Расчет обеспечения тепловой режима гибридной ИС

Основные дестабилизирующие факторы для гибридных интегральных микросхем являются термоактивированными: теплота, выделяющаяся в процессе работы микросхем при неблаго­приятных условиях, вызывает перегрев элементов и ускоряет наступление отказов. К таким факторам относятся: 1) превышение максимально допустимых значений электрических параметров полупроводниковых компонентов ИС, в результате чего может возникнуть явление теплового пробоя; 2) Нарушение температурного режима эксплуатации гибридной ИС, т.е. превышение максимально допустимой температуры окружающей среды, в результате чего может нарушиться теплоотвод. Здесь следует также добавить, что максимально допустимая температура окружающей среды определяется в основном конструкцией корпуса (площадь теплового контакта корпуса, материалы различных его частей, линейные размеры и т.д.).

Основными понятиями, используемыми при проведении тепловых расчетов, яв­ляются:

- перегрев элемента (компонента) ИС (q, °С): разность между температурой элемента и средней температурой поверхности корпуса;

- максимально допустимая температура элемента (компонента) ИС (Т_{max доп}): это температура, при которой обеспечиваются требования по надежности;

- удельная мощность рассеяния (Р₀, Вт / ° С): плотность теплового потока от элемента (компонента) ИС, кристалла или платы;

- максимально допустимая температура окружающий среды: температура среды в процессе эксплуатации (Т_{c max}), заданная ТУ;

- внутреннее тепловое сопротивление элемента (компонента) или кристалла ИС (R_{т вн}, °С/Вт): тепловое сопротивление самого элемента (компонента, кристал­ла) и тепловое сопротивление контакта между этим элементом (компонентом) и платой (кристаллом и корпусом) с учетом теплового сопротивления клеевой прослойки.

Считается, что:

- корпус изотермален, его температура во всех точках постоянна,

- коэффициенты теплопроводности (l_i) всех материалов конструкции ИС не за­висят от температуры в рассматриваемом диапазоне,

- тепловыделяющие элементы ИС являются плоскими источниками тепла,

- теплопередачей через газовую среду внутри корпуса и приволочные выводы можно пренебречь.

В случае протяженного источника тепла, имеющего линейные размеры bхl (рис. 2.1,а в приложении), при l,b>>h весь тепловой поток сосредоточен под элементом ИС, плоскопараллелен и направлен к подложке:

 

(2.1)

где l_n и l_k – коэффициенты теплопроводности материала подложки и клея соответственно, Вт /м °С,

h_n и h_k – толщина подложки и клеевого слоя, м,

b и l – размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой, м.

Б) При малых линейных размерах источника тепла тепловой поток становится расходящимся (рис. 2.1,б), увеличивается эффективность теплоотвода и падает тепловое сопротивление, которое рассчитывается:

(2.2)

Где g(q, r) – безразмерная функция поправок, значения которой определяются графиками (рис.2.2 в приложении):

q = l / 2h

r = b / 2h

h = h_n + h_k

Расчет значения R_T или R_Тэфф по формулам (2.1-2.2) позволяет определить как перегрев элемента q_э, при известной рассеиваемой мощности Р_э, так и его температуру Т_э,:

(2.3)

(2.4)

где Т_с – температура окружающей среды,

Т_к – температура корпуса (Т_к = Т_с + q_к),

q_k – перегрев корпуса относительно температуры окружающий среды.

Для определения температуры навесного дискретного компонента (Т_нк) ГИС следует учитывать перегрев области p-n – перехода относительно подложки (q_вн):

(2.5)

(2.6)

Расчет перегрева корпуса q_k, входящего в выражения (2.4) и (2.6), проводится при известных: конструкции корпуса, мощности рассеяния помещенных в корпус кристаллов или платы, способа монтажа ИС в составе узла или блока ИЭТ, способа охлаждения.

Сначала определяют тепловое сопротивление корпуса R_к:

(2.7)

где a – коэффициент теплопередачи, определяемый способом охлаждения, Вт/м² °С,

S_Т – площадь теплового контакта корпуса с теплоотводом, м²,

Перегрев корпуса можно оценить:

(2.8)

где Р_S – суммарная мощность, рассеиваемая ИС, Вт.

Соотношение (2.4) не учитывает перегрева за счет взаимного влияния соседних тепловыделяющих элементов, то есть положения тепловых потоков всех источников тепла данной микросхемы. Этот эффект частично учтен значением q_k.

Для обеспечения нормального по требованиям надежности теплового режима работы навесных компонентов и элементов ИС необходимо выполнение условий:

(2.9 а)

(2.9 б)

где Т_{с max} – максимальная температура окружающий среды в процессе эксплуатации, задаваемая ТУ на прибор,

Т_{max доп} – максимально допустимая рабочая температура элемента и компонента, оговариваемая в ТУ на компоненты или материалы пленочных элементов.

Таблица 2.1. Исходные данные для теплового расчета фрагмента ГИС:

№ вар	Подложка	Тип корпуса, размеры контакта, мм	РΣ, Вт	T0 max, °C	Исходные характеристики компонентов ГИС
Тип	h, мм		L, мм	B,мм	Pэ, Вт	Tmax доп, °C	Rт вн, °C/Вт
	БК	0,8	151.15-1 17х8	0,75		КТ 331 R1 R2	1,0 5,0 5,0	1,0 2,0 0.5	0, 25 0,2 0,5		- -

Расчёт температуры транзистора VT1

Рассчитаем тепловое сопротивление транзистора (2.1); считаем, что данный элемент – протяженный источник тепла.

Зададим предварительно параметры:

м

м

 

 

м

м

 

 

 

При малых линейных размерах источника тепла увеличивается эффективность теплоотвода и падает тепловое сопротивление, которое рассчитывается по формуле (2.2):

Найдем g(q, r):

 

 

 

— тепловое сопротивление при малых линейных размерах источника тепла.

Рассчитаем тепловое сопротивление корпуса, подставив известные значения в (2.7):

, где α₀=300 Вт/м² °С (из условия),

 

 

 

°C

Оценим перегрев корпуса (2.8):

Тогда температура корпуса равняется: Т_к = Т_с + q_к=50+18.382=68.382 ˚C

°C

Далее определим перегрев элемента за счет рассеиваемой мощности, используем при этом формулу (2.3):

 

По формуле (2.5) рассчитаем перегрев в области p-n-перехода:

°C

 

°C

По формуле (2.6) с учётом всех параметров, рассчитанных выше, найдем температуру транзистора VT1:

Как видно из расчетов, температура корпуса транзистора VT1 при заданных параметрах превышает максимально допустимую норму. Посмотрим внимательно на формулу расчета теплового режима навесного дискретного компонента и выявим, что наиболее всего влияет на конечный результат перегрев в области p-n-перехода q_вн. Так как мы не можем повлиять на мощность рассеяния в структуре заданного транзистора, заведомо известно, что пересчет не даст положительных результатов, однако попробуем снизить другие параметры путем изменения некоторых величин. В начальных условиях сказано, что транзистор и два резистора помещены­ в металлостеклянный корпус и посажены с помощью эпоксидного клея (h = 0.1мм) на теплоотводящую шину (a = 300). Зададим другие параметры: вместо эпоксидного клея будем использовать компаунд с наполнителем (SiO₂),теплопроводность которого выше, чем у эпоксидного клея в 2,5 раз, также переместим фрагмент ГИС с платы на металлический теплоотвод, что повысит α до 10⁵ Вт/м² °С. Увеличим площадь теплоотвода.

Повторим расчеты:

При a = 10⁵ и S_Т=18×10×10^-6 м тепловое сопротивление корпуса:

 

 

°C

Тогда перегрев корпуса будет равен:

 

Расчитаем тепловое сопротивление в случае протяженного источника тепла (2.1):

 

 

Тепловой расчет при малых линейных размерах источника тепла (g(q, r) остаётся прежним):

 

 

°C

Пересчитаем q_э с новыми значениями:

°C

Итак, найдем температуру навесного компонента с измененными параметрами:

 

Как видим, температурный режим работы транзистора КТ 331 был снижен, однако все равно не входит в заданные рамки, что и ожидалось, так как внутренний перегрев навесного компонента остался на прежнем, чрезвычайно высоком уровне. Напомним, что максимально допустимая рабочая температура элемента и компонента не должна превышать 85°С.

Рекомендации к использованию данного фрагмента ГИС: необходимо заменить используемый транзистор, так как его мощность рассеяния неприемлема в данных условиях, также как и внутреннее тепловое сопротивление. Рекомендуется заменить транзистор КТ 331 на другой, со значением рассеиваемой мощности не более 0.022 Вт.

Расчёт температуры резистора R1

По формуле (2.1) рассчитаем тепловое сопротивление резистора R1, считая данный элемент протяжённым источником тепла:

м

м

Далее, по формуле (2.2) рассчитаем эффективное тепловое сопротивление корпуса R1. Для данного расчёта сначала необходимо определить по графику значение γ_R1(q_R1,r _R1).

 

 

 

По графику безразмерный поправочный коэффициент приблизительно будет равняться:

 

 

°C

Далее по формуле (2.3) рассчитаем перегрев компонента за счёт рассеиваемой мощности:

 

По формуле (2.4) с учётом всех рассчитанных выше параметров рассчитываем температуру корпуса резистора R1:

°C

 

 

Как видно из расчётов, в данном случае получаем приемлемую температуру корпуса резистора R1.

Расчёт температуры резистора R2

По формуле (2.1) рассчитаем тепловое сопротивление резистора R2, считая данный элемент протяжённым источником тепла:

м

м

Далее, по формуле (2.2) рассчитаем эффективное тепловое сопротивление корпуса R2. Для данного расчёта сначала необходимо определить по графику значение γ_R1(q_R1,r _R1).

 

 

 

 

По графику безразмерный поправочный коэффициент приблизительно будет равняться:

 

 

Далее по формуле (2.3) рассчитаем перегрев компонента за счёт рассеиваемой мощности:

˚C

По формуле (2.4) с учётом всех рассчитанных выше параметров рассчитываем температуру корпуса резистора R1:

˚C

Как видно из расчётов, в данном случае получаем приемлемую температуру корпуса резистора R2.

Вывод по результатам расчетов теплового режима гибридной ИС: несмотря на попытку оптимизировать параметры теплопередачи для обеспечения нормального по требованиям надежности теплового режима работы навесных компонентов, не удалось достигнуть нормального режима работы дискретного компонента. С конструкцией корпуса можно ознакомиться в приложении (рис.2.4), рассчитываемый фрагмент ГИС представлен на рис. 2.3.