Разработка конструкции полупроводниковых интегральных микросхем, страница 9

-     определяют источники тепла и тепловые потоки в конструк­ции;

-  определяют тепловую модель конструкции (тепловую схему);

-  производят расчет тепловой модели и анализ теплового режима проектируемой ИМС.

Источниками тепла в ППИМС являются транзисторы, диоды и резисторы, выделяемая мощность 

в которых определяется энергетическим расчетой схемы (расчетом по постоянному току). Эти источ­ники размещаются на поверхности кристалла ИМС  и имеют разме­ры, соответствующие геометрическим размерам элементов. Тепло­вые  потоки развиваются от источников и могут иметь раэные пути. Так для ИМС, размещенной в корпусе 301.8-2 (в круглом металлостеклянном корпусе). Тепловые потоки могут иметь следующие пути (Рис.19):

- поток  тепла от источников с поверхности кристалла во внутренний  газовый объем корпуса ( P_b2 );

- поток тепла от источников через толщину кристалла и соединительный слой (припой или клей) в ножку корпуса (P_к и P_п);

- поток тепла от центра ножки на периферию к крышке корпуса(P_н);

- поток тепла по выводам корпуса на печатную плату (P_b ) и поток тепла через воздушный зазор от ножки корпуса на пе­чатную плату (P₃ );

- поток тепла с поверхности крыши корпуса в окружающее

воздушное пространство (в атмосферу) (P_А ).

Анализируя потоки, можно выделить основные потоки, которые и будут определять тепловую модель конструкции . Так потоком вo внутренний газовый объем P_b2 можно пренебречь, из-за ма­лого ожидаемого градиента температур в объеме корпуса и пло­хой теплопроводности малого замкнутого воздушного объема. Потоком тепла по выводам корпуса и через воздушный зазор на печатную плату P_b и P₃ можно также пренебречь, из-за плохой теплопроводности материала печатной платы. Тогда основными потоками следует считать: поток от источников в ножку корпу­са (P_к и P_п ), поток от центра на периферию ножки корпуса (P_н ) и поток с

поверхности крышки в окружающее воздушное пространство (P_А). Исходя из главных потоков тепловая модель конструкции (рис.19) будет такой, как изображена на рис.20.

Источники тепла и их температура обозначены через P_i и T_i⁰ . Температура  основания кристалла, центра ножки корпуса, крышки корпуса и окружающей воздушной среды обозначены, соответственно, через T_О⁰ ,T_Ц⁰ ,T_К⁰ ,T_А⁰. Тепловые сопротивления от источника через ограниченный объем кристалла в основание, от основания кристалла через соединительный слой в ножку корпуса, от центра ножки на перифирию к крышке корпуса и от крышки корпуса в окружающее воздушное пространство обозначены, соответственно, через P_{Т i}, P_ТП, P_ТН, P_ТК . учитывая высокую теплопроводность кремния (табл.4) и ожидая малый градиент температур внутри кристалла ИМС, схему рис. 20а

можно упростить до такой, как изображена на рис.20б.

Расчет тепловых сопротивлений участков конструкций (рис.19) выполняют по формулам  

   

                                                                                                                      (33)                                                                                                                                  

                                               (34)

                              (35)

                        (36)

где (h, ,S )к - соответственно, толщина, коэффициент теплопроводности материала и площадь кристалла;

(h, ,S )n - те же параметры, но для соединительного слоя (припоя);

 c,D,d - соответcтвенно, коэффициент теплопроводности металла ножки корпуса (ковара), его толщина , диаметр крышки корпуса и приведенныйдиаметр ИМС;

,Sk,h - соответственно, коэффициент теплоотдачи на конвекцию и излучение с поверхности крышки корпуса , площадь этой поверхности и высота корпуса; ориентировочно

Данные коэффициентов электропроводности материалов, применяемых в конструкции ППИМС, даны в табл.5. 

Максимальная температура элементов ППИМС, определяемая по формуле

не должна превышать максимально допустимую

                                  (37)

где