Нормальный тепловой режим микросхемы обеспечивается, если температура самого теплонагруженного элемента ИС не превышает его максимальной рабочей температуры

РАСЧЕТ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГИБРИДНОЙ ИС.

До проведения теплового расчета необходимо предварительно самостоятельно ознакомиться с материалами, конструкцией основных элементов (компонентов) и корпусов гибридных ИС, типовой технологией сборочных операций по одному из учебников по технологии микроэлектронных приборов.

Расчет теплового режима заключается в определении значений параметров Т_нк и Т_э, всех навесных компонентов и всех резисторов ГИС и сравнении их со значением Т_max_доп.

Необходимые исходные данные для теплового расчета:

· толщина подложки (h_п) варьируется в диапазоне (0,5 — 0,8)мм,

· коэффициент теплопроводности материала подложки (l_п) в Вт/(м² °С) для стекла С48-3 – 1,5; стекла С41-1 – 1,0; ситалла СТ50-1 – 1,5; поликора – 45; бериллиевой керамики – 210; плавленого кварца – 10,

· толщина слоя эпоксидного клея (h_к) составляет 0,1 мм при теплопроводности l_к= 0,3 Вт/м °С, толщина слоя компаунда с наполнителем (SiO₂) 0,1 мм при l_к = 0,8Вт/м°С,

· внутреннее тепловое сопротивление (R_{т вн}) дискретных компонентов полупроводниковых приборов лежит в диапазоне (200 – 1600) °С/Вт в зависимости от конструкции и типа прибора (справочные данные см. в таблице 2.1.)

· коэффициент теплопередачи (a) Вт/(м² °С), зависящий от способа охлаждения: при естественной конвекции a = (5 – 20), при обдуве воздухом a = (20 – 100), при теплоотводе кондукцией через слой эпоксидного клея толщиной 0,1 мм a = (300 – 3000), при металлическом теплоотводе a = (10⁴ – 10⁵).

Задание 2.1.

Провести ориентировочный тепловой расчет для фрагмента ГИС, представленного на рис. 2.3., который состоит из транзистора и двух резисторов, помещенных в металлостеклянный корпус и посаженных с помощью эпоксидного клея (h = 0.1мм) на теплоотводящую шину (a = 300). Исходные данные для расчета приведены в табл. 2.1. Установлена максимально допустимая температура (Т_max_доп ) для резисторов 125°С, для транзисторов – в зависимости от типа.

По результатам расчета необходимо сделать вывод о наиболее теплонагруженных элементах, возможности их использования в данном фрагменте ГИС и приемлемости установленного значения температуры окружающий среды (Т_c _max).

Если в результате предварительного расчета будет установлено превышение максимально допустимых температур, то для снижения перегрева элементов и компонентов микросхемы рекомендуется использовать материалы с повышенной теплопроводностью (поликор, бериллиевая керамика, компаунды с наполнителями), перемещение мощности тепловодителей с платы на металлическое основание корпуса, применение принудительного охлаждения. Таким образом, следует повторить тепловой расчет с новыми выбранными исходными данными до достижения положительного результата.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ.

Кристалл полупроводниковой ИС можно рассматривать как единый тепловыделяющий элемент и считать, что суммарная мощность источников тепла в нем равномерно распределена в приповехностном слое. Такое допущение возможно благодаря высокому коэффициенту теплопроводности кремния (80 – 130 Вт/(м °С)), малым размерам элементов и небольшим расстоянием между элементами. Разброс температур по поверхности кристалла маломощных полупроводниковых микросхем составляет не более одного градуса. Конструктивно наиболее часто используют два варианта размещения кристаллов полупроводниковых микросхем в корпусе: непосредственно на основании корпуса эвтектической пайкой (1) и с помощью припоя (клея) (2). Температура элементов полупроводниковых ИС (Т_э), для маломощных приборов

(2.11)

где q_{кр пов} – перегрев поверхности кристалла, °С

Р_КР – рассеиваемая мощность (потребляемая), Вт,

h_КР, S_КР – толщина и площадь кристалла ИС, м,

h_КЛ – толщина слоя клея (припоя), м,

l_КР, l_КЛ – коэффициенты теплопроводности кристалла (кремния) и клея (припоя), Вт/(м°С),

Т_кр = Т_с_max – температура, определяемая условием эксплуатации ИС, °С,

q_к – перегрев корпуса (см. 2.9), где Р_S = Р_КР.

Для случая ИС большой мощности возможно существенное отличие температуры отдельных элементов от среднеповерхностной при условии Рц-р / 8«р ^> 1 Вт/мм и если элементы таких микросхем имеют квадратную форму, то их максимальная температура рассчитывается:

гдеl_э – линейный размер элемента,

Р_э – рассеиваемая мощность элемента,

S_э – площадьэлемента.

Таким образом, нормальный тепловой режим обеспечивается при выполнении условия:

(2.12)

Если это условие не выполняется, то следует выбрать иные конструктивно-технологические условия процесса сборки и расчет повторить. Если расчетное значение

перегрева q_{кр пов} + q_k превышает величину (10 – 20 °С), то топология кристалла ИС требует переработки.

Задание 2.2.

Оценить температуру поверхности кристалла полупроводниковой ИС при известном значении рассеиваемой (потребляемой) мощности Р_кр. Микросхема размещена в круглом металлостеклянном корпусе, диаметр основания которого D, размер кристалла а х b мм, охлаждение корпуса осуществляется кондукцией через тонкий воздушный промежуток.

В вариантах 1 – 6 и 13 – 18 установка кристалла проведена эвтектической пайкой (Au и Si), то есть h_КЛ = 0, в вариантах 7 – 12 и 19 – 24 - посадкой на эпоксидный клей (h_КЛ = 0,1мм, l_КЛ= 0,3 Вт/(м °С)). Значение Т_с_max следует взять из соответствующею варианта табл. 2.1.

Внимание! При оформлении пояснительной записки необходимо привести чертежи конструкции металлостеклянного корпуса, используемого для герметизации фрагмента ГИС. Классификация, конструкции и описания корпусов микросхем приведены в литературе [3-5].

Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 602; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!