ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р2_1_м

130

ды. Металлическое дно корпусов спаяно или спрессовано со стеклом или керамикой. Вакуум-плотное соединение крышки с вваренным в диэлектрик фланцем образуется пайкой или сваркой. Монтажная площадка, контактные площадки и выводы таких корпусов имеют золотое покрытие толщиной 2...5 мкм для обеспечения монтажа кристаллов эвтектической пайкой и улучшения качества пайки выводов. Если золочение монтажной площадки не осуществляется, для монтажа микросхемы в корпус эвтектическую пайку не применяют, а используют только клей холодного отверждения. Для изготовления металлостеклянных и металлокерамических корпусов используются дефицитные материалы: золото, никель-кобальтовые сплавы, — поэтому они применяются лишь для микросхем специального назначения, дорогостоящих БИС и СБИС с большим количеством выводов.

Керамические корпуса широко распространены, хотя они обладают худшими по сравнению с металлостеклянными и металлокерамическими корпусами защитными свойствами, надежностью (из-за хрупкости керамического основания и крышки), повышенным тепловым сопротивлением.

Наиболее дешевы и доступны пластмассовые корпуса. Защитные свойства пластмассовых корпусов невысоки в связи с тем, что пластмассы обладают низкими влагозащитными характеристиками и, кроме того, герметичность соединений металла с пластмассой нарушается из-за значительного различия ТКЛР этих материалов. По этой причине пластмассовые корпуса применяются для герметизации микросхем, устанавливаемых в стационарной аппаратуре для работы в сухих отапливаемых помещениях и бытовой аппаратуре.

Выбор конструктивного исполнения корпуса определяется назначением, условиями эксплуатации и требованиями по сборке, установке и монтажу микросхем на печатных платах. Для облегчения теплового режима микросхем следует использовать корпуса с радиаторами и теплоотводящие шины, пример которых показан на рисунке 6.5.

131

Рисунок 6.5

В керамических и металлокерамических корпусах выводная рамка опрессовывается и спекается с керамическим материалом. Изменением состава температурные коэффициенты керамики и применяемых металлических элементов конструкции могут быть сближены, что позволяет образовать корпусные конструкции стойкие к действию влаги при повышенной, относительно стёкол и полимеров, теплопроводности.

Металлополимерные конструкции корпусов преимущественно применяются для защиты плат гибридных ИМС, пленочные пассивные элементы и проводники которых формируются с одной или обеих сторон керамических подложек-оснований со сквозными металлизированными отверстиями. В эти отверстия впаиваются штыревые или пластинчатые выводы при сборке микросхемы. После установки пластмассовой или металлической крышки Плата микросхемы герметизируется со стороны выводов полимерным термореактивным материалом.

Металлополимерные и полимерные корпуса приме-

няются при пониженных требованиях к уровню тепловой и влажностной защиты.

132

Сопоставимыми свойствами с полимерными и металлополимерными корпусами характеризуются пластмассовые корпуса, один из вариантов конструкции которых показан на рисунке 6.6. Для снижения угрозы загрязнений и повреждений выводов в ИМС повышенных степеней интеграции применяются пластмассовые корпусы с внутренней полостью, не заполняемой при герметизации. Варианты конструкций таких корпусов изображены на ри-

сунках 6.8, 6.9.

Рисунок 6.7

На рисунках 6.8, 6.9 приняты следующие обозначения: 1 — вывод; 2 — кристалл (плата); 3 — крышка (металл); 4 — кремнийорганическая пластмасса; 5 — эпоксидная пластмасса; 6 — полость; 7 — металлизация; 8 — подолжка; 9 — гибкие соединительные проводники; 10 — анодированный алюминий; 11 — теплоотводящая шина.

133

Рисунок 6.8

Рисунок 6.9

Монтаж плат ГИС и кристаллов полупроводниковых ИС в корпусах выполняется с помощью тонкого слоя клея (0,1 мм) к основанию корпуса (или промежуточной несущей подложки). Эффективный теплоотвод от кристаллов обеспечивается пайкой их непосредственно к металлическому основанию корпуса.

Электромонтаж плат и кристаллов в корпусах исполняется проволочными или ленточными проводниками с минимальным по критерию механической прочности линейным размером в сечении не менее 20 мкм.

134

Микросборки размещаются в металлостеклянных корпусах, на печатных платах или на керамических или металлических рамках-ячейках. Безрамочная конструкция с печатной платой характеризуется низкой механической прочностью и неудовлетворительными условиями охлаждения (в основном конвективный теплообмен). Такие конструкции применяют в аппаратуре, которая не подвергается значительным механическим воздействиям и характеризуется не напряжённым тепловым режимом.

Высокой механической прочностью и эффективным кондуктивным отводом тепла характеризуются рамочные конструкции ячеек, в которых МСБ клеем или демпфирующим компаундом приклеивается к теплоотводящим планкам рамки-носителя.

Внутренний электромонтаж осуществляют с помощью проволочных перемычек или гибких печатных шлейфов, соединяющих контактные площадки соседних МСБ. Перед монтажом в ячейках элементы и компоненты плат МСБ защищаются одним или несколькими слоями лака. Полную защиту МСБ от внешних воздействий осуществляют на уровне блока, объем, которого заполняют инертным газом.

Выводы корпусов нумеруются для установления однозначного соответствия их электрическим схемам. Отсчёт номеров выводов корпусов осуществляется относительно специального указателя — ключа, наносимого на корпусе (в форме уступов, выемок, топологических знаков и пр.) по движению часовой стрелки при наблюдении корпуса со стороны его монтажной поверхности.

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 исполь-

135

зуют 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 указателяключа. 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

136

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» на-

гретого тела охлаждающим потоком, характеризуемым коэффициентом конвективной теплопередачи αК [Вт/(см2∙град)];

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

Значения коэффициента λ приведены в таблице 6.1. Значе-

ние коэффициента αК определяется множеством параметров свойств материалов и режимов «омывания», и потому в проектных расчётах принимаются ориентировочные значения с после-

дующей экспериментальной проверкой. При естественной конвекции в спокойном воздухе αК = (2–10) Вт/(м2∙град). При принудительном охлаждении в зависимости от интенсивности воздуш-

ного потока αК =(10–100) Вт/(м2∙град). Значение коэффициента αИ оценивается по выражению

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

137

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

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

138

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

ке 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 тепло-

139

проводящие 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