uzluga.ru
добавить свой файл

Лекция №16

РасЧет тепловых сопротивлений ИМС

Расчет внутреннего теплового сопротивления (RПК)


Тепловую модель микросхемы, закрепленной основанием корпуса на теплоотводе, можно представить в виде двух многослойных параллелепипедов, которыми имитируются основание корпуса и кристалл с плоскими локальными источниками тепла на поверхности кристалла. С погрешностью не более 5 % можно принять, что все тепло отводится через нижнюю поверхность основания, а коэффициенты теплопроводности материалов не зависят от температуры. Считаем, что поверхность источников тепла и основания корпуса изотермичны, тепловой поток растекается от источников тепла под углом 45° или 0° в случаях его ограничения боковой поверхностью кристалла или тепловым потоком соседнего источника тепла, рис. 16.1. Для модели с одним источником тепла тепловое сопротивление находится путем интегрирования выражения



a и b - размеры источника тепла;  - коэффициент теплопроводности.

Тепловое сопротивление многослойных структур равно сумме сопротивлений каждого слоя. Для расчета сопротивления усеченных пирамид с разным числом вертикальных граней есть таблица формул.

Для однородных структур с одним источником тепла погрешность расчетов по формулам не хуже 10 %, а для многослойных - 25 %. Погрешность увеличивается тем сильнее, чем больше отличаются слои по толщине и коэффициенту теплопроводности.

Поверхности источников тепла и основания корпуса ( теплоотвода ) принимаются изотермическими, что соответствует минимально возможному для данной геометрии структуры тепловому сопротивлению. Нарушения изотермичности при ухудшении теплоотвода приводит к увеличению эффективной длины пути теплового потока и, соответственно, к увеличению теплового сопротивления. Таким образом, внешнее и внутренние тепловые сопротивления связаны и увеличиваются одновременно. Конструктивным параметром ИМС является именно минимальное тепловое сопротивление.

Рассмотрим несколько примеров


В микросхеме памяти массив ячеек занимает площадь ab. Ячейки маломощные и упакованы плотно. Считаем массив ячеек источником тепла и определим тепловое сопротивление. Толщина кристалла -LZ, толщина основания корпуса - L’’Z . Размер кристалла LXLY больше чем ( a + 2LZ1 )  ( b + 2LZ1 ), т.е. нет бокового ограничения памяти больше толщины кристалла и основания корпуса a,b > LZ,L’’Z. Коэффициенты теплопроводности полупроводника - П и корпуса - К. Кристалл приклеен к основанию теплопроводящим клеем, имеющим коэффициент теплопередачи - . LZ - толщина слоя клея. Формула в таблице для такого случая:



Тепловое сопротивление многослойной структуры складывается из сопротивлений всех слоев:

Если

LZ

L’’Z

П

К

а

b



=

=

=

=

=

=

=

0,06 см;

0,1 см;

1,2 Вт/cмК;

0,17 Вт/cмК;

0,3 см;

0,3 см;

    = 0,8 Вт/cм2К,

то расчетное значение RT = 0,55 + 7,1 + 3,33 = 10,98 К/Вт.

Базовый матричный кристалл содержит 100 ячеек в матрице 1010. Размер ячейки ab, шаг размещения ячеек 2a2b, следовательно, размеры массива элементов 20a20b. Площадь источников тепла составляет 25 % от площади массива ячеек.

Толщина кристалла LZ >> a,b. Тепловые потоки отдельных элементов ограничены с боков соседними тепловыми потоками. Формула для этого случая




( a  b).

Тепловые сопротивления отдельных ячеек соединены параллельно

На уровне клеевого соединения и основания корпуса тепловые потоки отдельных элементов объединяются в один однородный поток тепла. Формулы для расчета такие же как в примере а.

a = b = 0,015 см; 20a = 20b = 0,3 см.



RT = 0,78 + 7,1 + 3,33 = 11,21 K/Вт.

Как видно из расчетов, локализация источников тепла на кристалле незначительно увеличивают тепловое сопротивление. в большинстве случаев для оценочных расчетов источник тепла можно считать однородным в пределах массива элементов.

Расчет полного теплового сопротивления


В реальных условиях применения ИМС редко удается обеспечить отвод тепла с использованием охлаждаемого теплоотвода. Наиболее часто применяется для охлаждения естественная конвекция в воздухе или обдув ИМС потоком воздуха со скоростью около 2 м/c. При плохом охлаждении поток тепла направлен не только к основанию корпуса, но и к его периферийным областям. Внешнее тепловое сопротивление рассчитывается через коэффициент теплопередачи - , определяемый условиями охлаждения корпуса. В моделях полного теплового сопротивления поток тепла разделяется на две части. Первый поток течет к основанию корпуса через внутреннее сопротивление RПК1 и отводится в охлаждающую среду через внешнее тепловое сопротивление RКС1.



Второй поток растекается по корпусу горизонтально и моделируется тепловым сопротивлением RПС2. .





Величина RПС2 определяется достаточно сложной аппроксимирующей формулой

,

где  ,

SКОРП , SКР - площади корпуса и кристалла соответственно.

Пример


Микросхема в корпусе площадью 2 см2 имеет площадь кристалла 0,50,5 = 0,25 см2 и внутренне тепловое сопротивление RПК1 = 11 K/Bт. ИМС охлаждается потоком воздуха со скоростью не менее 2 м/с, что обеспечивает коэффициент теплопередачи  = 0,01 Вт/см2 К. Определим полное тепловое сопротивление



Коэффициент

RПC = 33 К/Вт

Полное тепловое сопротивление равно 30,5 К/Вт.

Для кристаллов малых размеров SКР. << SКОРП. и при удовлетворительном охлаждении  > 0,01 справедлива аппроксимирующая формула

 ,

а так как для малых кристаллов RПС2 << RПС1, то и полное тепловое сопротивление определяется этой же формулой.

Если условия охлаждения плохие  < 0,001 ( естественная конвекция ), а размеры кристалла приближаются к размеру корпуса, то полное тепловое сопротивление оценивается формулой




При малых размерах кристалла ( SКР << SКОРП ) формула для оценки


Контроль электрических параметров ИМС в диапазоне температур


В процессе контроля электрических параметров ИМС требуется не только измерять, но и задавать температурные режимы их работы. Широко применяются три способа задания температурных режимов:
А) Проходная камера

Этот способ задания температуры применяется в тех случаях, когда в процессе измерения температура ИМС изменяется незначительно ( малая мощность, небольшое время измерений ). Перед измерением электрических параметров микросхемы большой партией выдерживаются в термостатированной камере без подачи электрических режимов. Затем они по одной автоматически извлекаются из камеры и устанавливаются в контактирующее устройство измерительного стенда. Процесс перемещения и измерения каждого изделия не должен занимать более нескольких секунд.
Б) Микрокамера

Способ задания температуры при длительных электрических измерениях и для мощных микросхем. Микросхема в камере устанавливается на теплоотвод или обдувается потоком воздуха, затем подключается к измерительному стенду и выдерживается некоторое время в электрическом режиме для установления равновесных тепловых полей. После выдержки проводятся электрические измерения. Для каждого типа ИМС необходимо заранее определить разность температур между основанием корпуса и атмосферой в камере, если требуется задавать температуру корпуса.
В) Термошкаф

В термошкафу проводятся измерения микросхем при определении характеристик надежности. Микросхемы в контактирующих устройствах размещаются на достаточно больших платах. В шкафу помещается несколько плат. Платы и микросхемы интенсивно обдуваются внутренним вентилятором. Температура воздуха в шкафу задается, а приращение температуры на основании корпуса определяется заранее. Выводы микросхем подключены к разъемам внешней контрольной панели. На все микросхемы подается напряжение питания. Измерения ИМС проводятся при подключении стенда к соответствующему разъему на контрольной панели.

Тепловая связь в микросхемах


В реальных условиях эксплуатации очень трудно обеспечить одинаковые температурные режимы микросхем на плате или транзисторов в одной микросхеме. Зависимость электрических параметров элементов ИМС от температуры саморазогрева приводит к появлению тепловой связи между ИМС или элементами ИМС на кристалле.




Схемы типа КМОП и ТТЛ имеют большой логический перепад и (достаточные) запасы статической помехоустойчивости. В схемах ЭСЛ типа изменение выходных логических уровней с температурой может привести к нарушению функционирования при передаче сигналов между горячими и холодными ИМС. Зависимость логических уровней от температуры для ИМС серий 100, 500 показана на рис. 16.3. Зависимость выходного напряжения высокого уровня от температуры соответствует изменению напряжения VЭБ выходного транзистора - 1,52 мВ/К. Чтобы упростить проблемы термостабилизации ЭСЛ ИМС разработаны новые серии ( 1500, 1501 ), имеющие термокомпенсацию логических уровней.




В цифровых ЭСЛ, а также в большинстве аналоговых микросхем используются генераторы тока типа “токовое зеркало”, имеющие достаточно сильную температурную зависимость. Источники опорных напряжений для этих генераторов стараются расположить в более холодных частях кристалла, например в углах. При этом, токи генераторов в горячих частях кристалла увеличиваются, что важно для обеспечения помехоустойчивости элементов ИМС.

В мощных биполярных транзисторах распределение тепловой мощности по кристаллу реализуется путем параллельного подключения множества маломощных транзисторов. И тем не менее в мощных приборах не избежать градиентов температуры. Для выравнивания токов горячих и холодных структур в их эмиттерные цепи включают токостабилизирующие резисторы, рис 16.4.




Наличие градиентов температуры в кристалле сильно отражается на характеристиках аналоговых микросхем, в большинстве своем построенных на дифференциальных усилителях. Разность температуры в один градус приводит к смещению передаточной характеристики дифференциального усилителя на 1,5 мВ. Токи полевых транзисторов с ростом температуры обычно уменьшаются, а саморазогрев транзистора приводит к появлению гистерезиса ВАХ, рис. 16.5. В аналоговых микросхемах это проявляется в зависимости коэффициента усиления от скорости изменения сигнала. Усиление падает с ростом частоты быстрее, чем в расчетах.

Следует особо отметить локальный разогрев полупроводниковых приборов на арсениде галия, теплопроводность которого примерно втрое меньше, чем у кремния, а подвижность электронов в пять раз больше. С подвижностью электронов связана плотность тока и соответствующая плотность выделяемой мощности. При одинаковых напряжениях на транзисторе их локальный разогрев может быть в 15 раз больше, чем в кремнии. Поэтому, выгорание транзисторов на арсениде галия явление вполне заурядное и надо быть осторожным при работе с ними.