4.2. Особенности обеспечения теплового режима микроэлектронных источников вторичного электропитания

Микроэлектронные источники вторичного электропитания, в большинстве случаев, изготавливают на основе открытых (бескорпусных) гибридных микросборок [4]. Так как в них могут быть использованы любые бескорпусные элементы, можно разрабатывать гибридные сборки, работающие в широком интервале частот, напряжений и токов, сохранив при этом низкую стоимость даже при изготовлении небольших партий. Защита бескорпусных микросборок от внешних воздействий обеспечивается в составе ячеек, блоков и даже устройств.

Достоинства гибридных микросборок, заключающиеся в сравнительной простоте технологии легкости обеспечения функционального разнообразия, способности рассеивать значительные мощности, лучших условиях отвода тепла по сравнению с интегральными из-за более развитой поверхности, позволяют им занимать главное место в ИВЭП.

При проектировании любой микросхемы снижение мощности потерь способствует уменьшению объема. При этом расчет тепловой напряженности элементов приобретает особое значение, так как допустимый перегрев становится наиболее объективным критерием оценки надежности и долговечности прибора. Условия отвода теплоты от микросхемы могут быть различными и, как правило, зависят от конструкции прибора. В герметизированных конструкциях эффективным способом отвода теплоты является установка микросхемы на металлической поверхности ячейки или корпуса прибора.

Рис. 3

Рис. 4

В качестве исходных предложений для теплового расчета такой конструкции можно принять условие отвода тепла от микросхемы только через корпус прибора в окружающую среду (рис. 3). В таком случае для расчета установившегося теплового режима удобно воспользоваться методом электротепловой аналогии. Составляется эквивалентная тепловая модель прибора, где элементы, по которым передается теплота, заменяются тепловыми сопротивлениями. Затем тепловая модель (рис. 4) расчленяется на отдельные участки. Границы, между которыми предполагаются изотермическими, что значительно упрощает расчет при небольшом снижении точности.

На рис. 3 показана конструкция мощной микросборки на теплопроводящей поверхности ячейки, а на рис. 4 ее тепловая модель.

С

(7)

оотношение между тепловым потоком ΔР, тепловым сопротивлениемR_tи разностью температур ΔТопределяется законом эквивалентным закону Ома. Для каждого участка тепловой цепи

то есть перегрев ΔТэлементов схемы по отношению к подложке – это функция мощности рассеяния ΔР данного элемента и теплового сопротивленияR_tна участке элемент – подложка.

Таким образом, тепловое сопротивление прибора на участке переход – корпус или переход – окружающая среда (ºС/Вт рассеиваемой мощности) является параметром, характеризующим теплопередающие свойства соответствующих участков конструкции.

З

(8)

ная размеры и физические характеристики конструкции источника вторичного электропитания, производим определение тепловых сопротивлений. Если считать, что вся теплота передается в окружающую среду только за счет теплопроводности и энергия излучения равна нулю, то формула для определения теплового сопротивления имеет вид

г

(9)

де δ – длина теплового потока, определяемая как среднее расстояние между входными и выходными сечениями участка конструкции; λ – коэффициент теплопроводности материала участка;S_ср– средняя площадь сечения теплового потока. Ряд значений λ (Вт/м·К) для наиболее распространенных материалов представлено в табл. 4.

Средняя площадь сечения теплового потока по сплошному однородному телу

где S₁– площадь входного сечения;S₁– площадь выходного сечения.

Если имеют место несколько входов и один общий выход, то необходимо суммировать входную площадь, а расчет вести по средней площади.

Известно, что увеличение размера теплоотвода более двух диаметров источника тепла (рис. 5) не приводит к эффективному снижению теплового сопротивления. Такая же зависимость имеет место и по отношению к толщине теплоотвода, что необходимо учитывать при выборе подложки и размещении на ней источников тепла.

Для конструкции, представляющей собой подложку микросборки с расположенными на ней кристаллами полупроводниковых приборов (рис. 3,4), расчет тепловых сопротивлений всех участков целесообразно выполнять для двух вариантов.

Вначале рассматривается вариант, когда микросборка не установлена на металлическую поверхность, а теплота отводится непосредственно в окружающую среду. Для такого расчета исходными данными являются размеры кристалла полупроводникового прибора, толщина и материал кристаллодержателя, подложки и связующих веществ (клея, припоя). Подставляя геометрические размеры участков конструкции и значения коэффициентов теплопроводности материала соответствующего участка в (8), находят тепловые сопротивления.

Рис. 5

Т

(10)

епловое сопротивление участка подложка – окружающая среда определяется по формуле

где α – коэффициент теплоотдачи; S_Т– площадь теплового контакта подложки.

Т

(11)

епловое сопротивление кристалл – окружающая среда определяется как усредненная сумма тепловых сопротивлений участков для каждого из элементов микросхемы и теплового сопротивления участка крепления подложки к поверхности несущей конструкции:

где m– число кристаллов.

Далее расчет проводится для варианта, когда микросборка установлена на теплопроводящую поверхность. В этом случае к ранее рассчитанным тепловым сопротивлениям добавляются тепловые сопротивления участков подложка – клей, клей – ячейка и ячейка – окружающая среда.

Для определения мощности, которую рассеивает микросборка, достаточно воспользоваться (7), в которой ΔТравно разности между допустимой рабочей температурой элементовТ_допи температурой окружающей средыТ_окр;R_tΣпредставляет собой суммарное тепловое сопротивление кристалл – окружающая среда.