Lф » 10-9 м, lэл » 10-8 м, К эл/ Кф » 20

В сплавах фононная и электронная теплопроводности приблизительно равны.

В диэлектриках механизмы электро- и теплопроводности различны, поэтому наблюдается несовпадение свойств. Например, бериллий Ве с низкой электропроводностью обладает теплопроводностью в 5 раз большей, чем у стали. Ве входит в состав теплопроводящих паст и подложек для мощных усилителей и генераторов.

В результате взаимодействия фононов между собой и с электронами рассеивается энергия. Это взаимодействие интерпретируется как тепловое сопротивление R_T:

R_Т = L / (К_т S),

где L и S - длина и площадь сечения образца или фрагмента конструкции.

Расчет теплового сопротивления сложной детали проводится по правилам, аналогичным законам Кирхгофа. Для увеличения площади сечения наиболее эффективны эластичные термопроводящие прокладки. При этом удаляется воздух, обладающий низкой теплопроводностью.

а б

Рис. Схемы тепловых потоков в месте контакта двух образцов с воздушными объемами (а) и с эластичными термопроводящими прокладками (б).

Материал с большим тепловом сопротивлением R_T может быть использован в качестве мембраны (Membrane) - крышки малоразмерного герметичного контейнера (Cavity). Вскрывается контейнер нагреванием электрическим током (Current Flow). Достаточно большое сопротивление R_T и соответствующая амплитуда тока способствуют быстрому фазовому переходу (возгонке)

Рис. Структура контейнера, вскрываемого микровзрывом.

Рис. Фотографии крышки контейнера до и после вскрытия.

Тепловые процессы в виде горения и взрыва можно реализовать в нанопористом кремнии, пропитанном KNO₃. Горение наблюдается при толщине композиции до 60 мкм, а взрыв – при большей толщине. Инициирование процессов горения и взрыва производится

- термически: соприкосновением с объектом, нагретым до 900°С,

- электрически: импульсом тока,

- механически: уколом или царапаньем металлической иглой.

Эффект взрыва можно использовать как энергию перемещения объекта.

Рис. Схема и изображение микропривода перемещения.

Взрыв может быть использован в технологическом процессе разделения кремниевых кристаллов на чипы сложной формы: овальной, с внутренними углами и т.д.. С помощью литографии формируется защитная маска. Открытые места подвергаются электрохимическому анодированию в 48% водном растворе плавиковой кислоты для формирования пор. Далее следует пропитка 10% водным раствором KNO₃.

Рис. Схема взрывного разделения (a, b, c), изображение чипа круглой форма (d).

Влияние тепловой энергии:

- термопроводность – отвод тепла от радиоэлементов и электронных модулей,

- теплоизоляция – защита аппаратуры от воздействия повышенной или пониженной температуры,

- термоактивация – технологические процессы (инициирования твердофазных реакций), происходящие под воздействием тепла: пайка, сварка, полимеризация и т.д.,

- изменение свойств материалов и контактов:

- сдвиг вольт-амперной характеристики п-р-переходов,

- разупорядочивание внутренней структуры (температуры Кюри для сегнетоэлектриков и ферромагнетиков).

Термопроводящие материалы:

- металлы для радиаторов: алмаз, Ag, Cu, корунд, бронза, сталь, Al.

- клеи используются для присоединения термодатчиков к объектам измерения, чипов к платам, как правило, обладают электроизолирующими свойствами

- пасты предназначены для увеличения площади контакта между ЭРЭ и радиатором и не несут механической соединительной нагрузки (однако со временем высыхают и крошатся),

- керамические пластины и прокладки обладают хорошими электроизолирующими свойствами, но хрупки,

- эластичные прокладки на основе стекловолокна и стеклоткани с полимерными и силиконовыми эластомерами.

Экспериментально установлено, что теплопроводность отдельных углеродных нанотрубок достигает 3500 Вт/м·K. Координационное число 3 для углерода предполагает наличие свободных электронов, которые и предопределяют хорошую теплопроводность электронного типа. Это свойство углеродных нанотрубок (УНТ) может быть использовано в композиционных материалах для придания полимерам лучших теплопроводящих свойств. Хорошая теплопроводность УНТ может быть использована для создания теплового интерфейса между чипом и радиатором. Обе поверхности предполагается покрыть УНТ, а затем соединить аналогично «липучке».

Рис. Тепловой интерфейс из углеродных нанотрубок («Thermal Velcro», T.S. Fisher).

Термостабилизирующие композиты включают микрокапсулы с парафином. При увеличении температуры парафин нагревается, поглощая тепло. При уменьшении температуры парафин тепло отдает. Полимерная оболочка не дает парафину растечься.

Рис. Композит с микрокапсулами парафина.

Термоизолирующие материалы отличаются малой теплопроводностью (воздух, полимеры, стекло):

- пластины для авиации и космических аппаратов,

- аэрогель,

- пленки для маскирования электронного модуля в процессе пайки волной припоя,

- термостойкая «клеепереносящая» лента для доставки и удерживания ЭРЭ на поверхности платы при сборке электронных модулей.

Тепловые характеристики материалов:

- термостойкость – функционирование без выхода основных параметров за допустимые пределы в заданном температурном диапазоне.

- устойчивость к термоударам – резким перепадам температуры.

Термоактивация

- Сварка. (Ф тв à Ф жид) Тепловая энергия используется для образования связи между соединяемыми деталями (без промежуточных материалов). Малое время операции локализует тепловое пятно, охраняя чувствительные полупроводниковые контакты. Для уменьшения градиента температур требуется общий (но более щадящий) разогрев деталей.

- Пайка. (Ф тв à Ф жид) Энергия электрического тока, инфракрасного излучения используется для растекания припоев, электропроводящих клеев и компаундов с целью заполнения пространства и формирования связи между соединяемыми деталями (детали связываются через дополнительный материал).

- Отверждение клеев, компаундов. (Ф _ТВ, Ф жидк à Ф газ). Нагрев до температуры испарения органической связующей многокомпонентного вещества.

- Испарение напыляемых материалов в тонкопленочной технологии происходит при высоких температурах (Т испар). Для релаксации механических напряжений после напыления производят отжиг, что особенно важно для резисторов.

- Осаждение «на след луча» лазера металла из металлоорганических газообразных соединений на подложку. Высокая разрешающая способность.

- Вжигание толстопленочных паст с предварительным нагревом до температуры испарения органической связующей (до 200 ^оС), высокотемпературных паст на основе благородных металлов для керамических подложек (до 1000 ^оС), низкотемпературных полимерных паст (до 200 ^оС) для органических подложек с целью изготовления и ремонта печатных плат, смарт-карт, мембранных клавиатур.

- Диффузия. Повышение кинетической энергии диффузанта при температуре, большей 0,5 Т_пл.

- Рекристаллизация. При температуре кристалла, большей 0,25 Т_пл, начинается процесс рекристаллизации, т.е. переструктурирования вещества.

При нагревании разрушаются прежде всего связи элементов с большей свободной энергией: на границах между зародышами, в местах дефектов, то есть в самых искаженных местах кристаллической решетки. При остывании эти расплавленные микрообласти кристаллизуются. Увеличивается общее число зерен. Нагревание, практически, не затрагивает области с регулярной структурой. Возрастает поликристалличность. Это упрочняет материал.

- Термопринтеры.

- При лазерном травлении теплопроводность материала имеет существенное значение. При взаимодействии излучения с веществом происходит испарение вещества. Излучение большой длительности деформирует прилегающий объем, приводит к перегреву и выплескам материала.

Рис. Схема и изображение сечения отверстия, полученного излучением большой длительности (long phase laser beam).

Серия коротких импульсов предотвращает перегрев прилегающего объема. Требуемой диаметр круглого отверстия достигается с помощью расфокусирующих линз. Глубина отверстия определяется числом импульсов. Отверстие произвольного контура формируется остросфокусированным лучом лазера при перемещении источника излучения или координатного стола.

Рис. Схемы формирования отверстий серией коротких импульсов.

Термохромные явления. Изменение цвета может происходить под влиянием тепла. В состав покрытий часто входят жидкокристаллические компоненты, у которых под действием тепла происходит дискретный фазовый переход.

Нагревание под давлением (пленки Pressurex) может быть использовано для реализации непрерывного (квазинепрерывного) изменения цвета. Это используется для качественной оценки плотности соприкосновения двух поверхностей по интенсивности цвета. (Чем выше давление, тем больше выделяется тепла и интенсивнее цвет).

Рис. Схема использования пленки Pressurex для оценки плотности соприкосновения двух поверхностей.

Рис. Нагревание электрическим током термохромного композита проявляет рисунок.

Термотренировка. Несовершенства конструкции и нарушения технологии при изготовлении полупроводниковых изделий могут проявляться при испытаниях как при повышенных, так и при пониженных температурах. При повышенных температурах ускоряется диффузия примеси и зарядов на поверхности полупроводника, увеличивается подвижность ионов в оксиде, повышается влаго- и газоотделение частями изделия, ускоряется процесс старения сплавов, лучше выявляются механические напряжения. При пониженных температурах появляется воздействие термических напряжений на спаи и на p-n-переходы электорорадиоэлементов (ЭРЭ). Обычно термотренировка продолжается 168 часов при 125 ^оС и выявляет 2% брака. (Считается, что 1000 часов при 125^оС эквивалентно 10 годам при 55 ^о С.)

Для аппаратуры, работающей при криогенных температурах, проводят циклические испытания в жидком азоте.

Тепловая метрология. Для формирования тепловой картины радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) используется компьютерное моделирование. Перегретые зоны выявляются по красному цвету изображения и требуют теплоотвода с помощью теплопроводящих материалов или принудительной вентиляции. РЭА в целом часто требует защиты от внешней среды (повышенной или пониженной температуры) с помощью термоизоляционных материалов.

Источники тепла:

- химические реакции: разложение веществ (сжигание, окисление, радиоактивный распад),

- электрический ток проводимости (Джоулево тепло) проводников и резисторов, ток утечки диэлектриков, диффузионный ток в контактах разных материалов,

- трение,

- электромагнитное излучение: СВЧ, оптическое (в том числе лазерное), радиационное.

– СПФ - Тепловая сигнализация:

— Пожарная сигнализация.

— Противопожарные заслонки.

— Сигнальные устройства для ванн.

— Сетевой предохранитель (защита электрических цепей).

— Устройство автоматического открывания-закрывания окон в теплицах.

— Бойлерные баки тепловой регенерации.

— Пепельница с автоматическим стряхиванием пепла.

— Электронный контактор.

— Система для предотвращения выхлопа газов, содержащих пары топлива (в автомобилях).

— Устройство для удаления тепла из радиатора.

— Устройство для включения противотуманных фар.

— Регулятор температуры в инкубаторе.

— Ёмкость для мытья теплой водой.

— Регулирующие клапаны охлаждающих и нагревательных устройств, тепловых машин.

Дата добавления: 2015-06-27