Материалы и элементная база РЭ / Литература / Шелохвостов В. П. Проектирование интегральных микросхем

Последовательность теплового расчета включает следующие этапы.

1.Определение теплового сопротивления при различных соотношениях между размерами источников тепла

итеплоотвода.

При плоскопараллельном тепловом потоке (рис. 5.3.1, а) тепловое сопротивление определится по формуле

где γп и γк – коэффициенты теплопроводности материала подложки и клея, Вт/(м°С); hп и hк – толщина подложки и клеевого слоя, соответственно; S – площадь контакта тепловыделяющего элемента с подложкой.

При уменьшении размеров источника тепла (рис. 5.3.1, б) эффективность теплоотвода повышается, а тепловое сопротивлениеуменьшается. Тепловоесопротивлениевэтомслучаеопределитсяпоформуле

где q = l / 2h; r = b / 2h; l и b – линейные размеры источника теплоты,

Значения функций γ (q, r) для нескольких конструкций корпусов и нескольких геометрических соотношений размеров приведены в прил. 2.

2. Определение перегрева элементов, НК и области p–n-перехода НК, а также корпуса за счет рассеиваемой ими мощности:

где Rт. нк – внутреннее тепловое сопротивление НК (их значения для различных бескорпусных транзисторов приведены выше и в [2]); Θнк – перегрев области p–n-перехода НК относительно подложки; Θэ и Θнк – перегрев элемента и НК, определяемые как разность между их температурой и средней температурой поверхности корпуса; Θк – перегрев корпуса относительно температуры окружающей среды; Pэ и Pнк – мощность, рассеиваемая соответственно элементами и НК; P∑ – суммарная мощность, рассеиваемая ГИМС; Rк – тепловое

сопротивление корпуса, составляющее

где Sт – площадь теплового контакта подложки с корпусом (площадь монтажной площадки); α – коэффициент теплопроводности, значения α приведены выше и в [2].

3. Определение температуры элементов:

Если рассчитанные температуры Tэ и Tнак превышают предельно допустимые рабочие температуры, необходимо заменить навесные компоненты на другие, имеющие более высокий температурный предел работы, или рассмотреть другие варианты конструктивного исполнения ГИМС.

5.3.2.Расчет показателей надежности

Вкачестве основных показателей, характеризующих надежность ГИМС, рассчитывают P (t) – вероятность безотказной работы на заданном отрезке времени (1000 ч) и среднее время безотказной работы (Тср):

n, m, l, p – количество однотипных элементов или компонентов в микросборке; α1 – коэффициент, характеризующий зависимость интенсивности отказов от температуры; α2 – коэффициент, характеризующий зависимость интенсивности отказов от электрической нагрузки.

4.Контактные

Рассчитав суммарную интенсивность отказов по (5.2.3) и табл. 5.3.1, следует определить P (t = 1000 ч) и Тср по формулам (5.3.23) и (5.3.24), соответственно.

5.3.3. Обеспечение влагозащиты микросхем

Окружающая среда и влагостойкость. Необходимость размещения платы ИМС в корпусе возникает не только из-за удобства транспортирования, устойчивости к механическим повреждениям. Важнейшая функция корпуса – защита от климатического воздействия окружающей среды (в первую очередь имеется в виду влажность). Корпусы из неорганических материалов (металл, стекло) достаточно надежно ограждают конструкцию от воздействия внешних факторов. Органические материалы (пластмассы, компаунды, клеи и др.) обладают повышенными значениями влагопоглощения и влагопроницаемости. Для того чтобы оценить свойства корпуса в этом отношении, необходимо знать состояние окружающей среды и свойства материала корпуса.

Окружающая среда практически всегда содержит пары воды, воздействие которой на элементы ИМС приводит к их быстрой деградации, резко снижает срок службы. Содержание паров воды в воздухе при различных температурах можно определить из графиков, приведенных на рис. 5.3.2.

Количество влаги, которая поглощается корпусом из воздуха, увеличивается с повышением парциального давления паров воды pН2О , что

определяется законом Генри:

где Г – коэффициент растворимости.

Коэффициент Г(с2/м2) определяет количество влаги, которое способен поглотить материал в данных климатических условиях. Скорость процесса поглощения влаги материалом корпуса определяется коэффициентом диффузии молекул воды D (м2/c) в данном материале. Кроме того, вводится также понятие влагопроницаемости.

Рис. 5.3.2. Влияние температуры на относительную влажность воздуха

Коэффициент влагопроницаемости В (с) характеризует способность материала пропускать влагу и определяется количеством воды, прошедшей через мембрану из внешнего пространства внутрь корпуса до момента выравнивания в них количества влаги.

Приведенные коэффициенты находятся в определенной взаимосвязи между собой

Значения коэффициентов В, D, Г различных герметизирующих полимерных материалов приведены в таблице 5.3.2.

Влагозащитные свойства можно оценить расчетным путем, если воспользоваться значениями влажностных коэффициентов материалов, которые выбраны для герметизации.

Исходные данные для расчета влагозащиты ИМС: Тс – температура окружающей среды, К; φ –

относительная влажность окружающей среды, %; p0 – парциальное давление паров воды окружающей среды, Па; pкр – критическое давление паров воды, приводящее к отказу ИМС, Па; S – площадь герметизирующей оболочки, через которую влага диффундирует в корпус, м2; d – толщина герметизирующей оболочки, м; V – внутренний объем корпуса, в котором происходит растворение влаги, м3; В – коэффициент влагопроницаемости герметизирующей оболочки, с; D – коэффициент диффузии молекул влаги в герметизирующей оболочке, м2/c; Г

– коэффициент растворимости влаги в материале, окружающем ИМС, с2/м2.

Время влагозащиты, τ (с), ИМС рассчитывается как период, в течение которого обеспечивается ее безотказная работа. Влагостойкость определяется для самого чувствительного к воздействию влаги элемента ИМС.

5.3.2. Значения влажностных коэффициентов герметизирующих полимерных материалов

Влагостойкость полых корпусов. Полыми называют корпуса, которые имеют внутри свободный объем. Их влагозащита оценивается временем τ, в течение которого давление паров воды внутри корпуса достигает критического значения pкр , при котором наступает отказ ИМС. Оно определяется выражением

где τ0 – время увлажнения материала оболочки; τ1 – время натекания влаги во внутренний объем корпуса. Величина τ0 зависит от толщины оболочки d и коэффициента диффузии D молекул воды в материале

оболочки:

Формула составлена из предположения, что насыщение материала влагой происходит только путем молекулярной диффузии в оболочку корпуса. Следует учитывать τ0 только в случае толщины оболочки корпуса d > 0,1 мм.

Время натекания влаги можно определить как

Общее время, исходя из (5.3.28), определится по выражению

В реальных случаях внутри корпуса всегда имеется воздух с вполне конкретной влажностью (парциальное давление pн). С учетом этого время τ уменьшится и составит

Следует учесть, что в формулах (5.3.30) – (5.3.32) коэффициент Г соответствует 7,4 10–6 с2/м2.

При герметизации в стандартном пластмассовом или металлополимерном корпусе время влагозащиты рассчитывают с учетом влажности внешней среды в условиях хранения и эксплуатации ИМС и давления pкр . Обычно значение pкр принимают 0,85...0,95 p0 (при этом происходит внезапный или постепенный отказ ИМС).

Влагостойкость монолитных корпусов. Отказ ИМС, герметизированных в монолитные корпуса, вызывается поглощением герметизирующим материалом влаги и увлажнением поверхности ИМС. По достижении критической концентрации, которая соответствует критическому давлению pкр паров воды, наступает отказ ИМС. Время, за которое на поверхности ИМС достигается критическая концентрация влаги, определяется выражением

Таким образом, время определяется толщиной герметизирующего материала, коэффициентом диффузии молекул воды в нем и отношением pкр / p0 при условии слабой адгезии полимера относительно поверхности ИМС.

Наиболее простой, доступной и дешевой является конструкция пластмассового корпуса, показанная на рис. 5.2.2. Особенно пригодна такая герметизация для ИМС широкого применения, поскольку операции формирования монолитного корпуса совмещены с герметизацией. Кроме того, имеется возможность автоматизации сборки с использованием плоских выводов в виде рамок; возможна групповая технология герметизации литьевым прессованием или заливкой эпоксидными смолами в многоместные пресс-формы.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Примерные задания на курсовое проектирование

Исходные данные по курсовой работе приведены в табл. 1 и 2, принципиальные электрические схемы конструируемых узлов приведены на рис. 1 – 10.

Номер варианта задается двузначным числом, в котором первая цифра определяет основные требования к микросборке или микросхеме, тип активных элементов или компонентов и берется в табл. 1; вторая цифра определяет номер рисунка электрической схемы и номинальные значения пассивных элементов (резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности) и берется из табл. 2.

Таблица 1

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

Рис. 10

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Комплект документов к полупроводниковой ИМС