Главная  Журналы 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [ 15 ] 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

перегрев, обусловленный мощностью i-ro источника; 9ф(= S 9ji -фоно-

вый перегрев i-ro элемента, обусловленный тепловыми потоками всех соседних /-X элементов; 9j,- - фоновая составляющая перегрева i-ro элемента, обусловленная тепловым потоком /-го элемента (первый индекс -номер источника тепла, второй индекс - номер приемника тепла). Перегрев корпуса 6к определяется как конструкцией микросхемы, так н особенностями ее монтажа в узлах мнкроэлектронной аппаратуры.

Температура перегрева р - п-переходов i-ro навесного компонента определяется с учетом внутреннего перегрева бвяь

7и < = Тк + 9/! и -Ь 9ф j и + 9вн г.

(3.2.18)

где 9jiH перегрев поверхности подложки под i-м навесным компонентом, обусловленный его рассеиваемой мощностью Phj, при условии, что все тепло этого компонента передается в подложку через область теплового контакта компонента с подложкой: бфн -фоновая составляющая перегрева поверхности подложки под i-M навесным компонентом, обусловленная тепловыми потоками соседних источников. Для бескорпусных полупроводниковых приборов в справочной литературе приводятся данные для внутреннего теплового сопротивления с учетом теплового сопротивления клеевой прослойки (Rt ан ~ «200... 1600° С/Вт). При известной рассеиваемой мощности Pi внутренний перегрев определяется из известного соотношения Рн( = 9внг№т вн;-

Собственные н фоновые составляющие перегревов определяются по формулам (3.2.6), (3.2.14) н заносятся в таблицу-матрицу:

102 i

9вн I

9вн 2

0BH г

0BH n


Рнс. 3.2.8. Фраг мент топологии к примеру

В i-M столбце матрицы сосредоточены значения собственной н фоновых составляющих перегрева i-ro элемента или компонента. Для пленочных элементов

ввн(=0.

В результате сравнения рассчитанной величины Ti с допустимой, 7"{доя, оговоренной в ТУ на материалы н компоненты, делается вывод о приемлемости теплового режима элементов н компонентов в разработанной конструкции. Если Ti > Ti доп, то снижают удельную мощность Pot или используют другие материалы и полупроводниковые приборы с большей допустимой мощностью рассеяния.

Пример. Рассчитать тепловой режим пленочных элементов и навесного транзистора фрагмента гибридной ИС, изображенного на рнс. 3.2.8, при исходных данных: корпус металлостеклянный, толщина снталловой подложки Ли = 0,6-10- м; коэффициент теплопроводности ситалла Яп=1,5 Вт/(м.°С), толщина слоя клея /гкл=0,ЫО- м, коэффициент теплопроводности клея Я,вл=0,3 Вт/(м-°С); внутреннее тепловое сопротивление бескорпусного транзистора вн = 800° С/Вт. Геометрические размеры элементов н нх рассеиваемые мощности сведены в таблицу:

Элемент или компонент

2A,i, м

2Дл, м

Я,, Вт

Poi-BT/M ,

VT R2

0,7-10- 0,5-10-3 0,6-10-

0,7-10-3 5-10- 2-10-3

15-10- 25-10- 60-10-

3,0-10* 1,0-10* 5,0-10*

1. Определим толщину эквивалентной изотропной подложки с коэффициентом теплопроводности материала Яп н тепловое сопротивление rj:

= Лп + Г"кл = 0.6.10-3 + i: 0,1 = 1,1.10-3 м,

Лкл "J.-J

/3 1,1-10-3 гт = Т= . =0,735-10- . А,п 1,0

2. Определим собственный перегрев элементов микросхемы и перегрев поверхности подложки под транзистором по формулам (3.2.10), (3.2.12). Величины, полученные в результате расчета, приведены ниже:

Элемент или ком-• понеит

ii max-

=гг max

0,32

0,32

0,32

0,23

0,39

0,275

0,91

36,5

0,40

15,0

3. Внутренний перегрев транзистора VT

9вит = тви = 800-15-10-з= 12° С.

Элемент нли компонент

IOij] = \х(,ц\11з

0,59

liOi: = </o.ji/3

1,05

qi = 6i, + \x(,t}\

0,2754-1,0=1,275

0,275-1-0,59=0,865

<?2 = б;,-

0,275-1,0 = -0,725

0,275-0,59=-0,315

•i = 62.--4*o,j

0.91-1-0=0,91

0,91-f 1,05=1,96

г2 = 61;-\у(,ц\

0,91-0=0,91

0,91-1,05=-0,14

sign (?2

sign Г2

-f 1



вл1, л1=3,0

6д1, Л2Л!0

Вв., гг-жО

вд2, Л1= 1,8

9д2, Л2= 15

вв2, гг = 2,3

QvT, RivQ

QvT, Л2~0

9vT, гт = 7,0

ввн BI =0

9вн Я2 = 0

9вв VT = 12

9я1=4,8

9в2=15

вут==21,3

4. Определим фоновые составляющие перегревов. Из сравнения уровней рассеиваемых мощностей и анализа топологии элементов следует ожидать наибольшее влияние тепловых потоков резистора R2 на тепловой режим расположенных вблизи него элементов. Ближайшие к центру R2 точки резистора R1 и транзистора VT имеют координаты л:о1,=-1,1 • 10- м, Уои = 0 и Xotk = = 0,65-10-= м, o.-ft = 1,15-10-3 м соответственно. Эти точки обозначены на контурах элементов. Результаты расчета фоновых перегревов 6ij=i62i и 9гл = =в2з представлены на с, 95.

По результатам расчетов заполним таблицу-матрицу и определим полные перегревы резисторов и транзистора путем суммирования элементов столбцов: ев, = 4,8°С; вв2 = 15С; evT=21,3°C.

Наибольший перегрев имеет транзистор. Если 7"доп транзистора равна --85°С, то ИС может удовлетворительно работать при максимальной температуре окружающего воздуха -f60°C. Перегрев корпуса относительно окружающей среды составляет обычно несколько градусов. Наименьший перегрев имеет резистор R1, для которого выбрана обычно рекомендуемая удельная мощность рассеяния Ро»10 мВт/мм.

Конструкторские методы улучшения теплового режима микросхем. Для улучшения теплового режима элементов и компонентов ИС с повышенным тепловыделением рекомендуется:

- выбирать небольшую удельную рассеиваемую мощность Ро10...20 мВт/мм2;

- применять подложки с большим коэффициентом теплопроводности;

- осуществлять хороший тепловой контакт навесных тепло-рассеивающих компонентов с подложкой;

- улучшать передачу тепла от подложки к крышке корпуса, заполняя свободные промежутки компаундом (рис. 3.2.9) или применяя теплоотводящие шины, имеющие тепловой контакт с крышкой (рис. 3.2.10);

- равномерно распределять по подложке источники тепла;

- чувствительные к температуре элементы и компоненты располагать за пределами зон теплового влияния источников с повышенным тепловыделением.

5 i 3 2 7



Рис. 3.2.9. Улучшение теплоотвода путем заливки компаундом:

/ - источник тепла; 2 - подложка; 3 - корпус; < -компауид; 5-вывод

Рис. 3.2.10. Применение теплоотводя-щих шин для улучшения отвода тепла к корпусу:

/ - подложка; 2 -корпус; J -изолятор; 4- теплоотводящая шина; 5 -контакт шины с корпусом

Чтобы обеспечить хороший тепловой контакт полупроводниковых приборов с подложкой, их покрывают дополнительно лаком и компаундом (теплоотвод увеличивается до 30%) и припаивают металлизированной торцевой частью к металлизированной области подложки или непосредственно к корпусу (см. рис. 1.5.3).

Тепловой режим элементов и компонентов существенно зависит от условий теплообмена корпуса ИС и подложки МСБ с элементами конструкции узла или блока. Для улучшения теплопередачи используется кондуктивный теплоотвод от основания корпуса или торцевой поверхности подложки МСБ к печатной плате или металлическим перемычкам рамок, которые в свою очередь должны иметь хороший тепловой контакт со стенками кожуха блока. При высокой тепловой нагрузке МСБ используют принудительное газовое охлаждение путем конвективного или кондук-тивного теплообмена с газом или жидкостью, протекающими в каналах подложки, на поверхности которой смонтированы МСБ (рис. 3.2.11). Такая подложка может быть выполнена из алюминия с достаточно глубоко анодированной поверхностью (~50 мкм).

S 7


Рис. 3.2.11. Улучшение теплообмена путем теплового контакта с газом или жидкостью для двух вариантов конструкции;

7 - печатная плата; 2 - металлическая труба с теплоносителем; 3 -канал для теплоносителя; < -подложка; 5 - металлическая (алюминиевая) плата с каналами; 6 - изолятор (AljOa); 7 - проволочные перемычки

§ 3.3. Паразитные связи и помехи в ИС

Основные разновидности паразитных связей в микросхемах.

Между компонентами, элементами и коммутационными проводниками ИС существуют паразитные взаимодействия, обусловленные электрическими и магнитными полями, а также потоками носителей электрического заряда. Так как в широкой области частот расстояния между взаимодействующими элементами значительно меньше длины волны, то электрические и магнитные связи можно рассматривать раздельно.

На рис. 3.3.1,а условно показано расположение коммутационных проводников, характерное для многокристальных БГИС. Между параллельными проводниками существуют емкостные и индуктивные паразитные связи, а между взаимно перпендикулярными проводниками - только емкостные. Если по одному из коммутационных проводников передается сигнал, например от ЛЭ1 к ЛЭ2, то этот проводник называется активной линией связи. Логический элемент ЛЭ1 является источником сигнала, а ЛЭ2 - приемником сигнала. Если в рядом расположенном коммутацион-4-113 97



ном проводнике отсутствует передача сигнала, то такой проводник называется пассивной линией связи. Роль пассивных линий связи на рис. 3.3.1,а выполняют коммутационные проводники, соединяющие ЛЭЗ ,с ЛЭ4 и ЛЭ5. Каждый коммутационный проводник характеризуется Погонными индуктивностью, емкостью и

! ч

УЛЭ5-


Рис. 3.3.1. Коммутационные проводники БГИС (а) и нх упрощенная эквивалентная схема (б)

сопротивлением. На рис. 3.3.1,6 показана упрощенная эквивалентная схема коммутационных шроводников. Здесь Lina. Ьют,

1шп, /-1шз, Г1ла, f\nu, /inm, Пшз - ПОГОННЫе ИНДуктИВНОСТИ И 00-

противления активной, ласоивиой линии, шин питания и заземления соответственно; Са. Cinn, Cjmn - емкости активной, пассивной линии и шин питания относительно заземленных элементов конструкции; Сювл; Лювл - погонные емкость связи и взаимная индуктивность между пассивной и активной линиями. В области пересечения изолированных друг от друга ортогональных проводников существует сосредоточенная емкость связи Сев.

Линии связи, по которым передаются перепады напряжений или токов, разделяются на короткие и длинные. Электрическая длина линии оценивается соотношением между длительностью фронта перепада и временем задержки возмущения в линии

зд = у = /1/еэфф/с= зд1, где V - скорость распространения возмущения в среде с диэлектрической проницаемостью еэфф (в однородной среде еэфф=ед); с = 3-10м/с - скорость шета; зд1 = = 3,3-10~Кеэфф - задержка на единицу длины линии, с/м; / - длина линии, м. Для наиболее широко применяемых материалов ед = =6...9. Следовательно, для линии связи в однородной среде зд1~ «(8...10) 10~ с/м. Есл,и линия расположена на поверхности подложки, граничащей с воздухом, то еэфф-(ед-Ь 1)/2 и соответственно зд1«(6...7,5)10-« с/м.

На рис. 3.3.2 показана форма сигнала на конце разомкнутой линии с задержкой 4д. на вход которой подан перепад напряжения С/ с фронтом ф, для различных отношений ф/зд- При ф/зд; 1 в рассматриваемой линии устанавливаются затухающие колебания с периодом 7=4/зд, обусловленные отражением фронта волны от несогласованных нагрузок на концах линии (?г<ро, ?н!>ро. ро - волновое сопротивление линии). При увеличении

?ф/зд изменяется форма и уменьшается амплитуда затухающих импульсов.

Длина линии называется критической, если ф/зд«2. Отсюда следует

кР«У24д1- (3.3.1)


Uz(t)

/ г t I г 1 1 (

/1 ... I г 1 г 1--1


Рис. 3.3.2. Форма сигнала на конце разомкнутой линии для различных отношений <ф/зд

Рис. 3.3.3. К определению помехоустойчивости логических элементов:

п ст " ""п CI ~ допустимые уровни положительных и отрицательных статических помех

Линии связи, соответствующие ф/зд1, называются длинными, а линии, соответствующие ф/зд>4, короткими. Форма напряжения на выходе короткой линии близка к форме входного возмущения. Короткая линия не обладает формирующимд свойствами, поэтому ее упрощенная эквивалентная электрическая схема может быть представлена сосредоточенной емкостью, равной полной емкости линии Сл = С1л/.

Оценим критическую длину линии. Для самых быстродействующих логических элементов (эмиттерно-связанная логика) длительность фронта логического перепада порядка 1 нс=10- с. В этом случае /кр = 1 • 10-9/(2-10-10-) =0,05 м. Следовательно, отрезки линии связи длиной /2,5 см можно считать короткими для самых быстродействующих микросхем.

Помехи. Поскольку между активными и пассивными линиями существует паразитная связь, в последних наводятся помехи при скачкообразных изменениях напряжений и токов в активных линиях. Броски токов, возникающие в шинах питания и заземления при переключениях логических элементов, также создают паде-4* 99





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [ 15 ] 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47