2.2. Тепловой расчет полупроводниковых микросхем

Кристалл полупроводниковой ИС можно рассматривать как единый тепловыде­ляющий элемент и считать, что суммарная мощность источников тепла в нем равномерно распределена в приповехностном слое. Такое допущение возможно благодаря высокому коэффициенту теплопроводности кремния (80 – 130 Вт/(м °С)), малым размерам элемен­тов и небольшим расстоянием между элементами. Разброс температур по поверхности кристалла маломощных полупроводниковых микросхем составляет не более одного гра­дуса. Конструктивно наиболее часто используют два варианта размещения кристаллов полупроводниковых микросхем в корпусе: 1) непосредственно на основании корпуса эвтек­тической пайкой и 2) с помощью припоя (клея).

Температура элементов полупровод­никовых ИС (Т_э), для маломощных приборов

(2.10)

где _{кр пов} – перегрев поверхности кристалла, С

Т_кр = Т_{с max} – температура, определяемая условием эксплуатации ИС, С. Для данного варианта принимается равной 60,

_к – перегрев корпуса (см. 2.8), где Р_ = Р_КР.

Перегрев поверхности кристалла определяется по формуле:

(2.11)

где Р_КР – рассеиваемая мощность (потребляемая), Вт,

h_КР, S_КР – толщина и площадь кристалла ИС, м,

h_КЛ – толщина слоя клея (припоя), м,

_КР, _КЛ – коэффициенты теплопроводности кристалла (кремния) и клея (припоя), Вт/(м°С),

Таблица 2.2. Исходные данные для теплового расчета ПП микросхем:

№ вар	РКР, Вт	D, мм	a×b, мм	hКР, мм	Тmax доп, °С	КР, Вт/(м°С)	αКР, Вт/(м2°С)
24	0,20	15	2,0х2,0	0,25	85	80	300

Площадь кристалла S_КР определяется по формуле:

, (2.12)

Из формулы (2.11) найдем перегрев поверхности кристалла, подставив все известные значения. По заданию _КЛ=0,3 Вт/(м°С), h_КЛ=0,1 мм:

°C

Микросхема охлаждается через тонкий воздушный промежуток. Площадь окна для теплоотвода составляет:

, (2.13)

Перегрев кристалла при этом составляет составляет:

(2.14)

где α_кр – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2°С)

°C

°C

Подставив значения полученных величин, вычислим температуру элементов полупроводниковой ИС (2.10):

Рассчитанное значение превышает максимально допустимое для данной ИС, которое составляет T_{max доп}= 85 ˚C. Так как _{кр пов} +_к=20.595 °С, топология кристалла ИС требует переработки. Чтобы улучшить эффективность теплоотвода, увеличим линейные размеры кристалла. Пусть

м

м

Тогда м²

°C

Найдем перегрев поверхности кристалла:

Проверим: °С, что удовлетворяет условиям.

Таким образом, температура элементов полупроводниковой ИС:

°C

Вывод по результатам теплового расчета полупроводниковой микросхемы: при измененной топологии кристалла ИС обеспечивается нормальный тепловой режим работы ППИС.

2.3 Расчёт влагозащиты микросхем

2.3.1. Оценка влагостойкости полых корпусов

При использовании в технологии сборки ИС герметизирующих полимерных органических материалов (пластмассовые и металлополимерные корпуса) возникает необходимость предусмотреть защиту кристаллов от влаги.

Скорость процесса поглощения влаги материалом определяет коэффициент диффузии молекул воды для данного материала Д (м²/с); количество влаги, которое может поглотить полимер в данных климатических условиях определяет коэффициент растворимости Г (с²/м²); а способность материала пропускать влагу – коэффициент влагопроницаемос-ти В (с). Последний коэффициент характеризует процесс выравнивания концентраций влаги в двух различных объемах, разделенных мембраной из герметизирующего материала и содержащих различную концентрацию влаги в начальный момент времени. Эти коэффициенты взаимосвязаны:

(2.15)

Влагозащита полых корпусов оценивается временем , за которое давление паров воды внутри корпуса достигнет некоторого критического значения Р_кр, при котором наступает отказ. При этом общее время влагозащиты:

, (2.16)

где ₀ – время увлажнения материала оболочки, ₁ – время натекания влаги во внутренний объем корпуса.

, (2.17)

где d – толщина оболочки, м,

Из (2.17) следует, что насыщение материала герметика влагой осуществляется только путем молекулярной диффузии, обычно ₀ следует учитывать при d > 0.1мм.

(2.18)

Если внутри полого корпуса уже имеется воздух, который обладает определенной влажностью с парциальным давлением Р_H, то выражения (2.16 – 2.18) модифицируются:

, (2.19)

где P_кр – критическое давление паров воды внутри полого корпуса, которое задано как 0.95·P₀

Исходные данные для расчётов для данного варианта:

1. условия эксплуатации: температура и влажность при данном расчёте напрямую не учитываются. Данные факторы учитывается косвенно через парциальное давление паров воды в воздухе P₀, которое составляет 1 Па;

2. парциальное давление паров воды, приводящее к отказу составляет P_кр=0.95·P₀;

3. площадь герметизирующей оболочки, через которую молекулы воды диффундируют в корпус составляет S=4·10^-6 м²;

4. толщина герметизирующей оболочки составляет: d=3·10^-3 м;

5. Материал герметизирующей оболочки – Фторпласт 4, коэффициент диффузии влаги через данный материал составляет: Д_к= 8.34·10^-13 м²/с;

6. внутренний объём корпуса, в котором растворяется влага: V=10^-7 м³;

7. Влажностные коэффициенты В, Г, Д. Влажностные коэффициенты принимают значения, соответствующее материалу заливки объёма или значения, соответствующие воздуху при отсутствии заливки. В нашем случае, при наличии заливки, материал – Кремний органический эластомер: В_з=8.2·10^-15 с; Д_з=8.2·10^-12 м²/с; Г_з=10^-3 с²/м². При отсутствии заливки влажностные коэффициенты для воздуха равны: В_В=1.6·10^-16 с; Д_В= 2.133·10^-11 м²/с; Г_В= 7.5·10^-6 с²/м².

Требуется по соответствующим формулам рассчитать время безотказной работы при следующих условиях:

1. отсутствие влаги внутри корпуса без полимерной заливки в начальный момент времени;

2. внутри корпуса без полимерной заливки в начальный момент времени присутствует влага при парциальном давлении P_н= 0.5·P₀;

3. отсутствие влаги внутри корпуса с полимерной заливкой из указанного материала в начальный момент времени;

4. внутри корпуса с полимерной заливкой в начальный момент времени присутствует влага при парциальном давлении P_н= 0.5·P₀;

1. Расчёт времени безотказной работы микросхемы в корпусе без полимерной заливки при отсутствии влаги в начальный момент времени

По формуле (2.17) рассчитаем время увлажнения материала оболочки:

с

с

По формуле (2.18) рассчитаем время насыщения полости корпуса влагой:

с

По формуле (2.16) рассчитаем время безотказной работы в секундах и в сутках:

2. Расчёт времени безотказной работы микросхемы в корпусе без полимерной заливки при наличии влаги в начальный момент времени

Парциальное давление влаги внутри корпуса в начальный момент времени составляет: P_н= 0.5·P₀.

с

По формуле (2.19) рассчитаем время безотказной работы в секундах и в сутках:

3. Расчёт времени безотказной работы микросхемы в корпусе с полимерной заливкой при отсутствии влаги в начальный момент времени

Время увлажнения материала оболочки будет таким же, как в предыдущем случае:

с

По формуле (2.18) рассчитаем время насыщения полости корпуса влагой, подставив в данную формулу влажностные коэффициенты для материала полимерной заливки – кремния органического эластомера:

с

с

По формуле (2.16) рассчитаем время безотказной работы в секундах и в сутках:

4. Расчёт времени безотказной работы микросхемы в корпусе с полимерной заливкой при наличии влаги в начальный момент времени

Парциальное давление влаги внутри корпуса в начальный момент времени составляет: P_н= 0.5·P₀.

с

По формуле (2.19) рассчитаем время безотказной работы в секундах и в сутках, подставив в формулу влажностные коэффициенты для материала заливки:

Выводы по данным расчетов влагозащиты полых корпусов: для защиты кристаллов микросхем в полых корпусах от влаги следует применять полимерную заливку, однако при её применении в большей степени возникает проблема теплоотвода, так как любые полимерные материалы имеют очень низкую теплопроводность. Поэтому здесь стоит сложная задача: защитить кристалл и от перегрева, и от влаги.