Тепловой режим полупроводниковой ИМС

Корпус полупроводниковой ИС защищает элементы кристалла от воздействия внешних механических и климатических факторов, и обеспечивает необходимый тепловой режим элементов.

Проблема теплоотвода тесно связана с проблемой обеспечения высокой надежности микросхем. Экспериментальные данные показывают, что интенсивность отказов возрастает в 1,5…2 раза на каждые 10⁰С повышения температуры p-n-переходов кристалла.

Конструкция корпуса и теплотехнические свойства материалов в значительной степени определяют тепловой режим элементов кристалла. На рис. 9.5а показана упрощенная модель распределения тепловых потоков в ИС с полым стеклянным или металлокерамическим корпусом. Источники тепла с мощностями Р1, P2,..., Рi, Рn и площадями S1, S2…, Si, Sn расположены в тонком приповерхностном слое кристалла.

Рис. 9.1. Упрощенные модели микросхем в полом (а) и в пластмассовом (б) корпусе: 1- источник тепла; 2 - кристалл; 3 – клеевая прослойка (припой); 4 - корпус; 5 – теплоотвод; 6 – пластмасса; 7 – металлическая вставка-основание

От источников к корпусу тепловой поток передается в основном в результате кондуктивного теплообмена. Передача тепла от корпуса в окружающую среду (атмосфера, теплоотвод) осуществляется путем конвективного и лучистого теплообмена, если корпус теплоизолирован от теплоотвода (корпус имеет штыревые выводы, зазор между дном корпуса и теплоотводом достаточен для эффективного перемешивания воздуха). Если же корпус находится в тепловом контакте с теплоотводом (тепловая воздушная стенка или клеевая прослойка, непосредственный контакт), то значительная часть теплового потока кристалла может отводиться в теплоотвод через дно корпуса.

В микросхеме с пластмассовым корпусом (рис. 9.5.б) для повышения эффективности кондуктивного теплообмена применяют армированные металлические вставки – основания (7). Кристалл (2) приклеивается к металлическому основанию и спрессовывается пластмассой (6).

При анализе теплового режима элементов кристалла необходимо учитывать следующие особенности его конструкции: источники тепла расположены на небольших расстояниях друг от друга (20...100 мкм); кристалл имеет малые продольные размеры (1,5...5 мм), толщина кристалла h _кр ≈ 200 мкм; кремний имеет высокий коэффициент теплопроводности λкр≈ 80…130 Вт/(м×°С). Исследования показывают, что температурный рельеф на поверхности кристалла имеет небольшие отклонения (единицы градусов) от средней поверхностной температуры кристалла Т _пкр. Эти особенности при проведении инженерных расчетов позволяют сделать допущение о том, что суммарная мощность источников тепла Р = Р1+Р2+... + Рi + Рn равномерно распределена по поверхности кристалла с площадью Sкр.

Эквивалентная электротепловая схема микросхемы, модель которой изображена на рис. 9.5а, показана на рис. 9.6.. Здесь приняты следующие обозначения: R_{Т кр} = h _кр /(λ_кр S _кр) – среднее тепловое сопротивление кристалла; R_{Т кл} = h _кл/(λ_кл S _кр) – тепловое сопротивление слоя клея толщиной h _кл с коэффициентом теплопроводности λ_кл; R_{Т вн к} – внутреннее тепловое сопротивление корпуса (тепловое сопротивление между внутренней поверхностью основания, в которую втекает тепловой поток от кристалла, и наружной поверхностью корпуса, с которой тепловой поток отводится во внешнюю среду); R_{Т пк-с} – тепловое сопротивление поверхность корпуса – окружающая среда.

Рис. 9.2. Эквивалентная электротепловая схема ИС с полым корпусом: Tп кр, Tокр, Tо к, Tп к, Tс соответственно температура поверхности кристалла, основания кристалла, поверхности основания корпуса в области закрепления кристалла, поверхности корпуса и окружающей среды

Если корпус изолирован от теплоотвода, передача тепла в окружающую среду происходит со всей наружной поверхности корпуса Sкн вследствие конвекции и теплоизлучения. При этом R_{Т пк-с} ≈ R_{Т лк} = 1/(α _Т × S _кн), где R_{Т лк} – тепловое сопротивление лучистому и конвективному тепловому потоку; α _Т – эффективный коэффициент теплоотдачи.

При хорошем контакте корпуса с теплоотводом отвод тепла от корпуса осуществляется в основном в результате кондуктивного теплообмена через торцевую поверхность корпуса S _кт.

В этом случае R_{Т пк-с} ≈ R_{Т кон} = 1/(α _Т × S _кт), где R_{Т кон} – тепловое сопротивление контакта корпус-теплоотвод; α _Т – эффективный коэффициент теплоотдачи, равный удельной теплопроводности контакта корпус – теплоотвод, Вт/(м2×°С). Величина коэффициента α _Т зависит от условий охлаждения корпуса: естественная конвекция и излучение 5...20, обдув 20...100, при плотно прижатых металлических поверхностях (1...10) 104 Вт/(м2 ×°С).

Полное тепловое сопротивление корпуса

R_{Т к} = R_{Т вн к} + R_{Т пк-с}.

В инженерной практике при расчете полного сопротивления корпуса используются графики R_{Т к} = f(α _Т), которые строятся на основании экспериментальных данных или рассчитываются по эмпирическим формулам.

Нормальный тепловой режим элементов кристалла обеспечивается при выполнении условия

T _пкр = T _cmax + P × R_{Т пкр-с} ≤ Tдоп,

где T _cmax – максимальная температура окружающей среды; R_{Т пкр-с} = R_{Т кр} + R_{Т кл} + R_{Т к} – полное тепловое сопротивление поверхность кристалла – окружающая среда; T _доп – допустимая температура элементов кристалла, определяемая заданной надежностью ИС (Tдоп ≈ +150...175° С).

Из следующего выражения можно найти допустимое значение полного теплового сопротивления корпуса R_{Т к}, если заданы T _доп, T _сmax, Р, размеры кристалла и известен способ крепления кристалла к корпусу:

38. Какие разновидности корпусов ИМС вы знаете?