ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5

РОЗРАХУНОК ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ ІНТЕГРАЛЬНОЇ

МІКРОСХЕМИ

 

 

Мета роботи: здійснити розрахунок теплових режимів інтегральної мікросхеми,  використовуючи вихідні дані елементів та характеристики конструктивних матеріалів.

 

Теоретичні відомості

 

Конструкція ІМС повинна бути такою, щоб теплота, що виділяється при її функціонуванні, не призводила в найбільш  несприятливих умовах експлуатації до відмов елементів у результаті перегріву. До тепловиділяючих елементів слід віднести насамперед резистори, активні елементи й компоненти. Потужності, що розсіюються конденсаторами й індуктивностями, невеликі. Плівкова комутація ІМС завдяки малому електричному опору й високої теплопровідності металевих плівок сприяє відводу теплоти від найбільш нагрітих елементів і вирівнюванню температури плати ГІС або кристалів напівпровідникових ІМС [5, 6].

Перегрів елемента або компонента ІМС (, °С), – різниця між їхньою температурою й середньою температурою поверхні корпусу. Максимально допустима температура  – максимальна температура елемента або компонента ІМС, при якій забезпечуються вимоги до їхньої надійності. Питома потужність розсіювання (, Вт/°С) – щільність теплового потоку від елемента ІМС, кристала або плати ІМС. Внутрішній тепловий опір елемента, кристала або компонента ІМС (, °С/Вт) – тепловий опір самого елемента (кристала, компонента) і тепловий опір контакта між елементом (компонентом) і платою (кристалом і корпусом) з урахуванням теплового опору клейового прошарку.

У випадку, коли весь тепловий потік зосереджений під елементом ІМС і спрямований до підкладки (рис. 5.1), при співвідношенні   тепловий потік плоскопаралельний і тепловий опір визначається за виразом:

                                      (5.1)

 

де – тепловий опір;

і  – коефіцієнти теплопровідності матеріалу підкладки й клею, Вт/(м.°С);

 і  – їх товщини;

b і l – розміри контакта тепловидільного елемента з підкладкою:

 

 .

 

 

 

Рисунок 5.1 – Тепловий потік від джерела теплоти при різних співвідношеннях між розмірами тепловидільних елементів і товщиною підкладки: 1 – тепловідведення;  2  – шар клею або компаунда; 3 – підкладка;
4 – тепловидільний елемент

 

При зменшенні розмірів джерела тепла тепловий потік стає розбіжним (рис. 5.1), ефективність тепловідведення збільшується й відповідно зменшується тепловий опір. Цей факт ураховується функцією   [5, 6]:

 

,                                              (5.2)

де ,

,

 і  – лінійні розміри плоского джерела теплоти.

Для керамічних, металокерамічних та металосклянних корпусів значення функції  подано на рис. 5.2.

Знаючи значення  або  для кожного елемента ІМС, легко розрахувати перегрів елементів за рахунок розсіюваної потужності, :

 

.                                                 (5.3)

Температура елемента:

 

 ,  ,                                  (5.4)

 

де – температура навколишнього середовища;

 – перегрів корпусу відносно температури навколишнього середовища.

 

Рисунок 5.2 – Значення функції :  – при ;  – при ;   –  при ;   –  при

 

У навісних дискретних компонентах найбільш чутливі до перегріву області р-п-переходів. Їх перегрів відносно підкладки визначається за виразом [5, 6]:

.                                                                    (5.5)

                 

Для навісного провідникового компонента:

 

.                                       (5.6)

 

Перегрів корпусів визначається конструкцією корпусу й потужністю розсіювання поміщених у нього кристала або плати ІМС, особливостями монтажу ІМС у складі мікроелектронного вузла або блока, способом охолодження. Тепловий опір корпусу:

 

,                                           (5.7)

 

де  – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²·°С);

 – площа теплового контакта корпусу з тепловідведенням.

При охолодженні шляхом природньої конвекції , при обдуві , при тепловідведенні кондукцією через тонкий (0,1 мм) повітряний проміжок , при тепловідведенні кондукцією через шар епоксидного клею товщиною 0,1 мм , при металевому тепловідведенні  .

Перегрів корпусу  можна оцінити за формулою:

 

,                                           (5.8)

 

де  – сумарна розсіювана потужність ІМС.

Формула (5.4) не враховує перегріву за рахунок взаємного впливу тепловидільних елементів, обумовленого накладенням теплових потоків усіх джерел теплоти, що утримуються в ІМС. Однак цей фоновий перегрів частково враховується значенням  .

Наведені формули слушні при таких допущеннях: коефіцієнти теплопровідності всіх матеріалів конструкції ІМС у досліджуваному діапазоні температур постійні; тепловіддачею через газовий прошарок усередині корпусу й через гнучкі дротові виводи можна знехтувати; тепловидільні елементи є плоскими джерелами теплоти; температура корпусу однакова у всіх його точках (ізотермічний корпус).

Нормальний тепловий режим елементів і навісних компонентів
 ІМС забезпечується при виконанні умов [5, 6]:

 

,

,                           (5.9)

де  – максимальна температура навколишнього середовища в процесі експлуатації, задана ТУ;

– максимально допустима робоча температура елемента й компонента, зазвичай вказана в ТУ на компоненти або матеріали плівкових елементів.

Для дискретних напівпровідникових приладів і напівпровідникових ІМС  ≈ 55, 85 і 125 °С (табличні дані), для діодів 85 °С, для конденсаторів К10-9, К10-17 – 80 °С, для конденсаторів К53-15, К53-16 – 75 °С.

Нормальний тепловий режим ІМС забезпечується, якщо температура найтеплонавантаженішого елемента ІМС не перевищує його
 максимально допустимої робочої температури [5, 6].

Таким чином, орієнтовний розрахунок забезпечення теплового
 режиму ГІС зводиться до визначення  і  всіх навісних компонентів і всіх резисторів ГІС і порівняння їх з  .

Необхідні дані для розрахунків: товщина підкладки 0,6 ÷ 0,8 мм, коефіцієнт теплопровідності матеріалу підкладки – згідно з табличними даними, товщина шару клею 0,1 мм, його коефіцієнт теплопровідності
0,3 Вт/(м·°С), внутрішній тепловий опір дискретних напівпровідникових приладів залежно від конструктивного виконання 200 ÷ 1600 °С/Вт. Наприклад, для безкорпусних транзисторів КТ331, КТ332 із заливанням герметиком з однієї сторони тепловий опір °С/Вт, а із заливанням герметиком із двох сторін  °С/Вт, для КТ307  °С/Вт, для КТ324 °С/Вт, для діодів КД901, 904_, 910, 911 °С/Вт.

При недотриманні нерівностей (5.9) необхідно вжити додаткових конструктивних заходів для забезпечення теплового режиму ІМС.

У тому випадку, коли тепловий розрахунок покаже необхідність прийняття конструктивних заходів для зниження перегрівання елементів і компонентів ІМС, у першу чергу зменшують теплові опори за рахунок використання матеріалів з більш високими коефіцієнтами  теплопровідності: полікорових підкладок замість ситалових, компаундів з наповнювачами у вигляді пилоподібних кварцу або кремнію, що збільшують коефіцієнт теплопровідності компаундів до 0,5 ÷ 0,8 і до 1,9 ÷ 2,4 Вт/(м·°С), замість клеїв с ко­ефіцієнтами, порядку 0,2 ÷ 0,4. Наступним кроком для полегшення теплових навантажень ІМС є переміщення потужних тепло­видільних елементів з плати на металеву основу корпу­су. Результатом такої зміни конструкції ІМС є вилучення теплового опору підкладки і шару компаунда в ланцюгу передачі теплоти потужних елементів. Подальше зменшення теплових навантажень пов’язано із заходами щодо забезпечення більш інтен­сивного теплообміну корпусу ІМС з елементами конструкції вузла або блока, аж  до використання рідкого охолодження тепловідведень і термоелектричних холодильників.

Особливість теплового розрахунку напівпровідникових ІМС полягає в тому, що напівпровідниковий кристал можна розглядати як єдиний тепловидільний елемент і вважати, що сумарна потужність джерел теплоти в ньому рівномірно розподілена в приповерхневому шарі. Ця особливість викликана в першу чергу високим коефіцієнтом теплопровідності кремнію [80 ÷ 130 Вт/(м·°С)], малими розмірами елементів і невеликими відстанями між елементами напівпровідникової ІМС. Експери­ментально встановлено, що розкид температур на поверхні кристала незначний (одиниці або частки градуса) [5, 6].

Температура елементів напівпровідникової ІМС:

 

.                                (5.10)

 

Умова забезпечення нормальних теплових режимів записується у вигляді

,                      (5.11)

 

де  – перегрів кристала відносно підкладки або основи корпусу.

 

Завдання

 

Використовуючи електричні параметри та геометричні розміри резисторів, дискретних діодів та транзисторів, що наведені в електричній принциповій схемі, провести їх орієнтовний тепловий розрахунок.

 

Звіт повинен містити

 

1. Вихідні дані.

2. Тепловий розрахунок резисторів, дискретних діодів та транзисторів.

3. Висновки.

 

 

Контрольні запитання

 

1. Які фактори необхідно враховувати для забезпечення надійних теплових режимів ІМС ?

2. Наведіть орієнтовний тепловий розрахунок резисторів.

3. Наведіть орієнтовний тепловий розрахунок транзисторів.

4. Наведіть орієнтовний тепловий розрахунок діодів.