Главная Источники вторичного электропитания - часть 2



13.3. Расчет тепловых режимов при конструировании гибридных интегральных микросхем и микросборок

При расчете тепловых режимов конструкции гибридных ИМС и микросборок независимо от технологии их изготовления могут быть представлены двумя моделями, изображенными на рис. 13.7 (108, 109, 111). Первая модель соответствует корпусированным ИМС и микросборкам, вторая - бескорпусным. Учитывая, что в обеих моделях основная доля теплоты передается от подложки к корпусу или от теплоотводящей шины в окружающую среду, при расчете их тепловых режимов можно воспользоваться единой тепловой моделью и тепловой схемой, которые приведены на рис. 13.8 и 13.9. Тепловая модель иа рис. 13.8 представляет собой двухслойный прямоугольный параллелепипед с размерами /j, /2 и /а = п + + h„, где Лп - толщина подложки, Л„ - толщина слоя клея или компаунда. Если в микросборке подложки припаиваются к корпусу, то, пренебрегая тепловым сопротивлением контакта, тепловую модель можно рассматривать как однослойный параллелепипед, состоящий только из подложки толщиной /3 = Лц- Источники теплоты размещаются произвольно иа верхней большой стороне параллелепипеда. Температура корпуса (теплоотводящей шины) микро-сборки считается изотермической поверхностью с температурой Гц.

При расчете теплового режима микросборок с заданной топологией определяют температуру пленочных и дискретных бескорпусных элементов (резисторов, конденсаторов, транзисторов, диодов и др.), расположенных на поверхности подложки, сравнивают по-

2 3


Рис. 13.7. Модели конструкций корпусированной (а) и бескорпусной (б) микросборок:

/ - корпус (теплоотводящая шина); 2-подложка: 3 -клей илн компаунд;

4 - выводы


Рис. 13.8. Тепловая модель мнкросборки



Рис. 13.9. Тепловая схема микросборкй


Рп1-"гЧР-ЧР

Pan-

лученные температуры элементов с допустимыми температурами Tig, указанными в ТУ, а затем делают заключение о приемлемости теплового режима элементов. При расчете пленочные элементы заменяют плоскими источниками теплоты, дискретные представляют плоскими источниками теплоты с той же мощностью и внутренним тепловым сопротивлением между переходом и поверхностью подложки. Источники теплоты представляют в виде плоских прямоугольников с размерами гд х 22- параллельных осям х к у па тепловой модели (см. рис. 13.8).

В гибридных ИМС и микросборках, как правило, иа поверхиости подложки плотно друг около друга расположено большое число элементов, поэтому при разработке топологии необходимо учитывать взаимодействие их тепловых полей.

Предполагая, что система линейна, для определения температуры /-го элемента применяют принцип суперпозиции тепловых полей

7i = r„-f»,i + %=r„-b 2 (13.29)

где Ьц - собственный перегрев, обусловленный только мощио-

стью 1-го источника; = 2 - фоновый перегрев от всех

остальных источников теплоты; bji - фоновая составляющая перегрева i-ro элемента, обусловленная /-м источником теплоты; п - число источников теплоты.

При практических расчетах фонового перегрева вводится понятие о зонах влияния или зонах тепловой защиты, за пределами которых влияние фоновой составляющей температурного поли пренебрежимо мало. Другими словами, зона тепловой защиты определяет расстояние, за пределами которого тепловым влиянием соседних ЭРИ можно пренебречь (рис. 13.10). Размеры зоны тепловой защиты можно определить по результатам поверочного теплового расчета топологии по приведенной ниже методике. Приближенно эти

Рис. 13.10. Схема конструкций зон защиты

□ с

□ □


18 Зак. 726



г,5]

ОЛ О

1,0/

0,2 ОЛ 0,6 /г а)

0,5 О

0,2 0,11 J.S Pj

Рис. 13.И. Графики для определения ширины зон защиты:

а - при двусторонней защите; б - при защите по периметру

размеры можно также оценить с помощью графиков, приведенных иа рис. 13.11 И081.

Ширина зоны защиты зависит от геометрических размеров поверхности подложки, занятой навесными элементами, приведенной толщины подложки и максимально допустимой удельной мощности рассеяния пленочных резисторов.

Параметры а н обозначенные иа графиках, находятся из соотношения а= Uh, рт= PJPn, где / - меньший размер зоны, занимаемый навесными элементами, tt-h-a + Л„ - приведенная толщина подложки; Ро -- удельная мощность рассеяния пленочных резисторов; Р, - максимально допустимое значение удельной мощности рассеяния пленочных резисторов, при которой обеспечивается нормальный тепловой режим навесных элементов.

С помощью рис. 13.11 через параметры а и находят значение коэффициента б, а затем определяют ширину зоны защиты /3== = Ы%. Если при выбранной конструкции микросборки размеры зои защиты не удовлетворяют требованиям топологии, то применяют дополнительные конструктивные меры, в том числе используют материалы подложки и компаундов с более высокой теплопроводностью, специальные методы монтажа (например, размещение мощных бескорпусных транзисторов непосредствен ио иа металлическом основании корпуса) нли применяют более интенсивные средства охлаждения.

В качестве материалов для корпусов получили распространение алюминиевые сплавы, ковар н пластмассы, для подложек - ситаял, поликор, бериллиевая керамика (табл. 13.11).

Пример. Рассчитать тепловой режим элементов фрагмента топологии микросборки (рис. 13.12) для двух вариантов конструкций подложки: а) из поликора; б) из ситалла. Толщина Aii = 0,5 • 10- м; элементы установлены на корпус с помощью клея толщиной Ак = = 0,1 • 10- м. Исходные данные следующие.

Керамический резистор R: мощность Р = 50-10-* Вт; размеры в плане 2Ai = 3,5 • Ю-з м; 2Да = 3,0 • 10- м; плотность теплового потока qa = Р/2Д1 • 2Д2 = 0,477 • 10* Вт/м*.

Бескорпусной транзистор УГтипа 2Т625АМ-2: Р = 250 • Ю-Вт; 2Д1 = 1,0 • 10-3 м; 2Д2 = 3 10-3 м; р, == 8,33 • 10* /? =

= 35 К/Вт.

Керамический конденсатор С7 типа К10-17: 2Ai = 1,5-10-м, 2Aj== 1,5 • 10-3 м:

а). Определяем собствен1ый перегрев перечисленных элементов, установленных на подложке из поликора = 30 Вт/м • К, с помощью клея Я„ = 1,5 В7/М • К).



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 [179] 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189


0.0485