек. 2005 г.- Махачкала: ДГТУ,2006.-С79'

3 И см аилов ТА., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М., Челушкина ТА. Разработка математической модели режима максимальной холодопроизюдительноста тер мо элемента при импульсном питании // Сборни к тезисов до кладов XXV111 итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантови студентов ДГТУ.Техническиенгуки.-Махачкала:ДГТУ,2007.

-Ч.1.-С.60; „

4. И см аилов ТА., Исмаилов Р.Т., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М., Челушкина ТА. Высоюпрецизионные малоинерционные датчики температуры для

мониторинга // Состояние и перспективы развития термоэлетрического приборостроения: материалыШ Всерос. науч -тех. конф., 10-14 окг 2007 г -Мах ач кал а: ДГТУ, 2007.-С. 76 - 78;

5. И см аилов ТА., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М,, Челушкина ТА. Математическая мод ел ь тепло вых явлений в биметаллических электрода* для охлавдения тепловыделяющих компонентов микроатекгронной техники // Сборни к тези оо в до кладов XXIX итоговой нгучно-текнической юнффенции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ. Технические науки,- Мак ач кал а: ДГТУ,2008,- С.47-48;

6. Челушкина ТА., Гаджиев Х.М., Асеиова М„ Цымбатова Т. Диагностика состояния здоровья человеческого организма // Биотехнические и медицинские аппфаты и системы: тез. докл. Всфос. науч.-тех. конф 19-20 i.>o¡:t2003 г.- Махачкала: ДГТУ,2003.- С.57;

7. Ч'.тушкина ТА., Гаджиев Х.М., Колесникова Ю., Цьшбалова Т., Масл о в О. Программно-аппаратный ко мплекс для диагностики электронной аппфщуры набазе ПК //Сборник тези сов до кладов XXV итоговой научно-технической конффениии преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ

22-24 апр.2004 г.-Махачкала: ДГТУ,2004,-С.131-132;

8. Челушкина ТА., Гаджиев Х.М., Ирзаев ГХ. Разр'аЗотка программно-аппаратного комплекса для иодирования информации при ргботе с кредитными карточками // Сборник тези со в до кладов XXV итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспиран/ов и студ ен то в ДГТУ, 22-24 апр. 2004 г. - Мах ач кал а: ДГТУ ,2004.-С.134;

9. Челушкина ТА., Гаджиев Х.М. Модфнизация станков с чистовым программным управлением на базе пфсонального юмпыотфа // Сборник тезисов докладов XXVI итоговой научно-технической юнффенции преподавателей, сотрудниюв, аспирантов и студентов ДГТУ 21-23 апр 2005 г. - Мах ач кал а: ДГТУ ,2005С.182;

¡0. Челушкина ТА., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М. Термоэлетрический автомобилшый тфмостат для системы охлаждения двигателя // Сфвис: проблемы и пути развития вуслошях рыночной экономики: сб.докл.регион нгуч.-практ. конф.,26-27 мая2005 г.- Махачкала: ДГТУ,2005.- С.74-75;

11. Челушкина ТА., Гаджиев Х.М, Гаджиева С.М. Использование тф мо электрических явлений в полупроводниковых структурах для уменьшения тепловьщелений полевых и биполфньк транзисторов // Сфвис: проблемы и пути развития вуслошях рыночной экономики: сб.докл.регион науч.-практ. конф.,26-27 мая2005 г.- Махачкала: ДГТУ .2005,- С.85-86-

12. Челушкина ТА., Гаджиев Х.М., Сфиев М.М. Сфнисная автоматизированная система диагностики при микроскопических исследованиях // Сфвис: пробл емы и пу ти р азви тая в у ело ш як р ыночной эко но ми ш: сб. до кл. р егион

í уч.-практ. конф.,26-27 мая2005 г.- Махачкала: ДГТУ',2005.- С.112-113;

13. Челушкина ТА., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М. Применение тепловых труб для охлавдения полупроводниковых приборов чфез комму . -ционные проводники // Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энфгии и системы транспортировки теплоты: сб. трудов регион г луч -теш конф.,7-9 дек.2005 г.- Махачкала: ДГТУ,2006,- С.80;

14. Челушкина ТА., Гаджиева С.М. Рекупфирование энфгаи тепловыделяющих компонентов электронных схем при помощи оптронных тфмомодулей // Сборник тезисов докладов XXVIII итогошй научно-технической конффенции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ Технические науки.-Махачкала: ДГТУ, 2007.- 4.1.- С.75;

15. Челушкина ТА., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М. Применение тфмоэлектрических устройств для опреснения морской воды на аварийно-спасательных шлюпках // Состояние и пфспекгивы развития термоэлектрического приборостроения: материалы III Всфос. науч.-тех. конф., 10-14 о кг. 2007 г.-Махачкала: ДГТУ,2007.- С. 94-95;

16 Челушкина ТА. Термоэлектрический теплоотвод с применением кипящего хладагента // Состояние и пфспекгавы развития тфмоэлектрического приборостроения: матфиапыШ Всфос. нгуч.-тех. конф, 10-14 окт. 2007 г.-Махая кал а: ДГТУ ,2007.- С. 131 -132;

17. Челушкина ТА., Гаджиева С.М. Математическая модель тепло физических явлений в тф мо электрических устройствах с отводом тепловой энфгии в виде излучения // Сборник тезиоов докладов XXIX итоговой нгучно-технической конференции преподавателей, сотрудниюв, аспирантов и студентов ДГТУ .Технические науки.- Махачкала: ДГТУ,2008.- С.43-44;

18 Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение от 02032011 по заявке №2009120673/28(028566); Способ охлаждения полупроводниковых тепловыделяющих электронных компонентов чфез биметаллические тф мо электрические элекфоды/ Исмаилов ТА, Гаджиев Х.М, Гаджиева С.М, Нежведилов Т.Д., Челушкина ТА., заяви теть ГОУ ВПО «Дагестанский пхудфственный техническийунивфситет»,заявл.01 062009.

19 Способ отвода теплаот тепловьиеляющих электронных юмпонентов в виде излучения: пат. 2405230 Рос. федфация: МПКв 06 Б 1/20 /ИсмаиловТА, Гаджиев X .М, Гаджиева С.М, Нежведилов Т.Д., Челушкина ТА.; заяви тел ь и п этен то об л ад атея ь ГОУ ВПО «Дагестанский госудфственньй технический унивфеитет». - № 2009120686/09; заявл. 01 Й62009, опубл. 27.11 2010, Бюл. №33;

20. Способ оптимизации режимовработы тфмо электрической батфеи с учетом геометрических и элеетротеплофизических параметров при импульсном питании: пат. 2417356 Рос. Федфация: МПК в 05 Э23/01/Исмаилов ТА, Гаджиев Х.М, Гаджиева С.М, Нежведилов Т.Д., Челушкина ТА.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический унивфеитет». - №2009120687-28; заяш. 01Я62009, опубл. 10.122010, Бюл. №34;

Сдано в набор 28.04.2012. Подписано в печать 28.04.2012. Формат издания 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать ризограф. Усл. печ. л 1,0 Уч-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 161

Отпечатано в ИПЦ ДГТУ. 367015, г. Махачкала, пр. Имама Шамиля, 70.

61 12-5/3126

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ЧЕЛУШКИНА Татьяна Алексеевна

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И ТЕРМОСТАТИРОВАИИЯ МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность

05.04.03 - машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Исмаилов Т.А.

Научный консультант: к.ф.-м.н., доцент Гаджиева С.М.

Махачкала 2012

Официальные олппоненты:

доктор технических наук, профессор Сулин Александр Борисович, заведующий лабораторией теплофизических технологий ФГУП «НИИ промышленной и морской медицины»;

кандидат технических наук, доцент Шабанов Шабан Шафиевич, доцент кафедры Экспериментальной физики ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный университет»

Ведущая организация: ОАО "МПК Русская радиоэлектроника'

Защита состоится «¿9» мая 2012 г. в/У-'^асов на заседании диссертационного совета К212.052.01 в ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», 367015, г. Махачкала, пр. Имама Шамиля 70, ауд. 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет»

российская государственная _библиотека

Д17195-12

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Евдулов О.В.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ДГТУ - Дагестанский государственный технический университет; ИС - интегральная схема;

ИРЭУ - интегральные радиоэлектронные устройства;

ММ - математическая модель;

МЭТ - микроэлектронная техника;

МКЭ - метод конечных элементов;

МСС - многослойная светоизлучающая структура;

МДП - металл - диэлектрик - полупроводник;

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина;

РЭА - радиоэлектронная аппаратура;

СБИС - сверхбольшая интегральная схема;

Термо-ЭДС - термоэлектродвижущая сила;

ТЭ - термоэлемент;

ТЭБ - термоэлектрическая батарея;

ТЭИТ - термоэлектрический интенсификатор теплопередачи;

ТЭУ - термоэлектрическое устройство;

ТЭМ - термоэлектрический модуль;

ТЭГ - термоэлектрический генератор;

ТТЛ - транзисторно - транзисторная логика;

УБП - управляемый блок питания;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

ЭСЛ - эмиттерно - связанная логика.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. МЕТОДЫ ОХЛАЖДЕНИЯ МЭТ И ПОСТАНОВКА 9 ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Термоэлектрические явления в полупроводниковых 9 приборах.

1.2. Термоэлектрические устройства для охлаждения 12 микроэлектронной техники.

1.3. Выбор материала для ветвей термоэлемента 18

1.4. Конструкции термоэлектрических батарей и их применение 24 в устройствах различного назначения

1.5. Термоэлектрические интенсификаторы теплопередачи 32 преимущественно для отвода тепла от элементов радиоэлектроники большой мощности

1.6. Характеристики тепловых потоков излучения твердых тел 38

1.7. Охлаждение при питании термоэлемента зависящим 41 от времени током

1.8. Постановка задачи исследования. 50

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ (ММ) 54 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЙСТВ, ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ в СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМАХ

2.1. Разработка ММ биметаллических электродов в 54 полупроводниковых приборах для термоэлектрического охлаждения тепловыделяющих компонентов.

2.2. Разработка ММ термоэлектрических устройств со 66 стационарным отводом тепла в виде излучения.

2.3. Разработка ММ термоэлектрических устройств с 79 импульсным питанием.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 95 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

3.1. Компьютеризированный стенд для исследования 95 теплофизических параметров термоэлектрических устройств

для охлаждения микроэлектронной техники.

3.2. Экспериментальные исследования биметаллических 98 электродов в полупроводниковых приборах для термоэлектрического охлаждения тепловыделяющих компонентов.

3.3. Экспериментальные исследования термоэлектрических 105 устройств с отводом тепла в виде излучения.

3.4. Экспериментальные исследования термоэлектрических 110 устройств с импульсным питанием.

4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА И ПРИБОРЫ 114 ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МИКРОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

4.1. Термоэлектрическое устройство для отвода теплоты и 114 термостабилизации микросборок при помощи биметаллических электродов.

4.2. Термоэлектрическое устройство с отводом тепла в виде 118 ультрафиолетового излучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123

ЛИТЕРАТУРА 125

ПРИЛОЖЕНИЯ 135

ВВЕДЕНИЕ

Научно-техническая революция характеризуется дальнейшим проникновением электронных устройств и систем практически во все области современной науки и техники. Сложность электронных систем растет, их функциональные возможности расширяются, увеличивается доля аппаратуры, изготовленной с применением интегральных радиоэлектронных устройств (ИРЭУ). Одновременно возрастает качество, эффективность и стоимость. Сложная радиоэлектронная система должна работать долго и надежно, только в этом случае она экономически целесообразна [50, 51, 52, 66, 74, 98, 113 ].

Несмотря на огромное разнообразие электронных систем различного функционального назначения, областей применения, элементной базы, конструктивного исполнения и стоимости они имеют ряд общих признаков, позволяющих причислить их к одному классу технических систем. К числу основных объединяющих признаков этих систем относят: использование электромагнитных колебаний (осцилляций электромагнитного поля) в качестве носителя информации; электрических сигналов для ее передачи и приема; наличие организованной структуры; относительная автономность систем; динамика их развития и изменения в пределах жизненного цикла; потребность в функциональном управлении состоянием, включая поддержание этих состояний в установленных пределах, т.е. потребность в техническом обслуживании [43, 91, 118].

Развитие микроэлектронной техники (МЭТ) происходит по определенным направлениям, основными из которых следует считать: повышение сложности систем, микроминиатюризация, применение цифровых методов передачи и обработки информации [51, 77, 81,110].

Целью настоящей работы является разработка термоэлектрических устройств (ТЭУ) с отводом тепла в окружающую среду непосредственно от нагретых зон полупроводниковых приборов при помощи биметаллических электродов и в виде излучения в стационарных и нестационарных режимах работы.

В ходе достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены основные задачи:

1. Разработка биметаллических электродов в СБИС для термоэлектрического охлаждения тепловыделяющих компонентов МЭТ.

2. Разработка ТЭУ со стационарным отводом тепла в виде излучения.

3. Разработка математических моделей (ММ) биметаллических электродов в полупроводниковых приборах для термоэлектрического охлаждения тепловыделяющих компонентов МЭТ.

4. Разработка ММ ТЭУ со стационарным отводом тепла в виде излучения.

5. Разработка ММ ТЭУ с импульсным питанием.

6. Создание устройств и методик для охлаждения тепловыделяющих компонентов интегральных схем.

7. Проведение комплекса экспериментальных исследований для подтверждения теоретических данных.

8. Практическая реализация результатов работы.

9. Разработка рекомендаций для уменьшения тепловыделений компонентов интегральных схем.

Результаты теоретических исследований подтверждены серией экспериментов, проведенных для разработанных устройств на специально созданном для этих целей стенде, и разработанными методиками проведения испытаний. Проведенные исследования позволяют правильно оценить возможности ТЭУ, проводить целенаправленный и обоснованный их выбор для различных условий эксплуатации и сравнительный анализ с другими способами измерения теплофизических параметров.

В диссертационной работе защищаются следующие положения, представляющие научную новизну:

1. Разработан принцип построения биметаллических электродов в СБИС с пространственным разнесением зон поглощения и выделения в МЭТ.

2. Разработана принципиально новая структура ТЭУ со стационарным отводом тепла в виде излучения.

3. Разработана ММ биметаллических электродов в полупроводниковых приборах для термоэлектрического охлаждения тепловыделяющих компонентов МЭТ и выделения тепла во внешних независимых источниках питания.

4. Разработана ММ безинерционных ТЭУ со стационарным отводом тепла в виде излучения.

5. Предложен способ формирования импульсного питания ТЭУ с учетом теплофизических свойств полупроводниковых материалов в виде длины свободного пробега электронов и дрейфовой скорости движения зарядов.

Практическая значимость выполненного исследования составляет

разработанные теоретические основы ТЭУ с отводом тепла в окружающую

среду непосредственно от нагретых зон полупроводниковых приборов при

помощи биметаллических электродов и в виде излучения в стационарных и

нестационарных режимах работы на базе полученных в работе обобщенных

уравнений, учитывающих характеристики ТЭУ и системы теплосъема, а

также параметры сред и объекта охлаждения.

Анализ работы ТЭУ позволил создать рекомендации по оптимизации

их режимов работы и использованию в МЭТ.

Проведенные исследования позволяют правильно оценить возможности

ТЭУ, проводить целенаправленный и обоснованный их выбор. Проведенные

теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать

практические рекомендации по использованию ТЭУ при различных условиях

эксплуатации с учетом тепловых нагрузок МЭТ.

Разработана методика для всестороннего анализа работы ТЭУ с

отводом тепла в окружающую среду непосредственно от нагретых зон

полупроводниковых приборов при помощи биметаллических электродов и в

виде излучения и определения влияния теплофизических характеристик и

других факторов на энергетические и технико-экономические показатели.

Полученные результаты исследований нашли практическое применение

в различных организациях при охлаждении МЭТ в вычислительной технике.

7

Получены патенты РФ «Способ отвода тепла от тепловыделяющих электронных компонентов в виде излучения» и «Способ оптимизации режимов работы термоэлектрической батареи с учетом геометрических и электротеплофизических параметров при импульсном питании», а также положительное решение на выдачу патента РФ «Способ охлаждения полупроводниковых тепловыделяющих электронных компонентов через биметаллические термоэлектрические электроды» [21, 22]. Получены золотые медали на XIV Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД - 2011» за разработку «Способ отвода тепла от тепловыделяющих электронных компонентов в виде излучения» (Россия, Москва, 05.04 - 08.04.2011 г.) и на XV Юбилейном международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД - 2012» за разработку «Способ охлаждения полупроводниковых тепловыделяющих электронных компонентов через биметаллические термоэлектрические электроды» (Россия, Москва, 20.03 -23.03.2012 г.).

Диссертация подводит итог комплексу исследований, выполненных автором за последние 6 лет в Дагестанском государственном техническом университете (ДГТУ).

1. МЕТОДЫ ОХЛАЖДЕНИЯ МЭТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Краткий обзор развития термоэлектрической техники

Термоэлектрические явления были обнаружены и исследованы более ста пятидесяти лет тому назад Зеебеком, Пельтье и Томсоном [28, 36, 61]. Исследуя возможность практического применения термоэлектрических эффектов, Альтенкирх в 1911 г. получил приближенные соотношения для тепловых насосов и генераторов [29].

Оценив эффективность этих устройств при использовании в них термоэлектрических элементов (ТЭ) из металлов (единственно известных в то время проводников), Альтенкирх указал на нецелесообразность использования металлов в качестве ветвей ТЭ из-за высокой теплопроводности и малых значений коэффициентов термоэлектродвижущей силы [30].

Однако к тому времени эффект Зеебека уже нашел применение для измерения высоких температур термопарами. Термопара из пластины с платинородием была предложена для этой цели Ле Шателье в 1886 г. [31]. Одиночные опытные образцы термоэлектрических генераторов (ТЭГ), построенных в тот период, находили только лабораторное применение, так как стоимость вырабатываемой ими электроэнергии намного превосходила стоимость электроэнергии, вырабатываемой оборудованием того времени.

Практическое использование полупроводниковых охлаждающих и нагревающих ТЭУ в промышленности и народном хозяйстве берет свое начало с разработки академиком А.Ф. Иоффе теории энергетических применений полупроводниковых ТЭ в начале 50-х годов нашего столетия. Дальнейшее развитие теория энергетического применения термоэлектричества получила в трудах Л.С. Стильбанса, Е.К. Иорданишвили, B.C. Мартыновского, В.А. Наера, А.И. Бурштейна, Н.С. Лидоренко, Л.И. Анатычука, Н.В. Коломойца, Е.С. Курылева, Е.А. Коленко, М.А. Каганова,

Ю.Н. Цветкова, М.Р. Привина, A.JI. Вайнера, B.C. Семенюка и многих других, а также в работах зарубежных ученых Г. Голдсмита, Т. Хармана, П. Грея, Д. Макдональда, Е. Юсти и др. [33, 40, 42, 53, 57, 59, 88, 100, 121].

В последнее время в России и за рубежом уделяется большое внимание вопросу создания ТЭУ различного назначения. Указанный интерес обусловлен существенными преимуществами ТЭУ [35].

К настоящему времени по термоэлектричеству накоплен большой теоретический и экспериментальный материал, разработано и внедрено огромное количество разнообразных аппаратов, устройств и приборов, основанных на применении эффекта Пельтье. По ряду направлений сведения систематизированы и опубликованы в монографиях [28, 56, 61].

Достаточно полно разработаны методики расчета ТЭУ с постоянной и меняющейся вдоль термоэлектрической батареи (ТЭБ) температурой спаев [47], предложены графоаналитические способы расчета [49], а также численные методы с применением компьютеров [89].

Проанализированы режимы работы термоэлектрических охладителей и нагревателей - минимальной температуры холодных спаев, максимальной холодопроизводительности, максимальной энергетической эффективности, минимального тока при ограничении числа ТЭ и другие [32, 41, 70, 82, 96, 112].

Ряд исследований посвящен изучению характеристик ТЭБ при использовании их в качестве интенсификатора теплопередачи и теплоизоляторов [56, 59]. Исследованы вопросы влияния на работу и показатели ТЭУ пульсаций тока [63, 64], контактных электрических и тепловых сопротивлений [65], изоляционных прослоев [68] и других факторов.

Широкие исследования проведены в области влияния теплообмена на энергетические и другие показатели охладителей [23, 26, 34, 72, 95, 117], интенсификации теплоотдачи [37, 58, 71, 93, 107], разработки различных теплообменных систем [25, 39, 62, 99, 119], в том числе с промежуточным

теплоотводом [56, 59]. Достаточно много работ посвящено оптимизации параметров ТЭУ [24, 27, 45, 79, 97, 104], повышению эффективности их использования [38, 44, 73, 94, 106], рациональному выбору полупроводниковых материалов [46, 48, 54, 101, 115], оптимизации конструкции ТЭБ [60, 76, 85, 103, 123].

Большой цикл исследований проведен по изучению динамических характеристик и переходных процессов в ТЭУ и нестационарных режимов работы ТЭ [10, 22, 92, 109], а также измерению теплофизических характеристик полупроводниковых материалов и ТЭБ [8, 80, 102, 116]. Перспективы развития, рациональные области применения, новые направления в использовании термоэлектричества нашли отражение в работах [1-22]. Теоретические разработки подкреплены экспериментальными исследованиями [23, 56, 61], подтверждающими правильность сделанных выводов и аналитических решений. Широкое практическое применение ТЭУ в самых различных областях народного хозяйства [86, 111] потребовало проведения исследований по надежности [73, 78, 114], а серийное производство ТЭУ и ТЭБ - разработку модулей для изучения закономерностей разброса термоэлектрических свойств полупроводниковых материалов и обоснования классов допусков на геометрические размеры ТЭ для учета в инженерных методах расчета [75, 108]. Для контроля качества выпускаемой продукции разработаны методы экспресс - контроля [90, 122].

Краткий обзор работ по термоэлектрической технике показывает, что накоплен достаточно большой теоретический и экспериментальный материал, позволяющий в настоящее время с достаточно высокой степенью точности проводить расчеты и проектирование ТЭУ различного назначения.

Однако проведенный обзор существующих устройств и методов охлаждения выявляет существенный недостаток - охлаждается корпус электронных компонентов, а не сам тепловыделяющий компонент. Кроме того совершенно не рассмотрены теплофизические свойства светодиодов. Все это по