Моделирование стационарного температурного поля гибридно-плёночной интегральной схемы методом электрических сеток

Министерство Образования Российской Федерации

Красноярский Государственный Технический Университет

Кафедра КиПР

Лабораторная работа №4

Моделирование стационарного температурного поля гибридно-плёночной интегральной схемы методом электрических сеток

Выполнил: ст. гр. Р32-3

Пелех Е.С.

Прокопенко В.С.

Проверил: Круглик И.В.

Красноярск 2005

Цель и задачи работы

Для многих тепловыделяющих элементов недостаточно знать температуру их поверхности, необходимо иметь температурное поле внутри элемента. Разнообразие типов элементов и сложность протекающих в них процессов теплообмена создают большие трудности для выработки точной и универсальной методики расчёта внутренней температуры. Поэтому широкое применение находит моделирование температурного поля элементов на электрических моделях.

Цель работы – изучение принципов расчёта и построения электрической модели в виде резистивной сетки на примере моделирования теплообмена в конструкции гибридно-плёночной интегральной схемы (ГПИС).

Задачи работы:

– ознакомление с основами электротепловой аналогии и принципами построения сеточной модели теплового объекта;

– расчёт параметров резистивной электрической сетки для моделирования стационарного температурного поля ГПИС;

– построение сетки и проведение на ней измерений;

– восстановление температурного поля объекта.

Оборудование, измерительные приборы, образцы

Предполагается проведение эксперимента по сеточному моделированию стационарного теплового режима гибридно-плёночной интегральной схемы (ГПИС) в металлостеклянном корпусе (рис. 1).

Конструкция ГПИС представляет собой слоистую структуру: слой ковара толщиной ~ 0,15 мм (основание корпуса), слой мастики или эпоксидного компаунда 0,1-0,2 мм, которым подложка крепится к корпусу, слой диэлектрической подложки 0,501,0 мм, воздушный промежуток, слой ковара (верхняя крышка). Модель построена со следующими допущениями.

1. Поверхность металлического корпуса, обладающего высокой теплопроводностью, принимается изотермической.

2. Тепловой поток от источников тепла (резисторы и дискретные активные элементы) достигает изотермического корпуса только через толщу подложки и клеевого слоя вследствие низкой теплопроводности воздуха, расположенного выше подложки.

3. Тепловое сопротивление между металлическими и резистивными плёнками и изоляционной подложкой не учитывается.

4. Активные элементы ГПИС рассматриваются как эквивалентные по площади и тепловой мощности плёночные резисторы, т.е. тепловое сопротивление эпоксидного клея между полупроводниковым кристаллом и подложкой не учитываются.

5. Из-за малой толщины плёнок ГПИС пренебрегаем их шунтирующим действием по сравнению с тепловым сопротивлением подложки.

6. Коэффициенты теплопроводности материалов ГПИС принимаем постоянными.

7. Лучистый и конвективный коэффициенты теплоотдачи с поверхности корпуса постоянные. Теплоотдача происходит со всей поверхности корпуса. Теплопроводностью выводов пренебрегаем.

При указанных допущениях объекту эквивалентна плоская резистивная сетка.

Рис. 1

Порядок проведения работ

1.  Для выполнения работы необходимо ознакомиться с основами электротепловой аналогии и сеточного моделирования.

2.  Исходные данные к работе по заданному преподавателем варианту определяются по таблице прил. 3. Свойства конструкционных материалов ГПИС приведены в прил. 4.

Выбор масштабных коэффициентов. Для стационарного процесса существенны четыре масштаба: , ,  и , из которых три устанавливаются произвольно.

3.  При выключенном питании установить все тумблеры узловых контактов на поле интегратора в нижнее положение и, подключая омметр между точкой S и каждым узловым контактом, выставить расчетные значения сопротивлений . По окончании установки сопротивлений  перевести все тумблеры в верхнее положение.

4.  Установить расчётное значение сопротивления , подключая омметр между точкой S и общим проводом (“-питания”).

5.  Установить расчётное значение сопротивления  и подключить их выводы к соответствующим узловым контактам сетки.

6.  Включить источник питания, установить расчётное значение напряжения , а затем подключить источник к клеммам “питание ” на панели интегратора.

7.  Включить вольтметр и измерить напряжение во всех узловых точках относительно точки S (корпуса ГПИС), а точки S – относительно клеммы “-питания” (окружающей среды). Занести результаты в протокол. Выключить установку.

Обработка результатов измерений

Вариант №4

Исходная таблица потенциалов термопар

0,04	0,07	0,12	0,19	0,20	0,17	0,13	0,10	0,08	0,06
0,04	0,07	0,15	0,32	0,32	0,23	0,19	0,17	0,11	0,07
0,04	0,07	0,15	0,31	0,32	0,28	0,31	0,32	0,16	0,10
0,04	0,06	0,13	0,20	0,24	0,26	0,31	0,32	0,19	0,12
0,03	0,06	0,12	0,20	0,24	0,27	0,30	0,29	0,23	0,15
0,03	0,05	0,13	0,31	0,31	0,32	0,32	0,32	0,32	0,17
0,02	0,04	0,08	0,15	0,17	0,17	0,17	0,17	0,16	0,12
0,01	0,02	0,04	0,06	0,07	0,08	0,08	0,08	0,07	0,03
0,00	0,01	0,01	0,02	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03
0,00	0,00	0,01	0,01	0,01	0,02	0,02	0,02	0,02	0,01

Размер корпуса: 12x12x4мм

Размер подложки: 8x8мм

Толщина подложки: 0,5мм

Материал подложки: Боросиликатное стекло

Материал клеевого слоя: Эпоксидная смола

Толщина клеевого слоя: 0,1мм

Шаг сетки: 0,89мм

Температура окружающей среды =20 ºС.

Таблица температур

21	22	23	25	25	24	21	22,5	22	21,5
21	22	24	28	28	26	25	24	23	22
21	22	24	28	28	27	28	28	24	22,5
21	21,5	23	25	26	26,5	28	28	25	23
20,5	21,5	23	25	26	27	27,5	27,5	26	24
20,5	21,5	23	28	28	28	28	28	28	24
20,5	21	22	24	24	24	24	24	24	23
20	20,5	21	21,5	22	22	22	22	22	21,5
20	20	20	20,5	21	21	20,5	20,5	20,5	20,5
20	20	20	20	20	20	20,5	20,5	20,5	20

Полагаем =1. Для задания масштаба температуры примем, что перегреву =50 К соответствует напряжение =5 В, откуда =/=10 К/В.

Определим масштабный коэффициент . Величины шагов по координатам: ==8/8=0,89мм=0,89·10м. Для материала подложки – боросиликатное стекло – =1,10 Вт/м·К, а толщина =0,5мм =5·10м. Зная, что ==1,5·10Ом, находим:

=1,5·10· 1,10 · 5·10=8,25 Вт·Ом/К.

Тогда

=8,25 · 10 · 1=82,5 Вт/А.

Определим величины сопротивлений . Для внутренних узлов сетки:

 Ом,

 Ом,

 Ом.

В узла, лежащих на рёбрах сетки (т.е. во всех по периметру, кроме угловых),  Ом, а в углах  Ом.

Вычисляем :

 Ом.

Определим токи, имитирующие источники тепла. Для узлов с номерами 7-8 и 9-5.

А

Вывод: рассмотренная ГПИС незначительно перегревается в областях, где расположены тепловыделяющие элементы.