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: 1) непосредственно на основании корпуса эвтек­тической пайкой и 2) с помощью припоя (клея).

Температура элементов полупровод­никовых ИС (Т_э), для маломощных приборов

(2.10)

где q_{кр пов} – перегрев поверхности кристалла, °С

Т_кр = Т_{с max} – температура, определяемая условием эксплуатации ИС, °С. Для данного варианта принимается равной 60,

q_к – перегрев корпуса (см. 2.8), где Р_S = Р_КР.

Перегрев поверхности кристалла определяется по формуле:

(2.11)

где Р_КР – рассеиваемая мощность (потребляемая), Вт,

h_КР, S_КР – толщина и площадь кристалла ИС, м,

h_КЛ – толщина слоя клея (припоя), м,

l_КР, l_КЛ – коэффициенты теплопроводности кристалла (кремния) и клея (припоя), Вт/(м°С),

Таблица 2.2. Исходные данные для теплового расчета ПП микросхем:

№ вар	РКР, Вт	D, мм	a×b, мм	hКР, мм	Тmax доп, °С	lКР, Вт/(м°С)	αКР, Вт/(м2°С)
	0,20		2,0х2,0	0,25

 

Площадь кристалла S_КР определяется по формуле:

, (2.12)

 

 

Из формулы (2.11) найдем перегрев поверхности кристалла, подставив все известные значения. По заданию l_КЛ=0,3 Вт/(м°С), h_КЛ=0,1 мм:

 

°C

 

 

 

Микросхема охлаждается через тонкий воздушный промежуток. Площадь окна для теплоотвода составляет:

, (2.13)

 

 

Перегрев кристалла при этом составляет составляет:

(2.14)

где α_кр – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2°С)

°C

 

 

°C

Подставив значения полученных величин, вычислим температуру элементов полупроводниковой ИС (2.10):

 

Рассчитанное значение превышает максимально допустимое для данной ИС, которое составляет T_{max доп}= 85 ˚C. Так как q_{кр пов} +q_к=20.595 °С, топология кристалла ИС требует переработки. Чтобы улучшить эффективность теплоотвода, увеличим линейные размеры кристалла. Пусть

м

м

 

Тогда м²

°C

Найдем перегрев поверхности кристалла:

Проверим: °С, что удовлетворяет условиям.

 

Таким образом, температура элементов полупроводниковой ИС:

°C

 

Вывод по результатам теплового расчета полупроводниковой микросхемы: при измененной топологии кристалла ИС обеспечивается нормальный тепловой режим работы ППИС.

Расчёт влагозащиты микросхем