|
| |
|
Главная Журналы стеклянным или металлокерамичеоким корпусом. Источники тепла с мощностями Ри Рч, Pi, Рп и площадями Si, S2..... Su Sn расположены в тонком приповерхностном слое кристалла. 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 щтыревые выводы, зазор между дном корпуса и теплоотводом достаточен для эффективного перемещивания воздуха). Если же корпус находится в тепловом контакте с теплоотводом (тепловая воздущная 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. 5.6.1,6) для повыщения эффективности кондуктивного теплообмена применяют армированные металлические вставки - основания (7). Кристалл (2) приклеивается к металлическому основанию и опрессо-вывается 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 /гкр~200 мкм; кремний имеет высокий коэффициент теплопроводности Я,кр~80... 130 Вт/(м-°С). Исследования показывают, что при сравнительно высоких удельных мощностях рассеяния источников тепла PoiPifSt мВт/мм2=10 Вт/м2 температурный рельеф на поверхности кристалла имеет небольшие отклонения (единицы градусов) от средней поверхностной температуры кристалла Гпкр. Эти особенности при проведении инженерных расчетов позволяют сделать допущение о том, что суммарная мощность источников тепла f=f-ff2-f . +Pi + Pn равномерно распределена по поверхности кристалла с площадью 5кр. Эквивалентная электротепловая схема микросхемы, модель которой изображена на рис. 5.6.1,а, показана на рис. 5.6.2. Здесь приняты следующие обозначения: J?t кр~/гкр/(Я,кр5кр) - среднее тепловое сопротивление кристалла; /?т кл = кл/(кр5кр)-тепловое сопротивление слоя клея толщиной Лкл с коэффициентом теплопроводности Хкл", Ribuk - 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); /?тпк-с - тепловое сопротивление поверхность корпуса - окружающая среда. Если корпус изолирован от теплоотвода, передача тепла в окружающую среду происходит со всей наружной поверхности корпуса 5кн вследствие конвекции и теплоизлучения. При этом .тпк-с=1/?т лк= 1/(ат5кн), где лк - тепловое сопротивление лучистому и конвективному тепловому потоку; От - эффективный коэффициент теплоотдачи, равный сумме конвективной (отк) Ч лучистой (отл) составляющих. При хорошем контакте корпуса с теплоотводом отвод тепла от корпуса осуществляется в основном в результате кондуктивного теплообмена через торцевую поверхность корпуса 5кт. В  a-r,em/(ff.°0)
10 a,Bm/(n-°e) П кр. о кр Рис. 5.6.2. Эквивалентная электротепловая схема ИС с полым корпусом: <• к- соответственно температура поверхности кристалла, осиоваии» кристалла, поверхности основания корпуса в области закрепления кристалла, поверхиост» корпуса и окружающей среды Рис. 5.6.3. Графики для расчета полного теплового сопротивления стеклянного (401.14-1) и металлостеклянного (401.14-2) корпусов прн различных размерам кристаллов ЭТОМ случае /?тпк-с ~/?ткон = 1 (ат5кт), где i/?tkoh - тепловое сопротивление контакта корпус - теплоотвод; От - эффективный коэффициент теплоотдачи, равный удельной теплопроводности контакта корпус - теплоотвод, Вт/(м2-°С). Величина коэффициента От зависит от условий охлаждения корпуса: естественная конвек- ция и излучение 5...20, обдув 20... 100, кондукция через слои воздуха при /гз=100 мкм З-Ш, кондукция через слой клея прч Лз=100 мкм 3-ТО...3-10 при плотно прижатых металлических поверхностях (1 ... 10)10» Вт/(м2.°С). Полное тепловое сопротивление корпуса Rtk - Rt внк~Ь Rt п к-с - Rt внк~Ь /?т ЛК II R гкон. в инженерной практике при расчете полного сопротивления корпуса используются графики /?тк=/(ат), которые строятся на основании экспериментальных данных или рассчитываются по эмпирическим формулам. На рис. 5,6.3 для примера приведены зависимости к=/(ат) для стеклянного (401.14-1) и металлостек--лянного (401.14-2) корпусов. Нормальный тепловой режим элементов кристалла обеспечивается при выполнении условия кр = max ~Ь п кр-с Тдоп» (5.6., 1) где Тс max - максимальная температура окружающей среды; ?тпкр-с = -ткр-1-1/?ткл-1-1тк - полное тепловос сопротивление поверхность кристалла - окружающая среда; Гдоп - допустимая температура элементов кристалла, определяемая заданной надежностью ИС (7„оп~-1-150... 175°С). Из выражения (5.6.1) можно найти допустимое значение полного теплового сопротивления корпуса \Ri к, если заданы Гдоц,, Тстах, Р, размеры кристалла и известен способ крепления кристалла к корпусу: доп - Тс I L/P + V (5.6.2) кр \Лкр Лкл/ По данным графиков 1/?тк=/(ат) и значениям коэффициента От для разных условий охлаждения корпуса можно подобрать необходимый тип корпуса и установить требования к его монтажу и условиям эксплуатации. Пример. Р=0,20 Вт, размеры кристалла 1,5X1,5X0,2 мм, Акл«0,1 мм, Л,кл = 1,1 Вт/См-С), 7доп=150°С, Гстах=125°С. Выбрать тип корпуса, условия его монтажа и эксплуатации. Из (5.6.2) следует 150- 125 1 1,5-1,5-10-6 0,2-10-3 0,1-10-3 {85° С/Вт. При использовании стеклянного корпуса 401.14-1 необходимая величина /?т к обеспечивает при ат»1,5-10 Вт/(м2-°С). Для обеспечения данного а» корпус необходимо приклеивать к теплоотводу. Если выбрать металлостеклянный корпус 401.14-2, то необходимая величина l/?t к обеспечивается при 1ат«30, которое достигается в результате принудительного конвективного теплообмена. Приклеивание этого корпуса к теплоотводу позволит дополнительно облегчить тепловой режим элементов кристалла. При заданных Pi к, размерах и способе крепления кристалла, Тдоп, Гстах ИЗ (5.6.1) может быть Определена допустимая рассеиваемая кристалшом мощность Рдоп: р < Тдод Тс шах /ссоч Б-TTh-п.-7~и-,1 ч/с • (Й.Ь.З) <т к "Г (."кр/Лкр-h "кл/Лкл)/кр Пример. Металлостеклянный корпус 401Л4-2 приклеивают к теплоотводу: iRtk»60°C/Bt прн ;ат = 8-102 Вт/(м2-°С); кристалл размером 1,5X1,5X0,2 мм припаивают к основанию корпуса (Акл=0); Тдоп = -1-150°С, Тс тазс=+ 125° С. Определить допустимую рассеиваемую кристаллом мощность Рдоп. Из (5.6.3) следует 150-125 = 0,415 Вт. 60-1-0,2-10-3/(130-1,5-1,5-10-6) Для герметизации кристаллов иолупроводниковых ИС применяют стеклянные, металлостеклянные, металлокерамические и пластмассовые корпуса. Конструкции плоских корпусов 401.14-1, 401.14-2 изображены на .рис. 5.6.4. Корпус 401.14-1 имеет стеклянное основание с 14 плоскими планарными выводами, расположен- НЫМИ вдоль длинных сторон с шагом 1,26 MiM. Металшичеокую крышку корпуса мрипаивают к металлизчрованной поверхности основания. Металлостеклянный корпус 401.14-2 имеет металлическое .дно основания, что позюолиет сущест-iaeHHO снизить тепловое ооцротивл(ение корпуса (см. рис. 5.6.3). Для герметизации кристаллов БИС применяют плоские металлокерамические корпуса с 24 и -48 выводами. Примеры .констргукции ме-таллокерамических карцусов показаны на рис. 5.6.5. Выводы иа теле корпуса форм!ируют методом толстопленочной технолюгии (вжипание металла в керамику). Герметичность корпуса в обл1астях выводов обеспечивается применением .мнолоолойной керамики. Для уменьшения теплового оодротивяения /кристалл БИС припаивают к металлическому основанию корпуса. Пластмаосовые прямоугольные корпуса широко ярим1ен1ЯЮТоя в И С И БИС бытовой и стационарной здектрОНио-Вы- Рис. 5.6.4. Конструкции плоских стеклянного (401.14-1) и металлостеклянного (401.14-2) корпусов с 14 выводами; 7 - стеклянное основание; 2 - металлическая крышка; 3 - металлическое дно; 4 - планарные выводы; 5 - контакты для присоединения проволочных выводов кристалла; 6 - посадочное место кристалла д,8г(ш \ а а □ о □ rilitiiii 3
 Рис. 5.6.5. Конструкции плоских прямоугольного (а) и круглого (б) металло-керамических корпусов с 24 выводами: / - керамическое тело корпуса; 2 -выводная рамка; 3 - внутренние контактные площадки; Ч - металлизированные вывсды корпуса; 5 - металлическое основание корпуса (дно); 6 - металлизированный ободок для герметизации; 7 - посадочное место кристалла 911994 493894 Hti-iti-iti-rthf+T-m 19,5тг  1k f3 11 ft. 10 9 8 n n П ri  ;u u u „ / 7 2 3 « Рис. 5.6.6. Конструкция пластмассового корпуса 201.14-1  ч1И(сл1ительяой ап>парату(ры, работающей в нормалБньгх ушовиях. В конструкции пластмассового кор,пуса 201.14-1 (рис. 5.6.6) контактные площадки жристалла .соединяют с вы.водами корпуса проволоч1ны,мн перемычками. При автоматиэиро-ваганой сборке используют кристаллы с (паучковыми (выводам,и. Пластмассовые корпуса характеризуются иизкой стоимостью, возможностью автом.атизированнопо изготов«тения. Их недостатки -Недостаточная влагостойкость, ограниченный диапазон рабочих температур (-10... --70°С), достаточно большое тепловое сопротивление (/?тн~100°С/Вт). Последнее обстоятельство огранич1Ивает применение пластмассовых корпусов только в сравнительно маломощных ИС и БИС (Р250 мВт). Рис. 5.6.7. Конструкция круглого металлостеклянного корпуса 301.8-2 Круглые металлостеклянные корпуса 301.8-2, 301.12-1 имеют .•8 или 12 штыревых выводов. Конструкция корпуса 301.8-2 (рис. -5.6.7) характеризуется хорошей герметичностью и защитой кристалла от электромагнитных воздействий. Однако такая конструкция корпуса не позволяет получить хороший тепловой контакт • с теплоотводом и высокую плотность компоновки блоков ЭВА. § 5.7. Разработка конструкций полупроводниковых интегральных микросхем Полный цикл проектирования полупроводниковых ИС состоит ИЗ следующих этапов: синтез электрической схемы; разработка конструкции; изготовление комплекта масок (фотошаблонов); изготовление образцов; испытания; изготовление опытной партии в условиях производства; контроль качества. При синтезе электрической схемы разрабатывают функциональную схему, выделяют основные структурные единицы (функциональные узлы, блоки), выбирают элементную базу, на основании которой составляют принципиальные схемы функциональных узлов. На всех этапах синтеза электрической схемы учитывают юсобенности конструктивно-технологической реализации микросхемы (ограничения по номиналам элементов, мощности, точности, стабильности элементов, паразитные эффекты и т. п.). Особое внимание уделяют выбору и разработке элементной базы. При использовании функционально-интегрированных полупроводниковых структур синтез схемы логических элементов и функциональных узлов тесно связан с синтезом конструкции и топологии как отдельных логических элементов, так и целых фрагментов БИС. Например, строка накопителя ЗУ, построенйого на основе №Л-элементов, представляет собой функционально-интегрированную структуру, в которой совмещаются не только однотипные полупроводниковые области транзисторов, но и однотипные области логических элементов, образующих всю строку. Таким образом, синтез электрической схемы ИС может тесно переплетаться с разработкой конструкции ее структурных единиц. Конструкцию микросхемы разрабатывают на основании следующих исходных данных: схема электрическая принципиальная; электрические параметры элементов (номинал, допуск, стабильность, мощность, допустимые значения паразитных емкостей и сопротивлений, ограничения по частоте или быстродействию ,и т. п.); конструктивные данные и ограничения (способ герметизации или рекомендуемый тип корпуса, расположение периферийных контактных площадок, расположение некоторых элементов на поле кристалла, обусловленное особенностями функционирования устройства); технологические данные и ограничения (минимальные размеры элементов и окон в защитной маске, определяемые возможностями технологии, минимальная ширина "проводников, расстояния между границами отдельных полупроводниковых областей (обла- 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 |