2.1.1.Расчет обеспечения теплового режима гибридной ис.

До проведения теплового расчета необходимо предварительно самостоятельно ознакомиться с материалами, конструкцией основных элементов (компонентов) и корпусов гибридных ИС, типовой технологией сборочных операций по одному из учебников по технологии микроэлектронных приборов.

Расчет теплового режима заключается в определении значений параметров Т_нк и Т_э, всех навесных компонентов и всех резисторов ГИС и сравнении их со значением Т_{max доп}.

Необходимые исходные данные для теплового расчета:

• толщина подложки (h_п) варьируется в диапазоне (0,5 — 0,8)мм,

• коэффициент теплопроводности материала подложки (_п) в Вт/(м² С) для стек­ла С48-3 – 1,5; стекла С41-1 – 1,0; ситалла СТ50-1 – 1,5; поликора – 45; бериллиевой керамики – 210; плавленого кварца – 10,

• толщина слоя эпоксидного клея (h_к) составляет 0,1 мм при теплопроводности _к = 0,3 Вт/м °С, толщина слоя компаунда с наполнителем (SiO₂) 0,1 мм при _к = 0,8Вт/м°С,

• внутреннее тепловое сопротивление (R_{т вн}) дискретных компонентов полупроводниковых приборов лежит в диапазоне (200 – 1600) °С/Вт в зависимости от конструкции и типа прибора (справочные данные см. в таблице 2.1.)

• коэффициент теплопередачи () Вт/(м² °С), зависящий от способа охлажде­ния: при естественной конвекции  = (5 – 20), при обдуве воздухом  = (20 – 100), при теплоотводе кондукцией через слой эпоксидного клея тол­щиной 0,1 мм  = (300 – 3000), при металлическом теплоотводе  = (10⁴ – 10⁵).

Задание 2.1.

Провести ориентировочный тепловой расчет для фрагмента ГИС, представ­ленного на рис. 2.3., который состоит из транзистора и двух резисторов, помещен­ных в металлостеклянный корпус и посаженных с помощью эпоксидного клея (h = 0.1мм) на теплоотводящую шину ( = 300). Исходные данные для расчета приведе­ны в табл. 2.1. Установлена максимально допустимая температура (Т_{max доп} ) для ре­зисторов 125°С, для транзисторов – в зависимости от типа.

По результатам расчета необходимо сделать вывод о наиболее теплонагруженных элементах, возможности их использования в данном фрагменте ГИС и при­емлемости установленного значения температуры окружающий среды (Т_{c max}).

Если в результате предварительного расчета будет установлено превышение мак­симально допустимых температур, то для снижения перегрева элементов и компонентов микросхемы рекомендуется использовать материалы с повышенной теплопроводностью (поликор, бериллиевая керамика, компаунды с наполнителями), перемещение мощности тепловодителей с платы на металлическое основание корпуса, применение принудитель­ного охлаждения. Таким образом, следует повторить тепловой расчет с новыми выбранными ис­ходными данными до достижения положительного результата.

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: непосредственно на основании корпуса эвтек­тической пайкой (1) и с помощью припоя (клея) (2). Температура элементов полупровод­никовых ИС (Т_э), для маломощных приборов

(2.11)

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

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),

Т_кр = Т_{с max} – температура, определяемая условием эксплуатации ИС, С,

_к – перегрев корпуса (см. 2.9), где Р_ = Р_КР.

Для случая ИС большой мощности возможно существенное отличие температуры отдельных элементов от среднеповерхностной при условии Рц-р / 8«р ^> 1 Вт/мм и если элементы таких микросхем имеют квадратную форму, то их максимальная температура рассчитывается:

где l_э – линейный размер элемента,

Р_э – рассеиваемая мощность элемента,

S_э – площадь элемента.

Таким образом, нормальный тепловой режим обеспечивается при выполнении условия:

(2.12)

Если это условие не выполняется, то следует выбрать иные конструктивно-технологические условия процесса сборки и расчет повторить. Если расчетное значение

перегрева _{кр пов} + _k превышает величину (10 – 20 °С), то топология кристалла ИС требует переработки.

Задание 2.2.

Оценить температуру поверхности кристалла полупроводниковой ИС при известном значении рассеиваемой (потребляемой) мощности Р_кр. Микросхема размещена в круглом металлостеклянном корпусе, диаметр основания которого D, размер кристалла а х b мм, охлаждение корпуса осуществляется кондукцией через тонкий воздушный промежуток.

В вариантах 1 – 6 и 13 – 18 установка кристалла проведена эвтектической пайкой (Au и Si), то есть h_КЛ = 0, в вариантах 7 – 12 и 19 – 24 - посадкой на эпоксидный клей (h_КЛ = 0,1мм, _КЛ = 0,3 Вт/(м °С)). Значение Т_{с max} следует взять из соответствующею варианта табл. 2.1.

Внимание! При оформлении пояснительной записки необходимо привести чер­тежи конструкции металлостеклянного корпуса, используемого для герметизации фраг­мента ГИС. Классификация, конструкции и описания корпусов микросхем приведены в литературе [3-5].