6.3 Бескорпусные микросхемы

Наряду с производством полупроводниковых микросхем в корпусах, как правило, может осуществляться поставка их аналогов в бескорпусном варианте. Бескорпусные полупроводниковые и гибридные микросхемы микропроцессорных комплектов и микросборки проектируются для эксплуатации в составе ячеек и блоков МЭА, которые подвергаются общей герметизации.

Начальная защита как бескорпусных, так и корпусированных микросхем, обеспечивается пассивацией поверхности кристаллов и защитным покрытием поверхности плат гибридных микросхем. Для этого в полупроводниковой технологии используют пленки SiO₂, Si₃N₄, боросиликатные (БСС) или фосфоросиликатные (ФСС) плёнки.

В МДП-микросхемах, где роль поверхности и встроенного заряда особенно велика, используют ФСС, Si₃N₄. В гибридной технологии используются пленки SiO₂, SiO, GеО, а для толстопленочных микросхем — стекла. Поверх названных электрически и химически инертных плёнок при бескорпусной герметизации наносятся слои герметиков: эмалей, лаков, компаундов.

Выводы бескорпусных микросхем, как и корпусных конструкций, нумеруются относительно специального указателя-ключа. В качестве указателя для бескорпусных ИС применяются цветовые метки или несимметричное расположение выводов, или знаки на кристаллах и платах не порытые защитным слоем. Нумерация выводов относительно указателя отсчитывается против часовой стрелки, если наблюдается со стороны размещения топологических фигурных элементов.

Конструкции бескорпусных микросхем рассматривались в п. 4.8.2 пособия.

6.4 Тепловые режимы имс

От обеспечения нормального теплового режима зависит стабильность параметров микросхем и надёжность их функционирования. Источниками тепла являются элементы и компоненты конструкций микросхем и внешние источники тепловых излучений. Защита микросхем от внешних тепловых воздействий осуществляется на уровне устройств, в которые входят микросхемы как составные части. Применительно к микросхемам результат внешней тепловой защиты представляется так называемой температурой окружающей среды (Токр). Тепло, выделяемое элементами и компонентами микросхем, является внутренним. Оно обуславливает перегрев (Тп) элементов и компонентов плат и кристаллов относительно окружающей среды, т.е. относительно Токр.

Учитывая свойства подобия процессов переноса тепла с переносом жидкостей, газов, носителей заряда для количественного описания явлений теплопередачи применяется выражение электротепловой аналогии

Тп = Р ∙ Rt, (6.1)

связывающее температурный перегрев Тп [˚C] с выделяемой мощностью Р [Вт] и так называемым тепловым сопротивлением Rt [град/Вт] канала теплопередачи. Физически теплопередача от источников тепловыделения представлена тремя каналами:

• кондуктивным переносом, характеризуемым свойством теплопроводности с коэффициентом теплопроводности λ [Вт/м∙град];

• конвенктивным переносом, вследствие «омывания» нагретого тела охлаждающим потоком, характеризуемым коэффициентом конвективной теплопередачи α_К[Вт/(см²∙град)];

• излучением тепла, характеризуемым коэффициентом излучения α_И[Вт/(см²∙град)].

Значения коэффициента λ приведены в таблице 6.1. Значение коэффициента α_К определяется множеством параметров свойств материалов и режимов «омывания», и потому в проектных расчётах принимаются ориентировочные значения с последующей экспериментальной проверкой. При естественной конвекции в спокойном воздухе α_К = (2–10) Вт/(м²∙град). При принудительном охлаждении в зависимости от интенсивности воздушного потока α_К = (10–100) Вт/(м²∙град). Значение коэффициента α_И оценивается по выражению

α_И ≈ 0,227∙ ε∙ (Тср/100)³, (6.2)

Тср = (Т + Токр)/2,

где коэффициент учета черноты излучающей поверхности ε = = (0,8 – 0,9) для пластмасс, керамик и (0,1–0,2) для неполированных металлических поверхностей, а Т есть текущее значение температуры нагретого тела.

Тепловое сопротивление кондуктивной теплопередачи от источника тепла площадью S через изотропную пластину толщиной h при коэффициенте теплопроводности λ определяется по формуле

Rt = (h/S∙λ)∙m. (6.3)

m ≤ 1 — поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность теплового поля вблизи источника при низкой теплопроводности теплоотводящей среды.

Тепловые сопротивления конвективной и лучистой теплопередачи от источника тепла площадью S определяются соответственно по формулам

Rtк = 1/ (α_К∙Ѕ), Rtи = 1/ (α_И∙Ѕ). (6.4)

Точный расчёт температурного режима микросхем достаточно сложен, для того чтобы предпочесть его приближённым оценкам и экспериментальной проверке. В зависимости от общей схемы тепловыделения конструкции микросхем делятся на две группы [2].

Одну из групп представляют гибридные микросхемы, где источники распределены по диэлектрической плате с низким значением коэффициента теплопроводности при размерах платы близких к размерам корпуса.

Другая группа представлена полупроводниковыми ИМС, источником тепла в которых является близкий по свойствам к изотермическому кристалл, размеры которого значительно меньше размеров корпуса.

В группе гибридных конструкций кондуктивный отвод тепла может осуществляться с узких боковых граней платы, как показано на рисунке 6.10, или широких граней платы, как показано на рисунке 6.11.

1 — источник тепла; 2 — подложка; 3 — корпус; 4 — компаунд;

5 — выводы

Рисунок 6.10

В конструкции изображённой на рисунке 6.10, сопротивление теплопередачи от источника на корпус значительно превосходит аналогичный параметр конструкции, показанной на рисунке 6.11.

1 — источник тепла; 2 — подложка; 3 — корпус; 4 — клей;

5 — выводы; 6 — рамка монтажа МСБ

Рисунок 6.11

Электротепловые модели представляются последовательно и параллельно включёнными тепловыми сопротивлениями, отражающими последовательное и параллельное включение потоков переноса тепла. При этом следует отметить, что вследствие малых объёмов полостей влиянием конвективного обмена внутри корпусов можно пренебречь и для гибридных, и для полупроводниковых ИМС. Аналогично вследствие малой площади источников и сравнительно низких средних температур учётом лучистой теплопередачи внутри корпуса также часто можно пренебречь. Основным каналом передачи тепла от источников на контакт с окружающей средой внутри корпуса является кондукция через материал плат и защитных наполнителей полостей корпусов. Вне корпусов ИМС отвод тепла в окружающую среду осуществляется по всем трём каналам теплопередачи с преобладанием кондуктивного и конвективного теплообменов. Дополнительные теплопроводящие шины внутри и вне корпусов позволяют увеличить пропускную способность кондуктивного канала и снизить суммарное тепловое сопротивление между источником тепла и окружающей средой.

Низкая теплопроводность плат ГИМС обуславливает неравномерность теплового поля вблизи источника тепла и зависимость теплового сопротивления от соотношения размеров плоского изотермического источника и толщины платы. На рисунке 6.12 приведена зависимость поправочного коэффициента m (6.3) к тепловому сопротивлению от отношения линейного размера d плоского источника к толщине h несущей платы [10].

Рисунок 6.12

Согласно рисунку 6.12 при d/h > 2 m ≈1, а для квадратного источника при выполнении условия d/h < 0,5 тепловое сопротивление не зависит от толщины диэлектрической платы и определяется по формуле

Rt ≈ 0,55/ (λ∙d). (6.5)

В оценочных расчётах тепловое сопротивление по торцевым граням платы не учитывается при расстоянии от края источника тепла более 2h.

Рисунок 6.13 иллюстрирует достаточно быстрое понижение температурного поля источника на керамических платах ГИС при удалении от края источника тепла. Пользуясь приведенной на рисунке зависимостью, можно оценивать фоновый подогрев смежных элементов на плате.

Оценка теплового режима ИМС, независимо от конструктивного исполнения, сводится к составлению схемы из тепловых сопротивлений. Сопротивления имитируют каждый из независимых друг от друга каналов теплопередачи. Начальный и конечный узлы составленной цепи связывают температуру источника нагрева Тmax и температуру окружающей корпус среды.

В качестве примера на рисунке 6.14 приведена электротепловая схема для расчёта перегрева изотермического источника, установленного на плате, смонтированной в корпусе по рисунку 6.11, в. Приведенная схемная модель учитывает два преобладающих направления отвода тепла (вверх и вниз от плоскости кристалла) и не учитывает отвод тепла по торцевым граням подложки и корпуса. Расчётные оценки параметров элементов модели, как отмечалось, производятся на основе учёта кондуктивных и конвективных составляющих механизмов отвода тепла. На рисунке 6.14 приняты следующие обозначения:

Rт кр. — тепловое сопротивление кристалла кондуктивному отводу тепла;

Rт св. кр.-пл. — тепловое сопротивление связки «кристалл-плата» кондуктивному отводу тепла;

Rт пл. — тепловое сопротивление платы кондуктивному отводу тепла;

Rт св.пл.-корп. — тепловое сопротивление связки «плата-корпус» кондуктивному отводу тепла;

Rт осн.-ср. — тепловое сопротивление конвективному (с теплоотводом) и кондуктивному отводу тепла от плоскости основания корпуса к окружающей среде;

Rт кр.-крыш. — тепловое сопротивление в основном кондуктивному отводу тепла от кристалла к крышке корпуса;

Rт крыш.-ср. — тепловое сопротивление конвективному отводу тепла от плоскости крышки корпуса к окружающей среде;

Ткр., Тср. — температуры элементов на кристалле и окружающей среды.

Тепловой перегрев элементов-источников тепла относительно окружающей среды с учётом выражения (6.1) и фонового подогрева от смежных тепловыделяющих элементов (см. рис. 6.13) определяется по формуле

Тп = Р∙ Rт экв. + ∑ Рi∙ Rт i экв.∙ (Ti/Tmax). (6.6)

Снизить перегрев элементов конструкции микросхем и выровнять фоновый температурный уровень кристаллов и плат возможно при следующих технических решениях [3]:

• равномерном распределении источников тепла по плате;

• применением теплоотводящих материалов с повышенной теплопроводностью;

• снижением по возможности удельной мощности рассеяния до 1–2 Вт/см²;

• заполнением полости компаундом, введением дополнительных тепловых шин (см. рис. 6.15) для уменьшения теплового сопротивления теплопереносу к крышке корпуса;

• применением принудительного газового (или жидкостного в специальных конструкциях радиаторов и плат, изображённых на рисунке 6.16) отвода тепла.

1 — источник тепла; 2 — подложка; 3 — корпус; 4 — клей; 5 выводы

1 — подложка; 2 — корпус; 3 — изолятор; 4 — шина тепловода; 5 — тепловой контакт шины с корпусом

Рисунок 6.15

Ориентировочные значения удельного коэффициента теплоотдачи α_т[Вт/м²∙С] для ряда условий отвода тепла находятся в диапазонах значений:

• при естественной конвекции и излучении — (5–20);

• принудительное воздушное охлаждение — (20–100);

• кондукция через слой воздуха толщиной 0,1 мм — до 300;

• кондукция через слой клея толщиной 0,1 мм — (300–3000);

• кондукция плотно сжатых металлических поверхностей — (1 –10)∙10⁴.

Cнижение теплового сопротивления «корпус — окружающая среда» ориентировочно до 2 раз имеет место при плотном тепловом контакте корпуса микросхем с монтажной платой. Снижению теплового сопротивления служит прокладка специальных теплоотводящих лент-шин между корпусами ИС и монтажной платой.

1 — плата; 2 — канал для теплоносителя; 3 — металлическая

плата с каналами; 4 — плёнка изоляции; 5 — электромонтажные

соединения

Рисунок 6.16