ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р2_1_м

140

ной 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:

Рисунок 6.14

Rт кр. — тепловое сопротивление кристалла кондуктивному отводу тепла;

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

Rт пл. — тепловое сопротивление платы кондуктивному отводу тепла;

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

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

141

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

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.

Рисунок 6.15

142

Ориентировочные значения удельного коэффициента теплоотдачи αт[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

6.5Внешние и внутренние паразитные связи

ипомехи в ИС

Наряду с образованием нелинейных паразитных структур (диодных, транзисторных, тиристорных), на кристаллах и платах ИС и микросборок имеют место искажения сигналов в коммутационных соединениях элементов. Коммутационные соединения характеризуются как собственными электрическими параметрами, такими как сопротивление, ёмкость на несущее основание и индуктивность (см. п. 2.18.3 разд. 1), так и параметрами взаимными параметрами гальванической, ёмкостной и магнитной связи между собой.

143

Расстояния между взаимодействующими элементами ИС значительно меньше эквивалентных длин волн, передаваемых по ним сигналов, что позволяет элементы связи рассматривать как сосредоточенные. Электрические и магнитные связи в этих условиях можно рассматривать раздельно.

Влияние сопутствующих паразитных элементов коммутационных соединений на передаваемые сигналы в первом приближении может рассматриваться как влияние линейных элементов и потому относится к линейным искажениям [3, 12]. Искажающее влияние сопутствующих элементов проявляется по следующим направлениям:

–снижение уровней сигналов на выходах коммутационных соединений;

–внесение задержки в передаваемый сигнал и замедление фронтов изменения сигнала на нагрузке соединения;

–передача части энергии сигнала из основного коммутационного соединения в смежные соединения.

На рис. 6.17, условно схематично показано расположение коммутационных проводников, характерное для топологических конфигураций ИС.

Совместный учёт искажающе-

го влияния паразитных параметров соединений методически целесооб-

разно заменить на учёт частичных влияний, так как совместный их учёт неоправданно затруднён вследствие сложности и неадекватности общей модели учёта этого влияния. В то же время оценка частичных искажающих вкладов и их веса позволяет формировать стратегию принятия решений, полагаясь на окончательную экспериментальную проверку результатов.

Снижение уровня сигнала на выходах соединения определяется для потенциальных уровней учётом омического сопротивления коммутационного проводника, образующего делитель напряжения совместно с сопротивлением нагрузки и выходным сопротивлением источника сигнала.

144

Для импульсных сигналов замедление фронтов сигналов и вносимая задержка определяются распределёнными ёмкостями и индуктивностями соединения. Протекающие при этом процессы имеют определённые особенности в зависимости от соотношения между длительностью фронта сигнала и вносимой соединением задержкой. Линии связи, по которым передаются перепады напряжений или токов, разделяются на короткие и длинные. Электрическая длина линии оценивается соотношением между длительностью фронта перепада tф и временем задержки возмущения в линии tз = L/v = (L√ε)/с, где v— скорость распространения возмущения в среде с относительной диэлектрической проницаемостью ε (в однородной cреде ε = εд); с = 3 108 м/с — скорость cвета в вакууме; L — длина линии, м. Для наиболее широко применяемых материалов проницаемость диэлектрика εд = (5...9). Для линии связи, расположенной на поверхности подложки, граничащей с воздухом, согласно выражению ε≈ (εд + 1)/2 погонная задержка составляет tз1≈ (6–7,5) нс/м.

На рисунке 6.18 показана форма сигнала на конце разомкнутой линии, на вход которой подан перепад напряжения U с фронтом tф, для различных отношений между длительностями фронта сигнала и физической

задержкой tз распространения сигнала в линии tф/tз. При tф/tз ≤ 1 в линии устанавливаются затухающие колебания с периодом T = 4∙tз, обусловленные отражением фронта волны от несогласованных нагрузок на концах линии

(Rи < Zo, Rн >> Zo, где Zo = √(Lп/Cп) — волно-

вое сопротивление линии). При увеличении tф/tз изменяется форма и уменьшается ампли-

145

туда затухающих импульсов. Длину линии, при которой амплитудой затухающих всплесков можно пренебречь, принято называть критической. По разным оценкам критической длине линии со-ответствует соотношение tф/tз ≤ 2. Линии связи, соответствующие неравенству tф/tз ≤ 1, называются электрически длинными, а линии, соответствующие tф/tз>4, называются короткими. Форма напряжения на выходе короткой линии близка к форме входного возмущения. Короткая линия не обладает формирующими свойствами, поэтому ее упрощенная эквивалентная электрическая схема может быть представлена сосредоточенной емкостью, равной полной емкости линии Сн = Сп∙L.

Для быстродействующих логических элементов с длительностью фронта логического перепада порядка 1 нс (ТТЛШ, ЭСЛ) критическая длина достигает 5 см. Такую длину могут иметь лишь соединения за пределами корпусов ИС на печатных платах

иплатах ГИМС при габаритных размерах не менее 48 мм на сторону.

Отрезки линии связи длиной менее 2,5 см можно считать короткими для самых быстродействующих кристаллов и плат ИС

ирассматривать их как совокупности сосредоточенных элементов. Преобладающее влияние на задержку и удлинение фронта оказывают резистивноёмкостные параметры соединения в интегрирующем их включении с входными и выходными параметрами соединяемых элементов. Задержка оценивается по временному смещению уровня 0,1 выходного сигнала. Фронт оценивается по временному интервалу между уровнями 0,1–0,9 выходного сигнала.

Передача части энергии сигнала в смежные коммутационные соединения имеет место через ёмкости связи Ссв (ёмкостная связь), взаимную индуктивность Мсв и через общие участки соединений. Между параллельными проводниками существуют емкостные и индуктивные паразитные связи, а между взаимно перпендикулярными проводниками — емкостные. Коммутационный проводник, по которому передается сигнал между логическими элементами, например между элементами Э1 и Э2, Э5 (см. рис. 6.17), называется активной линией связи. Логический элемент Э1 является источником сигнала, а элементы Э2 и Э5 — приемником сигнала. Смежный с активной линией коммутационный проводник, находясь в одном из потенциальных логических состояний,

147

На рисунке 6.20 представлены графики, с помощью которых определяются коэффициенты емкостной связи между одинаковыми пленочными проводниками, расположенными над заземленной металлической поверхностью 3 (U3 = 0; C22/ = C23 + C22; C11/ = C11 + C13) для двух вариантов окружающей диэлектрической среды.

Рисунок 6.20

В этом случае для симметричной конструкции kc12 = = kc21 = kc. Диапазон коэффициентов емкостной связи 0,25... 0,6. При уменьшении расстояния h между проводниками и заземленной металлической поверхностью увеличиваются собственные частичные емкости проводников и, соответственно, уменьшается коэффициент емкостной связи. Штриховыми линиями на рисунке 6.20 показан рост kc при пропорциональном уменьшении размеров а и b, что иллюстрирует рост уровня паразитных емкостных связей с увеличением плотности коммутационных соединений.

Для проводников расположенных над незаземленной металлической поверхностью (рис. 6.19, а), емкостная связь увеличивается. Эквивалентная электрическая схема этой системы проводников приведена на рис. 6.19, б. Емкостная связь между проводниками 1 и 2 обусловлена как частичной взаимной емкостью С12, так и емкостями внутренней звезды С13, С23, С33.

148

Уменьшить емкостную связь между пленочными проводниками можно дополнительным заземленным проводником (см. рис. 6.21, а). В этом случае часть взаимного потока электрической индукции между проводниками 1 и 2 замыкается на проводник 3. На рисунке. 6.21, б, в показано применение экранирующего металлического слоя для практически полного устранения емкостной связи между коммутационными проводниками, лежащими в различных плоскостях.

Рисунок 6.21

Инженерный расчет емкости между параллельными проводниками ряда топологических исполнений проводится по формуле С1 = 0,0885∙ εДЭ ∙ Сг∙L, (6.8)

где εДЭ ≈ (εД1 + εД2)/2 — эффективная относительная диэлектрическая проницаемость в неоднородной среде со сравнимыми значениями εД1 и εД2 среды;

Сг — коэффициент, определяемый геометрическими размерами и взаимным расположением проводников по таблице 6.2.

Таблица 6.2

149

В таблице 6.2 представлены выражения для расчета Сг наиболее употребительных конфигураций проводников при εД>>1.

Здесь К и К' — полные эллиптические интегралы модулей k и k/ = (1–k2)1/2 [21].

Для расчёта ёмкости между пересекающимися проводниками применяются расчётные формулы двухобкладочного плёночного конденсатора.

Для определения амплитуды емкостной помехи, соответствующей рисункам 6.19, 6.20, применяется эквивалентная расчётная электрическая схема, изображённая

на рисунке 6.22, где Rн, Сн — сопротивление и емкость эквивалентной нагрузки.

При логическом перепаде в активной линии U с длительностью фронта tф амплитуда емкостной помехи в пассивной линии равна

где τ = Rн∙(Cсв + Сн). Полярность емкостной помехи соответствует знаку логического перепада.

Оценка напряжения помехи, наводимого в пассивной линии вследствие магнитной связи между параллельными активной и пассивной линиями, определяется по известному выражению вида

где Мсв — взаимная индуктивность;

–dt ≈ tф — длительность фронта токового dI перепада. Взаимная индуктивность Мсв (мкГн) между параллельными

проводниками равной длины определяется по формуле

Мсв = 2∙10–3 ∙L∙ {Ln{√[1 + (L/a)2] + L/a}– {√[1 + (a/L)2] + a/L}}, (6.11)

где L — длина проводников, см;

а — расстояние между осями проводников, см.