Жидкостное охлаждение

Наиболее распространен в технологии полупроводниковых материалов метод выращивания монокристаллов Чох-ральского. Этим методом получают подавляющее большинство монокристаллов наиболее распространенных полупроводников. Для выращивания монокристаллов полупроводниковых соединений, содержащих в своем составе легколетучие компоненты, метод Чохральского используют в варианте так называемого метода жидкостной герметизации расплава, предложенного советским ученым В. Н. Масло-вым7. В этом методе кристаллизуемый расплав находится

Выращивание монокристаллов методом Чохральского можно проводить как в вакууме, так И В атмосфере ИНСрТ-ного газа, находящегося под различным давлением. Выращивание монокристаллов разлагающихся полупроводниковых соединений методом жидкостной герметизации проводят под высоким давлением инертного газа, доходящим до

В методе жидкостной герметизации расплава (см. рис, 4.1, г) выращивание монокристалла в атмосфере компрессионного газа, обладающего большой теплопроводностью, а также наличие на поверхности расплава слоя флюса (В2О3), обладающего теплоизолирующими свойствами, существенно изменяют тепловые условия роста монокристалла по сравнению с обычными условиями. Они в первую очередь начинают сильно зависеть от толщины (высоты) слоя флюса. При малой высоте слоя флюса и небольшом диаметре монокристалла этот эффект заметен слабо. Однако при большой высоте слоя флюса стабильный рост монокристалла, особенно большого диаметра, нарушается. После разра-щивания монокристалла до заданного диаметра ( 4.4, а) выделяющаяся на фрон-

Винтовая нарезка является следствием нарушения радиальной симметрии теплового поля вокруг растущего монокристалла, приводящего к наклону поверхности фронта кристаллизации на некоторый угол 6 ( 4.10, б). В таких условиях различные участки фронта кристаллизации вращающегося монокристалла проходят через области расплава с высокой и низкой температурами. В первом случае рост монокристалла замедляется, а во втором ускоряется. Кроме того, выросшая часть монокристалла, проходя через область высокой температуры в расплаве, частично оплавляется. На цилиндрической поверхности монокристалла возникает спиральный выступ. Шаг «винта» возрастает с увеличением скорости вытягивания монокристалла и уменьшением скорости его вращения. Следует отметить, что у монокристаллов, выращенных методом жидкостной герметизации (см. 4.1, г), винтовая нарезка на поверхности выражена неявно.

В ходе кристаллизационного -процесса концентрация примеси в расплаве непрерывно изменяется. Это является следствием, во-первых, изменения объема рабочего расплава и, во-вторых, взаимодействия его с граничащими с ним фазами: кристаллом, контейнером, атмосферой и/или флюсом (в методе жидкостной герметизации).

В разлагающихся полупроводниковых соединениях углерод обычно содержится в концентрации, не превышающей 1016 атом/см3. Это объясняется отсутствием источника загрязнения расплава этой примесью. В процессе выращивания монокристаллов по Чохральскому (метод жидкостной герметизации) расплав надежно изолирован от печной атмосферы слоем флюса. Графит в качестве контейнерного материала в технологии разлагающихся полупроводниковых соединений практически не используют. Исключение составляет метод получения поликристаллических слитков фосфида галлия кристаллизацией находящегося в графитовой лодочке расплава галлий — фосфор методом зонной плавки. В этом случае концентрация примеси углерода в фосфиде галлия может доходить до ЫО19 атом/см3. Однако он легко удаляется в процессе выращивания монокристалла методом жидкостной герметизации путем введения во флюс оксида галлия (III) по реакции

низкотемпературной перегородкой, снабженной капиллярной трубкой, играющей роль диффузионного затвора как это показано на 4.35, а, на котором представлена схема установки, используемой для выращивания высокочистых монокристаллов арсенида галлия. Выполнение перечисленных условий позволяет получать монокристаллы полупроводниковых соединений, содержащие кремний в концентрациях, сравнимых с содержанием его в монокристаллах выращенных методом жидкостной герметизации с применением тиглей из пиролитического нитрида бора.

Анализ уравнений (4.103) показывает, что плотность дислокаций в монокристаллах полупроводников определяется величиной как градиентов температуры, так и порождаемых ими термоупругих напряжений. Последние могут достигать значений, вызывающих даже растрескивание монокристаллов полупроводников большого диаметра при охлаждении их до комнатной температуры. Это часто встречается при выращивании монокристаллов разлигающихся полупроводниковых соединений, например арсенида и фосфида галлия, методом жидкостной герметизации (см. 4.1, г). В этом случае вследствие интенсивного отвода тепла от монокристалла окружающим его сжатым газом градиенты температуры в 4 — 5 раз больше, чем в случае выращивания монокристаллов в вакууме или при низком давлении инертного газа.

теплоизоляции поверхности моно'кристалла в области интенсивной генерации дислокаций. Для этого применяют подогрев боковой его поверхности фоновыми нагревателями, экранирование поверхности расплава, увеличение толщины слоя флюса, обладающего плохой теплопроводностью (в методе жидкостной герметизации), и др.

4.44. Влияние температуры образования дислокаций на характер их распределения в поперечном сечении монокристаллов полупроводников: а — ячеистое распределение, образовавшееся при высоких температурах в области фронта кристаллизации (полизолирующий, легированный хромом ар-сенид галлия, выращенный методом горизонтальной направленной кристаллизации, Х2,5); б — распределение в линиях скольжения, возникающее при низких температурах в области фронта кристаллизации (легированный циклон фосфид индия, выращенный методом жидкостной герметизации, ХЗ); в — мозаичное, образовавшееся при высоких температурах вблизи фронта кристаллизации и на некотором удалении от него (нелегированный арсенид галлия, выращенный методом горизонтальной направленной кристаллизации, Х2,5)

6000 об/мин; генератор ГТЗОНЖЧ12 - генератор трехфазный, мощностью 30 кВА, НЖ-непосредственное жидкостное охлаждение, Ч - постоянная частота вращения, 12 - частота вращения -12000 оборотов в минуту.

Конвективное жидкостное охлаждение, а также эф-

Электропитание распределяется по трем нижним слоям платы (см. 2.4, 2.5), по двум слоям поданы напряжения, необходимые для работы кристаллов, третий слой находится под потенциалом земли. Питание на эти слои подается по параллельной схеме через матрицу контактов, равномерно расположенных по нижней поверхности платы. Далее питание поступает на соответствующие контактные площадки кристаллов через параллельно включенные группы выводных контактных отверстий. Конструкция платы позволяет подводить питание к каждому кристаллу мощностью до 4 Вт, хотя не каждый кристалл работает с максимальным током: мощность питания платы ограничена уровнем 300 Вт, т. е. в среднем 3 Вт на кристалл. Эти цифры существенно перекрывают допустимые рассеиваемые мощности при воздушном охлаждении. Поэтому в рассматриваемой конструкции применено жидкостное охлаждение. Отвод теплоты от кристаллов СБИС к водо-охлаждаемой металлической крышке осуществляется через алюминиевые подпружиненные плунжеры ( 2.6).

Жидкостное охлаждение позволит значительно повысить рассеиваемую микросистемами мощность и снизить температуру кристаллов (пластин), что приводит к повышению надежности. В одном из перспективных методов отвод тепла производится потоком воды через теплоот-водящие пластины, встроенные в кремниевый кристалл. Для такой конструкции плотность потока мощности доведена до 800 Вт/см2 при максимальном перегреве около 50 К-

а — естественная циркуляция воздуха в кожухе с уплотнением; б — естественная циркуляция воздуха через кожух с перфорацией; в — принудительная циркуляция воздуха в кожухе с уплотнением; г — принудительная циркуляция воздуха через кожух с перфорациями; д — жидкостное охлаждение; / — кожух; 2 — платы (шасси) с ЭРЭ; 3 — отверстия; 4—двигатель; 5 — вентилятор; 6 — ввод от вентилятора: 7 — отражатели, распределяющие воздушный поток равномерно по поперечному сечению кожуха; 8 — жидкость

На 15.8, д показан аппарат, внутренний объем которого заполнен жидкостью. Так как жидкость обладает большей теплопроводностью и теплоемкостью, чем газ, то передача теплоты от тепловыделяющих элементов кожуху происходит более интенсивно. Часть объема аппарата оставляют незаполненным жидкостью в связи с тем, что при нагревании она расширяется. Интенсифицировать жидкостное охлаждение можно принудительным перемешиванием жидкости специальным вентилятором или прокачиванием жидкости через специальный теплообменник, где она охлаждается.

В последние годы по всем направлениям достигнуты большие успехи. Созданы новые виды изоляции: синтетические пленки, крем-нийорганические лаки и т. д. Широко применяется непосредственное водородное и жидкостное охлаждение (в крупных машинах). В ряде случаев применяется испарительное охлаждение машин малой и средней мощности. Созданы опытные машины, в которых для уменьшения потерь используется явление сверхпроводимости металлов при низких температурах.

Для статоров может применяться и жидкостное охлаждение ( 9.13). Машины, устанавливаемые в помещениях, имеют водяное охлаждение; при наружной установке применяется минеральное масло. В трансформаторах масло является не только охлаждающим агентом, но и изолятором; витковая изоляция (изоляция проводника) в трансформаторах делается из хлопчатобумажной

Работа при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в р-п переходе. Поэтому в установках с мощными диодами применяют воздушное и жидкостное охлаждение. Пр'И воздушном охлаждении тепло отводится с помощью радиатора и проходящего вдоль его теплоотво-дящих ребер потока воздуха. При этом охлаждение может быть естественным, если отвод теплоты в окружающую среду определяется естественной конвенкцией воздуха, или принудительным, если используется принудительный обдув корпуса прибора и его радиатора с помощью вентилятора.

Жидкостное охлаждение ГИМ и других теплонагружен-ных узлов. Если теплонагруженность с-тойки высокая, то воздушно-конвективное охлаждение недостаточно для отвода выделяемого тепла и переходят к жидкостному охлаждению. Жидкостное охлаждение почти на порядок более интенсивно, чем воздушно-конвективное, что вызвано более высокой удельной теплоемкостью жидкости по сравнению с воздухом, более высокой теплопроводностью и особенно возможностью использовать режим кипения, при котором отвод тепла осуществляется при фазовом переходе. Главным недостатком жидкостного охлаждения является более сложная система обеспечения теплового режима, требующая довольно разветвленной сети трубопроводов, соединителей, клапанов, а также баков и насосов. Кроме того, при отрицательных температурах, когда воздушно-конвективная система находится в благоприятнейших условиях, жидкостная система угрожает разрывом труб и баков, если используется вода, которая предпочтительна в сравнении с другими жидкими теплоносителями по многим характеристикам.

Жидкостное охлаждение ГИМ может осуществляться в двух режимах: принудительном и естественном. При использовании принудительного режима теплоноситель с помощью насоса перекачивается от нагретых корпусов ГИМ или других узлов внутри блоков, как от источников интенсивного нагрева, в теплообменник, расположенный вне блока, где охлаждается, и вновь с помощью насоса возвращается в бак для следующего цикла ( 4-21). Так построена система последовательного принудительного жидкостного охлаждения ГИМ ( 4-21, а). Такая система применима для простых случаев охлаждения, не требующих