Жылулық режимдерді бақылау

Кристаллдың температурасы ретінде осы кристаллдың бетіндегі ең ыстық нүктесінің температурасы алынады. Корпустың температурасы алаңдағы корпус негізінің орталығымен басқарылады. Егер микросұлба жылудың бұрылуында орналастырылса, онда корпустың температурасын жылу бұрылу температурасы арқылы бақылауға болады, өйткені, ТР мен ТТ жылулық бұрылу мен корпустың жақсы жылулық жалғастыру сипатында бір- біріне ұқсастығымен ерекшеленеді. Жылулық бұрылу корпус негізнемесімен жалғастырылады деген де болжам бар. Құрастырылушы материалдарының жылу өткізгіштігі температураның артқан жағдайында төмендейді, соған сәйкес максималды жылу өткізгіштік максималды температурады болады. Бірақ керамикалы корпустардың жылулық кедергісінің ≈ 0,1 % 1 К-ге артқан жағдайын ескермейді. Есептеулер мен өлшеулер жүргізгенде RT температураға тәуелді емес деп болжанады, дегенмен RT өлшемдерін алу корпустың максималды немесе соған жақын температурасының мәнінде орындалуы қажет.

Корпуспен жылулық бұрылудың температуралары термобумен өлшенеді. Ал кристаллдың температурасы микропиромертмен өлшенеді. Инфрақызыл микропирометр беттік температураны өлшегенде 10 мкм-ге дейін кеңістіктік рұқсатнама береді. Микропирометрмен өлшеулер жүргізу қақпағы шешілетін корпустар үшін ғана орындалады. Егер корпустың қақпағы болмасы, онда кристаллдың температурасы термотәуелділігі жоғары элементпен бір нүктесінде ғана өлшенеді. Жылулық кедергілерді микропирометрмен өлшеген кезде, микросұлба жылудық бұрылуда орналастырылады және қорек көзіне қосылады. Содан кейін, шашыратылған қуаттың әр түрлі деңгейлерінде, жылулық бұрылу мен кристаллдың температуралары өлшенеді. Жылулық кедергі мына формуламен анықталады:

- -

Өлшеу нәтижелерінің бірнешеуі орташаланады. Кристалллың температураларын өлшеу аздаған қиындықтар туғызады. Микропирометр болмаған жағдайда, кристаллдың температурасын термобу немесе ИМС кристаллындағы термосезігіштігі бар элементпен басқарылады. Бұл жағдайларда жылулық бұрылудың температурасын түрлендіре отырып, кристалллың температурасы тұрақты болатын күйге дейін жеткізеді. Кристалды тұрақты температураға келтіру әдісін қолданған кезде, термобу арқылы жылулық бұрудың әсері немесе басқарушы элементтің термосезгіштік сипаттамаларының тұрақсыз болу жағдайларын қарастырмайды, яғни бұл әсерлердің еш қатысынсыз іске асырылады. Өкінішен орай, термобумен термосезгіш элеметті қолдану әдістері ИМС кристаллының ең ыстық нүктесін анықтай алмайды. Термосезгіш элемент ретінде көбінесе, шығыс транзисторының қандай да бір р-n-ауысуы қолданылады.

ИМС-ны салқындату шарттары және олардың жылулық параметрлерге әсері

ішкі жылулық кедергінің температураға тәуелділігі. Жылулық кедергі артады, егер температураның артуы орын алса. Бұл құрастырылушы материалдардың G жылу өткізгіштік коэффициентінің кемуіне байланысты болады. Кремний үшін G≈360/T [Вт/см·К], ал галий арсенидінде G≈145/T [Вт/см·К].

Тәуелдідіктің мұндай түрі жылулық кедергінің 0,3% Кельвин градусына салыстырмалы артуына сәйкестендіріледі. Ал керамикада 0,1% шамасында ғана болады. Ішкі жылулық кедергілер корпустың кедергісімен, ал RT температуралық тәуелділігі корпустың материалымен анықталады. RT мәні температураның 100К -ге өзгеруінен, 10% шамасында ғана өзгереді. Бір партияның нұсқалары үшін де RT өлшемдерінің шашырауы 10% жуық мәнімен сипатталады.

Ішкі жылулық кедергісінің сақындау интенсивтілігінен тәуелділігі. Ішкі жылулық кедергісі ИМС құрылымының параметрі болып саналады және ол салқындау интенсивтілігіне тәуелді емес. Бірақ бұл тек корпус бетінің изотермияланған жағдайында ғана дұрыс орындалады. Соңғы щарт жылулық бұру коэффициенті өте үлкен (α>1[В/см2·К]) болғанда жүзеге асады. α мәні аз болғанда, ішкі жылулық кедергі α төмендеуінің нәтижесінде артады. Физикалық тұрғыдан қарағанда, корпус бетінен кристаллға бара жатқан жылулық ағанның салқындау интенсивтілігінің азаюынан туындайды деп түсіндірсе болады, яғни салқындату интенсивтілігі жан-жағына қарай таралып кетеді (9.1 сурет). Қортындысында жылулық ағынның тиімді ұзындығы , мәні артатын жағдайларға келтіріліп, өседі.

9.1 сурет. Корпустың әр түрлі мәндеріндегі α:α1>α2 жылулық ағандар.

Құрастырушы параматрлері ретінде интенсивті салқындату режиміндегі, минималды мәні алынады. Біртекті құрылымды корпустарда жылу әкетуге қарай бұрылған жылумен бірге ішкі жылулық кедергінің кристаллдың орналасқан аймағына тәуелділігі мына формуламен аппроксимацияланады.

(9.6)

мұндағы: мен G - корпус негізнемесінің қалыңдығы мен құрылымдық материалдың жылуөткізгіштік көэффициенті.

Егер жылулық кедергінің кристаллдың аймағына қатысты қандай да бір тәжірибелік нүктенің мәні белгілі болса, онда шамасының салыстырмалы өзгеруін жоғары дәлдікпен анықтауға болады.

Толық жылулық кедергінің салқындату интенсивтілігіне тәуілділігі. Практикада ИМС-ның әуеде салқындау жағдайы көп кездеседі, бұл кезде жылу беру коэффициенті төмен болады. Микросұлбалар әдетте платда орналастырылады және конвективті ағынның сипаты корпус бетінің жекеленген бөліктерінде емес, платаның негізінде анықталады. Толық жылулық кедергісі мына формуламен анықталады.

(9.7)

мұндағы - жылу берудің ең тиімді аймағы

ретінде жылудың біршама көлемін тарататын, беттің ең қызған бөлігі алынады. Егер - беттің толық беті болса, онда - тиімділік коэффициенті. Ол бөлігімен таратылған жылу қуатының изотермиялық беттегі қуаттың максмалды мәнінен неше есе кем екендігін көрсетеді. α мәнінің кемуінен, беттің ең қызған бөлігінің тиімділігі бастапқы жағдайда артып кетеді де, мәніне жеткенде α тәуелсіз болады. Физикалық тұрғыдан бұл, бастапқыда суық болған дене бетінің шеткі бөліктері қызып, өздерінен жылу шығара бастайтынын көрсетеді.

Бұл тәуелділікке негізделіп, сыртқы жылулық кедергінің мәні

аз шамаға артады. тұрақты мәнге жеткенде -ның тәуелділігі кері пропорционалданады. Бұл тәуелділіктің дәрежесі платаның өлшемдерінің онда орналасқан микросұлбалардың мәндеріне байланысты. Егер платаның өлшемі микросұлбалар орналастырылған аймақтың өлшемінен 10 есе артық болса, онда практикада -ға тәуелділігі жойылады.

Ал α - жылу берілу коэффициенті атмосфералық қысымға, платаның ауамен салқындау тепмературасы мен жылдамдығына тәуелді болады. Бірақ α мәнін өлшеу мүмкін емес, сондықтан практикады бұл мәнді қысымның , температураның, ауаның жылдамдығымен байланыстырып қарастырады. Әуеде салқындаған жылу беріу коэффициенті екі құраушыдан тұрады. Олар: конвективті және сәулелендіргіш. α уконвективті құраушыларының мәні атмосфералық қысымға тәуелді және 0,5-тен 0,666 - ға дейінгі шамада болады. Вакуумға ауысқанда α нөлге ұмтылады, мәні 2-3 есеге азаяды. Бұл тәжірибелермен анықталған. Дегенмен платаның өлшемі жоғары, ал микросұлба платамен жақсы жылулық әсерлесе алатын болса, онда α мәні төмендесе де жылулық кедергі артуы нәтижесінен, 15-30 % дейін ұлғаяды.

Сыртқы жылулық кедергінің атмосфералық қысымға тәуелділік сипаты монтажды плата материалының жылуөткізгіштігі мен микросұлбаның платамен жылулық әсерлесуінен анықталады. Қосымша мәжбүрлі салқындатуынын кедергі бастапқыда тез төмендейді. Кейін 1,5-2 м/с жылдамдықта құлауы баяу жүреді. Ары қарай жылдамдықтың артуы кедергінің төмен мәндеріндегі азаюларын туғызады.

9.2- сурет. Салқындату жылдамдығының толық жылулық кедергіге тәуелділігі: 201.14-1 (DIP) типіндегі пластмассалы корпус (1 қисық); жылулық жайылуды туғызушымен 2 типтегі пластмассалы корпус ( 2 қисық); 20 төмен шығыс сандаары бар 2 типтегі керамикалы корпус ( 3 қисық); 402.16-2 типтегі керамикалы корпус ( 4 қисық); 421.48-3 типтегі керамикалы корпус ( 5 қисық);

9.2- суреттегі графиктарды салыстыпа отырып мынандай қорытындылар жасауға болады. Корпустың шығыс сандары көп болған сайын және корпус материалының жылу өткізгіштігі артқан сайын, салқындату тиімділігі де ұлғаяды. Жылу бергіштік коэффициентінің конвективті құраушылары температураға шамалы дәрежеде тәуелді, ал сәулелендіргішті құраушысы температураның артуымен өсе береді. Температураның 10 град шамасында артуынан, сыртқы жылулық кедергінің мәні 3% шамасында азаяды.

Жылулық кедергіні өлшеуде компьютердің бағдарламалармен қатар аналитикалық әдістер де қолданылады. Сыртқы жылулық кедергінің жуықталған мәнін 9.8 формуламен анықтауға болады.

(9.8)

мұндағы - клей қабаты арқылы өткен кристаллдың жылу берілу коэффициенті.

A_C – кристалл ауданы, G – корпус негізінің жылуөткізгіш коэффиценті, L_Z – корпус негізі қалыңдығы, (A_C^1/2+L_Z) – жылу ағынының қимасының орташа ауданы. Кремнийлі кристалдың жылулық кедергісі және жылу бергішті ескермейміз.