Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы (1988) (1095417), страница 27
Текст из файла (страница 27)
10 мкм на такой площади размещается бООО биполярных нли 40 000 МОП-транзисторов. При проектной норме 4 мкм число МОП-транзисторов на кристалле возрастает до 250 000, тактных площадок, линий скрайбнрования и зазоров оставить полосу шириной 200 мкм, то на активную часть схемы придется площадь ° 110 мм — 0,4 мм)а = 92 мм'. При проектной норме Имлмглалгныг санни 2.23. Проблема отвода тепла Благодаря рассеянию мощности в полупроводниковых приборах происходит их нагрев до температуры, превышающей температуру окружающей среды.
Чрезмерный нагрев может привести к тому, что рабочая температура прибора выйдет за пределы, предусмотренные в техническом паспорте. Одним из результатов может оказаться чрезмерное увеличение тока утечки рп-перехода. Возможны и более серьезные последствия, а именно необратимое повреждение прибора. гг (М Рнс. 2.66. Огнод телла от нглупронодннконого ирнбора и понмшенне темпе- ратуры кристалла. В условиях равновесия суммарная электрическая мощность, поступающая в прибор, Рщ, должна быть равна тепловой мощности, рассеиваемой этим прибором, Рл, т. е.
должно выполняться условие Р~н = Рл (рис. 2.бб). Отвод тепла от прибора в окружающую среду осуществляется посредством теплопроводности и конвекции. Поскольку температуры нагрева сравнительно невелики, эффект лучеиспускания обычно не играет существенной роли. Приращение температуры ЬТ прямо пропорционально потоку тепла, т, е.
ЬТ = сгРю где сг — тепловое гопротиоление, а ЛТ = = Т, — Тл — разность температур перехода и окружающей среды. Критической точкой прибора является его рп-переход, поэтому в это соотношение входит именно температура перехода Однако благодаря малому размеру кристалла и высокой теплопроводности кремния средняя температура кристалла обычно лишь на несколько градусов отличается от температуры перехода. Глпао 2 !66 На рис. 2.67 показана электрическая схема, являющаяся ана.
логом тепловой эквивалентной схемы прибора. Тепловой поток Ргп который проходит через тепловые сопротивления, включенные между кристаллом (или переходом) и корпусом и между корпусом и внешней средой, создает перепады температуры, определяемые выражениями ЬТюо = Тю — То = Юдюо Рл и ЬТол = Тс— — Т„= Во„рл. Суммарный перепад температуры между переходом и внешней средой определяется как ЬТюл — — Тю — ТА — — /ьТЗо + АТСА = (Вюо + ОСА) Рл — юдюлРл. (2.14) Тепловые сопротивления измеряются в 'С/Вт, хотя иногда их значения указываются в 'С/мВт. РаФ! в о(леаехад или лригллхлл) т„ Рнс. 2.67. Тепловая модель по- лупроводникового прнбора. юная люгера! На рис.
2.68 показаны различные типы корпусов ИС и приведены значения их тепловых сопротивлений. Наиболее широко применяется корпус с доухряднылю расположением пыподоо, или корпус типа !ю!Р. Самые дешевые, пластмассовые корпуса такого типа имеют тепловые сопротивления 200 'С/Вт для 8-выводной конструкции («мини-О)Р»), 160 'С/Вт для 14-выводного и 160 чС/Вт для 16-выводного корпуса. Керамические корпуса типа !ю!Р, которые стоят дороже пластмассовых, имеют значительно меньшие тепловые сопротивления — 100 'С/Вт для 14-выводного и 90 'С/Вт для !6-выводного корпуса. Главная особенность так называемого плоского корпуса — его малая высота, всего 1,8 мм.
Однако этот корпус, несмотря на свой малый объем, имеет сравнительно высокое тепловое сопротивление 300 'С/Вт для 14- и 16-выводной конструкций, Металлические корпуса, в том числе 8-выводной ТО-99 и 10-выводной ТО-!00, имеют тепловое сопротивление 160 'С/Вт. Все приведенные значения соответствуют тепловому сопротивлению между переходом и внешней средой ()юл в условиях свободной конвекции. Это означает, что к корпусу не присоединен никакой специальный теплоотвод и охлаждение осу.
Инлзеернльнце свели 160'Са01 а.азз 160'Са61 алзв о,азв ызыа ЮЬФ~лл" клзелчж олза а"" О,аза обоз Фолл/лВ~/ аз лазо ФУФЛО ~,: азов ТО-116 ЯА/ФРЛФ ЕЧЛоЛ6УЯФ Ц~ 160'аВ61. а ам —.о~ ваза .зЬ ~--. аз а оазо оон олзо о.озв о аав тО-66 300а О/ВП1 а.а в 1 ~ аоао ааав олзо Рыс. 2.66 а оаа алза аазз олзо а ззз олв Иелюлли чинил лщ~пусж ,' звз .11 оан аз„ ази олзз а'.ззв за зов о.зи :-1,'©~- '.а/ «фа а.азв а.озв оооо ОВ4 оолаззоа оа ели !82 Гзоза 2 Плоский коолог го уызз уозг О.эаз Г 03031 О.аоот 0399 т Оаэа Оэза эон Оээ Она о эез ООМ !) '"' З9Ю'С!ага Э СООО 0 аазэ амз ПллскгмассоУого козглуса Е О.ээз О,з О О 325 озэ а,на 37 оо747А7Ф 3 ! О 555 !г ууа окуз збгрсгвгп ООМ 0.090 Оэеэ О М2 ~0.290 ТО-11б гй оззоозгоУ о Мо,ояуа тбо'С!низ 3 35 э заз Зэ аоез 0,057 Оыз О Оээ 0325 0502 0000 О,ОЭЭ 0905 тбО'С(Вгн ком 0309 Рис.
2.68. Типы корпусов !н . (Нанз. 79. Сотенгзнзз Е!ес!гоп!с !!ейга!ез) Буз!епэз 1)ез!цп, 'зэзп Хоз!гзпг) 3!е!22)зо!8, !972.) Все размеры приведены в дюймах, длн переводе в миллиметры умиозкнть на 28,4, Инпиграгвнме схгмм ществляется только путем естественной конвекции воздуха. Тепловое сопротивление между переходом и корпусом для большинства корпусов ИС лежит в пределах от 20 до 40 'С/Вт. Рассмотрим теперь в качестве типичного примера 14-выводной пластмассовый корпус типа 11!Р с тепловым сопротивлением !50 'С/Вт. Максимальная рабочая температура приборов в пластмассовых корпусах обычно составляет 150 'С, что отчасти обусловлено размягчением материала корпуса при чрезмерном на- таомвм Рис, 2.69. Заниснмость максимально допустимой мошности рассенннн от температуры окружавшей среди.
тай>ану >но'с 25' с греве. Максимально допустимая мощность рассеяния Ргали> свя- зана с максимально допустимым перегревом ЛТмах соотношением ЬТмлх = Тт >мах> — Тл =. ВРг>мхх> откуда Рг >мах> = (Тт <ь>ах> — Тл)/В. (2.!5) При температуре окружающей среды 25 'С получим Рн >мах> = (150 — 25)' С/1б0' С/Вт = 0,78 Вт = 780 мВт. (2.1б) Если температура окружающей среды выше 25 'С, максимально допустимая мощность рассеяния будет меньше, а когда окружающая температура Т„приближается к максимально допустимой температуре перехода Т> <мах>, величина Р,,мах> стремится к нулю. График, приведенный на рис. 2.б9, демонстирует снижение максимально допустимой мощности рассеяния рассматриваемого прибора с ростом окружающей температуры.
Наклон граФика равен обратному тепловому сопротивлению, взятому со знаком минус, — 1/б>гл Лля приборов в металлических илн керамических корпусах "аксимальная рабочая температура перехода обычно составляет 175 'С. Таким образом, для металлических корпусов типа ТО-99 (8-выводной) и ТО-100 (10-выводной) с тепловым сопротив- 154 лением 160 'С/Вт при окружающей температуре 25 'С максималь. ная мощность рассеяния равна Рв 1мхх1 = (175 — 25) С/160'С/Вт = 0,94 Вт = 940 мВт.
(2.! 7) Еще одно достоинство металлического корпуса — возможность герметичного газоиепроницаемого соединения крышки с основа. нием. Такая конструкция обеспечивает более надежную защиту прибора от внешних воздействий при длительной работе. Однако металлический корпус стоит гораздо дороже пластмассового. Во многих случаях затраты на сборку составляют значительную часть стоимости полупроводниковых приборов.
2.23.1. Теплоотводы. Максимально допустимая мощность рас. сеяния полупроводниковых приборов может быть существенно повышена с помощью теплоотвода, Теплоотвод представляет собой металлическую деталь, обычно ребристой конструкции, ко. торую можно присоединять к корпусу полупроводникового прибора с помощью зажимов, болтов или адгезива и таким путем улучшать конвективный теплообмен. Существуют разнообразные конфигурации теплоотводов, предназначенные для различных типов корпусов, С помощью теплоотвода удается значительно уменьшить тепловое сопротивление между корпусом и внешней средой Вс,, В результате заметно повышается максимально допустимая мощность рассеяния прибора.
Зачастую она возрастает в три-четыре раза. При наличии теплоотвода тепловое сопротивление между корпусом и внешней средой уже не определяется свободной конвекцией, а становится равным тепловому сопротивлению теплоотвода Внз. Величина Внв в зависимости от конструкции теплоотвода может составлять от 100 'С/Вт для очень небольших съемных теплоотводов до !О'С/Вт для более крупных и массивных конструкций. Выпускаются простые съемные теплоотводы для корпусов типа О/Р, которые обеспечивают снижение теплового сопротивления прибора до 20 — 30 'С/Вт. Кроме того, имеются теплоотводы, присоединяемые к корпусу прибора с помощью высокотеплопроводного эпоксидного адгезива. Такие адгезивы имеют удельное тепловое сопротивление 70 'С см/Вт.
Таким образом, при площади соединения 1 см' тепловое сопротивление пленки адгезива толщиной !равно В = 7 С/Вт х 1 (мм). При ! = 0,1 мм 8 составляет всего 0,7 'С/Вт. В качестве типичного примера, демонстрирующего преимуще. стна использования теплоотвода, рассмотрим прибор, для которого В,л = 150 'С/Вт (при свободной конвекции), Вас = 40 'С/Вт и 7' 1млх1 = !75 'С. При температуре окружающей среды 25 С максимальная лшщность рассеяния в условиях свободной конвек.
ции равна Рв <млх> = (175 — 25) 'С/150 'С/Вт = 1,0 Вт. Если 15$ Оннигралымм схемы испольэовать теплоотвод, которыи имеет тепловое сопротивление относительно окружающей среды Ннз = 20 'С/Вт, то тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой уменьщится со )!О до 20 'С/Вт. Теперь суммарное тепловое сопротивление будет равно (4,л =- б>го + Внл = (40 + 20) 'С/Вт = = 50 'С/Вт, а максимально допустимая мощность рассеяния уведичится до Рл<млх> = )50 С/50 'С/Вт = 2,5 Вт. В предельном случае, когда теплоотвод можно считать идеальным, нлн бесконечным, т. е. имеющим нулевое тепловое сопротивление, получим Вал = Вго = 40 'С/Вт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
