Способ криостатирования активных элементов электронной микросхемы (варианты)

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при проектировании и производстве электронных микросхем, требующих для обеспечения заданных технических эксплуатационных параметров поддержания рабочих температур как отдельных элементов в составе электронной микросхемы, так и целых функциональных блоков на криогенном уровне. Технический результат - повышение технической и экономической эффективности процесса криостатирования активных элементов электронных микросхем. Достигается тем, что в предложенном способе отвод теплоты производится непосредственно от элементов электронной микросхемы, требующих охлаждения, и осуществляется криогенной системой, конструктивные элементов которой образованы наноструктурами и размещенной в пределах конструкционно-технологического пространства электронной микросхемы. В качестве варианта предлагается способ, в котором отвод теплоты производят элементами криогенной системы, конструктивно совмещенными с активными элементами электронной микросхемы. 2 н.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при проектировании и производстве электронных микросхем, требующих для обеспечения заданных технических эксплуатационных параметров поддержания рабочих температур своих активных элементов (как отдельных элементов в составе электронной микросхемы, так и целых функциональных блоков) на криогенном уровне.

Известны способы криостатирования активных элементов электронных устройств, в том числе электронных микросхем, посредством размещения устройства в сосуде с жидким криоагентом или в потоке холодных паров соответствующих криоагенгов (см. Е.И.Микулин. Криогенная техника. «Машиностроение», М., 1969).

Известны способы поддержания рабочих температур электронных микросхем на криогенном уровне при помощи криогенных систем (КС), работающих по циклам Стирлинга, Мак-Магона, дроссельным и др., в которых охлаждение электронной микросхемы осуществляется посредством промежуточного теплового моста, соединенного с источником холода, либо непосредственным размещением электронной микросхемы на охлаждаемом фланце КС (см. Патент США №4854131, F 25 B 19/00 от 8 августа 1989 г.).

Общими недостатками перечисленных технических решений, устраняемыми предлагаемым изобретением, являются:

- низкая экономичность, обусловленная большой охлаждаемой массой (система подачи криоагента или низкотемпературные элементы КС, система теплоизоляции, система электрических коммуникаций охлаждаемой электронной микросхемы) и высоким уровнем теплопритоков;

- большие масса и габариты устройств охлаждения по сравнению с соответствующими параметрами охлаждаемой электронной микросхемы;

- относительно большое время достижения активными элементами электронной микросхемы рабочих криогенных температур;

- охлаждение всей электронной микросхемы при реальной необходимости охлаждения лишь ее отдельных элементов обусловливает непроизводительные затраты холодопроизводительности на криогенном уровне;

- невозможность размещения в охлаждаемой электронной микросхеме элементов, требующих для своего нормального функционирования температур существенно выше температуры криостатирования.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому способу является способ криостатирования активных элементов электронной микросхемы отводом тепла, осуществляемым при помощи дроссельного криогенного узла, выполненного непосредственно в подложке электронной микросхемы (см. «Криогенные системы», т.2, Основы проектирования аппаратов, установок и систем. Под общей редакцией А.М.Архарова и А.И.Смородина, М., «Машиностроение», 1999, с.698), принятый за прототип. Данное техническое решение, по сравнению с перечисленными выше, позволяет существенно уменьшить охлаждаемую массу, сократить время достижения температурой криостатируемых элементов рабочего уровня (время выхода на режим), улучшить энергетические и массогабаритные показатели системы «КС-микросхема».

Из недостатков этого технического решения, устраняемых предлагаемым изобретением, следует отметить следующие:

- необходимость использования достаточно крупногабаритных и энергоемких источников рабочего газа (баллон или компрессор), многократно превышающих по габаритам, массе и энергопотреблению соответствующие параметры электронной микросхемы;

- невозможность дифференцированного охлаждения отдельных элементов электронной микросхемы, поскольку габариты теплообменника дроссельной системы соизмеримы с размерами микросхемы.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении технической и экономической эффективности процесса криостатирования активных элементов электронных микросхем.

Технический результат при осуществлении изобретения заключается в качественном уменьшении габаритов, массы и энергопотребления системы «КС-микросхема» до уровня, соответствующего аналогичным параметрам современных электронных микросхем, в снижении массы охлаждаемых элементов, в сокращении времени выхода на рабочий режим и в исключении необходимости применения при эксплуатации системы внешних по отношению к электронной микросхеме технических устройств в качестве источников холода или рабочего газа высокого давления.

Указанный технический результат для осуществления изобретения достигается тем, что предлагаемый способ криостатирования активных элементов электронной микросхемы, в котором теплоту отводят от активных элементов электронной микросхемы, имеет особенность, заключающуюся в том, что отвод теплоты производят непосредственно от элементов, требующих охлаждения, и осуществляют криогенной системой, использующей в качестве конструктивных элементов полые наноструктуры сферической (например, фуллерены), цилиндрической (нанотрубки) или иной формы и размещенной в пределах конструкционно-технологического пространства электронной микросхемы (внутри электронной микросхемы). Вариантом заявляемого способа является способ, имеющий дополнительной особенностью то, что отвод теплоты осуществляется элементами криогенной системы, конструктивно совмещенными с активными элементами электронной микросхемы (например, полый активный элемент диода или транзистора одновременно - теплообменник нагрузки КС).

Применение полых наноструктур в качестве конструкционных элементов КС позволяет качественно уменьшить габариты КС до микро- и нанометровых размеров, разместить ее в пределах конструкционно-технологического пространства электронной микросхемы (внутри корпуса электронной микросхемы), максимально приблизив к охлаждаемому активному элементу, и охлаждать не всю электронную микросхему, а непосредственно лишь те ее элементы, для обеспечения функциональных параметров которых требуется поддержание криогенных температур. При этом прочие элементы электронной микросхемы (в том числе, и элементы, требующие для своего функционирования температур существенно выше температуры криостатирования) и электронная микросхема в целом остаются на температурном уровне, определяемом тепловым равновесием с окружающей средой. Таким образом, исключается необходимость поддержания на криогенном уровне температуры всей электронной микросхемы, что приводит к принципиальному уменьшению охлаждаемой массы, к снижению энергопотребления, а также к сокращению времени достижения криостатируемыми элементами рабочих температур, которое может быть приближено к длительности динамических переходных процессов, протекающих при включении электронной микросхемы. В то же время, отказ от использования традиционных КС обусловливает техническое упрощение и снижение стоимости эксплуатации микроэлектронного прибора при сохранении функциональных возможностей криостатированных электронных устройств, что является дополнительным техническим результатом осуществления изобретения.

Вариантом заявляемого технического решения является способ криостатирования активных элементов электронной микросхемы, изготовленных с использованием нанотехнологий, когда сам активный элемент (диод, транзистор и т.д.) представляет собой наноструктуру (фуллерен или нанотрубку), которая может быть использована в составе КС в качестве теплообменника. Конструктивное совмещение охлаждаемого активного элемента электронной микросхемы и теплообменника нагрузки КС обусловливает высокую эффективность отвода теплоты непосредственно из зоны тепловыделения и упрощение конструкции системы «КС-микросхема», за счет интегрального совмещения функций электронного прибора и теплообменника нагрузки криогенной системы в одном конструктивном элементе.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных, по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «новизна».

Дополнительный поиск известных решений, проведенный с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого способа, показал, что заявляемое изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем. Что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

Для доведения заявляемого технического решения до промышленного использования на предприятии требуется проведение комплекса научно-технических, расчетных, экспериментальных и проектировочно-конструкторских работ.

1. Способ криостатирования электронной микросхемы, в котором теплоту отводят от активных элементов электронной микросхемы, отличающийся тем, что отвод теплоты производят непосредственно от элементов, требующих охлаждения, и осуществляют криогенной системой, конструктивные компоненты которой образованы наноструктурами, размещенной в пределах конструкционно-технологического пространства электронной микросхемы.

2. Способ криостатирования электронной микросхемы, в котором теплоту отводят от активных элементов электронной микросхемы, отличающийся тем, что отвод теплоты производят непосредственно от элементов, требующих охлаждения, и осуществляют криогенной системой, конструктивные компоненты которой образованы наноструктурами, размещенной в пределах конструкционно-технологического пространства электронной микросхемы, причем отвод теплоты производят элементами криогенной системы, конструктивно совмещенными с активными элементами электронной микросхемы.