книги / Микроэлектроника. Гибридные интегральные функциональные устройства
.pdfнуса. Внутреннее тепловое сопротивление можно умень шить вдвое, заменив пластмассовый корпус керамическим, и во столько же раз увеличить допустимую рассеиваемую мощность при одной и той же температуре перегрева.
Рис. 1.12. Схемы ИМС в пластмассо вом (а) и керамическом |б) ДИПкорпусах:
/ — тело корпуса; 2 — выводы рамки; 3 — кристалл с выводами; 4 — кры ш ка; 5 — выво ды керам ического корпуса; 6 — м еталлизиро ванные участки
|
|
Таблица 1.6 |
Тип |
корпуса |
Тепловое соиротнв* |
ленне в потоке воз |
||
|
|
духа, К/Вт |
24-выводной ДИП-корпус: |
16—30 |
|
керамический |
|
|
пластмассовый |
|
50—60 |
Керамический 40-выводной ДИП-корпус |
12-25 |
|
68-выводной керамический мнкрокорпус: |
30 |
|
в держателе (патроне) |
||
с теплорадиатором |
10—25 |
|
100-выводной корпус |
с матрицей выводов |
20—23 |
(ЮХЮ) |
|
Из табл. 1.6 видно, что керамический микрокорпус имеет по сравнению с ДИП-корпусом худшие тепловые характери стики вследствие меньшей площади. Внешнее тепловое со противление корпуса можно уменьшить, как было указано, установив теплоотвод, который увеличивает эффективную площадь поверхности корпуса, или увеличив скорость воз
душного потока; однако
при этом |
существенно |
|
снизить |
полное |
теп |
ловое |
сопротивление, |
|
|
|
|
как правило,не |
удается |
|||||
|
|
|
|
(рис. |
1.13). |
|
|
сте |
||
|
|
|
|
|
В |
значительной |
||||
|
|
|
|
пени условия теплоотво |
||||||
|
|
|
|
да |
от |
кристаллов, уста |
||||
Рис. 1.13. Зависимость теплового со |
новленных |
на коммута |
||||||||
противления |
68-выводного корпуса |
ционной плате, |
зависят |
|||||||
от скорости потока воздуха: |
от |
теплопроводности |
||||||||
/ — без |
теплоотвода; 2 — |
с теплоотводом |
||||||||
материала, |
из |
которого |
||||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
изготовлена |
плата. |
В |
||||
табл. |
1.7 |
приведен |
коэффициент |
теплопроводности |
не |
которых материалов, которые применяются при монтаже ИМС. Как для кристалла ИМС, устанавливаемого в корпус, так и для его бескорпусного аналога большое значение име ют способы установки: на клей или припой. Как видно из табл. 1.7, клей (компаунды) даже с наполнителем из метал лов имеет по сравнению с металлами значительно большее а.
|
|
Т а б л и ц а 1.7 |
|
Материал |
а. Вт/мК |
Л120 3 |
(96%) |
25,9 |
ВеО |
|
217 (300 К) |
ВеО |
|
167 (400 К) |
Ковар |
|
15 |
Кремнии |
105 |
|
Компаунд без наполнителя |
0,03 |
|
Компаунд с наполнителем Л120 3 |
0,92 |
|
Компаунд с наполнителем Ag |
2,09 |
|
Медь |
|
259 |
Титан |
|
13,1 |
Алюминии |
238 |
|
Сталь |
|
11.4 |
Эпоксидное стекло |
0,53 |
При создании теплонапряженных ГИФУ существенно использование коммутационных плат с повышенным тепло-
отводом. Так, нанесение на стеклоэпоксидную ПП с низкой теплопроводностью металлических полосок, на которые ус танавливаются специальные теплорассеивающие элементы, улучшает их тепловые характеристики почти на 40 % (по лоски соединяются с выводом «земля» или рамой платы).
Необходимо отметить, что наиболее прогрессивным ме тодом при кондуктивном охлаждении является применение металлических оснований коммутационных плат с диэлект рическим покрытием. Могут быть использованы медные и стальные основания, но наиболее эффективен для примене ния алюминий и его сплавы, так как их теплопроводность ненамного меньше меди (табл. 1.7), но значительно превос ходит сталь; алюминий же по сравнению с медью имеет значительно меньшую массу.
При монтировании мощного транзистора на металли ческое основание его допустимая мощность рассеяния воз растает примерно в 2,5 раза, а тепловое сопротивление сни жается почти в 10 раз. Если же металлическое основание платы обдувать воздухом с объемной подачей воздушного потока со скоростью 0,198 м3/мин, то температура корпуса типа ДИП при мощности рассеяния устройством 13 Вт до стигает 72° С, в то время как при монтировании этого же устройства на стеклоэпоксидное основание температура
корпуса повышается до |
124° С. В табл. |
1.8 приведены теп- |
|
|
|
|
Т а б л и ц а 1.8 |
Основание коммутационной |
Температура |
Тепловое сопротив |
|
платы |
|
ИМС. °С |
ление, К/Вт |
Стеклоэпоксидное |
с ме |
70—91 |
26,4 |
Стеклоэпоксидное |
65—90 |
16 |
|
таллическими полосками |
|||
Стальная плата с диэлек |
18—23 |
8 |
|
трическим покрытием |
алюми |
||
Анодированный |
8—14 |
3—5 |
|
ний |
|
ловые характеристики мощного транзистора, рассеиваю щего тепловую мощность 2,2 Вт, смонтированного на стек лоэпоксидном основании размером 250 X 200 X 1,5 мм и металлическом основании такого же размера с диэлектри ческим покрытием толщиной 0,2 см. Использование таких подложек для монтажа ИМС, особенно бескорпусных, из бавляет от необходимости применения массогабаритных устройств теплоотвода, которые характерны для мощных
ратуре перехода более 150° С, максимальная рабочая тем пература обычных ИМС ограничивается 75—85° С. Это де лается для того, чтобы обеспечить надежность и однород ность электрических характеристик различных кристал лов. Например, необходимые условия теплоотвода созданы в ГИФУ на базе многослойной керамики. В этой ячейке основой теплоотвода является не подложка 4, а специаль ная матрица подпружиненных плунжеров 6 из алюминия, которые прижимаются с помощью пружины 7 к обратной стороне кристалла 5, проводя выделяемую ими теплоту вверх к панели охлаждения 1 (рис. 1.15). Панель охлажде ния прилегает к крышке 2 и имеет внутренние каналы, по которым течет охлаждающая вода с начальной температурой 24°С и с расходом 40 см3/с. Дополнительное улучшение теп ловых свойств ячейки дает заполнение его внутреннего гер метичного объема гелием «?, который при комнатной темпе ратуре намного превосходит воздух по теплопроводности и снижает внутреннее тепловое сопротивление ячейки более чем наполовину. Собранная и загерметизированная таким образом ячейка имеет внутреннее тепловое сопротивление от кристалла до панели охлаждения 9 К/Вт и внешнее теп ловое сопротивление 2 К/Вт. При нормальной работе ячей ки максимально допустимая мощность на кристалл 4 Вт, а на ячейку в целом — 300 Вт. Нагрев кристалла при этом не превышает 68° С. Плотность теплового потока составляет от 20 Вт/см2 на уровне кристаллов и 4 Вт/см2 на уровне ячейки, что на порядок превышает поток теплоты для типо вых корпусов с воздушным охлаждением. При установке кристаллов бескорпусных ИМС методами пайки непосред ственно на металлическое основание коммутационной платы (с диэлектрическим покрытием) специальных устройств для теплоотвода не требуется (см. рис. 1.4); тепловое сопротив ление от кристалла до панели охлаждения не превышает 5 К/Вт. Заметим, что для конструкций ВИП важным для микроминиатюризации является снижение габаритов тран сформаторов и дросселей путем повышения рабочей частоты преобразования до 200 кГц и более. Из-за относительно небольшой плотности монтажа компонентов ВИП, обуслов ленной особенностями элементной базы и монтажа, возмож но построение ГИФУ путем соединения нескольких микро сборок за счет их непрерывной коммутации без применения ПП. Масса и габариты таких ГИФУ значительно меньше этих параметров аналогичных устройств на ПП.
причинам. Во-первых, технология полупроводниковых ИМС вплотную подошла к пределу минимальных размеров эле ментов в кристалле. Для МДП-транзистора этот предел сос тавит по площади около 2 мкм2, а по ширине линий — около 0,1мкм. Эти размеры соответствуют условиям получения наиболее вероятного значения минимальной протяженности пространственного заряда порядка 0,03 мкм. При этом мак симальная теоретическая плотность упаковки (без учета
площади для выводов и по |
|
||||
лей монтажа) составит око |
|
||||
ло 2,5 |
107 |
вентиль/см2, |
|
||
минимальная |
удельная |
|
|||
мощность рассеяния |
более |
|
|||
100 Вт/см2. Во-вторых, су |
|
||||
щественным |
ограничением |
|
|||
размеров кристаллов явля |
|
||||
ется стремление к повыше |
|
||||
нию быстродействия СБИС, |
|
||||
так |
|
как |
максимальная |
|
|
длина |
связи |
в кристалле |
Рис. 2.1. Зависимость числа типов |
||
L —0 ,1Т0 min Утах» |
(2.1) |
ИМС К от степени интеграции N |
|||
где |
Т0mln — минимальная |
температура эксплуатации; |
|||
итах |
= |
—-/ 1 _ ----- максимальная фазовая скорость попереч- |
|||
|
|
V е гРг |
|
|
ной электромагнитной волны в среде с относительными диэ лектрической (ег) и магнитной (fxr) проницаемостями; с —ско рость света в вакууме. Уже на частоте 1 ГГц L = 5 мм (итаХ ~ 5 1010 см/с). В этом случае площадь кристалла должна быть менее 100 мм2. В табл. 2.1 и 2.2 приведены предельные характеристики современных и планируемых СБИС.
Таблица 2.1
Параметры |
эсл |
КМОП |
КМОП Микропро |
Линейные |
||
ЗУ |
цессоры |
ИМС |
||||
Максимальное |
число |
вы |
|
|
|
|
водов |
|
300 |
300 |
28 |
100 |
50 |
Максимальные |
размеры |
|
|
|
|
|
кристалла, ммХмм |
ЮхЮ 10x10 |
5x10 |
10x10 |
5 x 5 |
||
Максимальная |
потребля |
|
|
|
|
|
емая мощность, Вт |
12 |
I |
1 |
2 |
3 |
|
Быстродействие, нс |
1 |
2 |
2 - 5 |
5— 10 |
2 |
пользуемых в качестве стандартных компонентов разно образных систем. При производстве СБИС более высокого уровня интеграции непропорционально обостряются проб лемы испытаний всех классов СБИС. Планирование работ по созданию СБИС в настоящее время даже для высокораз витых фирм является от-
ветственным |
этапом. Чрез |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
вычайные затраты |
на |
тех |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
нологию, |
сосредоточение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
усилия |
большого |
коллек |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
тива |
высококвалифициро |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ванных |
специалистов |
мо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
жет привести фирму к кра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ху, если |
за |
несколько лет |
|
|
v |
|
|
|
rV |
N |
|||||||
до |
окончания |
разработки |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
и выхода на |
промышлен |
Рис. |
2.2. Зависимость |
стоимости |
|||||||||||||
ный рынок будет |
допуще |
ИМС |
С от степени |
интеграции |
N |
||||||||||||
на |
хотя |
бы |
одна |
ошибка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
в |
направлении |
развития |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
микроэлектроники. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
В то же |
самое время в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
достаточно |
сложной |
аппа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ратуре |
управляющих |
си |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
стем имеется |
большое ко |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
личество средств |
сопряже |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ния с |
объектом |
управле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ния, |
средств |
индикации, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ввода |
и вывода |
информа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ции, |
которые |
имеют |
еще |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
малый |
уровень |
микроми |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ниатюризации. С |
увеличе |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
нием |
|
интеграции |
|
ИМС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
(БИС и СБИС) все более |
Рис. 2.3. |
Диаграмма |
относитель |
||||||||||||||
увеличивается |
относитель |
ной |
стоимости |
оборудования |
С |
||||||||||||
ный объем |
вспомогатель |
для литографических |
процессов |
с |
|||||||||||||
различным разрешением |
f0i |
|
|||||||||||||||
ной аппаратуры, |
не |
несу |
|
||||||||||||||
/ — |
р ентгенолито гр аф ия; |
2 — электронно- |
|||||||||||||||
щей |
основной |
функцио |
лучевая |
ли тограф и я; |
3 |
— |
оптическая про |
||||||||||
нальной |
нагрузки |
(источ |
екционная |
ли тограф и я; |
4 — |
оптическая |
|||||||||||
контактная |
литограф ия |
|
|
|
|
ники питания, компоненты конструкций и т. п.). Таким образом, экономически целесо
образно выпускать в широких масштабах ИМС малой и средней степени интеграции (объем производства таких •ИМС за последние 5 лет утроился). Однако наиболее эффек тивное обеспечение противоречивых требований к современ ной функционально сложной МЭА немыслимо без использо
вания специальных БИС и СБИС малой тиражности и большой номенклатуры, так называемых ИМС частного применения, которые изготавливают фирмы, выпускающие системные средства. Овладение полупроводниковой техно логией для таких фирм стало насущной проблемой и прак тической реальностью. Открывающиеся при этом возмож ности позволяют быстро окупить затраты на разработку СБИС созданием новых экономически эффективных систем. Именно для производства систем частного применения (даже гибридных) целесообразно применение гибких автоматизи рованных модулей (производств), поточно-групповых ме тодов использования базовых технологических процессов с гибкой системой контроля уровня их качества.
Все сказанное показывает исключительную перспектив ность современных методов монтажа ИМС и отдельных ра диокомпонентов, направленных на увеличение плотности монтажа и снижение материалоемкости, одним из которых является направление, связанное с созданием МЭА на ГИФУ
§2.2. Бескорпусные и корпусные ИМС
Внастоящее время при конструировании любых уст ройств МЭА одной из главных проблем является выбор мето дов защиты ИМС от дестабилизирующих факторов внешней среды. Существует два основных конструктивно-технологи ческих решения: 1)корпусирование ИМС на уровне кристал ла (корпусные ИМС); 2) корпусирование ИМС на уровне ГИФУ, ячейки или блока МЭА (бескорпусные ИМС). Отме тим сразу, что термин «бескорпусные ИМС», по существу, не отражает сущности этого конструктивно-технологического подхода к решению проблемы. В связи с тем, что выбор того или иного вида корпусирования ИМС определяют те или иные методы монтажа ГИФУ, остановимся более под робно на основных показателях этих конструкций и основ ных тенденциях их развития.
Массогабаритные показатели. Значительное преимуще
ство бескорпусных ИМС по сравнению с корпусными по этим показателям бесспорно и легко видно при рассмотре нии габаритов посадочного места (знакоместа) соответ ствующего элемента. Сравнительные данные приведены
втабл. 2.3 и на рис. 2.4.
Взначительной мере различие в массогабаритных пока
зателях проявляется при сравнении ГИФУ ячеек и блоков МЭА — в 5—20 раз меньше габариты и масса устройств на