Глава 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

PT = ICCVCC + nIolUol − mIohUoh , (9.1)

где Uol и Uoh – 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 RT. Единицей измерения RT является [град/Вт] или [К/Вт] и определяется как отношение разности температур к выделяемой тепловой мощности.

Тепловое сопротивление полупроводниковый кристалл-корпус Rср характеризует конструкцию ИМС (внутреннее тепловое сопротивление), тепловое сопротивление корпус-среда Rpm – условия охлаждения ИМС

93

(внешнее тепловое сопротивление). Полное тепловое сопротивление Rtt является интегральной характеристикой условий охлаждения ИМС ( Rtt = Rср + Rpm).

Переходное тепловое сопротивление RT1 и тепловая постоянная времени τT определяют процессы разогрева и охлаждения ИМС при включении и выключении электрической мощности. Постоянная времени определяется теплоемкостью ИМС CT [Дж/К] и полным тепловым сопротивлением Rtt,

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

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

94