9. Тепловые процессы в интегральных микросхемах

Система параметров теплового режима имс

Тепловая мощность, рассеиваемая ИМС. Тепловая мощность равна электрической мощности с учетом мощности, передаваемой в нагрузку. Если втекающий ток считать со знаком плюс, а вытекающий - со знаком минус, то

(9.1) ,

где U_ol и U_oh - выходные напряжения низкого и высокого уровней; n и m - число выходов, находящихся в состояниях высокого и низ­кого уровней.

Максимально допустимая рабочая температура. Рабочая темпера­тура микросхемы ограничивается как следствие изменения электри­ческих параметров или как фактор снижения надежности изделия. Все эти процессы связаны с полупроводниковым кристаллом. Однако в процессе эксплуатации невозможно контролировать температуру кристаллов, поэтому температура кристаллов должна быть обеспечена конструкцией ИМС, при этом контролируемым параметром является температура корпуса или окружающей атмосферы. Рабочую температуру кристаллов ограничивают величинами 110 - 190°С. Наиболее часто принимается величина 150°С. Температуры корпуса и атмосферы должны быть соответственно ниже.

Предельно допустимые температуры окружающей среды и корпуса ИМС выбираются из регламентированного ряда: 70, 85, 100, 125, 155°С, установленного стандартами. Температуру атмосферы контролировать проще, но при этом надо обязательно четко определить условия охлаждения ИМС. Параметром, характеризующим микросхему, служит предельно-допустимая температура корпуса.

Тепловое сопротивление R_T.

Единицей измерения R_T является [град/Вт] или [К/Вт] и опре­деляется как отношение разности температур к выделяемой тепло­вой мощности.

Тепловое сопротивление полупроводниковый кристалл-корпус R_ср характеризует конструкцию ИМС (внутреннее тепловое сопро­тивление), тепловое сопротивление корпус-среда R_pm - условия охлаждения ИМС (внешнее тепловое сопротивление). Полное тепловое сопротивление R_tt является интегральной характеристикой условий охлаждения ИМС ( R_tt= R_ср+ R_pm ).

Переходное тепловое сопротивление R_T1 и тепловая постоянная времени τ_T определяют процессы разогрева и охлаждения ИМС при включении и выключении электрической мощности. Постоянная време­ни определяется теплоемкостью ИМС C_T [Дж/К] и полным тепловым сопротивлением R_tt,

;

- включение;

- выключение; (9.2)

Коэффициент теплопроводности материалов G [Вт/м·К] или [Вт/см·К].

Значения коэффициентов теплопроводности некоторых материа­лов, используемых в ИМС, следующие:

- кремний - 1,2 Вт/см·К, арсенид галлия - 0,47 Вт/см·К;

- пластмасса корпусов – 0,009;

- ковар (материал выводов) - 0,18;

- керамика - от 0,132 до 0,167;

- стеклотекстолит печатных плат - 0,0037;

- эвтектический сплав кремний-золото -1,5.

Тепловое сопротивление стержня с любой формой сечения

(9.3),

где l - длина стержня; А - площадь его сечения; G - коэффициент теплопроводности материала.

Коэффициент теплоотдачи α. Если теплопроводящая структура неоднородная и состоит из нескольких слоев, то на границах этих слоев возникают перепады температур, а градиент температуры стре­мится к бесконечности. Для описания процесса теплопереноса через границы используется коэффициент теплоотдачи α [Вт/м²·К] или [Вт/см²·K]. Тепловое сопротивление границы площадью А равно

(9.4)

Контакты между телами могут иметь тонкие прослойки, размера­ми которых можно пренебречь по сравнению с размерами контактирую­щих тел, например, слой клея между кристаллом и основанием корпу­са, слой пасты между основанием корпуса и теплоотводом. В этом случае коэффициент теплоотдачи α характеризует теплоперенос меж­ду телами уже с учетом теплового сопротивления прослоек.

Типовые значения величины α в единицах [Вт/см²·К];

- конвекция в воздухе - 0,001 - 0,004;

- обдув поверхности потоком воздуха - 0,004 - 0,01;

- естественная конвекция в воде - 0,03 - 0,06;

- теплоотдача кремниевого кристалла через пленку клея - 0,4 - 0,7;

- теплоотдача кремниевого кристалла через пленку пасты КПТ - 8 на медном теплоотводе - 2,2;

- теплоотдача между металлическими поверхностями при их соединении болтами - 0,45.