МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Мати – Российский государственный технологический университет имени к.Э. Циолковского»

Кафедра «Управление инновациями»

Тепловые режимы гибридных имс

Методические указания к лабораторной работе по курсу

«Основы микроэлектроники»

Составитель Епанешникова И.К.

Москва

УДК 621.385

ББК 32.844.1

Епанешникова И.К. Тепловые режимы гибридных ИМС. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Микроминиатюризация конструкций РЭС» М.: «МАТИ»- РГТУ им. К.Э.Циолковского,2013. – 15с.

Лабораторная работа посвящена рассмотрению расчета теплового режима тонкопленочной ГИС. Рассмотрены вопросы переноса тепла при различных вариантах установки подложки в корпус, эквивалентные тепловые схемы элементов и компонентов ГИС, конструкторские методы улучшения теплового режима ГИС.

Введение

Для нормальной работы микросхема должна быть сконструирована так, чтобы мощности, рассеиваемые на ее элементах, не вызывали ее разогрев до температуры выше допустимой.

В ГИС основным источником тепла являются резисторы и активные элементы. Мощности, рассеиваемые конденсаторами и индуктивностями, не велики. По этому расчет теплового режима ГИС сводится к определению температур всех активных навесных компонентов и всех резисторов ГИС и сравнению их с максимально допустимой температурой элементов и компонентов.

Краткие теоретические сведения Перенос тепла в гис

При разработке конструкции ИС большое внимание уделяется обеспечению нормального теплового режима элементов и компонентов, так как от их температуры существенно зависит надежность ИС. Рассеивающие мощность пленочные элементы и полупроводниковые компоненты являются источниками тепла, которое через элементы конструкции ИС передаются к теплоотводу (печатная плата, рамка ячейки и т.п.) или в окружающую ИС среду. Перенос тепла осуществляется тремя механизмами теплопередачи: кондуктивный теплообмен, конвективный теплообмен и излучение.

Кондукция - передача тепла путем непосредственного контакта между молекулами без значительного их смещения. Теплопередача осуществляется в пределах какой-либо определенной среды: газа, жидкости или твердого тела.

Конвекция является основным видом теплопередачи между поверхностью твердого тела и окружающей газообразной средой.

Тепловое излучение - передача энергии с помощью электромагнитного излучения в диапазоне волн 0,1...100 мкм. Это единственно возможный вид теплопередачи между телами, разделенными вакуумом.

Почти в каждом реальном случае реализуются по меньшей мере два из указанных механизмов теплопередачи.

Перенос тепла от - элемента или от навесного компонента осуществляется как правило путем кондуктивного теплообмена. При этом большая часть теплового потока передается от источника к корпусу поперек подложки, имеющей малую толщину и, следовательно, малое тепловое сопротивление.

Конвективный теплообмен внутри корпусированных ИС (рис.1 а, б, г) имеет малый уровень, так как тонкие воздушные стенки между подложкой и крышкой корпуса имеют высокое тепловое сопротивление (рис. 1). Передача тепла от подложки к корпусу и от корпуса к монтажным элементам микроэлементного узла или блока происходит в основном путем кондукции. В бескорпусных конструкциях микросхем (рис. 1в), особенно при большой поверхности подложки, большая доля мощности излучения рассеивается конвективно.

Для кондуктивного теплообмена справедливо соотношение, определяющее тепловое сопротивление, для которого аналогом является электрическое сопротивление:

R_т = h_п /_п *S_i [C/Вт], где (1)

_п теплопроводность подложки, [Bт/C*М];

h_п - толщина подложки, [M];

S_i - площадь элемента, [M²].

Для конвективного теплообмена тепловое сопротивление находят из соотношения:

Rт_k = 1/(*S_k-т ), [C/ Bт], (2)

где:

 - коэффициент теплопередачи, [Вт/кв.м*С°];

S_к-т - площадь теплового контакта корпуса с теплоотводом. Значение Rт_k зависит от способа монтажа подложки в кoрпус и условий отвода тепла от корпуса.

Эквивалентная тепловая схема ИС показана на рис.2. Здесь приняты следующие обозначения:

R_тэ= h_п/(_п* S_i) - тепловое сопротивление элемента площадью S_i на подложке толщиной h_п с теплопроводностью _п ;

R_ткл= h_кл/(_кл* S_i) - тепловое сопротивление слоя клея, которым подложка приклеена к корпусу (толщина h_кл и теплопроводность _кл );

R_тэфф= (R_тэ+R_ткл)γ(b,l,h_п) - эффективное тепловое сопротивление элемента, с учетом того факта , что вследствие малых размеров элемента (b,l) тепловой поток от элемента является расходящимся, а не плоскопараллельным. Эффективность теплоотвода увеличивается и, следовательно, уменьшается тепловое сопротивление. Значение функции γ(b,l,h_п) определяется в зависимости от размеров элементов и толщины подложки по графикам [1] рис.3;

Rтк=1/(α* S_к) - тепловое сопротивление корпуса, имеющего тепловой контакт с теплоотводом площадью S_к.

Значение α коэффициента теплопередачи при охлаждении путем: естественной конвекции α =5 – 20;

при обдуве α =20 – 100;

при теплоотводе через тонкий α = (0.1мм);

воздушный промежуток α =300;

при теплоотводе через слой эпоксидного клея толщиной 0.1мм α =30 – 3000; при металлическом теплоотводе α =10⁴ – 10⁵.

Рис. 1.Тепловая модель (а) и типы конструкций микросхем (б-г):

б) крепление платы к корпусу методом стеклоспая или пайки;

в) бескорпусная ИС; г) приклейка платы в корпус;

1-источник тепла (пленочный элемент или навесной компонент, установленный в корпус с помощью клея);

2-подложка (плата);

3-корпус;

4-клей для установки подложки в корпус;

5-сварное или паяное соединение;

6-рамка для закрепления микросборки или ИС (общий теплоотвод)

Рис. 2. Эквивалентная тепловая схема элемента ГИС

Тогда температура пленочного элемента определится:

T_э=(R_тэ+ R_ткл)γ(b,l, h_п) P_i +1/(α* S_к)PΣ+ Tс, где (3)

Tэ – температура элемента мощностью рассеяния Pi;

PΣ - суммарной мощностью рассеяния ИС при температуре окружающей среды Tс.

Рис. 3.Значение функции γ(q,r): а -приq=00,l; б -приq=0,10,4; в -приq=0,41l,0; г -приq= 1,04,0

Рис.4. Эквивалентная тепловая схема навесного компонента

R_ткл.нк - тепловое сопротивление слоя клея, используемого для установки

навесного компонента;

R_твн внутреннее тепловое сопротивление дискретных полупроводниковых приборов (в зависимости от конструктивного исполнения R_твн=200-1600 °С/Вт) (табл. 1).

Таблица 1

Тепловое сопротивление навесных компонентов

Тип элемента	Заливка герметика с одной или двух сторон	Тепловое сопротивление °С/Вт	Тмах доп., °С
КТ331 КТ331	1 2	220 1600	125 125
КТ332 КТ332	1 2	220 1600	125 125
КТ307	1	630	85
КТ324	1	860	85
КД901 КД904 КД910 КД911	1 1 1 1	220 220 220 220	85 85 85 85

Тогда температура навесного компонента T_нк определится как:

T_нк=( R_т + R_ткл.нк+ R_ткл)•γ(b,l, h_п) P_i +(1/α S_к) S_к•+ R_{т вн}• P_i +Тс. (4)

Нормальный тепловой режим элементов и компонентов ИМС обеспечивается при выполнении условий:

Тэ≤ T_{э макс. доп.}; (5)

Тнк≤ T_{нк макс. доп.}, (6)

где T_{э макс. доп.}; T_{нк макс. доп.} - максимально допустимая рабочая температура элемента и компонента, обычно оговариваемая в ТУ на компоненты и пленочные элементы.

Таблица 2