Углеродные нанотрубки
Представители Fujitsu Laboratories сообщили об успехах, которых им удалось добиться при использовании углеродных нанотрубок в качестве средства теплоотвода для полупроводниковых микросхем. Крошечные трубки в перспективе могут прийти на смену металлическим радиаторам усилителей базовых станций сотовой телефонии следующего поколения. Аналогичная технология со временем, возможно, найдет применение и в наиболее распространенных больших интегральных схемах или процессорных чипах.
Углеродные нанотрубки представляют собой полые цилиндры, образованные атомами углерода (рис.1.5). По ним можно передавать большой ток, их электрическое сопротивление по сравнению с медными проводниками очень мало, а в сравнении с алмазами они обладают низким термическим сопротивлением.
Рис.1.5. Углеродные нанотрубки
Мощные усилители базовых станций сотовой телефонной связи построены на основе транзисторов, смонтированных на металлических блоках, которые служат для отвода лишнего тепла. При такой компоновке транзисторы располагаются над платой, а следовательно они должны подключаться к плате с помощью кабельного соединения, но это приводит к росту индуктивности и снижает мощность усилителя. Новые сотовые телефонные системы работают на увеличенной частоте и им нужен более высокий коэффициент усиления, поэтому кабель может стать узким местом.
Возможное решение заключается в том, чтобы перевернуть микросхему и соединить транзисторы с маленькими металлическими контактами на печатной плате. Это позволит конструкторам избавиться от кабеля, но подобная компоновка не слишком удачна с точки зрения отвода тепла.
Для того чтобы преодолеть трудности, связанные с ростом индуктивности и с выделением тепла, инженеры Fujitsu предложили использовать углеродные нанотрубки, которые обладают хорошими характеристиками и с точки зрения электропроводности, и с позиций теплоотвода.
Из углеродных нанотрубок можно выстраивать достаточно точные конструкции, и инженеры Fujitsu спроектировали шаблон, соответствующий схеме размещения транзисторов. Шаблон включает в себя группы нанотрубок, называемые «контактными площадками», которые в поперечнике имеют около 10 микрон, а в высоту не более 15 микрон.
В результате по сравнению с традиционным усилителем с кабельными соединениями, работающим на частоте более 3 ГГц, получается выигрыш примерно в 2 децибела, причем здесь можно добиться еще более значительной оптимизации.
Охлаждение элементом Пельтье
Термоэлектрические пластины (рис.1.6) используют эффект Пельтье (обратный эффект термопары, заключающийся в том, что при протекании тока через два соприкасающихся полупроводника от одного к другому, пластина нагревается с одной стороны и охлаждается с другой, причём перепад температур на обоих сторонах пластины одинаков. За это свойство модуль Пельтье называют термонасосом. Сам по себе он не может охладить процессор. Он просто перекачивает выделяемое тепло от одной обкладки к другой - от процессора к кулеру. Получается, что термоэлектрический насос имеет холодную сторону, где тепло поглощается, и горячую, где выделяется. Причём, как и в случае с обычным насосом, выделяемое тепло должно куда-то отводиться, то есть, его надо охлаждать кулером. Но на горячей стороне термопары выделяется также тепло, образующееся в следствии потерь, так как по ней тоже течёт ток, а законы физики никто не отменял. В итоге кулер должен охладить не только выделяемое процессором тепло, но и тепло, выделяемое самой термоэлектрической пластинкой, так как эффективность у неё не 100% и сам модуль Пельтье сильно греется.
Рис.1.6. Охлаждающий модуль на эффекте Пельтье
Плоские теплоотводы http://www.furukawa.co.jp/english/
Компания Furukawa Electric (Япония) разработала очень тонкий, подобный листу бумаги, теплоотвод, который позволит охлаждать полупроводниковые микросхемы в мобильных электронных устройствах типа ноутбуков, сотовых телефонов и КПК. Теплоотвод может также использоваться для регулирования разницы температур внутри корпуса устройств.
Рис.1.7. Типовые плоские теплоотводы
Поскольку домашняя электроника и коммуникационные устройства становятся все легче, тоньше и меньше, установка обычных теплоотводов становится затруднительной из-за ограниченного места. Возникает необходимость в разработке эффективного проводника тепла, который был бы тонким и гибким как бумага, при этом обеспечивая функции рассеивания тепла и теплорегуляции. Толщина разработанного японцами теплоотвода меньше 1 мм (рис.1.7). А поскольку его размеры могут свободно изменяться в зависимости от нужд устройства, теплоотвод легко устанавливается на свободное место любого размера.
Новинка довольно эффективна при решении многих температурных проблем, например, устранения нагревания, уравнивания температур и рассеивания тепла. К примеру, теплоотвод толщиной 0,6 мм, широтой 20 мм и длиной 150 мм может рассеять до 10 Вт тепловой энергии. Если же он будет несколько толще, например, 1 мм, то количество рассеиваемой энергии увеличится до 20-30 Вт.
Охлаждение микросхем распылением на них жидкости
Hewlett Packard намеревается применить для охлаждения интегральных схем технологии, разработанные для струйных принтеров. Эта разработка позволит добиться повышенной производительности электронного оборудования, без затрат на жидкое охлаждение. Принцип распыленного охлаждения весьма прост по своей сути. Он схож с механизмом охлаждения человеческого тела путем испарения влаги. Однако электронные приборы не выделяют влагу, поэтому охладители нужно распылять над поверхностью плат и блоков, где они будут нагреваться и испаряться. HP предложила использовать для охлаждения позиционную программируемость головок струйных принтеров. Для этого будет создана температурная карта чипа, и жидкость будет наноситься в те места, где это требуется. По заявлению компании, такая технология намного опережает все существующие методы охлаждения, как по качеству, так и по цене.
Капиллярная система теплоотвода IBM
Используя идею трёхуровневой капиллярной сети, позволяющей под небольшим давлением в полном объёме и равномерно снабжать кровью живую плоть, инженеры IBM разработали процессорный радиатор с высокой плотностью теплоотдачи (рис.1.8).
Рис.1.8. Входные и выходные каналы для подачи и забора хладагента.
Смысл пронизанного густой сетью каналов радиатора в том, что подаваемая через них термопаста равномерно распределяется в микрозазоре между подошвой радиатора и поверхностью чипа. Как бы не были отполированы верхушка кристалла и основа радиатора, зазор между ними будет всегда. Нанося термопасту обычным способом нельзя добиться высокой равномерности её распределения. Иное дело - подача пасты через микропоры. По словам IBM, эффективность "капиллярного" радиатора в 10 раз превышает параметр теплоотдачи "цельных" радиаторов. Примечательно, что ввиду относительной простоты реализации новой системы теплоотвода, её серийные решения могут появиться на рынке очень и очень скоро.
Параллельно IBM разрабатывает другое направление в системах теплоотвода. Точнее, это направление является частным случаем описанной выше "капиллярной" технологии. Только в ней вместо термопасты задействован жидкий хладагент (вода) (рис.1.9).
Рис.1.9. Система каналов для охлаждения кристалла хладагентом
В данной схеме охлаждения чип напрямую омывается жидкостью, отчего эффективность отвода тепла от кристалла процессора достигает едва ли не своего максимального значения. Прототип, демонстрировавшийся на саммите, мог похвастаться плотностью отвода тепла 370 Вт/см., тогда как воздушное охлаждение в аналогичных условиях позволяло отводить тепло плотностью 75 Вт/см. Учитывая сложность конструкции, до рыночного внедрения данной технологии охлаждения процессоров всё ещё далеко.
Особенности обеспечения теплоотвода в теплонапряженных модулях
Одна из основных тенденций современной микроэлектроники - увеличение степени интеграции, объединение на одном кристалле или в одном корпусе максимального количества компонентов для полного решения какой-либо задачи. В области силовой техники эта тенденция привела в свое время к разработке полумостовых и мостовых силовых модулей.
При разработке конструкции модуля основное внимание уделяется обеспечению высокой надежности и хороших тепловых характеристик. Как правило, силовые кристаллы модуля устанавливаются на изолирующую подложку, размещенную на базовой несущей плате. Несущая плата изготавливается из меди или сплава AlSiC, и предназначена для передачи тепла на радиатор. Тепловые характеристики платы оказывают существенное влияние на термодинамику модуля и суммарное тепловое сопротивление «кристалл-радиатор». Соединение чипов между собой в маломощных модулях осуществляется проводами, а в модулях большой мощности - многослойной шиной. Этим требованиям отвечают модули, выпускаемые фирмой Semikron по технологии SkiiP (Semikron integrated intelligent Power), при разработке которых был произведен анализ недостатков конструкции и отказов модулей. Выяснилось, что отказы в основном связаны с неоптимальным согласованием коэффициентов теплового расширения СТЕ (Coefficient of Thermal Expansion) конструктивных материалов и в первую очередь - алюминиевых соединительных выводов кристаллов. Еще одно слабое место - усталостные процессы в паяных соединениях. Улучшить термодинамические характеристики алюминиевого соединительного слоя помогает полиимидное покрытие. Такое покрытие позволяет повысить долговременную надежность соединений более чем 4 раза при испытаниях на циклическое изменение температуры с градиентом более 100 0С.
Наибольшую устойчивость к термодинамическим воздействиям выдерживают модули, в которых применяются материалы с согласованным значением КТР. Согласование может быть достигнуто при использовании подложки из нитрида алюминия (AlN). Кроме согласования КТР этот материал обеспечивает и меньшее значение теплового сопротивления. Теплопроводность AlN в 7 раз выше, чем Al 2O3 - основного материала, применяемого для изготовления подложек.
Проблемы, связанные с повреждением паяных соединений, в модулях Semikron устраняются использованием прижимных контактов (pressure-contact-technology). Долговременные испытания на устойчивость модуля к термическим воздействиям показали, что одной из главных проблем является отслоение медного основания из-за усталости процессов. Эта проблема решена заменой медного основания на основание из AlSiC. Данный материал достаточно хорошо согласуется с нитридом алюминия по коэффициенту теплового расширения.
Табл. 1 показывает соотношение характеристик теплового расширения в модулях различной конструкции с медным основанием, с основанием из AlSiC и без несущей платы. Основание из AlSiC устраняет проблему несогласования коэффициента теплового расширения, однако этот материал имеет большее тепловое сопротивление, что в конечном итоге приводит к перегреву кристалла. Кроме того, стоимость основания из AlSiC намного выше медного.
Таблица 1.
Решением всех указанных проблем является отказ от несущей платы, что и реализовано в модулях SkiiP. При этом градиент температуры на участке кристалл - теплоотвод снижается более чем на 5-10% по сравнению с модулем, имеющим медное основание, и обеспечивается отличное согласование КТР.
Конструкция силовых модулей Semikron принципиально отличается от общепринятой в промышленности. На рис.1.10 показано устройство перспективного модуля SkiiP, рассчитанного на напряжение 3300 В и ток 1200 А. Модуль содержит теплосток, керамическое основание с мощными кристаллами, плату управления и элементы крепления.
Рис.1.10. Конструкция модуля SkiiP
Керамическая пластина с силовыми кристаллами установлена непосредственно на теплостоке. В модулях SkiiP она называется DCB ceramic (Direct Bonded Copper) - керамическая подложка с многослойной медной шиной связи.
Стандартное медное основание в силу технологических особенностей имеет менее ровную поверхность, чем основание AlSiC или керамическая подложка. Неровность поверхности может достигать 50 мкм, поэтому при креплении модуля к теплоотводу необходимо использование теплоотводящей пасты. При непосредственном креплении керамической подложки на теплосток неровность сопрягаемых поверхностей может быть снижена до 20 мкм. За счет этого суммарное тепловое сопротивление снижается более чем на 10%.
В модулях Semikron теплосток является составной частью конструкции. Это позволяет обеспечить необходимые тепловые режимы и, соответственно, повысить надежность устройства. Модуль закрепляется на теплоотводе с помощью специальных прижимных контактов. Такая технология снижает переходное тепловое сопротивление на участке кристалл-теплосток, позволяет оптимизировать термодинамические характеристики модуля и повышает эффективность термозащиты.
Технология SkiiP используется при производстве модулей SkiM (Semikron integrated Module) - новых модулей фирмы Semikron. Конструкция модуля SkiM представлена на рис.1.11. Керамическая плата DBC с установленными на ней силовыми кристаллами электрически изолирует модуль от радиатора и отводит на радиатор тепло. Непосредственная запрессовка платы на теплосток исключает необходимость использования медного несущего основания, которое обычно применяется в силовых модулях. Такая конструкция позволяет резко снизить тепловое сопротивление кристалл-теплосток, в результате чего температура кристалла при данном значении рассеиваемой мощности оказывается ниже. Плотный контакт между подложкой и теплоотводом, необходимый для снижения теплового сопротивления, достигается с помощью специального устройства сопряжения, состоящего из большого количества вертикальных запрессованных направляющих. Они равномерно передают давление на подложку и обеспечивают тепловой контакт в местах расположения силовых кристаллов.