Обеспечение теплоотвода при монтаже высокоскоростных модулей на основе бескорпусных бис
На уменьшение теплового сопротивления (Rт) «кристалл - окружающая среда (внешние монтажные выводы МКМ)» направлено развитие технологий как создания СБИС, так и их монтажа в МКМ. При корпусном исполнении применение керамических микрокорпусов обеспечило снижение теплового сопротивления почти вдвое (с 40 до 20 К/Вт для 24-выводного кристалла) по сравнению с пластмассовыми корпусами. Дальнейшее снижение Rт даже в конструктиве керамического микрокорпуса стало возможным только при введении в конструктив дополнительных теплоотводов, увеличивающих массогабаритные показатели корпуса, или применяя внешний обдув, увеличивая скорость воздушного потока. Действительно, уменьшение размеров микрокорпуса приводит к ограничению площади, участвующей в теплопередаче конвекцией, зазор между основанием кристаллоносителя и платой препятствует отводу тепла к металлизированной поверхности платы посредством теплопроводности, а выводы, служащие в корпусах своеобразными радиаторами, в кристаллоносителях укорочены или отсутствуют. Поэтому во многих публикациях указывается на необходимость конструктивной доработки носителей для сборки кристаллов с обеспечением либо большей рассеиваемой мощности, либо организации воздушного принудительного или жидкостного охлаждения. Фирмой Texas Instruments путем моделирования на ЭВМ представлены зависимости Rт от разности температур между корпусом (за температуру корпуса была принята температура выводов) и средой для ряда кристаллоносителей (рис.1.14), подтверждающие вышеупомянутые выводы.
Рис. 1.14. Расчетные зависимости величины Rja от температуры перегрева корпуса для пластмассового кристаллоносителя с 68 выводами (кривая 1) и керамических 68- (кривая 2) и 84-контактных (кривая 3) кристаллоносителей.
Применение матричных микрокорпусов с повышенной степенью заполнения матрицы, то есть увеличенным числом выводов, служащих одновременно мини теплоотводами, к существенному уменьшению Rт не привело. Положительные результаты стали достигаться после введения промежуточных высокотеплопроводных вставок или теплорастекателей из бериллиевой керамики, карбида кремния, медных или алмазных пластин. Тепловое сопротивление таких корпусов (рис. 1.15, 1.16) с учетом введения радиаторов и внешнего обдува удается снизить до 5 К/Вт.
2
1
Рис. 1.15. Матричный корпус ЭСЛ СБИС фирмы Mitsubishi Elektric 1- индиевый припой, 2- медная пластина, 3- радиатор, 4- крышка корпуса, 5- припой, 6- основание корпуса
Рис. 1.16. Шестикристальный модуль фирмы Hitachi.
1- пластина карбида кремния, 2- припой, 3- радиатор, 4- стеклоприпой, 5- керамическая плата, 6- крышка, 7- выводы.
Применение конструктивно-технологического варианта, представленного на рис.1.16 для многокристального исполнения, осложнено тем, что требуется высокая прецизионность монтажа теплопроводных вставок для кристаллов различной толщины. В противном случае наблюдается нарушение целостности паяных соединений кристалла с платой, выполненных через шариковые выводы. Массогабаритные показатели такого МКМ существенно ухудшаются за счет весьма объемного радиатора.
Для улучшения теплорассеивания наряду с радиаторами, смонтированными индивидуально на каждом кристалле в МКМ, используют теплопроводные штыри. Примером таких конструкций является модуль, имеющий плоское основание с многослойной подложкой, на которую монтируются кристаллы обращенным способом. Модуль герметизируется П-образной крышкой, изготовленной из Al, Cu, W, AlN и др. В верхней части радиаторов имеется набор горизонтальных параллельных пластин, а в нижней - цилиндрические штыри из Al, Cu или керамики, конец которых имеет округлую форму. Штырь проходит через круглое отверстие в крышке и упирается в кристалл. Чтобы улучшить отвод тепла от кристалла и механического крепления радиатора, в зазор между крышкой и штырем вводится расплавленный припой Sn-Pb, который, стекая по штырю, образует конусообразную форму вокруг штыря на кристалле и герметизирует крышку.
Улучшение тепловых характеристик в модулях подобных конструкций можно достигнуть путем введения подпружинивания теплопроводных плунжеров. В модуле на бескорпусных БИС фирмы IBM наряду с этим для внешней теплоотдачи используется принудительное жидкостное охлаждение (рис. 1.17).
Еще одним из направлений снижения теплового сопротивления являются конструктивы, использующие вместо штырей и прижимных плунжеров теплопроводные наполнители. Примером может служить устройство, представляющее собой чашеобразную крышку, герметично закрывающую подложку путем припаивания или приклеивания фланца к подложке. Крышка выполнена из материала с высокой теплопроводностью. Внутренняя полость крышки разделена тонкими перегородками на ячейки-соты, нависающими над каждым из кристаллов, смонтированных на подложку способом “флип-чип”. В ячейки заливается полуотвержденный теплопроводный адгезив. При нагреве адгезив, размягчаясь, образует тепловой контакт с соответствующим кристаллом ИС. Для оптимизации теплового режима работы модуля, адгезив помещают в разные ячейки-соты с разной теплопроводностью в зависимости от уровня выделяемой кристаллом мощности.
а) детали модуля перед сборкой
11
4
9
7
10
6
б) конструкция теплоотвода с подпружиниванием
Рис.1.17. Тепловой модуль устройства фирмы IBM на бескорпусных СБИС.
1 - каналы для воды, 2- стопор, 3- прокладка, 4- многослойная плата, 5- основание, 6- пружина, 7- плунжер, 8- фланец, 9- кристалл, 10- крышка, 11- панель охлаждения
Теплопроводные вставки (из металла, псевдосплава Cu-W) выполняются и внутри подложки, герметично заполняя сквозные отверстия в подложке. Монтаж кристаллов ведется именно на эти вставки. Имеются сообщения, что подобные вставки могут выполняться в виде глухих или сквозных узких отверстий, заполненных теплопроводящим материалом. Характерен способ, предусматривающий вытравливание вертикального отверстия, которое проходит через многослойную структуру, состоящую из чередующихся слоев металла и диэлектрика. Это отверстие, на дне и боковых стенках которого имеются нанесенные многослойные структуры, заполняют теплопроводным материалом – полимер с серебряным порошком в качестве наполнителя или припоем. С помощью этого материала также присоединяют полупроводниковые кристаллы к верхней многослойной структуры металлизации. Подложку в таких модулях выполняют из теплопроводного зеркально-полированного AIN. На верхней поверхности сборки также размещают пластину из Cu-W, которая служит теплоотводом.
Отмечается, что наиболее прогрессивным методом при кондуктивном охлаждении является использование металлических оснований коммутационных плат. При монтаже ИС, особенно бескорпусных, они позволяют избавиться от массогабаритных устройств теплоотвода (характерных для мощных корпусных ИС), позволяют избежать неравномерности перегрева ИС. Как было отмечено наиболее эффективным материалом в технологии монтажа МКМ для этого является анодированный алюминий и его сплавы.
Конструктивные решения с размещением кристаллов в отверстиях (выемках) платы (и в первую очередь металлического основания) интересны для реализации теплостока, так как в этом случае кристаллы дополнительно могут рассеивать тепло в подложку и через свои боковые поверхности. Однако, как отмечалось ранее, здесь требуется высокая точность совмещения и в то же время теряется много коммутационной площади на формирование переходов в диэлектрике, при этом целостность электроцепи зависит от многих трудно контролируемых технологических факторов: обеспечения плоскостности кристаллов и платы, соосности кристаллов, исключение провалов термопластика по краям кристалла и т.п. и крайне ограниченная ремонтнопригодность.
Большое значение для теплостока играет и технология установки кристалла на основание платы (корпуса): приклеивание или пайка. Пайка будет обеспечивать более низкое тепловое сопротивление. При этом отмечается, что при креплении бескорпусных СБИС на коммутационную плату наличие металлических выводов и их плотность существенно сказываются на условиях теплоотдачи. Так, нанесение на стеклоэпоксидную печатную плату металлических полосок, на которые устанавливаются теплорассеивающие элементы, улучшают их тепловые характеристики почти на 40% (полоски соединяются с земляным выводом или рамой платы).
Для многослойных двусторонних плат на полиимидной пленке, установленных на металлическую пластину, матрица металлизированных пропаяных отверстий способствует эффективному теплоотводу на металлизированную пластину (алюминий) с диэлектрическим покрытием (оксидированный слой).
Применение гетероструктурных подложек для обеспечения теплоотвода при повышенной мощности рассеяния МКМ (в отдельных случаях и для согласования ТКР материалов платы и монтируемых элементов) отмечается в ряде конструктивов.
Однако наиболее эффективным является конструктивно-технологическое решение, когда производится суперпозиция плат с высокой плотностью разводки коммутации, прошедших полную аттестацию на годность, и высокотеплопроводных, как правило, металлических оснований, обеспечивающих непосредственный на них монтаж теплонапряженных кристаллов. При таком решении обеспечиваются как высокая плотность коммутации, так и минимальное тепловое сопротивление «кристалл – основание МКМ».
В развитие именно такого конструктива обосновано обеспечение повышенного теплостока в технологии высокоплотного монтажа многокристальных модулей на гибких полиимидных носителях. Многослойные полиимидные платы-носители изготавливаются с использованием высокоразрешающей тонкопленочной технологии, аттестуются на годность, а затем устанавливаются на теплопроводные металлические основания с обеспечением монтажа кристаллов СБИС КГА (на гибких носителях) либо на теплопроводные сквозные припойные каналы в плате, спаяные в вакууме с металлическим основанием, либо непосредственно на пьедесталы металлического основания.
Лекция 15. Конструктивно-технологические принципы построения ячеек и блоков СВЧ-диапазона.