Гува А. Я.
Контактный теплообмен силовых полупроводниковых приборов
НОВОСИБИРСК
2005
© Гува А.Я., 2005
© Оформление ГуваВА., 2005
Гува А.Я. Контактный теплообмен силовых полупроводниковых приборов. — Новосибирск, 2005. — 210 с.
В книге обобщены результата экспериментальных исследований по контактному теплообмену мощных полупроводниковых приборов. Основное внимание уделено выявлению физической сущности процесса теплопереноса и рассмотрению современных методов интенсификации контактного теплообмена с использованием новых технологий. Приведены измеренные значения контактных тепловых сопротивлений для большинства корпусов силовых приборов, установленных на теплоотвод через различные теплопроводные составы и прокладки, а также даны тепловые характеристики для оперативного расчета радиаторов и некоторые рекомендации по охлаждению сверхтеплонагруженных микросхем.
Для инженерно-технических и научных работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией аппаратуры на базе мощных полупроводниковых приборов дистанционного контроля и управления, а также для студентов технических специальностей и конструкторов-радиолюбителей.
Содержание книги
Контактный теплообмен силовых полупроводниковых приборов
Предисловие
Основные условные обозначения
Глава первая. Общие закономерности контактного теплообмена
1.1. Механика взаимодействия поверхностей, сопряженных в контакте
1.2. Теория контактного теплообмена
1.3. Реальный контактный теплообмен между плоскими металлическими образцами
Глава вторая. Контактный теплообмен в системе полупроводниковый прибор - теплоотвод
2.1. Мощные полупроводниковые приборы в современных силовых цепях
2.2. Особенности конструкции корпусов и тепловые свойства мощных полупроводниковых приборов
2.3. Методы интенсификации контактного теплообмена между полупроводниковым прибором и теплоотводом
2.3.1. Введение в контактную зону вазелиноподобных составов с неизменяющейся консистенцией
2.3.2. Рихтовка контактной поверхности
2.3.3. Введение в контактную зону прокладок
2.3.4. Применение клеевых соединений
2.3.5. Введение в контактную зону диффузионно-твердеющих паст
2.3.6. Пайка контактных поверхностей
2.3.7. Введение в контактную зону металлоалмазной пасты
2.4. Краткие выводы, практические рекомендации
Глава третья. Контактный теплообмен в системе полупроводниковый прибор - электроизолятор - теплоотвод
3.1. Общие положения
3.2. Методы теплопроводной электроизоляции
3.2.1. Гибкие теплоотводящие прокладки из общедоступных материалов
3.2.2. Жесткие теплопроводящие прокладки
3.2.3. Эластичные теплопроводящие прокладки
3.3. Краткие выводы, практические рекомендации
Глава четвертая. Контактный теплообмен сверхтеплонагруженных микросхем
4.1. Общие положения
4.2. Микросхемы малой мощности
4.3. Сверхтеплонагруженные микросхемы
4.3.1. Определяющие параметры теплового режима СТМ
4.3.2. Методы охлаждения СТМ
4.3.3. Охлаждение СТМ путем отвода теплоты от верхней поверхности
4.4. Краткие выводы, практические рекомендации
Приложения
Приложение 1. Теплофизические свойства некоторых чистых металлов при 20°С
Приложение 2. Порошки металлические
Приложение 3. Сетки проволочные
Приложение 4. Диаграммы состояния для контактных сплавов
Приложение 5. Некоторые краткие выводы по тепловому конструированию
Приложение 6. Оперативный расчет радиаторов для СПП
Список литературы
Предисловие
Книга посвящена контактному теплообмену полупроводниковых приборов большой мощности. Само понятие контактного теплообмена достаточно сложное, емкое по содержанию и разветвленное по структуре. В данной книге рассматривается только узкая область действия этого явления. Но знания в этой области, на наш взгляд, очень актуальны и востребованы, поскольку мощные полупроводниковые приборы или, как их еще называют, силовые полупроводниковые приборы, используются практически во всех отраслях промышленности, в частности, в схемах управления и регулирования, в исполнительных устройствах и в блоках сетевого питания, в выходных каскадах передающих систем и в многочисленном семействе изделий авионики.
В сущности, именно контактный теплообмен чаще всего определяет тепловой режим диодов, транзисторов, тиристоров, диодных и транзисторных сборок, микросхем и других активных элементов, которые передают на теплоотвод высокие и сверхвысокие удельные тепловые потоки. А нормальный тепловой режим, как известно, является основным критерием надежной работы электронного устройства.
Исторически так сложилось, что наибольшая волна исследований по теплообмену между контактирующими поверхностями пришлась на шестидесятые годы прошлого столетия. Результаты этих исследований - это основополагающие труды д.т.н. Ю.П. Шлыкова и его сотрудников, а также работы ряда авторов, расширяющие понимание физики теплового контакта [3, 8, 9, 12, 13]. К особенностям этих исследований следует отнести строго определенную направленность. А именно, исследования проводились для решения проблем контактного теплообмена в основном применительно к теплоэнергетике и энергетическому машиностроению (в химической и металлургической промышленности, турбостроении, реакторостроении, ракетной технике), гле характер контактирования материалов и динамика усилий прижатия значительно отличаются от условий теплового контакта в полупроводниковой технике.
Наряду с этим к настоящему времени накоплен достаточно обширный материал по контактному теплообмену, но такая информация разрознена по периодическим изданиям, публикации методологически разобщены, а в редко издававшихся книгах по теплопередаче информация по данной теме представлена, как правило, фрагментарно. В связи с этим у исследователей нет единого подхода по этой проблеме и во многих источниках ошибочные и противоречивые мнения соседствуют с рациональными выводами и предложениями.
Кроме того, к сожалению надо отметить, что уже более 20 лет не издавались отечественные работы по этой теме. Поэтому за прошедший период некоторые данные ранних источников устарели, утратили остроту, появился новый класс мощных приборов, родились новые технологии теплового сопряжения.
Вот почему назрела настоятельная необходимость в издании этой книги, которая, как полагает автор, хоть в какой-то мере будет способствовать дальнейшему росту нашего технического потенциала в эти трудные годы становления.
Цель данной работы состояла в том, чтобы, используя накопленный опыт теплового конструирования, с единых теоретических позиций обобщить имеющиеся экспериментальные данные по контактному теплообмену по различным источникам, в том числе и по оригинальным исследованиям автора, и разработать общие рекомендации для пользователя.
Так как автор является инженером-исследователем, то книга имеег явно практическую направленность. Читателям, искушенным в подробных тепловых расчетах и корректных математических доказательствах тепловых эффектов, предлагаются соответствующие источники, приведенные в библиографии.
Все значительные экспериментальные исследования по контактному теплообмену, собранные в этой книге, позволяют производить оперативную оценку ожидаемого уровня температур мощных полупроводниковых приборов, эксплуатируемых в различных условиях контактирования. Тем более, что, как показывает опыт, при проектировании нецелесообразно во всех случаях прибегать к полным тепловым расчетам, которые, как правило, достаточно сложны, громоздки и не всегда удовлетворяют требуемой точности. Прежде всего для каждого конкретного случая надо оценить какой путь более экономичный и быстрее приведет к цели. Либо это обычная схема: тепловой расчет - конструкция - экспериментальная проверка - доработка конструкции. Либо более короткий путь: конструкция (макет) - экспериментальная проверка - доработка конструкции. А чаще всего на начальном этапе проектирования выгодно применять экспрессный метод, при котором используются уже имеющиеся опытные данные, для чего и рекомендуется данная книга.
Автор стремился сделать книгу максимально полезной и для тех читателей, которые не являются специалистами в области теплообмена. Для этого в конце каждой главы введен обобщающий подраздел «Краткие выводы, практические рекомендации», что позволяет разработчикам аппаратуры использовать результаты исследований, не прорабатывая материал соответствующей главы. Этому также способствует наличие достаточно емкого по содержанию Приложения, где, в частности, приводятся графики оперативного расчета теплопередачи.
Поэтому книга представляет интерес как для инженеров, технологов и научных работников, так и для студентов технических специальностей и радиолюбителей, использующих в своем творчестве мощные полупроводниковые приборы.
В первой вводной главе рассматриваются общие закономерности контактного теплообмена, выявленные в период наиболее активных экспериментальных исследований по этой теме. В краткой форме приведены результаты исследований.
Во второй главе представлены современные методы снижения контактных тепловых сопротивлений между мощным прибором и теплоотводом с использованием широкого спектра магериалов от специальных смазок и клеев до металлических паст и припоев.
В третьей главе анализируется опыт по снижению тепловых контактных сопротивлений, когда прибор установлен на теплоотвод через электроизолятор в виде гибкой, жесткой или эластичной прокладки.
В четвертой главе рассматриваются возможные контактные методы отвода теплоты от сверхтеплонагруженных микросхем.
В Приложении даны рекомендации по применению теплопроводной заливки и тепловых мостов для снижения рабочей температуры мощных приборов, а также приведены графики, по которым можно быстро рассчитать требуемый теплоотвод для мощного прибора при естественной и принудительной конвекции.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность за большую помощь и поддержку в работе над книгой Э.Я. Коссински и В.А. Гуве.
Автор заранее благодарен всем, кто пришлет свои замечания, советы и пожелания по адресу 630063, Новосибирск, а/я 186.
Скачать книгу "Контактный теплообмен силовых полупроводниковых приборов". Новосибирск, ГУП СИПКП "Наука", 2005
|
