Анализ современного уровня параметров отечественных и зарубежных теплоотводящих материалов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Анализ современного уровня параметров отечественных и зарубежных теплоотводящих материалов

Прасицкий Г.В., Инюхин М.В.

Разработчики современной радиоэлектронной техники постоянно сталкиваются с проблемой отвода тепла от электронных компонентов и узлов [1]. Увеличение объемной плотности размещения полупроводниковых компонентов и повышение их степени интеграции приводит в итоге к увеличению выделения тепла на единицу площади. При этом максимальная рабочая температура полупроводниковых компонентов ограничена и составляет порядка 400К.

Для повышения эффективности отвода тепла разработчики выбирают материалы с высокой теплопроводностью. К числу таких материалов относятся: металлы (медь, алюминий, серебро), сплавы, керамика (алюмооксидная, алюмонитридная, оксид берилия), различные композиционные материалы (молибден-медь, вольфрам-медь, алюминий-карбид кремния) и теплорассеивающие полимерные композиты (ТРПК). Каждому из этих материалов свойственны свои преимущества и недостатки, которые разработчики учитывают при проектировании радиоэлектронной техники. Теплопроводность не является единственным решающим параметром при выборе теплоотводящего материала в радиоэлектронной технике, также разработчики обращают внимание на термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) и удельный вес. ТКЛР особенно важно учитывать при разработке и производстве полупроводниковых приборов, т. к. в этом случае необходимо добиться согласования коэффициентов линейного расширения между теплоотводящей подложкой и полупроводниковым кристаллом. Для сравнения, ТКЛР наиболее применяемых полупроводниковых материалов: кремний -- 3,0, карбид кремния -- 3,0, фосфид индия -- 4,5 и арсенид галлия -- 5,9. Разработчики бортовой радиоэлектроники для летательных аппаратов вынуждены принимать во внимание удельный вес теплоотводящих материалов: чем меньше, тем лучше, т. к. от этого параметра напрямую зависит масса летательных аппаратов в целом.

Для выяснения достигнутого уровня параметров псевдосплавных материалов МД-40 и МД-50 определим их теоретические значения, что позволит лучше понять направления совершенствования их свойств. Для этого рассчитаем: теплопроводность, ТКЛР и удельный вес.

Расчет теплопроводности.

1. Общий объем материалов в псевдосплаве:

(1)Размещено на http: //www. allbest. ru/

где Vi - объем составляющего компонента, см3 .

(2)Размещено на http: //www. allbest. ru/

где Pi - содержание составляющего компонента, %;

сi - удельный вес составляющего компонента, г/см3.

2. Если материал геометрически представляет собой параллелепипед, то в каждом сечении, перпендикулярном одной из граней элементарный объем будет:

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(3)

где SУ - общая площадь поперечного сечения, см2;

Дl - элементарная длина, см;

Vi - объем составляющего компонента, см3;

VУ - общий объем материалов в псевдосплаве, см3.

3. Теплопередача на элементарной длине Дl осуществляется за счет параллельно расположенных микрообъемов ДV материалов, входящих в состав псевдосплавов. При равенстве Дl можно составить общее выражение для элементарной площади поперечного сечения:

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(4)

где SУ - общая площадь поперечного сечения, см2;

Vi - объем составляющего компонента, см3;

VУ - общий объем материалов в псевдосплаве, см3.

и затем выражение для двухкомпонетного состава:

(5)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

где SУ - общая площадь поперечного сечения, см2;

P1 и P2 - содержание первого и второго составляющих компонентов соответственно, %; с1 и с2 - удельный вес первого и второго составляющих компонентов, соответственно, г/см3.

4. Тепловое сопротивление:

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(6)

где Дl - элементарная длина, см;

лi - теплопроводность компонента, Вт/м·К;

Si - элементарная площадь поперечного сечения, см2;

поэтому приняв SУ = 1 и Дl = 1, получим площадь поперечного сечения для первого компонента:

(7)Размещено на http: //www. allbest. ru/

где P1 и P2 - содержание первого и второго составляющих компонентов соответственно, %;

с1 и с2 - удельный вес первого и второго составляющих компонентов, соответственно, г/см3;

для второго компонента площадь поперечного сечения:

(8)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

где S1 - площадь поперечного сечения первого компонента, см2.

Далее тепловые сопротивления первого и второго составляющих компонентов:

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(9), (10)

где Дl - элементарная длина, см;

л1 и л2 - теплопроводности первого и второго составляющих компонентов, соответственно, Вт/м·К;

S1 и S2 - площади поперечного сечения первого и второго составляющих компонентов, см2.

5. Общее тепловое сопротивление:

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(11)

где RT1 и RT2 - тепловые сопротивления первого и второго составляющих компонентов, соответственно, м·К/Вт.

6. Таким образом, общая теплопроводность материала:

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(12)

принимая с1 = 10,216 г/см3 и л1 = 145 Вт/м·К для молибдена, а также с2 = 8,89 г/см3 и л2 = 384 Вт/м·К для меди, определяем теплопроводности для псевдосплавов МД-40 и МД-50:

лМД-40 = 248,6 Вт/м·К и лМД-50 = 271 Вт/м·К

Расчет ТКЛР

1. В общем случае псевдосплав состава молибден-медь представляет собой тело, состоящее из равномерно распределенных микрообъемов молибдена и меди, суммарная величина которых определяется их процентным соотношением. Если взять 100г псевдосплава состава молибден-медь, то суммарный объем молибдена VMo составит 5,873 см3, а меди VCu - 4,499 см3 для псевдосплава МД-40, а для псевдосплава МД-50 - суммарный объем молибдена

VMo составит 4,894 см3 и меди VCu - 5,624 см3. Пусть из указанного количества материала изготовлен параллелепипед сечением S = 1см2. Тогда суммарная длина микрообъемов молибдена и меди составит соответственно:

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(13), (14)

где VMo и VCu - суммарный объем молибдена и меди, соответственно, см3;

S - площади поперечного сечения параллелепипеда, см2.

2. Термический коэффициент линейного расширения бМД материала может быть найден из общего выражения для расчета ТКЛР:

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(15)

где l0 - начальная длина параллелепипеда, см;

l - конечная длина параллелепипеда, см;

ДT - разность темперутур, при которых определяется ТКЛР, К.

откуда термический коэффициент линейного расширения бМД материала:

(16)

Размещено на http: //www. allbest. ru/

где l0Mo - начальная длина молибдена в параллелепипеде, см;

l0Cu - начальная длина меди в параллелепипеде, см;

бMo - ТКЛР молибдена, Ч10-6K-1;

бCu - ТКЛР меди, Ч10-6K-1;

ДT - разность температур, при которых определяется ТКЛР, К.

3. Термический коэффициент линейного расширения бМД-40 материала МД-40 с учетом того, что при 373,15К -- ТКЛР молибдена бMo = 4,3Ч10-6K-1 и ТКЛР меди бCu = 16,8Ч10-6K-1:

бМД-40 = 9,722Ч10-6K-1

4. Термический коэффициент линейного расширения бМД-50 материала МД-50 с учетом того, что при 373,15К -- ТКЛР молибдена бMo = 4,3Ч10-6K-1 и ТКЛР меди бCu = 16,8Ч10-6K-1:

бМД-50 = 10,374Ч10-6K-1

Расчет удельного веса.

1. Объем составляющего компонента в псевдосплаве:

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(17)

где Pi - содержание составляющего компонента, г;

сi - удельный вес составляющего компонента, г/см3.

2. Суммарный объем материала:

Размещено на http: //www. allbest. ru/

(18)

где VMo и VCu - суммарный объем молибдена и меди, соответственно, см3;

3. Удельный вес псевдосплавов МД-40 МД-50, соответственно:

сМД-40 = 9,641 г/см3 и сМД-50 = 9,508 г/см3

Теоретически достижимые параметры каркасных псевдосплавов МД-40 и МД-50 приведены в таблице 1.

Таблица 1 Теоретические параметры каркасных псевдосплавов МД-40 и МД-50

Основные параметры теплопроводящих материалов отечественного производства приведены в таблице 2 [2, 3].

Таблица 2 Основные параметры теплопроводящих материалов

Из представленных в таблице 2 материалов, ни один не обладает совокупностью лучших параметров. При этом значения параметров наиболее часто используемых псевдосплавных материалов типа МД40 и МД50 существенно отстают от теоретически достижимых.

Достижению теоретических значений параметров в серийно используемых матричных псевдосплавах МД-40 и МД-50 мешает ряд факторов, характерных для принятого в настоящее время способа их производства: неполное смачивание жидкой медью тугоплавкой фазы. остаточная пористость, неравномерное распределение в объеме материала молибдена и меди, анизотропия свойств материала.

Проведенные авторами исследования позволили разработать технологический процесс серийного производства каркасных псевдосплавных материалов состава молибден-медь типа МД40 и МД50 с параметрами, приведенными в таблице 3.

Таблица 3

Возможность получения материалов с указанными в таблице параметрами базируется на разделении процессов спекания молибденовых каркасов, что позволяет равномерно распределить частицы молибдена в объеме материала, и пропитки их медью при температурах, обеспечивающих нулевой угол смачивания жидкой медью молибденового каркаса.

теплоотводящий медь молибден радиоэлектронный

Список литературы

1. Ланин В.Л., Ануфриев Л.П. Монтаж кристаллов IGBT-транзисторов // Силовая электроника. - 2009. - №2. - С. 94-99.

2. Македонский Б.К., Морозова И.Г., Сказкин В.Е. Псевдосплавы системы медь-молибден // Modern problems and ways of their solution in science, transport,production and education-2012.

3. Полосы из псевдосплава на основе молибдена и меди // Технические условия ТУ 6365-021-07604787-2004.

Размещено на Allbest.ru