Список использованных литературных источников 4 страница

(4.1)

где λ _п и λ _к – коэффициенты теплопроводности материалов подложки и клея соответственно, Вт/(м·°С); h _п и h _к – толщины соответственно подложки и клея; b и l – размеры места контакта тепловыделяющего элемента с подложкой; общая толщина учитываемого слоя определяется как h = h _п + h _к.

Рисунок 4.1 – Схемы тепловых потоков больших и малых источников тепла:
1 – теплоотводящий объем (теплоотвод); 2 – слой клея или компаунда; 3 – подложка; 4 – тепловыделяющий элемент

Уменьшение размера источника тепла усложняет картину теплоотвода, поскольку поток становится расходящимся. Эффективность теплоотвода увеличивается, учесть это при расчетах можно через определение эффективного теплового сопротивления.

(4.2)

где q=l/2h, r=b/2h, l, b – линейные размеры плоского источника теплоты; γ (q, r) – функция учитывающая уменьшение теплового сопротивления при расходящемся от источника тепловом потоке.

Для каждого элемента ИМС может производиться расчет величины перегрева Θ, элемента за счет выделяемой мощности P_Э.

(4.3)

Расчетная температура элемента определяется как

(4.4)

где Т_С – температура окружающей среды; Θ _К - перегрев корпуса относительно температуры окружающей среды.

Расчет навесных дискретных компонентов состоит из определения перегрева Θ _ВН относительно собственной подложки

(4.6)

Перегрев корпуса Θ _К определяется рядом факторов, в частности конструкцией корпуса (платы), мощностью рассеяния находящихся в нем кристаллов, особенностями монтажа ИМС в блоке (ячейке), способом охлаждения и др.

Перегрев корпуса определяется из выражения

(4.7)

где Р_Σ – суммарная мощность рассеиваемая ИМС; R_К – тепловое сопротивление корпуса.

Тепловое сопротивление корпуса R_К определяется

(4.8)

где α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·°С); S_Т – площадь теплового контакта корпуса с теплоотводом.

Коэффициент теплопередачи определяется при охлаждении естественной конвекцией как α =5…20, при обдуве – α =20…100, при теплоотводе кондукцией через тонкий (0, 1 мм) воздушный промежуток
α ~ 3·10², при теплоотводе кондукцией через слой эпоксидного клея толщиной 0, 1 мм α = 3·10²…3·10³, при металлическом теплоотводе α = 10⁴…10⁵.

Следует также отметить, что формула (4.4) не учитывает перегрева за счет взаимного влияния тепловыделяющих элементов (наложение тепловых потоков от всех элементов ИМС), правда фоновый перегрев частично учитывается величиной Θ _К.

Таким образом, ориентировочный расчет режима, например ГИМС, сводится к определению температуры всех навесных активных элементов и резисторов и сравнению ее с их максимально допустимой рабочей температурой.

Нормальный тепловой режим элементов и навесных компонентов обеспечивается при выполнении следующих условий:

(4.9)

(4.10)

где Т _э – температура элемента, °С; Т _нк – температура навесного активного компонента, °С; Т _{с max} – максимальная температура окружающей среды, °С, в процессе эксплуатации, заданная ТУ; T _{max доп} – максимально допустимая рабочая температура элемента и навесного компонента, заданная ТУ; Θ _к –перегрев корпуса ИМС; Θ _э – перегрев элемента ИМС; Q _нк – перегрев навесного активного компонента; Q _вн – перегрев области p–n- перехода навесного активного компонента.

При несоблюдении неравенств (4.9) и (4.10) необходимо принимать дополнительные меры (например, уменьшение теплового сопротивления за счет использования материалов с более высоким коэффициентом теплопроводности) для обеспечения теплового режима ГИМС.

Ориентировочный тепловой расчет проводится при следующих допущениях:

− коэффициенты теплопроводности всех материалов конструкции ГИМС в рассматриваемом диапазоне температур постоянны;

− тепловыделяющие элементы являются плоскими источниками теплоты;

− температура корпуса одинакова во всех его точках;

− фоновый перегрев элементов и навесных активных компонентов не учитывается.

Последовательность теплового расчета включает следующие этапы:

1. Определение теплового сопротивления при различных соотношениях между размерами источников тепла и теплоотвода.

При плоскопараллельном тепловом потоке (рис. 4, а) тепловое сопротивление определится по формуле:

(4.11)

где γ _п и γ _к – коэффициенты теплопроводности материала подложки и клея, Вт/(м·°С); h _п и h _к – толщина подложки и клеевого слоя, соответственно; S – площадь контакта тепловыделяющего элемента с подложкой.

При уменьшении размеров источника тепла эффективность теплоотвода повышается, а тепловое сопротивление уменьшается. Тепловое сопротивление в этом случае определится по формуле:

(4.12)

где q=l/2h; r=b/2h; l и b – линейные размеры источника теплоты,

(4.13)

2. Определение перегрева элементов, навесного компонента и области p–n- перехода навесного компонента, а также корпуса за счет рассеиваемой ими мощности:

(4.14)

(4.15)

(4.16)

(4.17)

где R _Т.НК – внутреннее тепловое сопротивление навесного компонента; Θ _НК – перегрев области p–n - перехода навесного компонента относительно подложки; Θ _Э и Θ _НК – перегрев элемента и навесного компонента, определяемые как разность между их температурой и средней температурой поверхности корпуса; Θ _К – перегрев корпуса относительно температуры окружающей среды; P _Э и P _НК – мощность, рассеиваемая соответственно элементами и навесными компонентами; P _Σ – суммарная мощность, рассеиваемая ГИМС; R к – тепловое сопротивление корпуса, составляющее

(4.18)

где S _Т – площадь теплового контакта подложки с корпусом (площадь монтажной площадки); α – коэффициент теплопроводности, значения α приведены выше.

3. Определение температуры элементов:

(4.19)

4. Определение температуры НК:

(4.20)

5. Проверка выполнения условий:

(4.21)

(4.22)

Если рассчитанные температуры T э и T нак превышают предельно допустимые рабочие температуры, необходимо заменить навесные компоненты на другие, имеющие более высокий температурный предел работы, или рассмотреть другие варианты конструктивного исполнения ГИМС.

5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗРАБОТКЕ ЭСКИЗА ТОПОЛОГИИ

Для обеспечения разработки эскиза топологии рекомендуется с самого начала вычертить принципиальную электрическую схему так, чтобы ее выводы были расположены в необходимой последовательности (см. рис. 5.1, б).

Рисунок 5.1– Принципиальная электрическая схема цифровой ИМС на токовых ключах (а) и преобразованная электрическая схема для составления эскиза топологии (б)

Каждая линия, пересекающая резистор на принципиальной электрической схеме, будет соответствовать металлизированной дорожке, пересекающей диффузионный резистор по окислу на топологической схеме.

На этапе эскизного проектирования топологии необходимо предусмотреть решение следующих задач: расположить как можно большее число резисторов в одной изолированной области; подать наибольший потенциал на изолированную область, где размещены резисторы; подать наиболее отрицательный потенциал на подложку вблизи мощного транзистора выходного каскада; рассредоточить элементы, на которых рассеиваются большие мощности; расположить элементы с наименьшими размерами и с наименьшими запасами на совмещение в центре эскиза топологии; сократить число изолированных областей и уменьшить периметр каждой изолированной области.

На основе эскиза разрабатывают предварительный вариант топологии, который вычерчивают на миллиметровой бумаге в выбранном масштабе, (выбирают масштабы, кратные 100). Топологию проектируют в прямоугольной системе координат. Каждый элемент топологии представляет собой замкнутую фигуру со сторонами, состоящими из отрезков прямых линий, параллельных осям координат.

При вычерчивании чертежа топологии на миллиметровой бумаге принимают минимальный шаг координатной сетки, равный 0, 5 мм. Можно выбрать другой шаг, но он должен быть кратным минимальному. Действительный (на кристалле) размер шага координатной сетки зависит от выбранного масштаба топологии.

В процессе вычерчивания топологии для получения оптимальной компоновки возможно изменение геометрии пассивных элементов, например пропорциональное увеличение длины и ширины резисторов или их многократный изгиб, позволяющие провести над резистором полоски металлической разводки или получить более плотную упаковку элементов. При изменении формы пассивных элементов в процессе их размещения проводят корректировочные расчеты.

При проектировании слоя металлизации размеры контактных площадок и проводников следует брать минимально допустимыми, а расстояния между ними – максимально возможными.

После выбора расположения элементов и контактных площадок, создания рисунка разводки необходимо разместить на топологии фигуры совмещения, реперные знаки, ключ. Фигуры совмещения могут иметь любую форму (чаще всего квадрат или крест), причем надо учесть, что на каждом фотошаблоне, кроме первого и последнего, имеются две фигуры, расположенные рядом друг с другом. Меньшая фигура предназначена для совмещения с предыдущей технологической операцией, а большая – с последующей. На первом фотошаблоне расположена только большая фигура, а на последнем – только меньшая.

При разработке топологии важно получить минимальную площадь кристалла ИМС. Это позволяет увеличить производительность, снизить материалоемкость и повысить выход годных ИМС, поскольку на одной полупроводниковой пластине можно разместить большее число кристаллов и уменьшить вероятность попадания дефектов, приходящихся на кристалл. При размерах стороны кристалла до 1 мм ее величину выбирают кратной 0, 05 мм, а при размерах стороны кристалла 1–2 мм — кратной 0, 1 мм.

Для любой принципиальной электрической схемы можно получить много приемлемых предварительных вариантов топологии, удовлетворяющих электрическим, технологическим и конструктивным требованиям. Любой предварительный вариант подлежит дальнейшей доработке.

Если после уплотненного размещения всех элементов на кристалле выбранного размера осталась незанятая площадь, рекомендуется перейти на меньший размер кристалла. Если этот переход невозможен, то незанятую площадь кристалла можно использовать для внесения в топологию изменений, направленных на снижение требований к технологии изготовления полупроводниковой ИМС. Например, можно увеличить размеры контактных площадок и расстояния между контактными площадками, ширину проводников и расстояние между ними, по возможности выпрямить элементы разводки, резисторы, границы изолированных областей.

Проверка правильности разработки топологии ИМС. Последний из составленных и удовлетворяющий всем требованиям вариант топологии подвергают проверке в такой последовательности. Проверяют соответствие технологическим ограничениям: минимальных расстояний между элементами, принадлежащими одному и разным слоям ИМС; минимальных размеров элементов, принятых в данной технологии, и других технологических ограничений; наличие фигур совмещения для всех слоев ИМС; размеров контактных площадок для присоединения гибких выводов; расчетных размеров элементов их размерам на чертеже топологии; мощности рассеяния резисторов, максимально допустимой удельной мощности рассеяния, а также обеспечение возможности контроля характеристик элементов ИМС.