7.Выбор корпуса микросхемы.

Основным способом защиты ИМС от воздействия дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, солнечной радиации, пыли, механических воздействий и т.д.) является герметизация. Герметизацию осуществляют с помощью специально разработанных конструкций – корпусов, в которых размещают ИМС. Корпус предназначен также для соединения микросхемы с внешними электрическими цепями с помощью выводов, а также для обеспечения теплоотвода от кристалла ИМС.

В зависимости от использованных для изготовления материалов корпуса подразделяются на стеклянные, керамические, пластмассовые, металлокерамические, металлостеклянные, стеклокерамические и др. (наиболее распространены металлостеклянные, металлокерамические, пластмассовые и керамические).

Исходя из требований, предъявляемых к разрабатываемой ИМС (в частности, разрабатываемая ИМС предназначена для использования в аппаратуре, работающей в отапливаемых помещениях (группа РЭА 2)

Металлостеклянный корпус состоит из металлического основаниями металлической крышки, а также стеклянных деталей, в которые впаяны либо впрессованы металлические выводы круглого или прямоугольного сечения. Металлическое дно также спаяно или спрессовано со стеклом. Такие корпуса герметизируют созданием вакуумплотного соединения крышки с вваренным в диэлектрик фланцем путем пайки или сварки. Монтажная площадка, контактные площадки и выводы имеют золотое покрытие толщиной 2-5 мкм для обеспечения процессов эвтектической пайки, разварки выводов и улучшения паяемости при сборке. Для температурного согласования металлостеклянных спаев для изготовления основания и выводов корпуса применяют сплавы, имеющие ТКРЛ близкий к ТКРЛ стекла (как правило используется ковар).

8 Расчет теплового режима имс.

При разработке топологии кристалла полупроводниковой ИМС, а также в процессе разработки конструкции ИМС в целом, например при выборе корпуса, необходимо пре­дусматривать меры, обеспечивающие рациональный тепловой режим микросхемы и ее элементов. Температурное поле кристалла — результат наложения температурных полей отдель­ных источников тепла, которыми являются активные и пассивные элементы и компоненты ИМС. Температурное поле имеет сложный рельеф, зависящий от выделяемой мощности и взаимного располо­жения элементов и компонентов, а также от теплофизических свойств материалов микросхемы и геометрических размеров дета­лей конструкции. Каждый источник тепла повышает уровень тем­пературы подложки в целом и, кроме того, создает локальное по­вышение температуры в месте своего расположения.

Сложные конструкции микросхем, произвольное расположение тепловыделяющих источников не дают возможности получить удовлетворительные, т. е. универсальные и удобные для инженер­ного расчета аналитические модели для описания температурных полей ИМС. Поэтому оценка теплового режима ИМС ведется обыч­но приближенными методами. При этом полагают, что перенос теп­ловой энергии от тепловыделяющих элементов ИМС к ее корпусу осуществляется исключительно с помощью теплопроводности. Переносом тепла путем конвекции внутри корпуса, а также путем излучения в целях упрощения расчетов пренебрегают. Делается также допущение, что температура корпуса, имеющего металличе­ское основание, равна температуре окружающей среды. Считается также, что коэффициенты теплопроводности применяемых мате­риалов не зависят от температуры. Расчеты делаются для стацио­нарного, установившегося во времени теплового режима.

Конструкция ИМС должна быть такой, чтобы теплота, выде­ляющаяся при ее функционирова­нии, не приводила в наиболее не­благоприятных условиях эксплуатации к отказам элементов в ре­зультате перегрева. К тепловыделяющим элементам следует отнести прежде всего резисторы, активные элементы и компоненты. Мощ­ности, рассеиваемые конденсаторами и индуктивностями, невели­ки. Пленочная коммутация ИМС благодаря малому электриче­скому сопротивлению и высокой теплопроводности металлических пленок способствует отводу теплоты от наиболее нагретых элемен­тов и выравниванию температуры платы ГИС или кристаллов по­лупроводниковых ИМС.

Кристаллы полупроводниковых ИМС размещаются в стандартных корпусах, возможности которых пе­редавать определенную мощность от кристалла в окружающую среду определяются эмпирическим путем. Каждый типоразмер вы­пускаемого промышленностью корпуса для полупроводниковых ИМС рассчитан, таким образом, на конкретную максимально до­пустимую мощность. Поэтому тепловой режим в данном случае обеспечивается подбором корпуса исходя из суммарной мощности, выделяемой микросхемой.

Чтобы провести тепловые расчеты введем следующие понятия. Перегрев элемента или компонента ИМС — разность между их температурой и средней температурой поверхности кор­пуса. Максимально допустимая температура Тmax доп — максималь­ная температура элемента или компонента ИМС, при которой обеспечиваются требования к их надежности. Удельная мощность рассеяния (Р0, Вт/°С) — плотность теплового потока от элемента ИМС, кристалла или платы ИМС.

Внутреннее тепловое сопротив­ление элемента, кристалла или компонента ИМС (Rт вн, °С/Вт) — тепловое сопротивление самого элемента (кристалла, компонента) и тепловое сопротивление контакта между элементом (компонен­том) и платой (кристаллом и корпусом) с учетом теплового сопро­тивления клеевой прослойки.

Будем полагать, что коэффициенты теплопроводности всех материалов конструкции ИМС в исследуемом диапазоне температур постоянны; теплоотда­чей через газовую прослойку внутри корпуса и через гибкие прово­лочные выводы можно пренебречь; тепловыделяющие элементы являются плоскими источниками теплоты; температура корпуса оди­накова во всех его точках (изотермичный корпус). Нормальный тепловой режим ИМС обеспечивается, если темпе­ратура самого теплонагруженного элемента ИМС не превышает его максимально допустимой рабочей температуры.

Особенность теплового расчета полупроводниковых ИМС заклю­чается в том, что полупроводниковый кристалл можно рассматри­вать как единственный тепловыделяющий элемент и считать, что суммарная мощность источников теплоты в нем равномерно распре­делена в приповерхностном слое. Эта особенность вызвана в первую очередь высоким коэффициентом теплопроводности кремния [80 — 130 Вт/(м°С)], малыми размерами элементов и небольшими рас­стояниями между элементами полупроводниковой ИМС. Экспери­ментально установлено, что разброс температур на поверхности кристалла невелик (единицы или доли градуса). Температура элементов полупроводниковой ИМС

Суммарная мощность рассеивания на резисторах P0 =120 мВт

Максимальная температура элементов определяется по формуле:

Тмах= Тс max+(RТП +RТВ1 + RТВ2 + RТК )*P0

Тс max — максимальная температура окружающей среды в про­цессе эксплуатации, заданная ТУ;

Тс max=45 С

- внутреннее тепловое сопротивление кристалла, рассчитываемое по формуле:

, где - соответственно, толщина, коэффициент

теплопроводности материала и площадь кристалла;

h=0,55 мм;

=93,2 Вт/м ⁰С [3];

Тогда получим

- тепловое сопротивление клея, рассчитываемое по формуле:

, где - те же параметры, только для клея;

h=0.002 мм;

= 140 Вт/м ⁰С [5];

Тогда получим

- тепловое сопротивление ножки корпуса;

, где - те же параметры, только для материала ножки корпуса (ковар);

h=6 мм;

=15 Вт/м ⁰С [5, стр. 94, таблица 10];

S-общая площадь одной ножки корпуса, S=9,64 кв. мм.

Тогда получим -для одной ножки корпуса.

Т.к. в работе ИМС задействовано 8 ножек корпуса, тогда

Rтп=3,1 х 8=24,8°С/Вт

-тепловое сопротивление от крышки корпуса в окружающее пространство.

, где

а – коэффициент теплоотдачи на конвекцию и излучение с поверхности крышки корпуса,

Sк – площадь поверхности крышки корпуса.

Sк=

Тогда получим

Исходя из полученных значений тепловых сопротивлений, можно сказать, что основной

теплоотвод будет осуществляться через ножки корпуса ИМС.

В итоге получаем:

T=3,2 ⁰С. – изменение температуры кристалла в процессе эксплуатации ИМС без учета

температуры окружающей среды.

При температуре атмосферы, равной 25 С, получим:

Ti=25+13,27+3,2=41,47 ⁰С.

Таким образом, расчет показал, что температура эксплуатации ИМС не превышает максимальную температуру (Тмакс=+45 ⁰С), заданную в ТУ. Тепловой режим ИМС обеспечен.