RU2519925C2 - Apparatus for removing heat from heat-dissipating radio components - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering and is intended to facilitate heat removal from heat-dissipating radio components and can be used in designing converters, high-power amplifiers, rectifiers and multipliers. Between a ceramic electric insulator, on one side of which radio components are soldered, and a heatsink situated on the other side of the electric insulator, a plate made of a copper-molybdenum composite pseudoalloy is placed, said plate being mounted on the heatsink by one screw. Temperature coefficients of linear expansion of the electric insulator and the copper-molybdenum composite pseudoalloy (MD) are identical. The plate made of MD alloy and the heatsink are connected by a screw at one point. As temperature changes, surfaces thereof, which are separated by a heat-conducting lubricant, slide on each other. Filling part of the apparatus, besides the heatsink, with an electroconductive compound ensures high-potential insulation. To increase the distance between current-conducting parts of the device which are at different potentials, the ceramic electric insulator is made such that its periphery protrudes relative to the edge of the plate made of MD alloy by a few millimetres, and the layout of the metal coating on two sides is situated at the same distance from the edge of the ceramic electric insulator.

EFFECT: designing a device which facilitates heat removal from heat-dissipating radio components with different temperature coefficients of linear expansion of materials of a flat heat-conducting ceramic electric insulator and a heatsink simultaneously with electrical insulation of the radio components from the heatsink.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для обеспечения отвода тепловой энергии от теплонагруженных элементов и может быть использовано при построении преобразователей, мощных усилителей, выпрямителей и умножителей.The invention relates to electronic equipment and is intended to ensure the removal of thermal energy from heat-loaded elements and can be used in the construction of converters, powerful amplifiers, rectifiers and multipliers.

Большинство корпусов мощных транзисторов и диодов имеют металлическую поверхность, прижатие которой к охладителю обеспечивает необходимый отвод тепла. Эта поверхность, как правило, соединена с одним из электродов радиоэлемента, который в большинстве случаев не должен иметь электрического контакта с корпусом аппаратуры, в которую входит этот радиоэлемент. Поэтому вводят диэлектрические прокладки, которые должны с запасом выдерживать разность потенциалов между рассматриваемым радиоэлементом и корпусом. Чем выше разность потенциалов, тем толще должна быть диэлектрическая прокладка. Однако диэлектрики имеют низкую теплопроводность и затрудняют теплоотвод от тепловыделяющих радиоэлементов.Most cases of high-power transistors and diodes have a metal surface, the pressing of which to the cooler provides the necessary heat dissipation. This surface, as a rule, is connected to one of the electrodes of the radio element, which in most cases should not have electrical contact with the body of the equipment into which this radio element is included. Therefore, dielectric gaskets are introduced, which must withstand withstand the potential difference between the considered radio element and the housing. The higher the potential difference, the thicker the dielectric pad should be. However, dielectrics have low thermal conductivity and make it difficult to remove heat from radioactive fuel elements.

Существует много конструкций теплоотводов. Например, подложка, на которой размещен мощный схемный элемент, удерживается на заданном расстоянии от радиатора распорками, а образовавшийся зазор заполняется теплопроводящим наполнителем [1]. В такой конструкции трудно обеспечить высокопотенциальную изоляцию и одновременно ее высокую теплопроводность.There are many designs for heat sinks. For example, the substrate on which the powerful circuit element is placed is held at a predetermined distance from the radiator by spacers, and the resulting gap is filled with a heat-conducting filler [1]. In such a design, it is difficult to provide high-potential insulation and at the same time its high thermal conductivity.

Иногда для теплоотвода используют упругий теплопроводящий синтетический материал, подвергнутый для улучшения теплового контакта предварительному сжатию [2]. В такой конструкции решается вопрос относительного смещения подложки и радиатора, например, из-за разницы температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР). Однако упругие теплопроводящие синтетические материалы плохо работают в широком диапазоне температур и не обладают достаточно высокой теплопроводностью. Наилучшим сочетанием высокой теплопроводности и электрической прочности обладают керамические материалы.Sometimes, an elastic heat-conducting synthetic material is used for heat removal, subjected to preliminary compression to improve thermal contact [2]. Such a design solves the issue of the relative displacement of the substrate and the radiator, for example, due to the difference in the temperature coefficients of linear expansion (TEC). However, elastic heat-conducting synthetic materials do not work well in a wide temperature range and do not have a sufficiently high thermal conductivity. Ceramic materials have the best combination of high thermal conductivity and electrical strength.

При сравнительно небольших разностях потенциалов (до нескольких сотен вольт) используют диэлектрические прокладки из слюды или номакона. Часто в качестве диэлектрических прокладок используют стеклотекстолит. Стеклотекстолит толщиной 2 мм выдерживает разность потенциалов более 10 кВ, но обладает низким коэффициентом теплопроводности λ (порядка 0,3 Вт/м·°C). У компаунда КПТД-1/3λ=1-1,7 Вт/м·°C, у алюминиевых сплавов около 200 Вт/м·°C. Столько же у брокеритовой керамики. У серийно выпускаемых керамических пластин λ приблизительно равен 30 Вт/м·°C. Поэтому в качестве диэлектрических прокладок целесообразно использовать керамику. Например, поликор, для которого существует серийная технология металлизации, вытравливания топологии и пайки радиоэлементов к фрагментам этой топологии. Недостаток этого технического решения - разные температурные коэффициенты линейного расширения керамики и алюминиевых сплавов, из которых обычно изготавливаются охладители. При жестком закреплении керамики на охладителе (например, пайкой с использованием металлизации или приклеиванием) из-за разных ТКЛР при смене температур возникают механические напряжения, приводящие к разрушению керамики.With relatively small potential differences (up to several hundred volts), dielectric gaskets from mica or nomacon are used. Often, fiberglass is used as dielectric spacers. Fiberglass laminate with a thickness of 2 mm withstands a potential difference of more than 10 kV, but has a low coefficient of thermal conductivity λ (of the order of 0.3 W / m · ° C). For the compound KPTD-1 / 3λ = 1-1.7 W / m · ° C, for aluminum alloys it is about 200 W / m · ° C. Brokerite ceramics have the same amount. For commercially available ceramic plates, λ is approximately 30 W / m · ° C. Therefore, it is advisable to use ceramics as dielectric spacers. For example, polycor, for which there is a serial technology of metallization, etching of the topology and soldering of radio elements to fragments of this topology. The disadvantage of this technical solution is the different temperature coefficients of the linear expansion of ceramics and aluminum alloys, from which coolers are usually made. When ceramics are rigidly fixed to the cooler (for example, by soldering using metallization or by gluing), due to different thermal expansion coefficients, mechanical stresses arise when temperatures change, leading to the destruction of the ceramic.

Данное техническое решение направлено на обеспечение отвода тепла от тепловыделяющих радиоэлементов при разных температурных коэффициентах линейного расширения материалов плоского теплопроводящего керамического электроизолятора и радиатора одновременно с электроизоляцией радиоэлементов от радиатора.This technical solution is aimed at providing heat removal from fuel elements of radioelements at different temperature coefficients of linear expansion of materials of a flat heat-conducting ceramic electrical insulator and radiator simultaneously with electrical insulation of radioelements from the radiator.

Это достигается тем, что между плоским теплопроводящим керамическим электроизолятором, с определенной топологией металлизации с каждой стороны, на одной стороне которого закреплены методом пайки тепловыделяющие радиоэлементы, и радиатором, расположенным с другой стороны электроизолятора, вводят пластину из медно-молибденового композитного псевдосплава с одним винтом, припаянную к топологии металлизации электроизолятора, и крепят с помощью винта к радиатору. Температурный коэффициент линейного расширения плоского теплопроводящего керамического электроизолятора и медно-молибденового композитного псевдосплава одинаковы. Пластина из медно-молибденового композитного псевдосплава и радиатор соединены винтом в одной точке. При изменении температуры их поверхности, разделенные теплопроводящей смазкой, скользят друг по другу. В качестве теплопроводящей смазки используется теплопроводящая паста КПТ-8 или индий. Механических напряжений в этой конструкции нет. Заливка части устройства, кроме радиатора, электроизолирующим компаундом обеспечивает высокопотенциальную изоляцию. Для увеличения расстояния между токопроводящими частями устройства, находящимися под разными потенциалами, плоский теплопроводящий керамический электроизолятор выполнен так, что по периметру выступает относительно края пластины из медно-молибденового композитного псевдосплава на несколько миллиметров, а топология металлизации с двух сторон располагается на таком же расстоянии от края плоского теплопроводящего керамического электроизолятора.This is achieved by the fact that a plate made of a copper-molybdenum composite pseudo-alloy with one screw is inserted between a flat heat-conducting ceramic electric insulator, with a certain metallization topology on each side, on one side of which heat-generating radio elements are fixed by a soldering method, and a radiator located on the other side of the electric insulator, soldered to the metallization topology of the electrical insulator, and fastened with a screw to the radiator. The temperature coefficient of linear expansion of a flat heat-conducting ceramic electrical insulator and a copper-molybdenum composite pseudo-alloy are the same. A plate of a copper-molybdenum composite pseudo-alloy and a radiator are connected by a screw at one point. When the temperature changes, their surfaces, separated by a thermally conductive lubricant, slide along each other. As a heat-conducting lubricant, heat-conducting paste KPT-8 or indium is used. There are no mechanical stresses in this design. Filling part of the device, except the radiator, with an electrically insulating compound provides high-potential insulation. To increase the distance between the conductive parts of the device at different potentials, the flat heat-conducting ceramic electric insulator is designed so that the perimeter protrudes several millimeters from the edge of the copper-molybdenum composite pseudo-alloy plate, and the metallization topology is on the same distance from both sides flat heat conducting ceramic electrical insulator.

Сущность технического решения поясняется чертежами, на которых показано:The essence of the technical solution is illustrated by drawings, which show:

на фиг.1 - упрощенный вид в поперечном сечении известного из уровня техники устройства для отвода тепла от тепловыделяющих радиоэлементов;figure 1 is a simplified cross-sectional view of a prior art device for removing heat from radioactive fuel elements;

на фиг.2 - упрощенный вид в поперечном сечении предлагаемого в изобретении устройства для отвода тепла от тепловыделяющих радиоэлементов;figure 2 is a simplified cross-sectional view of the device according to the invention for removing heat from fuel elements of the radioelements;

на фиг.3 - упрощенный вид в поперечном сечении предлагаемого в изобретении устройства для отвода тепла от тепловыделяющих радиоэлементов, находящихся под высоким потенциалом (6-25 кВ) относительно корпуса.figure 3 is a simplified cross-sectional view of the device according to the invention for removing heat from heat-generating radioelements at high potential (6-25 kV) relative to the housing.

На фиг.1 показано известное из уровня техники устройство для отвода тепла от тепловыделяющих радиоэлементов. Тепловыделяющий радиоэлемент 1 припоем 2 с помощью фрагментов металлизации 3, на которой вытравлена нужная топология, соединен пайкой с теплопроводящим керамическим электроизолятором 4, который через второй слой металлизации 3 соединен вторым слоем припоя 2 с медной пластиной 5. Пластина 5 контактирует с радиатором 7 через теплопроводящую смазку 6 и жестко соединена с ним.Figure 1 shows a prior art device for removing heat from radioactive fuel elements. The fuel element 1 of the solder 2 using metallization fragments 3, on which the desired topology is etched, is connected by soldering to a heat-conducting ceramic electrical insulator 4, which is connected through a second layer of metallization 3 to the copper plate 5. The plate 5 is in contact with the radiator 7 through a heat-conducting grease 6 and is rigidly connected to it.

Все элементы такой конструкции обладают высокой теплопроводностью. Но из-за существенных отличий ТКЛР для керамики и меди при изменениях температуры будут возникать механические напряжения, которые могут разрушить керамику.All elements of this design have high thermal conductivity. But because of the significant differences in the thermal expansion coefficient for ceramics and copper, temperature changes will cause mechanical stresses that can destroy ceramics.

На фиг.2 показано предлагаемое техническое устройство, которое лишено этого недостатка. Тепловыделяющий радиоэлемент 1 припоем 2 с помощью фрагментов металлизации 3, на которой вытравлена определенная топология, соединен с теплопроводящим керамическим электроизолятором 4, который через второй слой металлизации 3 соединен вторым слоем припоя 2 с пластиной из медно-молибденового композитного псевдосплава (МД) 5, который согласован по ТКЛР с керамикой. На пластине из сплава МД под теплопроводящим керамическим электроизолятором закреплен один винт 8, с помощью которого эта пластина притягивается к радиатору 7. Пластина из сплава МД контактирует с радиатором 7 через теплопроводящую смазку 6 в виде пасты КПТ-8 или индий. Все элементы предложенной конструкции обладают высокой теплопроводностью. Разными ТКЛР обладают сплав МД и радиатор. Но они соединены друг с другом в одной точке. При изменении температуры их поверхности, разделенные теплопроводящей смазкой, скользят друг по другу. Механических напряжений в предложенной конструкции теплоотвода не возникает.Figure 2 shows the proposed technical device, which is devoid of this drawback. The fuel element 1 of the solder 2 using metallization fragments 3, on which a certain topology is etched, is connected to a heat-conducting ceramic electrical insulator 4, which is connected through the second layer of metallization 3 to the second layer of solder 2 with a plate of copper-molybdenum composite pseudo-alloy (MD) 5, which is matched according to TKLR with ceramics. One screw 8 is fixed on the MD alloy plate under the heat-conducting ceramic electric insulator, with which this plate is attracted to the radiator 7. The MD alloy plate contacts the radiator 7 through the heat-conducting grease 6 in the form of KPT-8 or indium paste. All elements of the proposed design have high thermal conductivity. Different TKLR have an alloy MD and a radiator. But they are connected to each other at one point. When the temperature changes, their surfaces, separated by a thermally conductive lubricant, slide along each other. Mechanical stresses in the proposed design of the heat sink does not occur.

Керамика не только хорошо проводит тепло, но и обеспечивает высокую электрическую прочность. Поликор толщиной 1 мм выдерживает разность потенциалов более 10 кВ.Ceramics not only conduct heat well, but also provide high electrical strength. A polycor with a thickness of 1 mm withstands a potential difference of more than 10 kV.

На фиг.3 представлена конструкция теплоотвода согласно второму варианту выполнения для радиоэлементов, находящихся под высоким потенциалом (6-25 кВ) относительно корпуса. Устройство, показанное на фиг.3, отличается от устройства фиг.2 тем, что часть устройства, кроме радиатора, покрыта лаком и залита электроизоляционным компаундом 9 (например, 30-300), обеспечивающим высокопотенциальную изоляцию, защиту от влаги и от электрических пробоев в условиях пониженного давления. Этот компаунд обладает хорошими электроизоляционными свойствами, но при этом низкой теплопроводностью (λ порядка 0,2 Вт/м·°C).Figure 3 shows the design of the heat sink according to the second embodiment for radio elements at high potential (6-25 kV) relative to the housing. The device shown in figure 3, differs from the device of figure 2 in that the part of the device, except for the radiator, is varnished and coated with an electrical insulating compound 9 (for example, 30-300), providing high-potential insulation, protection against moisture and electrical breakdowns in low pressure conditions. This compound has good electrical insulating properties, but low thermal conductivity (λ of the order of 0.2 W / m · ° C).

Для исключения электрических пробоев по поверхности топология металлизации 3 и пластина из сплава МД 5 выполняются так, чтобы несколько миллиметров от края керамического электроизолятора 4 были свободны от металла.To eliminate electrical breakdowns on the surface, the metallization topology 3 and the MD 5 alloy plate are made so that several millimeters from the edge of the ceramic insulator 4 are free of metal.

Источники информацииInformation sources

1 Патент 2201659, Вебер Бернд и др. «Устройство, состоящее из подложки для мощных компонентов электрической схемы и теплоотвода, а также способ изготовления такого устройства», опубл. 27.03.2003 г.1 Patent 2201659, Weber Bernd et al. "A device consisting of a substrate for powerful components of an electrical circuit and heat sink, as well as a method of manufacturing such a device", publ. 03/27/2003

2 Патент 2451436, Клоков А.В. «Способ и устройство для отвода тепла», опубл. 20.05.2012 г.2 Patent 2451436, Klokov A.V. "Method and device for heat removal", publ. 05/20/2012

Claims (3)

1. Устройство для отвода тепла от тепловыделяющих радиоэлементов, содержащее плоский теплопроводящий керамический электроизолятор с определённой топологией металлизации с каждой стороны, на одной стороне которого закреплены методом пайки тепловыделяющие радиоэлементы, радиатор, расположенный с другой стороны плоского теплопроводящего керамического электроизолятора, отличающееся тем, что между плоским теплопроводящим керамическим электроизолятором и радиатором установлена пластина из медно-молибденового композитного псевдосплава, согласованного по температурному коэффициенту линейного расширения с плоским теплопроводящим керамическим электроизолятором, имеющая один винт, прикреплённая к металлизации плоского теплопроводящего керамического электроизолятора методом пайки и к радиатору с помощью винта, который притягивает радиатор к пластине.1. A device for removing heat from heat-generating radio elements, containing a flat heat-conducting ceramic electrical insulator with a certain metallization topology on each side, on one side of which heat-generating radio elements are fixed by soldering, a radiator located on the other side of a flat heat-conducting ceramic electrical insulator, characterized in that between the flat a plate of copper-molybdenum composite pseudo-alloy is installed by a heat-conducting ceramic electric insulator and radiator VA, matched by the temperature coefficient of linear expansion with a flat heat-conducting ceramic electric insulator, having one screw attached to the metallization of a flat heat-conducting ceramic electrical insulator by soldering and to the radiator with a screw that attracts the radiator to the plate. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пластина из медно-молибденового композитного псевдосплава контактирует с радиатором через теплопроводящую смазку в виде пасты КПТ-8, или индий.2. The device according to p. 1, characterized in that the plate of a copper-molybdenum composite pseudo-alloy is in contact with the radiator through a heat-conducting grease in the form of paste KPT-8, or indium. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что часть устройства, кроме радиатора, залита электроизолирующим компаундом. 3. The device according to claim 1, characterized in that part of the device, except the radiator, is filled with an electrically insulating compound.

Images