Охладитель полупроводникового прибора Советский патент 1993 года по МПК H01L23/36 H05K7/20 

Фиг.1

Заявляемое техническое решение относится к устройствам для отвода тепла, а именно - к охладителю полупроводникового прибора таблеточного исполнения.

Цель изобретения - повышение теплоотдачи при одновременном снижении материалоемкости и трудоемкости изготовления охладителя, а также обеспечение возможности отвода от двух полупроводниковых приборов.

На фиг. 1 изображен охладитель с пластичной опорой в виде диска с выступами, имеющими форму усеченного конуса, пирамиды или цилиндра; на фиг. 2 - охладитель с составной опорой с пружинной диафрагмой между диском и теплопередающей ди- афрагмой; на фиг. 3 - охладитель с составной опорой с пружинной диафрагмой, установленной между основанием диска и корпусом; на фиг. 4 - охладитель с опорой с пружиной снаружи корпуса: на фиг. 5 - охладитель с опорой с упругим элементом снаружи корпуса; на фиг. 6 - охладитель с эластичной составной опорой с дисками, выступы которых поджимают две гибкие теплопередающие диафрагмы к основаниям полупроводниковых приборов; на фиг. 7 изображен охладитель с эластичной составной опорой с пружинными волнообразными диафрагмами , установленными между вершинами дисков и теплопередаю- 1цими диафрагмами; на фиг, 8 - охладитель с эластичной составной опорой с пружинной диафрагмой между основаниями; на фиг. 9 изображен охладитель с эластичной составной опорой с промежуточной жесткой дистанционной прокладкой.

Предлагаемый охладитель полупроводникового прибора, изображенный на фиг. 1, содержит корпус 1, связанную с ним тепло- передающую диафрагму 2, установленную с возможностью контакта ее внутренней поверхности с теплоносителем 3. Внешнее сжимающее усилие Р приложено к полупроводниковому прибору и основанию сжимающего устройства 8. При этом в качестве пластичной опоры применен упругий в осевом направлении диск 5 с выступами в виде усеченного конуса или пирамиды, примыкающими своими вершинами 6 к внутренней поверхности теплопередающей диафрагмы 2. а основанием 7 к внутренней поверхности задней стенки корпуса 1 охладителя. На фиг. 2 изображен охладитель полупроводникового прибора с составной эластичной пружинной опорой, одной из составляющих которой является диск 5 саыступами, а между их вершинами 6 и внутренней поверхностью теплопередзющей .диафрагмы 2 в контакте с ними установлена вторая часть пружинная волнообразная диафрагма 9 с пазами для доступа теплоносителя 3 в зону теплообмена. На фиг. 3 изображен охладитель полупроводникового прибора с составной пластичной пружинной опорой, одной из составляющих которой является диск 5 с выступами, примыкающими вершинами 6 к внутренней поверхности гибкой теплопередающей диафрагмы, а между основанием

диска 7 и внутренней поверхностью части стенки корпуса 1, противолежащей гибкой теплопередающей диафрагме 2, в контакте с ними установлена вторая часть - пружинная волнообразная диаграмма 9. На фиг. 4

5 изображен охладитель полупроводникового прибора с опорой в виде диска 5, а между внешней поверхностью части гибкой стенки корпуса 1, противолежащей гибкой тепло- передающей диафрагме 2,и основанием

0 сжимающего устройства 8 в контакте с ними размещена пружинная волнообразная диафрагма 9. На фиг. 5 также, как и на фиг. 4, изображен охладитель полупроводникового прибора с опорой в виде диска 5, а между

5 внешней поверхностью части гибкой стенки корпуса 1, противолежащей гибкой тепло- передающей диафрагме 2, и основанием сжимающего устройства 8 в контакте с ними установлена резиновая или пластичная про0 кладка 10.

Работа охладителя, изображенного на фиг. 1.

При приложении внешнего сжимающего усилия Р к полупроводниковому прибору

5 4 и основанию сжимающего устройства 8 в конических выступах возникают сжимающие усилия, при этом их вершины 6 поджимают гибкую теплопередающую диафрагму 2 к основанию полупроводникового прибо0 рз 4. Сечение материала конической части вершин опоры 5 выбрано таким, что приложение сжимающего усилия Р приводит к частичной пластичной деформации материала опоры, осадке выступающих ее вершин,

5 после чего нагрузки на выступах выравниваются, текучесть прекращается, обеспечивается равномерное и многозонное поджатие внешней поверхности теплопередающей диафрагмы 2 к основанию полупроводнико0 вого прибора даже в случае его неплоскостности. Предлагаемая конструкция пластичной опоры обеспечивает создание плотного облегающего контакта между полупроводниковым прибором и охладителем

5 с низким значением его теплового сопротивления, чем обеспечивается высокая теп- лопередающая способность контакта. Количество выступов опоры 5 и их геометрические размеры на фиг. 1 показаны условно. При прохождении тока в полупроводникееом приборе 4 выделяемое в его полупроводниковой структуре тепло передается через основание и плотный облегающий контакт теплопередающей диафрагме, проходит по ней и на ее внутренней поверхности отдается теплоносителю, благодаря чему поддерживается необходимый тепло- вой режим охлаждаемого полупроводникового прибора 4 и обеспечивается его работоспособность. Предлагаемая конструкция охладителя обладает низкой материалоемкостью и трудоемкостью и может быть широко использована в охладителях с внутренней жидкостной и испарительной системой теплопередачи. При приложении внешнего сжимающего усилия Р в охладителе фиг. 2 расположенная между вершинами выступов 6 и внутренней поверхностью теплопередающей диафрагмы 2 пружина 9 с пазами для доступа теплоносителя в зону теплообмена обеспечивает многоместное плотное поджатое внешней поверхности гибкой теплопередающей диафрагмы 2 к основанию полупроводникового прибора 4 с повторением конфигурации последнего и с образованием между ними хорошего теплового контакта. Теплопередача и работа охладителя, изображенного на фиг. 2, аналогичны охладителю на фиг. 1. Предлагаемая на фиг. 2 конструкция охладителя обеспечивает эффект облегающего контакта без необходимости пластичной деформации выступов дисков 5, а ее применение особенно эффективно в случае испарительного охлаждения, т.к. наличие узких щелей между внутренней поверхностью теплопередающей диафрагмы и пружиной интенсифицирует процесс закипания жидкости, что ведет к росту теплоотдачи. При приложении внешнего сжимающего усилия в охладителе фиг. 3 волнообразная пружинная диафрагма 9, расположенная между основанием диска 7 и внутренней стороной части корпуса 1 охладителя, обеспечивает плотное поджатие конусных вершин 6 гибкого в поперечном направлении диска 5 к внутренней стороне теплопередающей диафрагмы 2, которая, в свою очередь, плотно поджимается к поверхности основания полупроводникового прибора 4 с образованием многозонного теплового контакта между ними. Конструкция обеспечивает эффект облегающего контакта без необходимости пластичной деформации выступов диска 5, обладает низкой материалоемкостью и трудоемкостью и особенно эффективна для охладителей с жидкостным охлаждением. Работа охладителя аналогична работе охладителя, изображенного на фиг. 1. Работа охладителя фиг. 4 и его теплопередача аналогичны охладителям, представленным на фиг. 2 и 3. Предлагаемая на фиг. 4 конструкция с вынесенной наружу пружинной волнообразной диафрагмой 9 позволяет решить 5 проблему коррозиостойкости и совместимости материалов, находящихся внутри корпуса 1 охладителя, наряду с высокой теплоотдающей способностью охладителя, благодаря наличию эффекта облегающего

0 контакта, при этом нагрузки, возникающие в опоре, могут лежать вне зоны пластичной деформации материала. Такие конструкции эффективны как при жидкостном, так и при испарительном теплообмене и могут быть

5 использованы для охладителей с внешним воздушным и жидкостным охлаждением. В ряде случаев целесообразно применение конструкции охладителя, изображенного на фиг. 5 с внешним пластичным элементом, в

0 качестве которого может быть использована резина или пластичная прокладка 10, например, из фторопласта, свинца или пластичного материала. Работа охладителя фиг. 5 аналогична работе охладителя, изобра5 женного на фиг. 2 и 3. Применение таких конструкций упрощает решение проблемы коррозионной стойкости и совместимости материалов внутри охладителя при одновременном снижении материалоемкости и

0 трудоемкости его изготовления. Изображенный на фиг. 6 охладитель полупроводни- кового прибора содержит корпус 1, связанные с ним гибкие теплопередающие диафрагмы 2 с возможностью контакта их

5 внутренних поверхностей с теплоносителем 3, а на их внешних поверхностях размещены полупроводниковые приборы 4. Между внутренними поверхностями гибких тепло- передающих диафрагм 2, примыкая к ним,

0 размещена составная эластичная опора 11, состоящая из 2-х дисков 5 с выступами в форме усеченного конуса, призмы или сферы, вершины 6 которых контактируют с внутренней поверхностью гибких теплопе- редающих дифрагм 2, а основания 7 сопри5 касаются друг с другом. При необходимости увеличения высоты опоры количество последовательно установленных дисков 6 может быть увеличено до п штук, где п 1, 2, 3, 4, ... п. Изображенный на фиг. 7 охлади0 тель аналогичен охладителю на фиг. 1 с той лишь разницей, что между внутренними поверхностями гибких теплопередающих диафрагм 2 и вершинами 6 дисков 5 установлены в контакте с ними две пружин5 ные волнообразные диафрагмы 9 с пазами.

Охладителе, изображенный на фиг. 8,

аналогичен охладителю на фиг. 1 с той лишь

разницей, что между основаниями 7 дисков

5 составной опоры 11 установлена в контакте с ними пружинная волнообразная диафрагма 9 Взамен пружинной волнообразной диафрагмы 9 может быть установлен резиновый или упругий эластичный диск 10. Ох- ллдитель, изображенный на фиг. 9 отличается от охладителя на фиг. 1 только тем. что между основаниями 7 дисков 5 составной опоры 11 размещен жесткий дистанционный диск 12 из металла керамики или пластмассы. При приложении внешних сжимающих усилий Р к полупроводниковым приборам 4 на фиг. б благодаря гибкости теплопередающей диафрагмы 3 и поперечной гибкости дисков 5 составной опоры 11, в конических выступах возникают сжимаю- щие усилия, при этом их вершины 6 поджимают гибкие теплопередающие диафрагмы 2 к основаниям полупроводниковых прибо- роп 4 Сечение конической части выступов дисков 5 выбрано таким, что приложение сжимающего усилия Р приводит кчастичной пластичной деформации материала дисков, осадке ее выступающих вершин, что наряду с наличием упругих свойств дисков, приводит к выравниванию нагрузок на их верши- н ах 6. Текучесть материала прекращается и обеспечивается равномерное и многозонное поджатие гибких теплопередающих диафрагм 2 к основаниям полупроводниковых приборов 4 даже в случае их неплоскостно- ели. Предлагаемая конструкция обеспечивает создание плотного облегающего контакта с низким тепловым сопротивлением. При прохождении в полупроводниковом приборе 4 тока выделяемое в нем тепло передается через плотный тепловой контакт гибкой теплопередающей диафрагме 2, на онутренней поверхности которой происходит активный теплообмен за счет кипения жидкости при испарительном охлаждении или передачи тепла теплоносителю при жидкостном охлаждении. Предлагаемая конструкция охладителя с составной опорой обеспечивает свободный доступ теплоносителя в зону теплообмена и отвод выделяв- мого тепла при низкой материалоемкости и трудоемкости его изготовления. При приложении сжимающего усилия Р к полупроводниковым приборам 4 на фиг. 7 возникающие между теплопередающими диафрагмами 2 и вершинами 6 дисков 5 усилия сжимают пружинные волнообразные диафрагмы 9, которые плотно поджимают гибкие тепло- передающие диафрагмы 2 к основаниям полупровод пиковых приборов 4 с образованием плотных многозонных тепловых контактов между низкими тепло- выми сопротивлениями. Наличие пружинных свойств у волнообразных диафрагм позволяет обеспечить многозонное

поджатие теплопередающих диафрагм 2 к основаниям полупроводниковых приборов 4 без необходимости пластинчатой деформации дисков 5 опоры 11, а возникающие между теплопередающей диафрагмой 2 и пружинной диафрагмой 9 с пазами узкие щели интенсифицируют процесс кипения жидкости, что также ведет к росту теплопередачи. В остальном работа охладителей на фиг. 2 аналогична фиг. 6. При приложении усилия сжатия Р к полупроводниковым приборам 4 на фиг. 2 пружинная волнообразная диафрагма 9 своими вершинами поджимается к основаниям 7 дисков 5 гибких в поперечном направлении и плотно поджимает все вершины 6 дисков 5 к внутренним поверхностям гибких теплопередающих диафрагм 2, которые плотно и многозонно поджимаются к основаниям полупроводниковых приборов, обеспечивая облегающий тепловой контакт с низким тепловым сопротивлением. Такая конструкция опоры не требует пластичной деформации материала дисков, обладает высокой проницаемостью для теплоносителя и может успешно применяться как для жидкостного, так и для испарительного теплообмена, обладает низкой материалоемкостью и трудоемкостью. Во всем остальном работа охладителей фиг. 8 аналогична работе охладителей фиг, 6. Взамен пружинной волнообразной диафрагмы охладителей фиг. 8 может быть использован резиновый диск или диск из упругого пластика, что также упрощает конструкцию, снижает ее трудоемкость и материалоемкость. Работа охладителей фиг. 9 полностью аналогична работе охладителей фиг. обеспечивает экономию материалов и снижение трудоемкости, открывает возможность для увеличения высоты опоры в соответствии с требованиями. Конструкция высокотехнологична, так как жесткие дистанционные диски 12 могут быть прессованными либо штампованными. Таким образом, предлагаемые конструктивные решения позволяют создать охладители для жидкостного или испарительного теплоотвода от полупроводниковых приборов таблеточной конструкции с выступающими или уплотни- тельными основаниями с высокой теплоот- дающей способностью при низкой материалоемкости и трудоемкости с высокой технологичностью.

Предлагаемые конструкции охладителей обеспечивают возможность теллоотво- да как от одного, так и от 2-х полупроводниковых приборов с мощностью тепловыделений от 20 до 20000 Вт в единице, что открывает возможности для создания мощных преобразовательных устройств

без параллельного соединения полупроводниковых приборов, повышает надежность преобразовательной техники и ведет к снижению ее стоимости.

Формулаиэобретения

1.Охладитель полупроводникового прибора таблеточной конструкции, содержащий корпус, связанную с ним гибкую теплопередающую диафрагму, размещенную с возможностью контг.кта ее внутрен- ней поверхности с теплоносителем и с возможностью установки на ее внешней поверхности основания полупроводникового прибора, эластичную пружинную опору, проницаемую для теплоносителя и разме- щенную с возможностью контакта с гибкой теплопередающей диафрагмой и корпусом. отличающийся тем. что, с целью повышения теплоотдачи и снижения материалоемкости и трудоемкости изготовления охладителя, эластичная пружинная опора выполнена в виде диска с выступами в форме цилиндра, усеченного конуса или пирамиды, вершины которых примыкают к внутренней поверхности теплопередэющей диафрагмы, а основание диска примыкает к внутренней поверхности стенки корпуса, противолежащей гибкой теплопередающей диафрагме.

2.Охладитель по п. 1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что между вершинами выступов эластичной пружинной опоры и внутренней поверхностью теплопередающей диафрагмы в контакте с ними установлена пружинная волнообразная диафрагма с пазами.

3.Охладитель поп. 1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что между основанием диска эластичной пружинной опоры и внутренней поверхностью части стенки корпуса охладителя, противолежащей гибкой тепло- передающей диафрагме, в контакте с ними установлена пружинная волнообразная диафрагма с пазами.

4.Охладитель по п. 1, о т л и ч а ю щ и ис я тем, что между внешней поверхностью части гибкой стенки корпуса, противолежащей теплопередающей диафрагме, и основанием сжимающего устройства, примыкая к ним, размещена пружинная волнообразная диафрагма с пазами.

5.Охладитель поп. 1. о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что между внешней поверхностью части гибкой стенки корпуса, противолежащей теплопередающей диафрагме, и основанием сжимающего устройства в контакте с ними размещена прокладка, выполненная из резины пибо упругого пластика.

6.Охладитель по п. 1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что, с целью обеспечения возможности отвода тепла отдпух полупроводниковых приборов, охладитель выполнен с двумя гибкими теплопередающими диафрагмами, противолежащими друг другу, в контакте с внутренними поверхностями которых расположена составная эластичная пружинная опора, выполненная ид последовательно ус- тановленных дисков, при этом основания крайних дисков сопряжены друг с другом, либо с вершинами и основаниями промежуточных дисков, я вершины примыкают к внутренним поверхностям теплопередаю- щих диафрагм.

7.Охладитель по пп, 1 и 6. отличаю щ и и с я тем, что между выступами крайних дисков составной эластичной пружинной опоры в контакте с ними и внутренними поверхностями теплопередающих диафрагм размещена по меньшей мере одна пру- жинная волнообразная диафрагма с пазами.

8.Охладитель по пп. 1, 6 и 7, отличающий с я тем, что между основаниями крайних дисков составной эластичной пружинной опоры в контакте с ними и промежуточными дисками размещена по меньшей мере одна пружинная волнообразная диафрагма.

9.Охладитель по пп. 1 и 6, отличающий с я тем, что между основаниями крайних дисков, примыкая к ним и промежуточным дискам, размещена по меньшей мере одна прокладка, выполненная из резины либо упругого пластика.

10.Охладитель по пп. 1и б, отличающий с я тем, что между основаниями крайних дисков и промежуточными дисками в контакте с ними установлена по меньшей мере одна жесткая дистанционная пластина.

2

Использование: для создания систем теплоотвода при внешнем воздушном или жидкостном охлаждении. Сущность изобретении охладитель содержит корпус 1, связанную с ним теплопередающую диафрагму 2, установленную с возможностью контакта ее внутренней поверхности с теплоносителем 3. Внешнее сжимающее усилие Р приложено к полупроводниковому прибору и основанию сжимающего устройства 8. При этом в качестве эластичной пружинной опоры применен упругий в осевом направлении диск 5 с выступами в виде усеченного конуса или пирамиды, примыкающими своими вершинами 6 к внутренней поверхности тепло- передающей диафрагмы 2. а основанием 7 - к внутренней поверхности задней стенки корпуса 1 охладителя. Такая конструкция охладителя обеспечивает повышение теплоотдачи и снижение материалоемкости и трудоемкости изготовления охладителя, а также позволяет отводить тепло сразу от двух полупроводниковых приборов. 9 з.п. ф-лы. 9 ил. 7 7 СО С со ю CJ о со VI 8

Фие.1

Фиг. 5

Фиг.З

Фиг.Ь

Фиг. 6

Фиг. 8

Редактор Т.Шагова

Техред М.Моргентал

Заказ 2181Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Фиг.7

Фиг.9

Корректор П.Гереши