Исследование распространения теплового потока в теплопроводящих оксидных подложках с различной теплопроводностью методом линейного источника тепла

Введение. Для контролируемого управления тепловыми процессами устройств силовой электроники важной задачей является повышение эффективности отвода тепла от активных компонентов.
Цель работы. Представление нового подхода к размещению линейного источника тепла контактного типа на поверхности тонких образцов с целью исследования особенностей распространения тепловых потоков в оксидных подложках из материалов с различной теплопроводностью.
Методы. Представлены результаты исследований особенностей распространения тепловых потоков в оксидных подложках с различной теплопроводностью (ситалл и поликор). Для генерации теплового потока использовался линейный источник тепла, в качестве которого применялась электропроводящая углеродная нить.
Результаты. Получены термограммы и профили распределения температуры в различные промежутки времени нагрева на поверхности подложки с элементом нагрева и на ее обратной стороне. Показано, что размещение линейного источника тепла на основе электропроводящей углеродной нити на поверхности исследуемых образцов и мониторинг во времени термограмм с двух противоположных поверхностей позволяют получить данные для оценки эффективности тепловых свойств оксидных подложек. Распространение теплового потока в однородном материале вблизи места генерации имеет вид конуса тепловой трубы с основанием на поверхности с источником тепла. Тепловой конус для керамики имеет больший угол наклона, чем в случае ситалла.
Заключение. Полученные результаты позволили предложить способ снижения теплового сопротивления теплопроводящей подложки за счет создания условий для увеличения площади теплопроводящего сечения.

1. Yeh L. T. Review of Heat Transfer Technologies in Electronic Equipment // J. Electron. Packag. 1995. Vol. 117, iss. 4. P. 333‒339. doi: 10.1115/1.2792113

2. Heat Transfer in Electronic Packages. Microelectronics Packaging Handbook / R. E. Simons, V. W. Antonetti, W. Nakayama, S. Oktay. Boston: Springer, 1997. P. 314‒403. doi: 10.1007/978-1-4615-4086-1_4

3. Schelling P. K., Shi Li, Kenneth E. G. Managing heat for electronics // Materials Today. 2005. Vol. 8, iss. 6. P. 30‒35. doi: 10.1016/S1369-7021(05)70935-4

4. Гриднев В. Н., Миронова Ж. А., Шахнов В. А. Обеспечение качества компоновки монтажных контактных площадок высокоплотной коммутационной платы // Надежность и качество сложных систем. 2014. Т. 4, № 8. С. 19‒25.

5. Семенцов С. Г., Гриднев В. Н., Сергеева Н. А. Тепловизионные методы оценки влияния температурных режимов на надежность электронной аппаратуры // Вестн. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2016. № 1. C. 3‒14. doi: 10.18698/0236-3933-2016-1-3-14

6. Исследование распространения тепла в плате из алюминия с нанопористым анодным оксидом алюминия тепловизионным методом / Х. Т. Динь, Н. В. Лушпа, Е. В. Чернякова, И. А. Врублевский // Докл. БГУИР. 2019. № 1. C. 119.

7. Симин А., Холодняк Д., Вендик И. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой отжига // Компоненты и технологии. 2005. № 5. С. 190‒196.

8. Теплопроводящие платы на основе алюминия с наноструктурированным слоем Al2O3 для изделий силовой электроники / Е. Н. Муратова, В. А. Мошников, В. В. Лучинин, А. А. Бобков, И. А. Врублевский, К. В. Чернякова, Е. И. Теруков // Журн. техн. физики. 2018. Т. 88, вып. 11. С. 1678. doi: 10.21883/JTF.2018.11.46629.2480

9. Investigation of the efficiency of the heat dissipation for the heat-conducting circuit boards made of aluminum with the nanoporous alumina layer / S. Andreev, K. Chemyakova, B. Tzaneva, V. Videkov, I. Vrublevsky// 40th Intern. Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE). Sofia, Bulgaria, 10‒14 May 2017. Piscataway: IEEE, 2017. P. 1‒6. doi: 10.1109/ISSE.2017.8000899

10. Research on modeling of heat source for electron beam welding fusion-solidification zone/ Ya. Wang, P. Fu, Yo. Guan, Zh. Lu, Yi. Wei // Chinese J. of Aeronautics. 2013. Vol. 26, iss. 1. P. 217‒223. doi: 10.1016/j.cja.2012.12.023

11. Applying infrared thermography to study the heating of 2024-T3 aluminiumspecimens under fatigue loading / M. Pastor, X. Balandraud, M. Grèdiac, J. Robert //Infrared Phys. Technol. 2008. Vol. 51, iss. 6. P. 505‒515. doi: 10.1016/j.infrared.2008.01.001

12. Диагностика теплофизических свойств и контроль качества изделий из высокотеплопроводных материалов / В. В. Герасютенко, В. А. Кораблев, Д. А. Минкин, А. В. Шарков // Науч.-техн. вестн. информац. технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19, № 1. C. 82‒86.

13. Корольков А. П., Ульяновский А. А., Печенова Н. Н. Тепловизионная диагностика микроэлектронных компонентов // Вестн. Санкт-Петерб. ун-та Государственной противопожарной службы МЧС России. 2014. Т. 4. С. 8‒12.

14. Infrared thermography for temperature measurement and non-destructive testing / R. Usamentiaga, P. Venegas, J. Guerediaga, L. Vega, J. Molleda, F. G. Bulnes// Sensors (Basel). 2014. Vol. 14, iss. 7. P. 12305‒12348. doi: 10.3390/s140712305

15. Improvement of the thermal characteristics of the electric heater in the architecture with aluminum, nanoporous alumina and resistive component of carbon fiber/ I. Vrublevsky, K. Chernyakova, V. Videkov, A. Tuchkovsky // Nanoscience & Nanotechnology. 2016. № 1. P. 1‒2. doi: 10.1016/B978-1-4557-3195-4.00001-1

16. Kim H. T. High Thermal Conductivity Ceramics and Their Composites for Thermal Management of Integrated Electronic Packaging // Book Chapter. 27 Jun 2018. Heat Transfer  Models, Methods and Applications. doi: 10.5772/intechopen.75798

17. Effect of alumina concentration on thermal and structural properties of mas glass and glass-ceramics / M. Goswami, A. Sarkar, B. I. Sharma, V. K. Shrikhande, G. P. Kothiyal // J. Therm Anal Calorim. 2004. Vol. 78, iss. 3. P. 699‒705. doi: 10.1007/s10973-005-0435-0

18. Chang Z.D., Ma Z. Effect of Anisotropic Conductive Properties on Heat Transfer and Temperature Distribution of Coatings and Substrates // Key Engineering Materials 2012. Vol. 512–515. Р. 1045–1050. doi: 10.4028/www.scientific.net/kem.512-515.1045

19. James B. W., Harrison P. Analysis of the temperature distribution, heat flow and effective thermal conductivity of homogeneous composite materials with anisotropic thermal conductivity // J. of Physics D Applied Physics. 1992. Vol. 25, iss. 9. Р. 1298‒1303. doi: 10.1088/0022-3727/25/9/003

20. Kang S., Choi J. Y., Choi S. Mechanism of Heat Transfer through Porous Media of Inorganic Intumescent Coating in Cone Calorimeter Testing // Polymers. 2019. Vol. 11, iss. 2. P. 221. doi: 10.3390/polym11020221