Исследование способов улучшения тепловых режимов теплонагруженных микроэлектронных устройств
На правах рукописи
Палий Александр Викторович
ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ УЛУЧШЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ТЕПЛОНАГРУЖЕННЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Специальность 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Таганрог 2007
Работа выполнена на кафедре конструирования электронных средств Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге.
Научный руководитель: кандидат технических наук,
профессор кафедры КЭС
Механцев Е.Б.
(ТИ ЮФУ, г. Таганрог)
Официальные оппоненты: доктор физико-математических
наук, профессор
Серба П.В.
(ТИ ЮФУ, г. Таганрог)
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник,
зам. главного конструктора,
нач. сектора
Горин А.М.
(ФГУП НИИ связи, г. Таганрог)
Ведущая организация: ОАО «Научно-производственное
предприятие космического
приборостроения «Квант»,
г. Ростов-на-Дону
Защита состоится «28» июня 2007 г. в 1420 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.23 в Технологическом институте Южного федерального университета по адресу: 347928, Ростовская обл., ул. Шевченко 2, ауд. Е-306.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.
Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 347928, Ростовская обл., г. Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44
Автореферат разослан «23» мая 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д.212.208.23
профессор, доктор технических наук Н.Н. Чернов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Опыт эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры показывает, что при ее конструировании не всегда обеспечивается нормальный тепловой режим работы. Значительная часть отказов эксплуатируемой аппаратуры обусловлена тепловыми воздействиями, что приводит к необходимости поиска и применения различных способов и методов охлаждения, обеспечивающих сохранение параметров в заданных нормах.
По мере усложнения аппаратуры, увеличения количества применяемых элементов и степени их интеграции, вопросы отвода тепла, а также методы расчетов тепловых режимов приобретают особую актуальность. Линейные размеры теплонагруженных элементов выходят на микро- и даже наноуровень. Соответственно плотность тепловых потоков возрастает.
А так как надежность работы и стабильность параметров микроэлектронных устройств в значительной степени определяются их температурным состоянием, то стоит уделить внимание, с одной стороны, созданию новых перспективных методов теплового расчета отдельных элементов и всего устройства в целом, а с другой – конструкторской разработке эффективных систем охлаждения.
Целью диссертационной работы является совершенствование способов повышения эффективности теплоотводов и теплоотводящих систем, для решения задачи понижения температуры на теплонагруженном микроэлектронном элементе или устройстве в целом.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
• Обобщение и систематизация имеющихся и используемых в настоящее время теплоотводов и теплоотводящих систем в микроэлектронной аппаратуре, с выявлением их достоинств и недостатков.
• Разработка методики расчета эффективности теплоотвода
тепловой трубы и описание рекомендаций по ее применению.
• Теоретическое исследование зависимости температуры теплонагруженного микроэлектронного элемента в стационарном и переходном режимах от формы радиатора.
• Выявление влияния взаиморасположения источника и
приемника тепла на температуру источника.
• Оптимизация формы поверхности радиатора для обеспечения минимальной температуры источника тепла.
• Оптимизация массогабаритных параметров радиатора
методом электростатической аналогии.
Проведение моделирования в математическом редакторе MathCad.
• Экспериментальное исследование теплоотводящих свойств
оптимизированных радиаторов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• Разработан способ повышения эффективности теплоотвода тепловой трубы в представлении аэродинамической теории газов.
• Предложен метод электростатической аналогии, который позволяет находить значение температуры в любой точке системы тело-поток, не прибегая к традиционным эмпирическим коэффициентам подобия.
• Определены оптимальные массогабаритные характеристики радиаторов, обеспечивающие минимизацию температуры источника тепла.
• Разработан способ анализа распределения теплового поля в системе тело-поток.
Практическая значимость полученных в работе результатов:
• Предложены оптимизированные конструкции паропровода и конденсора тепловой трубы, позволяющие повысить эффективность теплоотвода.
• Полученные решения позволяют производить расчеты эффективности теплоотвода тепловой трубы, не прибегая к эмпирическим коэффициентам.
• Получена оптимизированная форма радиатора. Изготовленные по разработанной методике опытные образцы оптимизированных радиаторов позволяют снизить температуру на теплонагруженном микроэлектронном элементе по сравнению с известными конструкциями при сохранении массогабаритных показателей.
Основные положения выносимые на защиту:
• Способ повышения эффективности теплоотвода тепловой трубы в представлении аэродинамической теории газов.
• Результаты теоретического исследования оптимизированных конструкций паропровода и конденсора тепловой трубы.
• Результаты теоретического и экспериментального
исследования оптимизированной конструкции радиатора.
Реализация результатов работы. Полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты нашли практическое применение в опытно-конструкторской работе № 324176 «Модернизация аппаратуры контрольно-регистрирующей» НКБ «МИУС» ЮФУ г. Таганрог и внедрены в учебный процесс кафедры КЭС ТИ ЮФУ г. Таганрог.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из них 6 статей и 3 тезисов докладов на научно-технических конференциях различного уровня.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников и двух приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, приведено содержание работы.
В первом разделе приведен анализ способов теплоотвода, с целью выявления их достоинств и недостатков и постановки задач диссертационной работы.
Процесс передачи тепла теплопроводностью объясняется в основном обменом кинетической энергией между молекулами, атомами и электронами вещества. Эти явления существуют в тех случаях, когда в различных точках одного и того же тела температура различна, либо когда два тела с различными температурами контактируют между собой.
Коэффициент теплопроводности воздуха в десятки тысяч раз ниже, чем в металлах (алюминии), что и является физической основой установки металлических теплоотводов или радиаторов.
С целью увеличения площади контакта с воздухом и уменьшением массогабаритных характеристик, радиаторы выполняют с максимально возможной площадью.
Проведенные в диссертационной работе теоретические и экспериментальные исследования показали, что форма радиатора должна совпадать с эквитемпературными поверхностями теплонагруженного элемента. При этом оптимизация формы производится с точки зрения минимизации температуры источника за счет уменьшения теплового сопротивления.
Передача тепла конвекцией осуществляется в результате перемещения частиц газообразного или жидкого вещества. При этом взамен частиц вещества, забравших энергию у теплонагруженного элемента, поступают более холодные.
Теория конвективного переноса, основанная на теории (критериях) подобия, также подтверждает, что площадь радиаторов нужно увеличивать, что как бы и очевидно, так как с большей площади уносится, и большее количество тепла и температура теплонагруженного элемента снижается.
При конвекции скорость движения молекул сравнительно небольшая. Для повышения скорости можно реализовать устройство, в котором молекулы будут иметь однонаправленное движение.
Такое устройство называется тепловой трубой. Принцип действия ее построен на циклическом движении рабочего вещества от теплонагруженного элемента по вакуумированному паропроводу к конденсору и обратно.
Преимуществом тепловой трубы является большая скорость теплопередачи, за счет направленного движения молекул теплоносителя.
Недостатками классических конструкций являются громоздкость (наличие внешнего охлаждающего контура) и ограниченность скорости теплопереноса звуковым порогом.
В диссертационной работе оптимизируется паропровод тепловой трубы с целью преодоления звукового порога тепломассопереноса. Предлагаются конструкции конденсоров, построенных на различных принципах рассеивания энергии.
Во втором разделе приводится устройство и принцип действия тепловой трубы.
Предлагается методика расчета ее эффективности на основе аэродинамической теории газов, отличающаяся от существующих отсутствием многочисленных эмпирических коэффициентов.
Анализируется общий подход к описанию и расчету эффективности теплоотвода радиаторов.
Задачей любого теплоотвода (тепловой трубы, радиатора и др.) является обеспечение высокой скорости отвода тепла от теплонагруженного элемента, и соответственно понижения его температуры.
В литературе приводятся разные подходы к описанию механизма действия и оценке эффективности тепловых труб.
Однако эти представления, не достаточно точно отражают расчет и работу этих устройств, т.к. делают большое количество допущений. Методы расчета эффективности теплоотвода в этих случаях предполагают знание многочисленных коэффициентов, полученных экспериментальным путем.
В данном разделе описывается методика, позволяющая уйти от этих коэффициентов и произвести расчеты на основе аэродинамической теории газов и равновесном давлении.
Для рабочей жидкости - вода; При t=900 C, S=1см2 ; мощность отводимая ТТ: P100Вт, что согласуется с экспериментальными данными приводимыми в литературе.
Также в многочисленных работах описание и расчеты всех известных конструкций радиаторов сводятся к повышению эффективности теплоотвода за счет увеличения площади их поверхности.
Пусть мы имеем точечный источник. На некотором расстоянии от него тело высокой электро- или теплопроводности (металл).
Рисунок 1 - Распределение температурного поля от источника с телом
Происходит значительное изменение распределения поля, за счет дипольных, квадрупольных и пр. составляющих поля. Именно наличие дипольных и квадрупольных составляющих поля создают завихрения потоков, при этом тепло уже не отводится от источника, а циркулирует. Тепло по телу с большим коэффициентом теплопроводности пройдет быстрее, но в дальнейшем будет распространятся в произвольных направлениях (в том числе и обратно), создавая циркуляцию.
Т.о. штыри, ребра и др. создаваемые на теле радиатора конструкции, для распространяющегося поля представляют собой тела с большим коэффициентом теплопроводности, расположенные перпендикулярно эквитемпературным поверхностям теплонагруженного источника. Они не увеличивают эффективной поверхности радиатора и не понижают температуру на источнике. Для недопущения этого форма «выступов» на поверхности радиатора должна совпадать с эквитемпературными поверхностями источника. В этом случае искажений в распространение поля не вносится и тепло отводится от источника.
В третьем разделе
Оптимизируется форма радиатора в условиях теплопроводности, с использованием электротепловой аналогии, с целью минимизации температуры теплонагруженного элемента.
Делается сравнительный расчет радиаторов стержневой и сферической форм в переходном режиме.
Скорость распределения и распространения температурного поля тем выше, а температура самого источника тем ниже, чем ближе расположен приемник тепла к источнику. Поэтому можем предположить, что минимально возможная температура на источнике будет, когда его центр масс совпадет с центром масс радиатора (рисунок 2).
Рисунок 2 - Расположение источника на расстоянии L от приемника
Температура источника зависит так же и от формы радиатора, поэтому вторым предположением будет, что для реализации минимально возможной температуры источника, форма радиатора должна совпадать с эквитемпературными (изотермическими) линиями источника (рисунок 3).
Рисунок 3 - Форма радиатора, совпадающая с эквитемпературными (изотермическими) линиями источника
Для точечного источника это сфера, для прямоугольного – эллипсоид и т.д.
Для доказательства наших предположений применялся метод электростатической аналогии. Т.к. уравнения для распространения тепловых и электромагнитных полей аналогичны и имеют аналогичные решения.
Найдем переходную характеристику, зависимость температуры от времени для радиаторов в виде стержня и сферы.
Радиатор в виде стержня
Рисунок 4 - Зависимость температуры источника от текущей длины радиатора стержневой формы
Температура в начале стержня:
. (1)
Сферический радиатор
Рисунок 5 - Зависимость температуры источника от текущего радиуса радиатора сферической формы
А температура на поверхности источника:
(2)
Изобразим полученные выражения на рисунке 6.
Область между кривыми 1 и 4 - область всех возможных решений для точечного источника для неоптимальных (несферических) радиаторов (пластин, дисков, кубов, ребристых, игольчатых и др.)
Чем больше они отличаются от сферического (оптимального) тем, значение температуры на источнике ближе к кривой 1. А чем ближе к сферической, тем ближе к кривой 4.
Рисунок 6 - Зависимость температуры на источнике от вида радиатора во времени
В четвертом разделе предлагается метод электростатической аналогии для оптимизации и расчета массогабаритных параметров радиаторов. Строится модель обтекаемого потоком теплоотвода.
Рассчитываются тепловые поля для конвективного потока аналитически (через функции комплексного переменного), и с применением моделирования в математическом редакторе MathCad.
Производится сравнительный анализ эффективности известных и оптимизированных конструкций радиаторов.
Приводятся оптимизированные конструкции паропровода тепловой трубы на основе анализа движения частицы со сверхзвуковой скоростью, с целью повышения скорости теплоотвода.
В классической тепловой трубе постоянного сечения, скорость движения молекул при испарении ограничена звуковым порогом.
Поэтому и целью оптимизации паропровода является достижение предельных скоростей тепломассопереноса (преодоление звукового порога).
Распределение молекул при испарении с поверхности жидкости по скоростям близко к нормальному закону. Поэтому существует некоторый критический угол выхода молекул с поверхности жидкости.
Синус угла полураствора равен отношению скорости волны к скорости источника, а это может быть только тогда, когда с меньше v, или скорость объекта больше скорости волны: Sin = c / v.
Для решения задачи обтекания тела потоком, а точнее описания теплового поля в системе поток – тело, можно промоделировать эту систему электростатическими аналогами.
Если задать комплексную величину, как =x + iy, то тогда каждой точке на плоскости (x,y) отвечает комплексное число.
Теперь наша задача свелась к описанию такой функции комплексного переменного F(), которая бы описывала наш случай.
Пусть задана функция:
, (3)
или
. (4)
Физическая картина показана на рисунке 7.
Рисунок 7 - Электрическое поле края тонкой заземленной пластины
Используя подобный подход можно получить поле снаружи прямого угла (
), поле заряженной нити (
) и др.
Теперь, на основании вышеизложенного, и используя распределение поля от точечного источника в потоке, мы можем создать электростатический аналог для обтекания потоком сферы с внутренним источником тепла (рисунок 8).
Рисунок 8 - Электростатический аналог для обтекания потоком сферы с внутренним источником тепла
В результате действия конвекционного потока граничные условия 
из бесконечности переносятся (придуваются) к источнику Q. И задача конвективного переноса тепла сведется к решению задачи теплопроводности с измененными граничными условиями.
В пятом разделе производится экспериментальное сравнение температур источника в оптимизированном и штыревом радиаторах с целью выявление влияния площади радиатора на температуру источника.
Для точечного теплонагруженного элемента оптимальной формой радиатора будет являться шар, так как шар является эквитемпературной поверхностью точечного источника.
Было изготовлено два радиатора из алюминия, массой в 0,26 кг, но площадь штыревого больше шарового в 6,12 раз:
Рисунок 9 – Фотография изготовленных образцов радиаторов
Была измерена температура на источнике, в зависимости от типа теплоотвода.
Таблица - Полученные данные
| Р, Вт | t1, 0С | t2, 0С | t3, 0С |
| 1 | 43 | 30 | 30 |
| 1,25 | 53 | 33 | 32 |
| 1,5 | 65 | 37 | 36 |
| 2 | 93 | 47 | 45 |
| 3 | 160 | 75 | 72 |
| 4 | 234 | 114 | 111 |
Р – мощность источника тепла,
t1 – температура на источнике без теплоотвода.
t2 – температура на источнике с радиатором со штырями.
t3 – температура на источнике с шаровым радиатором.
Проведенные эксперименты показали, что, несмотря на то, что площадь радиатора со штырями имела площадь более чем в 6 раз больше площади шарового, температура на источнике оказалась выше.
Увеличение площади радиатора, при одинаковой массе, привело не к снижению, а даже к некоторому ее повышению. Хотя теория подобия и литературные источники утверждают обратное.
Для обеспечения минимально возможной температуры на теплонагруженном источнике, радиатор должен совпадать с эквитемпературными поверхностями самого источника.
В заключении приведены основные результаты выполненных исследований и выводы по работе. Даны рекомендации по модернизации конструкций теплоотводов.
В приложении 1 приведены вспомогательные материалы по моделированию для четвертого раздела диссертации.
В приложении 2 приведены акты внедрения результатов работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Разработан способ повышения эффективности теплоотвода тепловой трубы и описано ее применение. Предложена конструкция позволяющая превзойти звуковой порог тепломассопереноса, что позволяет создавать более эффективные системы теплоотвода, в частности для микроэлектроники.
2. Произведено сравнение температур источника тепла в радиаторах сферической и стержневой форм. При этом для точечного источника, температура была тем ниже, чем форма радиатора была ближе к сферической.
3. Выполнена оптимизация массогабаритных характеристик радиатора методом электростатической аналогии и проверена моделированием в математическом редакторе MathCad.
4. Проведено экспериментальное исследование теплоотводящих свойств оптимизированных радиаторов.
Исследования подтвердили, что оптимальной формой радиатора (обеспечивающей минимально возможную температуру источника) будет форма, совпадающая с эквитемпературными поверхностями источника.
На практике это означает, что радиаторы во всех устройствах: электронных, микроэлектронных, двигателях, в быту и любой другой отрасли применения следует изготавливать по эквитемпературным поверхностям от источника. Т.е. с минимальной площадью поверхности, а не с ребрами, штырями и т.д. и т.п., имеющими цель увеличить площадь поверхности радиатора. При этом температура источника будет минимально возможной, а само изготовление радиатора – технологичнее.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1 Механцев Е.Б., Замков Е.Т., Палий А.В., Богданов С.А. Принцип действия и оценка эффективности тепловой трубы в представлении аэродинамической теории газов. // Проектирование и технология электронных средств. - 2004. - №2. - с. 27-30.
2 Пугач В.В., Замков Е.Т., Палий А.В. Оптимизация конструкции паропровода тепловой трубы гравитационного типа. // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. - 2004. Таганрог. - с. 48-50.
3 Палий А.В. Принцип действия тепловой трубы в представлении аэродинамики. // Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. - 2004. Таганрог. - с. 279-281.
4 Замков Е.Т., Механцев Е.Б., Палий А.В. Пути усовершенствования характеристик тепловых труб. // Известия ТРТУ – Таганрог: Изд-во ТРТУ. - 2005. - №9. - с. 118-121.
5 Механцев Е.Б., Замков Е.Т., Палий А.В. Конденсор тепловой трубы на основе лазерного рефрижератора. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2006. - №3. - с. 48-49.
6 Палий А.В. Конденсор тепловой трубы на основе лазерного рефрижератора. // Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. - 2006. Таганрог. - с. 273-274.
7 Механцев Е.Б., Замков Е.Т., Палий А.В. Исследование теплоотвода в конвективном потоке методом электростатической аналогии. // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. - 2006. Таганрог. - с. 85-87.
8 Механцев Е.Б., Замков Е.Т., Палий А.В. Исследование теплоотвода методом электростатического аналога. // Известия ТРТУ – Таганрог: Изд-во ТРТУ. - 2006. - №9 - с. 136-137.
9 Палий А.В. Решение уравнения конвективного обтекания теплоотвода методом электростатического аналога. // Известия ТРТУ – Таганрог: Изд-во ТРТУ. - 2006. - №9. - с. 139-140.
В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в работах [1,4] предложена методика расчета эффективности теплоотвода тепловой трубы гравитационного типа в представлении аэродинамической теории газов; в работах [2,6] предложена возможность оптимизации конструкций конденсора и паропровода тепловой трубы; в работах [7,8] проведено исследование и моделирование теплоотвода в конвективном потоке.
Типография Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге
Зак. № Тираж 110 экз.
