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

, (9.1)

где U_ol и U_oh – 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 R_T. Единицей измерения R_T является [град/Вт] или [К/Вт] и определяется как отношение разности температур к выделяемой тепловой мощности.

Тепловое сопротивление полупроводниковый кристалл-корпус R_ср характеризует конструкцию ИМС (внутреннее тепловое сопротивление), тепловое сопротивление корпус-среда R_pm – условия охлаждения ИМС (внешнее тепловое сопротивление). Полное тепловое сопротивление R_tt является интегральной характеристикой условий охлаждения ИМС (R_tt = R_ср + R_pm).

Переходное тепловое сопротивление R_T1 и тепловая постоянная времени τ_T определяют процессы разогрева и охлаждения ИМС при включении и выключении электрической мощности. Постоянная времени определяется теплоемкостью ИМС C_T[Дж/К] и полным тепловым сопротивлением R_tt,

;

– включение;

– выключение. (9.2)

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

, (9.3)

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

. (9.4)

Контакты между телами могут иметь тонкие прослойки, размерами которых можно пренебречь по сравнению с размерами контактирующих тел, например, слой клея между кристаллом и основанием корпуса, слой пасты между основанием корпуса и теплоотводом. В этом случае коэффициент теплоотдачи α характеризует теплоперенос между телами уже с учетом теплового сопротивления прослоек.

Типовые значения величины α в единицах [Вт/см²·К];

– конвекция в воздухе – 0,001 – 0,004;

– обдув поверхности потоком воздуха – 0,004 – 0,01;

– естественная конвекция в воде – 0,03 – 0,06;

– теплоотдача кремниевого кристалла через пленку клея – 0,4 – 0,7;

– теплоотдача кремниевого кристалла через пленку пасты КПТ – 8 на медном теплоотводе – 2,2;

– теплоотдача между металлическими поверхностями при их соединении болтами – 0,45.

Дата добавления: 2015-10-13