Полупроводниковый прибор Советский патент 1992 года по МПК H01L23/44 

Изобретение относится к электронике и может быть использовано при создании полупроводниковых приборов, работающих в режимах переменных нагрузок

работа современных мощных полупроводниковых приборов в режимах переменных нагрузок часто приводит к перегреву и разрушению полупроводникового кристалла, а в случае группы кристаллов - к неравномерному их нагреву Поэтому задача быстрого отвода теплоты от зоны расположения кристалла является актуальной, тем более, что известные полупроводниковые приборы обладают значительной инерционностью в отводе теплоты и сложностью систем охлаждения.

Известен полупроводниковый прибор с оросительной (погружной) системой охлаждения, организованной непосредственно в корпусе Прибор состоит из теплоотводного корпуса, заполненного жидким хладагентом, в который погружен открытый кристалл или группа кристаллов Теплоотвод в этом случае осуществляется непосредственно от

поверхности кристалла, что приводит к значительному понижению температуры кристалла и инерционности его охлаждения.

Недостатком прибора является то, что кипение хладоагента происходит в большом объеме. Это приводит к уменьшению коэффициентов тепломассообмена, и к снижению эффективности теплоотвода от кристалла, ухудшению быстродействия и надежности работы прибора в целом.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является полупроводниковый прибор, содержащий корпус, внутренняя поверхность которого покрыта материалом с капиллярно-пористой структурой, заполненной жидким хладагентом, вставку также из материала с капиллярно-пористой структурой, заполненной жидким хладагентом, установленную внутри корпуса и соединенную с его внутренними стенками с образованием двух противолежащих полостей. Кристаллы расположены внутри вставки. Вставка и внутренние стенки корпуса соединены артериальными фитилями

XI

СП

00

со о

Охлаждение кристаллов в этом случае основано на фазовом переходе хладоагента из жидкого состояния в парообразное, т.е. осуществляется по принципу тепловой трубы внутри самого прибора, Благодаря незначительному объему хладагента, находящемуся лишь в тонком капиллярно- пористом слое, повышается скорость тепломассообменных процессов в зоне испарения. Недостатком прибора является недостаточная эффективность охлаждения кристаллов, вызванная образованием у поверхности теплообмена низкотеплопроводного пограничного парового слоя, который затрудняет теплоотвод, приводит к локальному перегреву кристаллов и к их разрушению, что в конечном итоге ухудшает быстродействие прибора и надежность его работы.

Целью изобретения является повышение эффективности охлаждения прибора за счет разрушения малотеплопроводного парового слоя на границе жидкого хладагента и теплоизлучающей поверхности кристаллов.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом приборе, содержащем корпус, внутренняя поверхность которого покрыта материалом с капиллярно-пористой структурой, заполненной жидким хладагентом, расположенную в нем плоскую вставку из материала с капиллярно-пористой структурой, боковая поверхность которой соединена с внутренней поверхностью корпуса с образованием двух противолежащих полостей, кристаллы расположенные внутри вставки, и артериальные фитили, соединяющие фронтальную и тыльную поверхности вставки с внутренней поверхностью корпуса; соединение боковой поверхности вставки с внутренней поверхностью корпуса осуществлено через обрамляющую вставку мембрану, внешний периметр которой выбран равным 1,5-2 периметрам контура соединения мембраны со вставкой, а величина прогиба а) мембраны связана с ее геометрическими размерами и

упругими свойствами соотношением

Р -а4 ш-а- см(3)

Е h3 для прямоугольной мембраны;

О)

g(R2-r2)2 см(3)

для круглой мембраны.

На фиг.1 изображен прибор, разрез, на фиг.2 - прибор с прямоугольной мембраной, вид сверху,

Прибор содержит группу открытых кристаллов 1, размещенных в центре теплоот - водного корпуса 2 во вставке 3 из материала с капиллярно-пористой структурой толщиной 3,0-5,0 толщины кристалла Вставка 3 заполнена жидким хладагентом и образует

зону испарения. Внутренняя поверхность, корпуса 2 имеет покрытие 4 из материала с капиллярно-пористой структурой толщиной 1-2 толщины кристалла и является зоной конденсации. Обе зоны соединены между

собой артериальными фитилями 5 Между зонами образовано паровое пространство 6, боковая поверхность вставки соединена с внутренней поверхностью корпуса через мембрану 7, обрамляющую вставку.

При работе прибора кристаллы 1 выделяют тепло, при этом жидкий хладагент, находящийся в зоне испарения закипая и испаряясь, понижает температуру поверхности кристаллов Пары хладагента поступают через паровое пространство 6 в зону конденсации, где, охлаждаясь, возвращаются в виде конденсата по артериальным фитилям 5 и боковым стенкам корпуса по капиллярно-пористому слою в зону испарения, а теплота отводится через стенки корпуса в окружающую среду

При работе полупроводникового прибора при подаче напряжения на коллектор- эмиттер кристалла возникает ток который

течет от коллектора к эмиттеру и снимается через эмиттерный ввод. При этом возникает переменное электромагнитное поле, за счет которого происходит взаимодействие двух проводников (коллектора, эмиттера), имеющих разное направление течения тока, что приводит к отталкиванию проводников с силой;

45

Р /г/«0

hl2t 2JTD

где И 2 - ток через кристаллI - длина проводника с током (длина кристалла); D - расстояние от кристалла до корпуса

/«о проницаемость в вакууме,

/г - проницаемость среды.

В рассматриваемом случае сила Р составляет 0,5 Н.

Под действием этой силы происходят электромагнитные колебания кристаллов в направлении, перпендикулярном протеканию тока через коллектор-эмиттер т.е. перпендикулярно плоскости в которой

расположены кристаллы. Поскольку кристаллы размещены в пористой вставке, то последняя также будет колебаться вместе с кристаллами, Однако жестко закрепленная вставка не дает проявиться эффекту колебаний кристаллов.

Применение гибкой мембраны 7, соединенной со вставкой и внутренними стенками корпуса прибора, дает возможность вставке 3 совершать колебательные движения с частотой подаваемого на кристаллы управляющего сигнала.

Мембрана должна быть изготовлена из материала, обладающего высокой пластичностью, упругостью, прочностью и обеспечивать требуемый прогиб. Таким материалом может служить, например, химическое волокно - тефлон.

Конструктивно мембрана соединяет боковую поверхность вставки 3 с внутренней поверхностью корпуса 2, т.е. обрамляет вставку в плоскости максимального периметра, являясь гибкой перегородкой, разделяя внутренний объем корпуса на две противо лежащие полости.

Размеры мембраны определяются размерами вставки и величиной парового пространства 6. Внутренний периметр мембраны равен периметру контура, соединения мембраны со вставкой и в каждом конкретном приборе строго определен размерами кристаллов и пористого покрытия.

За определяющий размер мембраны принят ее внешний периметр1 Рвнешн-, который определяется из соотношения:

Р Р

внешн

1.5-Рк

где Рк - периметр контура соединения мембраны со вставкой.

При уменьшении нижнего предела уменьшаются размеры мембраны, т.е. снижается величина ее прогиба.

При увеличении верхнего предела увеличивается прогиб мембраны, однако одновременно увеличивается паровое пространство б, что ведет к снижению скорости теплообменных процессов в приборе.

Расчетным путем для прибора с прямоугольной мембраной установлено, что выбранные размеры мембраны с учетом ее упругих свойств и величины приложенной силы воздействия электромагнитного поля на кристаллы обеспечивают необходимый и Достаточный прогиб мембраны

ш-а

Р-а4

Е-пэ

0,15 см,

где а - 3,5 см - меньшая сторона мембраны; b 4,5 см - большая сторона; . -104 кг/см2 - модуль упругости тефлона;

а 0,077 - табличный коэффициент (по

соотношению Ь/а);

h 0,02 мм - толщина мембраны (тефлона);

Р 0,5 Н - сила воздействия электромагнитного поля на кристаллы.

Под со подразумевается максимальный прогиб вставки относительно контура соединения мембраны со стенками корпуса. Расчеты по определению величины прогиба мембраны, имеющей круглую форму, не проводились.

Форма мембраны зависит от формы вставки, последняя в свою очередь определяется формой кристаллов, установленных

во вставке. Отечественной промышленностью выпускаются кристаллы прямоугольной и круглой формы Для компактности прибора вставка имеет соответственно прямоугольную или круглую форму, соответствующую форму имеет и мембрана.

Таким образом, вставка совершает колебательные движения, достаточные, чтобы жидкий хладагент, находящийся внутри вставки, пульсировал и разрушал низкопроводный паровой слой, образующийся на границе кипящего хладагента и тепловыделяющей поверхности кристаллов. При этом повышаются интенсивность конвективного переноса в объеме охлаждающей жидкости,

теплоотдача от кристаллов. Все это способствует увеличению эффективности охлаждения прибора, надежности его работы. Формула изобретения 1. Полупроводниковый прибор, содержащий корпус, внутренняя поверхность которого покрыта материалом с капиллярно-пористой структурой, заполненной жидким хладагентом, расположенную в нем плоскую вставку из материала с капиллярно-пористой структурой, боковая поверхность каждой соединена с внутренней поверхностью корпуса с образованием двух противолежащих полостей, кристаллы, расположенные внутри вставки, и артериальные фитили, соединяющие фронтальную и тыльную поверхности вставки с внутренней поверхностью корпуса отличающий- с я тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения за счет разрушения пограничного парового слоя, соединение боковой поверхности вставки с внутренней поверхностью корпуса осуществлено через обрамляющую вставку мембрану, внешний периметр которой выбран равным 1,5-2,0

периметрам контура соединения мембраны со вставкой.

2. Прибор по п. 1,отличающийся тем, что толщина h мембраны, выполненной прямоугольной, и модуль упругости Е материала мембраны выбраны из соотношений

«о-я

Р-а Е -h

.з

где сг- b/а; ы- величина прогиба мембраны, см;

Ь, а -длина большей и меньшей сторон мембраны, см:

Фиг.1

Р - сила воздействия на кристалл электрического поля, Н.

3.Прибор по п.1. отличающийся

тем, что наружный диаметр D и внутренний

диаметр d мембраны, выполненной круглой,

и модуль упругости материала мембраны

выбраны из соотношения

со- величина прогиба мембраны, см;

Р - сила воздействия на кристалл электрического поля, Н.

Назначение конструирование полупроводниковых приборов, работающих в режиме переменных тепловых нагрузок. Сущность изобретения. Кристалл прибора расположен в полости корпуса, покрытой капиллярно-пористой структурой, заполненной жидким хладагентом и соединенной с кристаллом фитилями и мембраной из капиллярно-пористой структурой, разделяющей полость на две части 2 ил