Базовое значение поэлементных требований

Зацепился в прошлом году утеплением «теплофасадом» (плитка 600*400*100 на минвате).

До зимы «зашил» 2 стены (северную и восточную) — особой разницы зимой не заметил
Окна были более-менее герметичные деревянные.
Сейчас «зашиты» 3 стены (+ южная) + поменял 3 окна. Дом на солнцепеке, за пару тройку дней прогревается ощутимо (25-26 град). Расчитывал на лучший результат
К чему веду — основные теплопотери идут через потолок что-ли?
Высота 2,8 м. Не толстый, глиняный, чердак не утеплен. Крыша — под замену.
Примерный вариант расчета «было-стало»:
Было

Термическое сопротивление ограждающей конструкции 0.74
Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции 0.90
Требуемое сопротивление теплопередаче
Санитарно-гигиенические требования 1.15
Нормируемое значение поэлементных требований 1.68
Базовое значение поэлементных требований 2.66
Санитарно-гигиенические требования: R < Rс
Ограждающая конструкция не удовлетворяет санитарно-гигиеническим нормам по тепловой защите.
Эксплуатация такой конструкции недопустима.
Стало

Термическое сопротивление ограждающей конструкции 3.32
Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции 3.47
Требуемое сопротивление теплопередаче
Санитарно-гигиенические требования 1.15
Нормируемое значение поэлементных требований 1.68
Базовое значение поэлементных требований 2.66
Санитарно-гигиенические требования: R > Rс
Ограждающая конструкция удовлетворяет санитарно-гигиеническим нормам по тепловой защите.
Поэлементные требования: R > Rт
Ограждающая конструкция удовлетворяет нормам по тепловой защите вне зависисмости от иных требований.
Сопротивление теплоизоляции превышает Rт в 1.31 раза.
Такая тепловая защита оправдана, если энергоноситель для Вашей системы отопления чрезвычайно дорог или Ваша цель — строительство «пассивного» дома. В остальных случаях затраты на достижение подобного уровня тепловой защиты могут оказаться экономически неоправданными
«Стало» конечно же меньше. Т.к. швы, стыки и т.д.
Где собака порылась? Какие будут мнения?

Есть мнение Фасады Новые принципы нормирования теплозащиты ограждающих конструкций

Новые принципы нормирования теплозащиты ограждающих конструкций

Материал к публикации подготовила Г. Кузнецова

Как известно, с 1 июля 2010 года вступил в силу основной строительный регламент №384-Ф3 «О безопасности зданий и сооружений». В нем представлены два списка документов для доказательной базы: утвержденный распоряжением Правительства РФ №1047 от 21.06.2010 г. перечень обязательных документов (национальных стандартов и сводов правил, в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований TP) и список документов добровольного применения, утвержденный приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии №2079 от 1.06.2010 г.

Согласно ст. 42 упомянутого Федерального закона строительные нормы и правила, включенные в виде сводов правил в список обязательных документов, должны быть до 1 июля 2012 года актуализированы. В их числе СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» — общеизвестный документ, в котором изложены основные теплофизические требования, предъявляемые ко всем строящимся и реконструируемым объектам.

Работы по актуализации данных строительных норм уже начались. О том, какие изменения планируется внести в СНиП «Тепловая защита зданий» при подготовке его новой редакции, мы попросили рассказать Владимира Геннадьевича Гагарина, д.т.н., проф., член-корр. РААСН, заведующего лабораторией строительной теплофизики НИИСФ РААСН.

— Прежде всего, хочу подчеркнуть, что основополагающими документами в области энергосбережения в настоящий момент являются:

  • Указ Президента РФ от 4 июня 2008 года №889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики».
  • Федеральный закон РФ от 23 ноября 2009 года №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Согласно Указу Президента поставлена задача «…снижения к 2020 году энергоемкости валового внутреннего продукта Российской Федерации не менее чем на 40% по сравнению с 2007 годом..,». Обращаю внимание, что в Указе поставлена задача снижения энергоемкости ВВП на 40%, а не экономии энергии на 40%. Это огромная разница. Достаточно сказать, что с 1991 по 1999 годы энергоемкость ВВП повысилась почти в 3 раза, и сейчас по этому показателю Россия значительно отстает от ряда других развитых стран. Снижение энергоемкости ВВП — насущная задача, которая является вполне выполнимой. Однако иногда эту задачу трактуют как экономию энергии на 40%, что является искажением Указа Президента РФ. Если Россия сэкономит 40% энергии, то будет потреблять энергии на душу населения в 2 раза меньше Финляндии, в 2,5 раза меньше, чем США и Норвегия, в 4 раза меньше, чем Канада, меньше, чем Венесуэла, Греция, Испания и т.д. (при нашем самом холодном в мире климате). То есть такая экономия энергии нереальна и гибельна для нашей экономики.

В Указе Президента РФ постановлено «…принять меры по техническому регулированию, направленные на повышение энергетической и экологической эффективности таких отраслей экономики, как электроэнергетика, строительство, жилищно-коммунальное хозяйство…». А в ФЗ №261 понятие «энергетическая эффективность» определено следующим образом: «энергетическая эффективность — характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта…». Об этом определении энергетической эффективности необходимо помнить при осуществлении всех энергосберегающих мероприятий.

Теперь, что касается принципов нормирования теплозащиты ограждающих конструкций. В соответствии с требованием TP «О безопасности зданий и сооружений» СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» подлежит актуализации, и мы уже работаем в этом направлении. Несмотря на то, что обновленный СНиП должен в основном повторять редакцию 2003 года, мы все-таки хотим внести в него некоторые усовершенствования, позволяющие упростить процесс проектирования теплозащиты.

Так уж исторически сложилось, что на ограждающие конструкции у нас был едва ли не единственный СНиП — «Строительная теплотехника», который позже стал, к сожалению, называться «Тепловая защита
зданий». Тем не менее, он содержит и другие требования, относящиеся к ограждающим конструкциям зданий. Именно в этом плане мы его и будем рассматривать.

Главный камень преткновения в СНиПе 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» — это 5-й раздел, который устанавливает три показателя тепловой защиты зданий:

а) приведенное сопротивление теплопередаче отдельных элементов ограждающих конструкций здания;

б) санитарно-гигиенический показатель, включающий температурный перепад между температурами внутреннего воздуха и на поверхности ограждающих конструкций и температуру на внутренней поверхности выше температуры точки росы;

в) удельный расход энергии на отопление здания, позволяющий варьировать величинами теплозащитных свойств различных видов ограждающих конструкций зданий с учетом их объемно-планировочных решений и выбора систем поддержания микроклимата для достижения нормируемого значения этого показателя.

Требования тепловой защиты жилых и общественных зданий будут выполнены при соблюдении требований показателей а и б либо б и в. В зданиях производственного назначения необходимо соблюдать требования показателей а и б.

Несколько слов о недостатках нормирования теплозащиты в действующем СНиПе. И в СНиПе и в СП отсутствуют четкие определения и методы расчета показателей теплозащиты, в первую очередь приведенного сопротивления теплопередаче, коэффициента теплотехнической однородности. В результате подавляющее большинство строителей вообще не понимают, что это такое, и не представляют, каким образом перечисленные показатели можно рассчитать.

Второй недостаток — нормативные требования зависят от назначения объекта. Но если мы экономим энергию, то какая разница, где она расходуется — в производственном, административном или жилом здании. Мы все равно ее теряем.
Поэтому требования должны быть каким-то образом унифицированы. Это же не санитарно-гигиенические требования, а требования к экономии энергии.

Следующее замечание — дублирование нормативных требований по теплозащите. Например, в Москве к приведенному сопротивлению теплопередаче стен жилых домов предъявляются требования: санитарно-гигиенические (1,38 м2°С/Вт); основные (3,13 м2°С/Вт); пониженные (1,97 м2°С/Вт) и косвенные требования к оболочке здания в целом, содержащиеся в нормативном удельном расходе энергии на отопление здания. Фактически работают пониженное требование (1,97 м2°С/Вт) и требование к удельному расходу энергии на отопление. Все это излишне загромождает расчет и мешает правильно спроектировать конструкцию. Реально должно действовать одно требование, а требование к расходам на отопление — это уже больше отопленческая проблема, нежели теплозащитная. В случае ужесточения нормативных требований к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций будет работать поэлементный подход к нормированию. То есть мы вернемся к тем подходам в нормировании теплозащиты, несостоятельность которых уже была доказана практикой. Зачем нам нормировать показатели сопротивления теплопередаче, если они даже четко не определены в СНиП? Практически важно знать, какое количество энергии теряется, ведь за нее придется платить. Вот потери энергии и надо нормировать.

Еще одна противоречивая деталь, которая содержится в СП «Проектирование тепловой защиты зданий». Это таблица №6 «Минимально допустимые значения коэффициента теплотехнической однородности для конструкций индустриального изготовления», которая, на мой взгляд, по ошибке попала в нормативные документы и трактуется совершено неправильно. Вместо того чтобы рассчитывать коэффициент теплотехнической однородности и сравнивать его с приведенными в таблице минимально допустимыми значениями (он не должен их превышать), эти числа принимают за исходную величину и используют их в расчетах. Это неправильно. Таблицу следует исключить, чтобы она не морочила голову.

Хочу обратить внимание, что теплопотери через квадратный метр конструкции в зависимости от сопротивления теплопередаче изменяются по гиперболе. Поэтому изменение сопротивления теплопередаче, например, от 3 м2°С/Вт до 3,5 м2°С/Вт почти ничего не даст в плане экономии энергии (рис. 1). Это я к тому, что мы не то нормируем.

Возвращаясь к недостаткам. СНиП почти не учитывает планировочные решения зданий. Получается, что, как бы мы не усложняли конфигурацию объекта в плане, на величине теплопотерь это не отразится. СНиП должен этот момент обязательно регулировать. Запутанность и сложность нормативных требований, отсутствие методической поддержки вызывают у проектировщиков и строителей непонимание взаимосвязи между отдельными изменениями конструкций и тепловыми потерями здания в целом. Таким образом, выполнение нормативных требований при проектировании теплозащиты стало, в общем-то, формальностью.

Работая над новой редакцией СНиП, мы руководствуемся следующими принципами:

  1. Максимально сохранить форму действующего документа, последовательность и состав разделов, потому что резкие изменения нормативных документов могут пойти только во вред.
  2. Максимально упростить используемые методики.
  3. Произвести обновление устаревших методик и требований (в первую очередь, по тепловой защите и влажностному режиму). Сделать их применимыми к современным конструкциям.
  4. Произвести гармонизацию требований между собой. СНиП не должен содержать противоречий или нестыковок внутри себя.
  5. Ввести точные и однозначные определения используемых в СНиП понятий.

Если говорить по содержанию, то из 12 разделов действующего СНиП 23-02-2003 планируется переработать 5 разделов: «Термины и определения», «Тепловая защита зданий», «Повышение энергетической эффективности существующих зданий», «Защита от переувлажнения ограждающих конструкций» и «Энергетический паспорт здания».

Несколько слов о тех изменениях, которые планируется внести в раздел «Тепловая защита зданий». Мы предлагаем ввести в него 4 требования к теплозащите:

  1. Приведенные сопротивления теплопередаче отдельных ограждающих конструкций должны быть не меньше минимально допустимых значений (поэлементные требования).
  2. Удельный коэффициент теплопередачи теплозащитной оболочки здания не должен быть больше максимально допустимых значений (комплексное требование).
  3. Температура на внутренних поверхностях ограждающих конструкций должна быть не ниже минимально допустимых значений (санитарно-гигиеническое требование).
  4. Срок окупаемости мероприятий по дальнейшему возможному повышению теплозащиты ограждающих конструкций, должен попадать в принятый интервал значений (экономическое требование).

Первое требование — поэлементное, основное же требование — комплексное. То есть в целом теплозащитная оболочка здания должна обеспечивать заданный уровень тепловых потерь. Такова идея. Поэлементное требование является вспомогательным. В принципе его надо было бы назначить как санитарно-гигиеническое. Но мы не можем этого сделать, поскольку должны привязаться к предыдущему СНиП, чтобы не допустить большого разрыва в требованиях. Поэлементные требования приведены в таблице №1. Ее можно
обсудить, но ужесточать не имеет никакого смысла, поскольку она не рабочая и дает только некий предел, ниже которого нельзя будет опускаться. Основным мы планируем сделать комплексное требование.

Таким образом, поэлементные требования остаются, но становятся вспомогательными. Они обеспечивают защиту от всевозможных перекосов в выборе величины утепления отдельных конструкций и позволяют исключить использование совсем уж абсурдных конструктивных решений. Одновременные изменения и методики оценки конструкций, и величины требований, в общем-то, опасны. Поэтому предлагается при модернизации методики сохранить действующие поэлементные требования до накопления опыта использования нового показателя. Экономия энергии будет обеспечена нормализацией архитектурно-планировочных решений и повышением уровня понимания требований со стороны проектировщиков и архитекторов.

Если мы запишем принятую формулу для расчета суммарных теплопотерь через все ограждающие конструкции здания, то увидим, что эти теплопотери за год пропорциональны некоей величине, которая в сокращенном виде выглядит как произведение коэффициента компактности на общий коэффициент теплопередачи всех наружных ограждающих конструкций оболочки здания. Эту величину мы предлагаем называть «удельный коэффициент теплопередачи оболочки здания» и именно его нормировать.

Требуемые значения для удельного коэффициента теплопередачи оболочки здания приведены в таблице №2. Они рассчитаны для зданий разных объемов, при разных значениях градусо-суток отопительного периода, на зданиях простой формы при минимально допустимых значениях сопротивления теплопередаче всех элементов. Усложнение формы сразу же повлечет за собой увеличение удельного коэффициента теплопередачи оболочки здания, а стало быть, возникнет необходимость утепления тех или иных конструкций, чтобы понизить значение этого коэффициента. Такой принцип нормирования здесь заложен.

Подобный подход к нормированию теплозащиты с примером описан в .

В качестве приложения к СНиП будет предложен метод расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, поскольку это основная величина, которая нормируется, и ее расчет должен быть абсолютно прозрачен. Если рассмотреть этот расчет, то, в общем-то, мы планируем дать метод, который сейчас в СП отсутствует. Точнее, там присутствует формально «правильный» метод, но использовать его для расчетов нельзя, поскольку нельзя выполнить разбиение на зоны для современных ограждающих конструкций, нельзя рассчитать температурные поля, которые включают по несколько теплопроводных включений. Одни из этих полей трехмерные, а другие двухмерные.

Отметим также, что экспериментальное определение приведенного сопротивления теплопередаче является вспомогательным. Основной метод его определения — расчет. Это объясняется следующим. Приведенное сопротивление теплопередаче необходимо знать только для расчета теплопотерь через всю теплозащитную оболочку здания (трансмиссионные теплопотери). В этом расчете учитывается вся площадь всех наружных ограждений здания и приведенное сопротивление теплопередаче должно быть известным для всех наружных ограждений. Например, при расчете теплопотерь через наружную стену учитывается площадь наружной стены от цоколя до парапета и по периметру здания, следовательно, и приведенное сопротивление такой стены должно соответствовать данной площади. А испытание в камере можно выполнить лишь для небольшого фрагмента ограждающей конструкции, дальнейшее распространение полученных результатов на все здание может быть сделано практически только для панельных зданий (да и то, с натяжками). Для всех остальных зданий приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций от цоколя до парапета и по всему периметру здания (с учетом перекрытий, балконных плит, ограждений лоджий, оконных откосов и т.д.) возможно определить только расчетом.

В связи с изложенным, следует также отметить бесперспективность проверки количественных показателей теплозащиты всех ограждений зданий в натурных условиях, в том числе с использованием тепловизионной техники. Проверка теплозащиты здания может быть осуществлена лишь для весьма ограниченной части конструкций, и даже такая проверка требует квалифицированных исследований в течение нескольких недель. Никакие курсы обучения работы «экспертов» с тепловизором и др. столь же распространенные мероприятия не исправят данного положения. Но этот вопрос выходит за рамки описания актуализации СНиП.

Четвертое требование — экономическое. Предполагается, что оно будет добровольного применения. В нем предлагается оценка условного вклада от дальнейшего утепления ограждающей конструкции в снижение энергоемкости ВВП (в соответствии с Указом Президента РФ). Причем эта оценка будет не абсолютной, а сопоставительной, то есть она позволит выбрать вариант конструктивного решения, обеспечивающего максимальное снижение энергоемкости ВВП. Кроме того, введенный для этой оценки критерий оказывается очень эффективным при оптимизации конструкции в процессе ее создания.

Таким образом, мы планируем скорректировать содержание СНиП, снабдив его указанием путей повышения энергоэффективности теплозащитной оболочки зданий и совершенствования методов расчетов. Эти мероприятия не потребуют значительных материальных вложений, следовательно, не приведут к увеличению стоимости строительства, однако они обеспечат реальную экономию энергии на отопление. Повышение теплозащиты стен здания планируется не за счет увеличения толщины утеплителя, а за счет повышения теплотехнической однородности ограждающих конструкций и совершенствования планировочных решений здания. Все это соответствует духу и букве Федерального закона №261, в частности, в соответствии со ст. 11 п. 3, содержит «требования к отдельным элементам, конструкциям зданий, строений, сооружений и к их свойствам, к используемым в зданиях, строениях, сооружениях устройствам и технологиям, а также требования к включаемым в проектную документацию и применяемым при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте зданий, строений, сооружений технологиям и материалам, позволяющие исключить нерациональный расход энергетических ресурсов как в процессе строительства, реконструкции, капитального ремонта зданий, строений, сооружений, так и в процессе их эксплуатации».

В заключение отмечу, что все приведенные разработки для корректировки СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» мы выполнили совместно с к.т.н. В.В. Козловым.

Используемая литература:

1. В.Г. Гагарин, В.В. Козлов

«О нормировании теплопотерь через оболочку здания». // Academia. «Архитектура и строительство», № 3/2010, стр. 279-286.

Журнал «Технологии строительства», 6-7 (75-76), 2010.

Владимир Ланин

Проблемы теплоотвода в изделиях электроники

Проблема рассеяния тепла всегда является лимитирующей при конструировании изделий электроники (ИЭ) повышенной мощности. В процессах
теплопередачи выделяют три принципиально различных способа передачи теплоты: используя свойства теплопроводности, путем теплового излучения
либо конвекции. Эти виды теплообмена в реальных
условиях связаны между собой и проявляются одновременно. Однако максимальный вклад в процессы теплообмена вносит теплопроводность. Поэтому одним из возможных путей решения проблемы рассеяния тепла при конструировании
ИЭ повышенной мощности является создание теплоотводов, обладающих высокими электроизоляционными свойствами и вместе с тем хорошей теплопроводностью. Эту задачу можно решить следующими способами:

  1. На поверхность металла с высокой теплопроводностью нанести слой керамики, стекла или органического изолирующего вещества;
  2. Применить керамические или кристаллические
    теплоотводы с высокой теплопроводностью.

Более перспективен первый способ, однако для
разработки конструкции пленочного теплоотвода
необходимо обоснованно выбрать материалы для
основания и слоев теплоотвода, разработать технологию формирования слоев, оптимизировать
режимы их получения с заданными характеристиками.

К традиционным системам охлаждения относятся радиаторы с пассивным и активным отводом тепла от нагретой поверхности, которые обеспечивают
интенсивный теплообмен электронного устройства
с окружающей средой. Площадь поверхности электронного устройства чрезвычайно мала (несколько
квадратных сантиметров) и недостаточна для эффективного отвода тепловой мощности. Благодаря своей оребренной поверхности радиатор в сотни и даже тысячи раз увеличивает площадь его теплового
контакта с окружающей средой, способствуя интенсивному теплообмену и кардинальному снижению
рабочей температуры. Термическое сопротивление
радиатора выражается соотношением:

где Tн — температура нагретой зоны электронного
устройства; Tо — температура окружающей среды;
Pт — тепловая мощность электронного устройства.

На практике термическое сопротивление радиатора во многом зависит не только от площади оребренной поверхности, но и от его конструктивных
особенностей и технологии изготовления. Наиболее
дешевы алюминиевые радиаторы (рис. 1а), изготавливаемые методом экструзии (прессования), который позволяет получить достаточно сложный профиль оребренной поверхности и достичь хороших
теплоотводящих свойств.

Рис. 1. а) Экструзионный радиатор;
б) складчатый радиатор

Складчатые радиаторы отличаются технологическим исполнением: на базовой пластине радиатора
пайкой (или адгезионными теплопроводящими пастами) закрепляют тонкую металлическую ленту, свернутую в гармошку, складки которой играют роль
своеобразной оребренной поверхности. Эта технология позволяет получать изделия компактных размеров и с высокой тепловой эффективностью (рис. 1б).

Наилучшей тепловой эффективностью отличаются радиаторы, полученные прецизионной механической обработкой монолитных заготовок на специализированных станках с ЧПУ. Однако себестоимость таких радиаторов достаточна высока.

Для снижения термического сопротивления
радиатора создают условия вынужденной конвекции теплоносителя с помощью вентилятора, который продувает его внутреннее межреберное пространство.

Жидкостное охлаждение позволяет гораздо
лучше отводить тепло от нагреваемого элемента, чем система воздушного охлаждения.
Снижение шума и тепловыделения в окружающую среду дает определенные предпосылки
для применения жидкостных систем для компьютерных изделий. Недостатками такой системы являются: сложность конструкции, увеличенная масса, меньшая надежность — при
отказе одного из модулей система перестает
функционировать.

Термоэлектрические холодильники, работа которых основана на использовании эффекта Пельтье, состоят из последовательно соединенных полупроводников p— и n-типа, образующих p—n— и n—p-переходы. Каждый
из таких переходов имеет тепловой контакт
с одним из двух радиаторов. В результате прохождения электрического тока определенной
полярности образуется перепад температур
между радиаторами модуля Пельтье: один радиатор работает как холодильник, другой радиатор нагревается и служит для отвода тепла.
В зависимости от направления электрического тока через контакт полупроводников разного типа p—n— и n—p-переходов (рис. 2) вследствие взаимодействия зарядов, представленных
электронами (n) и дырками (p), и их рекомбинации энергия либо поглощается, либо выделяется. В результате данных взаимодействий
и порожденных энергетических процессов тепло либо поглощается, либо выделяется.

Рис. 2. Термоэлектрический холодильник
на полупроводниках p— и n-типа

Модули Пельтье, применяемые в составе
средств охлаждения электронных элементов,
отличаются сравнительно высокой надежностью и, в отличие от холодильников, созданных по традиционной технологии, не имеют
движущихся частей. Для увеличения эффективности своей работы они допускают каскадное использование, что позволяет довести температуру электронных элементов до отрицательных значений даже при их значительной
мощности рассеяния.

Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой:

где q — количество прошедшего электричества за единицу времени; П — коэффициент
Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от их
температуры.

Однако кроме очевидных преимуществ модули Пельтье обладают и рядом специфических свойств, которые необходимо учитывать
при их использовании в составе охлаждающих средств. Выделяя в процессе своей работы большое количество тепла, они требуют
наличия радиаторов и вентиляторов, способных эффективно отводить избыточное тепло
от охлаждающих модулей. Термоэлектрические модули отличаются низким КПД и, выполняя функции теплового насоса, сами являются мощными источниками тепла и создают дополнительную нагрузку для цепей
питания.

Низкие температуры, возникающие в процессе работы холодильников Пельтье, способствуют конденсации влаги из воздуха, что
представляет опасность для электронных компонентов, так как конденсат может вызвать
короткие замыкания между элементами.

Конструкции алмазных теплоотводов

Прогрессирующая микроминиатюризация
поставила на повестку дня проблему, связанную с отводом тепла от полупроводниковых
приборов. Площадь теплоотвода для миниатюрного полупроводника крайне мала
(50–100 мкм2), а плотности рассеиваемой мощности могут достигать до 1,6 × 105 Вт/мм2, поэтому рассеяние тепла с помощью обычных
материалов (медь, алюминий, окись бериллия
и т. д.) оказывается недостаточным. При микроминиатюризации электронных и твердотельных приборов возникает проблема теплового рассеяния внутри самих приборов.
Если полная мощность прибора должна сохраняться постоянной, то уменьшение его
в размерах будет неизменно сопровождаться
увеличением плотности мощности.

Теплоотводы из меди или алюминия обычно в несколько раз превосходят по размерам
охлаждаемый элемент. Применение таких теплоотводов позволяет достичь эффективного
охлаждения, однако в случае микроминиатюрных полупроводниковых приборов площадь
контакта теплового экрана оказывается настолько малой, что рассеяние тепла теплоотводами из таких материалов иногда оказывается недостаточным. В настоящее время все
более широкое применение находят алмазные
теплоотводы, основанные на высокой теплопроводности алмаза . Применение алмазов
в качестве теплоотводов для микроминиатюрных полупроводниковых приборов может значительно улучшить тепловые характеристики таких приборов. Тепловая проводимость
алмаза в зависимости от его разновидностей
в 2–5 раз превосходит этот параметр для меди (таблица 1).

Таблица 1. Теплопроводность алмазов и других материалов

Материал Температура, °С Теплопроводность,
Вт/(мК)
Алмаз 20 2000
Медь 20 384
Алюминий 20 209
Сталь 20 47
Карбид кремния 40 21,5
Окись алюминия 100 6,9

Алмазный теплоотвод обладает способностью рассеяния намного большей удельной тепловой мощности, чем у обычных теплоотводящих материалов, поэтому мощные полупроводниковые приборы, оснащенные алмазными
теплоотводами, могут работать с повышенной
полезной мощностью на выходе. Алмазные
теплоотводы находят применение для транзисторов большой мощности, диодов Ганна,
интегральных схем повышенной мощности,
полупроводниковых лазеров, лавинно-пролетных диодов, варикапов и переключающих полупроводниковых приборов .

Рис. 3. Конструкция алмазного теплоотвода

Основным несущим слоем алмазного теплоотвода (рис. 3) является медный хладопровод, адгезионными слоями являются карбид
титана или титан, диэлектрическим слоем служит алмазоподобная пленка (АПП), а токопроводящим слоем является никель или монель
(NiCu — 18%). Использование монеля обусловлено тем, что никель обладает магнитными свойствами, поэтому его нельзя использовать в установках магнетронного напыления,
а добавление 18% меди позволяет использовать монель в установках магнетронного напыления, не ухудшая характеристик никеля.

Существуют две группы способов получения алмаза из газовой фазы: высокотемпературные, при которых могут быть созданы поликристаллические алмазные пленки, и низкотемпературные, позволяющие получать
алмазоподобные пленки и пленки гидрогенизированного углерода. В таких пленках отсутствует дальний порядок, характерный для
кристалла. Могут быть получены пленки с различными химическими связями, которые могут обладать рядом новых свойств, отличных
от алмаза, графита и карбина. Анализ способов позволил сформулировать условия получения алмазных и алмазоподобных пленок:

  • проведение процесса при больших пересыщениях, когда вероятность образования алмазного зародыша увеличивается;
  • предотвращение образования стабильной
    фазы углерода- графита, которого можно добиться путем: создания условий, когда образование графитовой структуры затруднено
    в силу кинетических факторов; использования атомарного водорода, газифицирующего графит; использования ионных пучков;
  • сохранение образовавшейся алмазной фазы и предотвращение перехода ее в графит.
    Для нанесения АПП используют CVD

(Chemical Vapor Depositions) процесс, основанный на разложении углеводородов в смеси
с водородом и последующем осаждении алмаза на нагретую подложку . Рабочая смесь
диссоциирует в вакуумной камере под действием электрического разряда, СВЧ-плазмы
или лазерного излучения. Давление газа в камере составляет 30–100 Торр, скорость осаждения — 10–20 мкм/ч.

В настоящее время разработаны различные
методы соединения алмаза с металлическими
и полупроводниковыми материалами. Наиболее эффективны методы, при которых контактирующие поверхности алмазного теплоотвода предварительно металлизируются. Для
металлизации лучше всего подходят такие металлы, как титан, цирконий, ванадий, ниобий
и тантал, которые затем сплавляются с медью,
серебром или золотом . Имея сильное сродство с углеродом, они растворяются или взаимодействуют с ним в вакууме или в инертной
атмосфере. Расплавленный металл вначале
смачивает алмаз, удаляя с его поверхности кислород, и затем вступает во взаимодействие
с поверхностью алмаза, протравливая ее и химически связываясь с ней.

Число материалов, пригодных для создания
слоев металлизации, довольно велико (таблица 2), однако существует ряд требований, которые значительно сужают круг таких материалов. Теплопроводность материала должна быть
возможно более высокой, чтобы не снижать общую теплопроводность, а удельное сопротивление — минимальным, так как перенос тепла
осуществляется как за счет фононного, так
и электронного механизмов. Температурный
коэффициент линейного расширения должен
быть максимально близок к ТКЛР алмаза
(9–15) × 10–7 1/ °С.

Таблица 2. Параметры материалов, применяемых для создания металлизации

Выполнение этого условия предотвращает возникновение механических напряжений
в напыленных пленках и способствует устранению эффектов, вызывающих их отслоение
от алмазного основания. Материал адгезионного слоя должен обладать высоким сродством с углеродом и образовывать с ним высокоадгезионные соединения. Специфические
требования к проводящему слою состоят
в необходимости обеспечения хорошей паяемости, т. е. в создании условий для хорошего растекания припоя и смачивания им поверхности.

Для адгезионных слоев металлизации алмазов применяют металлы, имеющие сильное
сродство с углеродом, которые растворяются
или взаимодействуют с ним. Разработаны адгезионно-активные сплавы, обеспечивающие
прочное крепление алмазов к металлическим
основаниям, уменьшение термических напряжений и имеющие температуру плавления
в интервале 800–950 °С, что предохраняет алмазы от графитизации. К адгезионно-активным металлам относят титан, хром, цирконий, ниобий и тантал, которые поэтому и являются наиболее предпочтительными для
создания адгезионных слоев металлизации.
Адгезионная активность молибдена, вольфрама и никеля для использования в качестве
компонентов мала. Тугоплавкие металлы
Mo и W обладают низким сопротивлением,
высокой теплопроводностью и небольшим
ТКЛР. Однако тонкие пленки данных металлов имеют тенденцию отслаиваться и растрескиваться, что не обеспечивает требуемой
величины адгезии. Титан, тантал, гафний имеют более высокое электрическое сопротивление и низкую теплопроводность, но обладают высокой адгезионной способностью и легко соединяются с углеродом. Уникальными
параметрами обладает карбид титана, который превосходит титан по электрофизическим и теплофизическим свойствам. Учитывая
вышеперечисленные требования, в качестве
материала для адгезионного слоя целесообразно применять титан и тантал.

Наиболее оптимальные свойства проводящего слоя металлизации достигаются при использовании таких материалов, как никель
и его сплавы, медь и серебро, которые обладают высокой тепло- и электропроводностью,
а также хорошо смачиваются припоями. Однако медь и серебро имеют сильную склонность
к окислению, кроме того, медь может эффективно диффундировать в слой припоя вплоть
до активной полупроводниковой структуры.
Для предотвращения этого следует использовать барьерный слой. Таким образом, наиболее предпочтительным материалом для создания проводящего слоя металлизации является никель и его сплавы.

Формирование металлизации на алмазных теплоотводах

Из всего многообразия методов формирования слоев металлизации наиболее привлекательными являются вакуумные методы нанесения. Они обеспечивают наибольшую чистоту пленок, позволяют варьировать в широких
пределах условия нанесения . В последние
годы все большее распространение получают
ионно-лучевые методы получения тонких пленок, что объясняется преимуществами ионнолучевых систем:

  • пространственное разделение областей генерации плазмы и области конденсации материала;
  • более высокая чистота пленок из-за снижения рабочего давления;
  • минимальное воздействие вторичных электронов на подложку;
  • возможность нанесения любых материалов.

Поэтому для формирования адгезионных
и проводящих слоев металлизации использованы методы ионно-лучевого и магнетронного распыления. Магнетронные распылительные системы позволяют повысить скорость
осаждения при одновременном снижении радиационного воздействия электронов на подложку .

Вакуумная установка Z-400 фирмы Leybold-Heraeus для обработки методами ионной бомбардировки содержала устройства для возбуждения и поддержания газового разряда, натекатели для подачи плазмообразующих газов,
мощные источники питания. Установка была
оснащена ионно-лучевым и магнетронным
распыляющими устройствами. В качестве ионного источника использовался двухлучевой
плазменный ускоритель с анодным слоем, который формировал два независимых пучка
ионов: из верхней ступени в виде полого цилиндра и конусообразный из нижней ступени. Первый пучок предназначен для ионных
очистки и бомбардировки, второй — для распыления мишени. Ионный источник был
смонтирован в подколпачном объеме установки (рис. 4). Вакуумный объем откачивался турбомолекулярным насосом, что обеспе-
чило получение остаточного вакуума 1 × 10–5
Торр. Для формирования адгезионного и проводящего слоев использовались соответственно мишени из Ti и Ni (Ni–18% Cu). Для нагрева подложек в процессе нанесения пленок
использовался подложкодержатель, снабженный автономным нагревательным элементом
в виде поликоровой пластины с нихромовой
проволокой.

Рис. 4. Внешний вид подколпачного объема
вакуумной установки Z-400

Алмазоподобная пленка толщиной около
2 мкм наносилась на медный хладопровод, покрытый тонким адгезионным слоем. Осаждение АПП осуществлялось методом прямого
осаждения из ионного пучка . В качестве рабочего газа использовался пропан. Температура подложки не превышала 25 °С.

Вначале исследовалось влияние параметров
процесса напыления на удельное объемное сопротивление покрытий ρv. Характер зависимости ρv от скорости нанесения Vн (рис. 5)
можно объяснить следующим образом. При
небольших скоростях нанесения повышенное
значение ρv обусловливается большей степенью окисления растущей пленки. С ростом Vн
действие этого эффекта убывает и rv снижается. Увеличение ρv при больших скоростях
нанесения объясняется, по-видимому, уменьшением плотности пленок.

Рис. 5. Зависимости удельного объемного сопротивления покрытий
от скорости нанесения: a) при магнет

Температура подложки в процессе нанесения пленок также оказывает некоторое влияние на удельное объемное сопротивление пленок, их структуру и адгезию (рис. 6). Пленки
Ni, Ni–18% Cu, Ti наносились на подложки
из окисленного кремния. Температура подложки варьировалась от 100 до 300 °С.

Рис. 6. Зависимости удельного объемного сопротивления пленки
от температуры подложки при ионном (ИР)
и магнетронном (МР) распылении

Исходя из полученных зависимостей, можно судить о том, что ρv пленок из никеля
и сплава Ni–18% Cu незначительно зависит
от температуры подложки, т. е. структура и состав этих пленок практически не изменяются.
Что касается пленок из титана, то и здесь имеют место монотонные зависимости, что свидетельствует также об отсутствии качественных изменений в их структуре и составе.

На втором этапе исследовалось влияние
энергии и тока бомбардирующего пучка
ионов на адгезию и микроструктуру покрытий из Ti. Ускоряющее напряжение изменялось от 1 до 2 кВ, а ток — от 5 до 15 мА. Адгезия оценивалась качественно (отрыв липкой
ленты) и количественно методом нормального отрыва. Установлено, что ускоряющее напряжение не оказывает существенного влияния на величину адгезии, а увеличение тока
ионного пучка приводило к значительному
повышению адгезии. Так, при токе 5 мА адгезия составила 4,2 МПа, а при 15 мА — 6,8 МПа
(таблица 3).

Таблица 3. Влияние параметров ионного
пучка на адгезию покрытий

Ускоряющее
напряжение,
кВ
Ток ионной
бомбардировки,
мА
Величина
адгезии,
МПа
1,0 10 4,8
1,5 10 4,9
2,0 10 5,0
2,0 5 4,2
2,0 15 6,8

Таким образом, введение дополнительной
энергии в зону конденсации за счет ионной бомбардировки способствует увеличению адгезии.
Это можно объяснить повышением интенсивности десорбции и распыления инородных
включений и загрязнений, активацией поверхности алмазоподобной пленки, радиационностимулированным внедрением атомов титана
в подложку, повышением химической активности атомов металла, локальным разогревом
поверхности подложки. Как следствие, результатом вышеперечисленных процессов будет являться формирование переходного слоя из карбида титана, что также способствует усилению
адгезионных связей.

Рис.7. Микроструктура пленки титана

Исследование микроструктуры покрытий
из титана с помощью атомно-силового микроскопа NT-206 (рис. 7) при нанесении в условиях облучения растущей пленки ионами аргона
при ускоряющем напряжении 2 кВ и токе пучка 15 мА показало, что ионная бомбардировка
способствует формированию плотной столбчатой структуры конденсата.

Для испытаний пленочных теплоотводов
было применено термоциклирование, позволяющее выявить как скрытые конструктивные
дефекты, так и дефекты в технологии, допущенные при изготовлении изделий. Устройство для термоциклирования состояло из блока нагрева и основания.

Блок нагрева включал ИК нагреватель горизонтального типа с галогенной лампой накаливания КГ-500-220, расположенной внутри массивного отражателя, охлаждаемого проточной водой, что позволяло эксплуатировать
лампу длительное время при максимальных
тепловых нагрузках. Основание представляло платформу с каналами водяного охлаждения. Отражатель с лампой устанавливался над
исследуемым образцом на вертикальной стойке с возможностью изменения расстояния
между ними, что позволяло управлять скоростью нагрева. Верхняя плоскость основания отполирована для улучшения теплоотвода
и на ней располагался образец. Электронный
блок осуществлял автоматическое управление
лампой для достижения заданной температуры на верхней плоскости основания.

Испытания проводились на образцах, имеющих двухслойную систему металлизации (адгезионный слой из титана толщиной 5 нм;
проводящий слой никеля 500 нм), нанесенную
на основание с алмазоподобной пленкой. Температура в одном цикле испытания изменялась от 15 до 200 °С, всего проведено 5000 циклов нагрев–охлаждение. В результате испытаний ни одна часть системы металлизации
не отслоилась.

Теплопроводность системы оценивалась исследованием теплопереноса через образец
на установке типа УКТ-3. Исследуемый образец помещался между алмазной пластиной
прибора, которая разогревалась мощным транзистором, и алмазной иглой, охлаждаемой с помощью микрохолодильника Пельтье. Пластина и игла изготавливались из безазотного алмаза с теплопроводностью не ниже 2000 Вт/м·К.
При установке иглы на исследуемый образец
разность температур между алмазной пластиной прибора и иглой за счет обратной связи автоматически поддерживалась постоянной. Теплопроводность рассчитывалась из результатов
измерений падения напряжения на коллекторе транзистора. Перед началом измерений установка калибровалась с помощью набора эталонных образцов с известной теплопроводностью (600, 1150 и 1800 Вт/м·К).

Таблица 4. Результаты исследований
теплопроводности

Ионно-лучевое
распыление
Химическое
осаждение

образца
λИСХ*,
Вт/м·К
λМЕТ**,
Вт/м·К

образца
λИСХ,
Вт/м·К
λМЕТ,
Вт/м·К
1 949 657 2 600 109
3 1228 657 4 1078 154
5 903 533 Вакуумно-плазменное
распыление
6 900 894 7 1012 610

*λИСХ — исходное значение теплопроводности неметаллизированного АТО.
**λМЕТ — значение теплопроводности металлизированных АТО

Измеренные значения теплопроводности
алмазных пленочных теплоотводов (АТО) находились в диапазоне 600–1400 Вт/м·К (таблица 4). Полученные результаты показывают, что
мощностные характеристики приборов, собранных на слоистых теплоотводах, близки
к характеристикам лазерных диодов, собранных на теплоотводящих основаниях из природного алмаза с теплопроводностью 1400 Вт/м·К.

Выводы

Применение алмазоподобных пленок в качестве теплоотводов для микроминиатюрных
силовых полупроводниковых приборов
может значительно улучшить тепловые характеристики таких приборов, как СВЧ-транзисторы, полупроводниковые лазеры, диоды
Ганна, и др. Проблема монтажа полупроводниковых кристаллов на алмазе является достаточно сложной ввиду низкого коэффициента теплового расширения алмаза и возникновения
значительных механических напряжений
в кристалле. Наиболее эффективны методы
монтажа, при которых контактирующие поверхности алмазного теплоотвода предварительно
металлизируются. Оптимальной является двухслойная система металлизации алмазного теплоотвода: адгезионный слой — пленка титана
или карбида титана толщиной 0,05-0,1 мкм; проводящий слой — пленка никеля или его сплава
с медью толщиной 0,3-0,8 мкм.

Литература

  1. Моряков О. С. Алмазные теплоотводы
    в конструкции полупроводниковых приборов // Обзоры по электронной технике. Сер.
    Полупроводниковые приборы. М., 1982.
    Вып. 1(857).
  2. Eden R. C. Applications of Diamond Substrates
    for Advanced Density Packaging // Diamond
    and Related Materials. 1993. N 3.
  3. Ральченко В., Конов В. CVD-алмазы. Применение в электронике // Электроника:
    Наука. Технология. Бизнес. 2007. № 4.
  4. Найдич Ю. В. Пайка и металлизация сверхтвердых материалов. Киев: Навукова думка, 1977.
  5. Тхагопсоев Х. Г., Беров З. Ж., Гоов А. А.
    Металлизация природного алмаза катодным
    распылением // Алмазы и сверхтвердые материалы. 1976. № 10.
  6. Телеш Е. В., Ильин А. В. Формирование адгезионных слоев к поверхностям с алмазоподобной структурой // Современные средства связи. Материалы IX международной
    научно-технической конференции. Нарочь,
    Беларусь. 2004.
  7. Ланин В. Л., Достанко А. П., Телеш Е. В.
    Формирование токопроводящих контактных соединений в изделиях электроники. Минск: Издательский центр БГУ,

Оставьте комментарий