ВЫПОЛНЯТЬ расчеты только в грубом приближении. Точность при ближенных расчетов, выполненных по упрощенным методикам, можно повысить, если произвести пересчет известного теплового сопротивления ППП к другим условиям охлаждения или к измененной конструкции.

Тепловое сопротивление участков конструкции, которое можно свести к модели в виде параллелепипеда с расположенным на нем кристаллом, равно:

г с- б/Я + 26), (13.90)

где Sk - поверхность кристалла эквивалентного в данном случае источнику тепла; б - толщина параллелепипеда; %-коэффициент теплопроводности.

Используя правила последовательно-параллельного соединения тепловых сопротивлений отдельных участков ППП, ИС илн МС (рис. 13.40, а) можно получить Гпк или Гпс. в соответствии со схемой рис. 13.40, б. В случае многослойного параллелепипеда г равно сумме тепловых сопротивлений каждого слоя, причем к величине до-

бавляется удвоенная толщина предыдущего слоя. Геометрически это означает, что тепловой поток растекается от кристалла под углом 45° (рис. 13.40, в).

Если тепловой поток ограничен боковыми стенками параллелепипеда или параллельным потоком от расположенного рядом кристалла, то сечение теплового потока уменьшается, как это показано на рис. 13.40, г. Это приводит к увеличению г, что учитывается в формуле (13.87) вторым слагаемым.

Полное тепловое сопротивление ППП, ИС или МС можно пересчи-

Рис. 13.40. ИС в корпусе 201.14.2. Схема конструкции (а), тепловая схема для расчетов пи и А-пг (б), схема расположения элементов и тепловых потоков (в), расположение кристаллов на подложке в схема тепловых потоков в сечении А-А (г): 1 - пластмасса; 2 - кристалл; 3 - выводы из ковара; 4 - алюминиевый вкладыш; S - клей

13.5. Тепловые режимы полупроводниковых приборов, микросборок 459

59 К/Вт;

тать к новым условиям охлаждения по формуле:

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/К м. Индекс () соответствует исходным условиям охлаждения, индекс ( ) - новым условиям охлаждения. Величины а и а можно рассчитать по (151.

Пример 15. Рассчитать насколько изменится внутреннее тепловое сопротивление Гпк кристалл-основание корпуса ИС при конструкции корпуса типа 201.14-2 (рис. 13.40) при увеличении площади кристалла от Sk = 1,6 10-3 X 1,6 10-8 до Sk = 2 10-3 X 2 . 10-3 м.

Дано: Гпк = 34 К/Вт; бл = 2 X X 10-6 м, бал = 1,4 10-3 м (толщины клея и алюминиевого вкладыша); г л = 0,24 Вт/К м, = = 180 Вт/К м (коэффициенты теплопроводности клея и алюминиевого вклалыщя).

Решение. Пренебрегая тепловым сопротивлением алюминиевого вкладыша, по формуле (13.90) находим:

г Г пк- ПК

-34 X

V(l,6- 10-3)2 (У(1.б-10-зТ2 f 2-2.10-5)

1/(2.10-3)2 (У(2.10-3)2--2.2>< X 10-5)

= 21.9 К/Вт.

Величина гпк уменьшилась на

100 ( пк--пк)/-пк = 100(34-22)/34 =

= ЗбО/о.

Пример 16. При измерении теплового сопротивления Гпе ИС в корпусе конструкции 201.8-10 она находилась на вертикально установленной печатной плате. Рассчитать тепловое сопротивление той же ИС при повороте печатной платы в горизонтальное положение и при расположении ИС на нижней поверхности печатной платы.

Дано: Гпк=9 К/Вт; Гпс= а/а =1,3.

Решение. По формуле (13.91) находим:

Гпс ~ (59 - 9) 1,3 + 9 = 74 К/Вт.

Измерение тепловых сопротивлений ППП и ИС*

Измерение г и контроль теплового режима ППП, ИС и МС в РЭА.

Формула для определения теплового сопротивления, например, Гпн полученная дифференцированием выражения (13.88, а) по Ф имеет вид:

Гпк = Абп/АФ

при Он = const, (13.92)

где Дбп и ДФ - приращение температуры 6п и рассеиваемой мощности Ф.

Из (13.92) следует, что при измерении Гпк необходимо поддерживать неизменной температуру корпуса ППП, ИС или МС. Это достигается применением термостата. При этом бц контролируется по температуре теплообменника, к которому прикреплен ППП (ИС или МС). Это допустимо при Эк Эх или при применении термопары, укрепленной на корпусе ППП (ИС или МС).

Температура кристалла может измеряться разными способами, из которых наиболее широко применяются методы, при которых измеряют напряжение р-п переходов U, зависящее от температуры [13, 38]. Элементы кристалла, на которых измеряется напряжение, называются датчиками температуры, а элементы кристалла, с помощью которых коммутируется потребляемая мощность - источниками тепла.

Методы измерения напряжения датчиков температуры можно разделить на статический и импульсный. Статический метод применяется тогда, когда источники тепла и датчики температуры на кристалле ППП, ИС или МС электрически изолированы друг от друга. Эти условия выполняются для тестовых структур, предназначенных для измерения тепловых параметров, и (приближенно) для некоторых типов транзисторов

и ИС. Метод прост и позволяет обойтись стандартными измерительными приборами..

Импульсный метод значительно универсальнее статического, однако он более сложен и требует нестандартных измерительных приборов, позволяющих измерять приращения импульсных напряжений в ППП, ИС или МС с точностью до единиц или долей милливольт.

На рис. 13.41, а приведены диаграммы токов и напряжений при измерении г ИС 1ЛБЗЗЗ импульсным методом, а на рис. 13.41, 6 - функциональная . схема прибора.

Приращение папряження V должно определяться только изменением температуры кристалла за счет саморазогрева ИС. Поэтому в момент измерения V электрический режим нагретой и холодной ИС должен быть одинаковым, для чего ИС на короткое время .переключается в режим измерения. После затухания электрических переходных процессов подается измерительный строб - импульс, в течение которого происходит измерение напряжения. Переключение ИС в режим измерения илн изменение потребляемой мощности осуществляется с помощью электронного ключа. Измерение импульсного напряжения осуществляется путем сравнения его величины с постоянным опорным напряжением. Для градуировки измеряемого напряжения ИС помещается в термостат.

Следует учитывать то, что измерение г требует измерения приращения напряжений, величина которых на два-три порядка меньше самих напряжений V. Это может привести к большим систематическим и случайным ошибкам.

Контроль теплового ре?кима ППП, ИС или МС в условиях эксплуатации осуществляется путем измерения температуры окружающей среды или корпуса и величины потребляемой мощности. Зная тепловые сопротивления Гпс и Гпк,.1йожно проверить условия обеспечения заданного теплового режима. Однако условия охлаждения ППП, ИС или МС при измерении Гцс могут сильно отличаться от условий охлаждения при эксплуатации, что приводи-т к изменению Гпс- В связи с этим

Рис. 13.41. Диаграммы токов и напряжений при измерении теп.аовых сопротивлений ИС 1ЛБ133 (а) и функциональная схема прибора (б):

уровни напряжении логических единицы и нуля на входах ИС. коммутируемых ключом S;; /п - ток. протекающий через ИС: t/выл - выходное напряжение ИС. подаваемое на клемму С/ивм ((р - время разогрева ИС); t/c - стробимпульсы с амплитудой управляющие ключом S2; 1-6, S\ - блоки задержки и формирования; 7, S, S2 - блок сравнения

предпочтительнее проводить контроль теплового режима ППП, ИС или МС по температуре корпуса. Последняя обычно измеряется с помощью термопар или термоиндикаторов плавления.

Зависимость г от электрического режима измерения. В ППП (особенно в транзисторах), ИС и МС возможен в некоторой степени произвольный выбор источников тепла и датчиков гемпературы. Это может привести к значительному изменению найденных значений г. Так например, если в качестве источника тепла и датчика температуры мощного транзистора, являющегося элементом ИС, использовать коллекторный и эмиттерный переходы, то Гпс = 150 К/Вт. Если в этом же транзисторе для этих же, целей использовать области пробоя эмиттерного перехода, то гс возрастет до 1700 К/Вт. Принимая за температуру корпуса ИС ее максимальное или среднеповерхностное значение, мы получим разные значения, внутреннего теплового сопротивления, что приведет к получению либо завышенных, либо заниженных величин г. Например, при произвольном выборе Эк для ИС в корпусе 401.14-1 в значениях Гци будет получена разница в 200 К/Вт.

Зависимость г от внешних условий. Внутреннее тепловое сопротивление обратно пропорционально площади сечения тех участков конструкции, по которым проходит тепловой поток от источников тепла до внешнего теплоотвода. Поэтому величина Гпк будет зависеть от того, какой частью корпуса ППП, ИС или МС прикреплены к внешнему теплоотводу. Например, для ИС в корпусе 402.14-1 Гпк возрастает на 100 К/Вт, если корпус присоеди-