Мощный теплопроводный полупроводниковый прибор Российский патент 2024 года по МПК H01L23/02 

Изобретение относится к области, электронной техники и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов большой мощности. Известен мощный теплопроводный полупроводниковый прибор, содержащий корпус с капиллярно-пористым покрытием на внутренних его стенках, заполненным жидким теплоносителем и с закрепленным внутри полупроводниковым элементом (Абраменко А.Н. и Осипенко Т.П., Тепло- и массообмен криогенных жидкостей в пористых теплообменниках. Минск: «Наука». - 1974. - С. 43- 47.)

Недостатком данного технического решения является низкая эффективность теплоотвода при больших мощностях тепловыделения, обусловленная резким снижением коэффициента теплоотдачи при испарительном охлаждении пластины полупроводникового элемента, покрытого капиллярно-пористым покрытием, в условиях высокой плотности теплового потока. Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату, является мощный полупроводниковый прибор, содержащий корпус, состоящий из основания и крышки, образующих паровую полость, полупроводниковый элемент, закрепленный внутри корпуса, капиллярнопористое покрытие, покрывающее внутреннюю поверхность корпуса и заполненное теплоносителем (Патент Великобритании № 1295775 кл. H01L 23/427, опублик. 1972).

Известен также мощный теплопроводный полупроводниковый прибор, содержащий основание и крышку, образующие паровую полость, и покрывающий внутреннюю поверхность крышки капиллярно-пористый фитиль, пропитанный жидким теплоносителем (Патент Японии № 51-17382 кл. H01L 23/02 опублик. 1976). На основании корпуса в таком мощном теплопроводном полупроводниковом приборе закреплен полупроводниковый элемент, поверхность которого покрыта капиллярно-пористым фитилем.

Недостатком обоих вышеописанных мощных теплопроводных полупроводниковых приборов является недостаточно эффективный отвод тепла от полупроводникового элемента при кипении теплоносителя в толще фитиля на участке, покрывающем полупроводниковый элемент. При больших удельных мощностях уменьшается эффективность теплопередачи, что ограничивает максимальную допустимую рассеиваемую мощность.

Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототипом) является мощный теплопроводный полупроводниковый прибор (Патент Российской Федерации на изобретение № 2796324 от 22.05.2023. Опубликовано: 22.05.2023 Бюл. № 15), содержащий основание и крышку, образующие паровую полость, и покрывающий внутреннюю поверхность крышки капиллярно-пористый фитиль, пропитанный жидким теплоносителем. На основании внутри корпуса установлена П-образная скоба, внешняя поверхность которой выполнена с капиллярными канавками, сообщающимися с паровой полостью и фитилем. К внутренней поверхности П-образной скобы прикреплен полупроводниковый элемент, отделенный от основания корпуса капиллярным зазором, сообщающимся с фитилем и с паровой полостью.

Недостатком такого мощного теплопроводного полупроводникового прибора является недостаточно эффективная передача тепла от полупроводникового элемента к внешней поверхности крышки из-за того, что конденсация пара теплоносителя возможна только через пористый фитиль, покрывающий внутреннюю поверхность крышки. Это же препятствие (фитиль) замедляет переход пара теплоносителя в жидкое состояние для заполнения фитиля, сообщающегося с капиллярными канавками П-образной скобы. При больших удельных мощностях уменьшается эффективность теплопередачи, что ограничивает максимально допустимую тепловую мощность, передаваемую от полупроводникового элемента к внешней поверхности корпуса для ее рассеивания во внешнюю среду.

Недостатком известного технического решения является также недостаточная эффективность теплоотвода. Это в свою очередь приводит к снижению обусловленного температурой полупроводникового элемента допустимого максимального прямого тока, протекающего через полупроводниковый элемент. Так для полупроводниковых приборов с кремниевым полупроводниковым элементом, начиная с температуры 40°С, являющейся для кремниевого полупроводникового элемента нормальной температурой, допустимый максимальный, прямой ток, протекающий через него, снижается по сравнению с номинальным значением на 40% на каждые 10°С превышения температуры над 40°С.

Целью изобретения является повышение допустимого максимального прямого тока через полупроводниковый элемент посредством повышения эффективности теплоотвода от полупроводникового элемента.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом приборе, содержащем корпус, состоящий из основания и крышки, образующих паровую полость, полупроводниковый элемент, закрепленный внутри корпуса, капиллярно-пористое покрытие, покрывающее внутреннюю поверхность корпуса и заполненное теплоносителем, поверхность полупроводникового элемента содержит капиллярные каналы сообщающиеся с капиллярно-пористым покрытием и паровой полостью.

Прилагаемые чертежи изображают:

Фиг. 1 - один из возможных вариантов выполнения мощного теплопроводного полупроводникового прибора;

Фиг. 2 - разрез А-А части мощного теплопроводного полупроводникового прибора, представленного на фиг. 1;

Фиг. 3 - разрез Б-Б вид сверху мощного теплопроводного полупроводникового прибора, представленного на фиг. 1

Перечень элементов на прилагаемых чертежах:

1 - основание;

2 - крышка;

3 - фитиль;

4 - паровая полость;

5 - полупроводниковый элемент;

6 - капиллярные канавки на поверхности полупроводникового элемента;

7 - капиллярные канавки на поверхности полупроводникового элемента;

8 - капиллярные канавки верхней части крышки 2.

На фиг 1 показан, мощный теплопроводный полупроводниковый прибор. Мощный теплопроводный полупроводниковый прибор (фиг. 1). содержит корпус, выполненный в виде основания 1 и крышки 2, внутренняя поверхность которого покрыта капиллярно-пористым покрытием 3 и образует паровую полость 4. На основании 1 корпуса прибора закреплен полупроводниковый элемент 5, на одной из поверхностей которого выполнены капиллярные каналы 6 (см. фиг. 2), сообщающиеся с капиллярно-пористым покрытием 3, Для улучшения теплоотвода полупроводниковый элемент 5 закреплен на основании 1 корпуса прибора с помощью теплопроводного состава. Капиллярные каналы 6 могут сообщаться между собой капиллярными каналами 7 (см. фиг. 3), что также улучшает теплоотвод от полупроводникового элемента 5. Капиллярно-пористое покрытие 3 заполнено жидким диэлектрическим теплоносителем. В качестве теплоносителя может быть использован, например, фреон Ф-113, представляющим собой диэлектрическую неагрессивную жидкость.

Полупроводниковый прибор работает следующим образом. При протекании тока через полупроводниковый элемент 5 происходит его нагревание электрической мощностью, выделяемой на нем. Под действием тепла, выделяемого на полупроводниковом элементе 5, жидкий теплоноситель, заполняющий капиллярные каналы 6 и 7 (см. фиг. 3), испаряется в паровую полость 4, отводя тепло от полупроводникового элемента 5 за счет скрытой теплоты парообразования, и в парообразном состоянии через паровую корпуса, где он конденсируется. Под действием капиллярных сил полость 4 движется к холодной поверхности корпуса, где он конденсируется, сил жидкий теплоноситель по капиллярно-пористой структуре возвращается в капиллярные каналы 6 и 7 (см. фиг. 3) полупроводникового элемента 5. Данное техническое решение позволяет повысить интенсивность отвода тепла от полупроводникового элемента 5 не менее, чем в 2 раза, благодаря чему допустимый максимальный прямой ток через полупроводниковый элемент увеличивается в 1,5-2 раза.

Использование: для изготовления полупроводниковых приборов большой мощности. Сущность изобретения заключается в том, что мощный теплопроводный полупроводниковый прибор содержит корпус, состоящий из основания и крышки, образующих паровую полость, полупроводниковый элемент, закрепленный внутри корпуса, капиллярно-пористое покрытие, покрывающее внутреннюю поверхность корпуса и заполненное теплоносителем, при этом поверхность полупроводникового элемента содержит капиллярные каналы, сообщающиеся с капиллярно-пористым покрытием и паровой полостью, и на внутренней поверхности верхней части крышки корпуса выполнены капиллярные канавки, сообщающиеся с капиллярно-пористым фитилем на внутренней поверхности боковой стенки крышки корпуса. Технический результат: обеспечение возможности улучшения отвода тепла от полупроводникового элемента. 3 ил.

Мощный теплопроводный полупроводниковый прибор, содержащий корпус, состоящий из основания и крышки, образующих паровую полость, полупроводниковый элемент, закрепленный внутри корпуса, капиллярно-пористое покрытие, покрывающее внутреннюю поверхность корпуса и заполненное теплоносителем, отличающийся тем, что с целью повышения допустимого максимального прямого тока через полупроводниковый элемент поверхность полупроводникового элемента содержит капиллярные каналы, сообщающиеся с капиллярно-пористым покрытием и паровой полостью, и на внутренней поверхности верхней части крышки корпуса выполнены капиллярные канавки, сообщающиеся с капиллярно-пористым фитилем на внутренней поверхности боковой стенки крышки корпуса.