Преимущества и недостатки различных методов

Метод естественного охлаждения не требует затрат энергии, при его реализации ничего не движется, а следовательно, не ломается. Это обеспечивает его надежность и простоту. Недостаток - низкая эффективность охлаждения и большие габариты: на 1 Вт мощности требуется поверхность охлаждения 25 – 30 см².

Наиболее эффективная жидкостная система имеет следующие недостатки: возможность протечек; микронасос и вентилятор требуют потребления энергии; система занимает определенные габариты; все, что движется (вентилятор и насос), снижает надежность и является источником шума. Термоохладители надежны и бесшумны, имеют малые габариты, однако их недостатком является большое потребление энергии, термоохладитель сам является источником выделения тепла, для его работы требуются токи до десятков ампер, тогда как у жидкостных систем ток не превосходит 0,3 А.

Для сравнения мощность вентиляционных систем охлаждения составляет 0,5 – 2 Вт, термоэлектрических – до 100 Вт. Однако есть одно преимущество - высокая разность температур ΔT – ни одно устройство, по габаритам сравнимое с термомодулем, не дает такого охлаждения. Еще один недостаток: ему требуется охлаждение горячей стороны, только тогда достигается хорошая разность температур. В результате на бесшумный, малогабаритный, надежный модуль устанавливают большой радиатор и мощный вентилятор, и все предыдущие преимущества пропадают (если требуется высокая степень охлаждения). Поэтому энергетически выгодно использовать термоохладители при небольших ΔT. С другой стороны, сильное охлаждение может снизить эффективность работы ППИ или вызвать конденсацию влаги. При высокой влажности (70 %) охлаждение от 25 до 18  вызывает выпадение росы. Широкое применение модулей Пельтье ожидается в ближайшем будущем, а сегодня основным методом охлаждения остается использование вентиляторов.

6.2. Тепловое сопротивление ппи и пути его снижения

Тепловое сопротивление является характерной величиной для каждого типа ППИ и зависит от площади полупроводникового кристалла, площади, толщины и типа материалов между кристаллом и основанием корпуса, от технологии и качества изготовления, от пути передачи тепла от корпуса в окружающую среду.

6.2.1.Понятие теплового сопротивления

Эффективность передачи тепла от кристалла ППИ в окружающую среду характеризуется тепловым сопротивлением R_T = , где Т – температура кристалла, Т₀ – температура окружающей среды, W - мощность ППИ. Рассеиваемая мощность W = α·S·ΔT, где α – коэффициент теплообмена, S – площадь поверхности, ΔT = Т – Т₀.

Для оптимизации отвода тепла следует: 1) выбирать материал с максимальной теплопроводностью, 2) уменьшать зазоры между теплопроводящими поверхностями, 3) уменьшать контактные сопротивления между теплопроводящими поверхностями. Поэтому, чем больше границ раздела на пути отвода тепла, тем будет больше доля контактного теплового сопротивления.

Рассмотрим отвод тепла от приборов со сборкой «chip on board» (СОВ) – контактными площадками вверх и « flip-chip» (FC) - контактными площадками вниз – рис. 6.8. Отвод тепла в СОВ идет с нижней поверхности кристалла через спай припоя, через теплопроводящий элемент, второй спай припоя к подложке корпуса и далее во внешнюю среду. В корпусе FC отвод тепла идет с верхней поверхности кристалла через теплопроводящий материал и крышку корпуса во внешнюю среду. Основание корпуса СОВ и крышка корпуса FC для повышения теплоотдачи прикрепляются к радиатору, передающему тепло во внешнюю среду. Технология СОВ используется в силовой электронике: МОП-транзисторах, диодах, IGBT-транзисторах (биполярных транзисторах с изолированным затвором), мощных светодиодах и лазерных диодах. Технология FC – основа корпусов СБИС микропроцессоров, микросхем памяти.

Рис. 6.8. Пути распространения тепла от кристаллов

в корпусах СОВ (а) и FC (б)

Основной элемент отвода тепла от полупроводникового кристалла к корпусу – паяный участок кристалла с корпусом. Он не должен иметь зазоров и пустот. Источником тепла является p-n переход. Полное тепловое сопротивление ППИ складывается из тепловых сопротивлений кристалл – корпус R_jc , корпус – теплоотвод R_cs, теплоотвод – окружающая среда R_so: R_T = R_jc + R_cs + R_so. Применение современных материалов позволяет уменьшить тепловое сопротивление кристалл - корпус на 30 – 50 %.