Условия охлаждения ИМС и их влияние на тепловые параметры

Зависимость внутреннего теплового сопротивления R_cp от температуры. Тепловое сопротивление R_cp с ростом температуры также возрастает. Это связано с уменьшением коэффициентов теплопроводности G конструктивных материалов. Для кремния G ≈ 360/T [Вт/см·К] для арсенида галлия G ≈ 145/T [Вт/см·К].

Такая форма зависимости соответствует относительному увеличению теплового сопротивления 0,3% на градус Кельвина. Теплопроводность керамики слабее зависит от температуры и изменяется на 0,1% на градус Кельвина. Так как внутреннее тепловое сопротивление определяется сопротивлением корпуса, то и температурная зависимость R_T определяется материалом корпуса. Значение R_T меняется не более чем на 10% при изменении температуры на 100 К. Разброс величины R_T для образцов одной партии также характеризуется величиной около 10%.

Зависимость внутреннего теплового сопротивления от интенсивности охлаждения. Принято считать, что внутреннее тепловое сопротивление R_cp является параметром конструкции ИМС и не зависит от интенсивности охлаждения. Однако это справедливо лишь в случае изотермичности поверхности корпуса. Последнее условие выполняется только в тех случаях, когда коэффициент теплоотдачи очень велик (α > 1 В/см²·К). При меньших значениях α внутреннее тепловое сопротивление возрастает с уменьшением α. Физически это объясняется тем, что при уменьшении интенсивности охлаждения тепловой поток, идущий от кристалла к поверхности корпуса, начинает все больше растекаться в стороны (рис.9.1). В результате возрастает эффективная длина теплового потока L_eff, причем таким образом, что отношение L_eff/A_eff увеличивается.

Рис.9.1. Тепловые потоки в основании корпуса при разных значениях α: α₁>α₂.

Конструктивным параметром считается минимальное значение R_cp, измеренное в условиях интенсивного охлаждения (например, с теплоотводом).

Зависимость внутреннего теплового сопротивления R_cp от площади кристалла A_c для корпусов с однородным основанием и при отводе тепла в теплоотвод удовлетворительно аппроксимируется формулой

, (9.6)

где L_1z и G – толщина основания корпуса и коэффициент теплопроводности материала основания.

Если известна хотя бы одна экспериментальная точка на зависимости теплового сопротивления от площади кристалла, то относительные изменения R_ср могут быть определены с очень хорошей точностью.

Зависимость полного теплового сопротивления от интенсивности охлаждения. Практически наиболее часто встречается случай воздушного охлаждения ИМС, когда коэффициенты теплоотдачи невелики. Микросхемы обычно помещены на плате, и характер конвективного потока определяется в основном платой, а не отдельными участками поверхности корпуса. В этом случае коэффициенты теплоотдачи разных частей корпуса различаются мало и их можно усреднить.

Полное тепловое сопротивление определяется как

, (9.7)

где А_eff – эффективная площадь теплоотдачи.

Под А_eff понимается площадь наиболее нагретого участка поверхности, рассеивающего значительную долю тепла. Если А – вся площадь поверхности, рассеивающей тепло, то K_eff = А_eff/A – коэффициент эффективности, показывавший, во сколько раз рассеиваемая поверхностью А мощность меньше максимально возможного значения соответствующей изотермической поверхности.

При уменьшении α эффективное значение площади A_eff сначала возрастает, а достигнув значения А, перестает зависеть от α. Физически это означает, что с уменьшением α ранее холодные периферийные участки поверхности тела, прогревшись, начинают рассеивать тепло.

Характер указанной зависимости A_eff от α приводит к тому, что при уменьшении α внешнее тепловое сопротивление R_pm = 1/(αA_pm) сначала возрастает незначительно. Лишь после того, как А_рm перестает меняться, зависимость R_pm от α становится обратно пропорциональной α. Степень зависимости A_effот α связана соотношением размеров платы и размещенных на ней микросхем. Если размеры платы в 10 и более раз превышают площадь размещенных микросхем, то R_pm практически перестает зависеть от α.

Соотношение между R_pm и α также слабо выражено при больших значениях α, когда A_eff равна площади микросхем.

Сам же коэффициент теплоотдачи α зависит от атмосферного давления, температуры и скорости обдува платы воздухом. Однако α не поддается прямому измерению, поэтому на практике предпочитают связывать внешнее тепловое сопротивление непосредственно с параметрами охлаждающей атмосферы: давлением, температурой, скоростью воздуха. При воздушном охлаждении коэффициент теплоотдачи имеет две составляющие: конвективную и излучательную. Конвективная составляющая α_к пропорциональна атмосферному давлению и составляет от 0,5 до 0,666 значения α при нормальных условиях. При переходе к вакууму α_к стремится к нулю, а значение α уменьшается в 2 – 3 раза, что подтверждено экспериментами. Однако если размер платы велик, а микросхемы имеют хороший тепловой контакт с платой, то, несмотря на уменьшение α, тепловое сопротивление R_pm увеличивается всего на 15 – 30 % за счет увеличения A_eff. Характер зависимости внешнего теплового сопротивления от атмосферного давления определяется теплопроводностью материала монтажной платы и тепловым контактом микросхем с платой.

При использовании принудительного охлаждения тепловое сопротивление сначала быстро падает с ростом скорости обдува υ. Затем при скорости 1,5 – 2 м/с спад R_pm замедляется. Дальнейшее увеличение скорости обдува сопровождается незначительным уменьшением теплового сопротивления и практически нецелесообразно.

Сравнение графиков на рис.9.2 показывает, что эффективность охлаждения с обдувом повышается с увеличением числа выводов корпуса (которые работают как ребра радиатора) и с увеличением теплопроводности материала корпуса (при равномерно разогретом корпусе A_eff = А).

Рис.9.2. Зависимости полного теплового сопротивления от скорости обдува: пластмассовый корпус типа 201.14-1 (DIP) (кривая 1); пластмассовый корпус типа 2 с теплорастекателем (кривая 2); керамические корпуса типа 2 с числом выводов меньше 20 (кривая 3); керамический корпус типа 402.16-2 (кривая 4); керамический корпус типа 421.48-3 (кривая 5)/

Конвективная составляющая коэффициента теплоотдачи слабо зависит от температуры, а излучательная составляющая возрастает с ростом температуры. При увеличении температуры на 10 град внешнее тепловое сопротивление уменьшается приблизительно на 3%.

Для расчетов теплового сопротивления используются как компьютерные программы, так и аналитические методы. Приблизительную оценку внутреннего теплового сопротивления можно получить. Пользуясь (9.7)

, (9.8)

где α – коэффициент теплоотдачи кристалла через пленку клея; A_C – площадь кристалла; G – коэффициент теплопроводности основания корпуса; L_Z – толщина основания корпуса; (A_C^1/2+L_Z) – средняя площадь сечения теплового потока. Тепловым сопротивлением кремниевого кристалла и теплоотвода мы пренебрегаем.

Дата добавления: 2015-10-13