Московский Институт
Электронной Техники(ТУ)
Реферат
На тему:
“Многокристалльные
микромодули”
Выполнил:Кондратюк Р.И.
Проверил:Грушевский А.М.
Москва 2003
7.4 Особенности проектирования МКМ с учётом термических воздействий.
В данном параграфе необходимо рассмотреть 2 вопроса: рабочий диапазон температур и внутренняя температура микросхемы растущая из-за рассеиваемой мощности.
7.4.1 Рассмотрение критической температуры.
Материалы,используемые в МКМ должны подходить для рабочего диапазона температур в котором будет работать проектируемое устройство. ИС обычно продаются для работы в заданном диапазоне температур: оборудование для широкого потребления (обычно от 0 до 70° C), промышленное оборудование(обычно от -40 до +85° C) , военное оборудование(от -55 до +125° C, либо от -65 до +150° C).
Температурные ограничения вводимые на бескорпусную элементную базу обусловлены возростающим риском временного сбоя или полного выхода из строя оборудования при критических температурах, тогда как ограничения на “закрытые” ИС могут зависеть от используемых материалов корпуса. Этот факт принимают во внимание при проектировании МКМ.
Многие пластиковые упаковочные материалы произвели значимые изменения, расширили характеристики ниже или выше заданных температур, которые ранее могли приводить к катастрофическим последствиям в электронных компонентах. Например, довольно хорошо известно, что многие кремниевые RTV корпуса становятся очень жёсткими при -40° C и различные действия над ними при данной температуре ведут к отламыванию металлических выводов. Другой известный пример – это образование острых концов у эпоксидных смол при достижении температуры застеклевания, что приводит к различным повреждениям. Поэтому эпоксидные смолы ограничены в применении до температур застеклевания(от 90 до 180° C,в зависимости от компаунда).
Очень важно внимательно выбирать материалы упаковки МКМ, т.к. они используются в множестве устройств начиная от криогенной электроники(обычно ниже -100° C), полярных приборов(около -65° C) и заканчивая оборудованием для пустыни(около +100° C внутри корпуса) и компонентами двигателя автомобиля(около +150° C ). Условия на космических спутниках могут быть ещё более суровыми.
7.4.2 Рост температуры внутри корпуса.
Как было рассмотрено ранее, тепловыделение современных ИС составляет от нескольких милливатт до десятков ватт. Это тепло должно быть эффективно отведено от модулей, чтобы тепература p-n переходов ИС не превышала пределов, установленных производителем(это необходимо для функционирования,надёжности приборов). Детальное рассмотрение проектирования МКМ с учётом нагрева было рассмотрено ранее. Здесь же нам понадобятся 4 основных вопроса теплоотвода(рис.7.12):
1.Отвод тепла от ИС к поверхности корпуса.
2.Отвод тепла от поверхности корпуса.
3.Отвод тепла от корпуса через вывода к печатной плате.
4.Отвод тепла к печатной плате через незаполненные,пустые или воздушные зазоры между МКМ и платой.
Внутренняя теплопроводность между ИС и поверхностью корпуса целиком и полностью зависит от выбранных материалов и проектировочных решений. Выбор высокотеплопроводных материалов очень важен. В хорошо спроектированном МКМ разница температур между ИС и корпусом в этом случае будет невелика.
Выделяемое тепло подразделяется на 2 вида: одномерный тепловой поток(постоянный) и тепловое рассеяние(убывающий тепловой поток). Трехмерный поток рассеиваемого тепла легко просчитывается на компьютере с учётом некоторых допущений. Одномерный тепловой поток может быть быстро оценён с помощью уравнения Фурье. Для удобства, в табл.7.5 представлены некоторые данные проектирования, а рис.7.13 показывает теоретические подсчёты изменения температуры на ватт рассеиваемого тепла для обычных постоянных тепловых потоков(связанных с кристаллом, подложкой, корпусом, выводами, медными проводами,выводами из железо-никелевого сплава и воздушными зазорами).
Рис.7.12 Пути отвода тепла от МКМ.
Таблица 7.5 Параметры межсоединений
|
Типичные значения
| ||||
|
Элемент соединения
|
Материал
|
K (W/M°C)
|
Δχ(M)
|
K/ Δχ (W/M°C)
|
|
Соединительная линия
|
Эпоксидная смола
|
0.3
|
6xl0-5
|
5xl03
|
|
Соединительная линия
|
Токопроводящ. эпоксидная смола
|
2.0
|
6 x 10-5
|
3x 104
|
|
Соединительная линия
|
Золото-оловянный припой
|
180
|
3 x 10-5
|
6x 106
|
|
Перевернутый кристалл с балочными выводами
|
Припой
|
30
|
1 x 10-4 |
3 x 105 .
|
|
Токопроводящий корпус
|
Медный сплав
|
30
|
3 x 10-3
|
1 x 105
|
|
Токопроводящий корпус |
Сплав железо/никель(Fe/Ni )
|
15
|
3 x 10-3
|
5x 103
|
|
Зазаор между корпусом и платой
|
Воздух
|
0.024
|
3x 10-4
|
8x 101
|