Конструирование и проектирование интегральных микросхем

     Данный  корпус имеет следующие конструктивно-технологические  характеристики:

     —масса, не более                  2,0 г

     —размеры  монтажной площадки            17,0 х 15,3 мм

     —мощность рассеяния при t=20^оС        2 Вт

     —метод  герметизации корпуса      аргонодуговая сварка.

3.5 РАЗРАБОТКА КОММУТАЦИОННОЙ СХЕМЫ

 

     Коммутационную  схему разрабатываем в соответствии с размером платы и расположением выводов на корпусе. Размещая элементы на плате необходимо соблюдать следующие основные правила: минимум длины соединений, минимум пересечений. Также необходимо учитывать функциональное назначение выводов

3.6 ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ТОПОЛОГИИ

 

     В соответствии с коммутационной схемой размещаем элементы и компоненты на плате, учитывая технологические ограничения. Сформированную топологию необходимо проверить по следующим критериям:

• обеспечение необходимого теплового режима;
• надежность.

3.6.1 ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РАБОТЫ МИКРОСХЕМЫ

 

     Расчет  теплового режима гибридных ИМС  ведут в несколько этапов. Сначала оценивают общий тепловой режим микросхемы. Если он не обеспечивается, то изменяют конструкцию микросхемы (тип корпуса), применяют материал подложки с большей теплопроводностью, устанавливают микросхему на теплоотвод и т. д. Далее производят расчет  тепловых режимов пленочных элементов и навесных компонентов. Для этого выбирают наиболее нагруженный пленочный элемент, приближают к нему наиболее нагруженный навесной компонент, находят температуры нагрева этих элементов и сравнивают их с предельно допустимыми. Если необходимый тепловой режим не обеспечивается, то изменяют требования к разработке топологии. Эти требования связаны с обеспечением необходимых зон защиты тепловыделяющих элементов

     R_T=(h_п/l_п+h_к/l_к)/(bl),                                                  (3.7)

где     R_T – тепловое сопротивление;

          l_п и l_к – коэффициенты теплопроводности материала подложки и клея;

          h_п и h_к – их толщины;

          b и l – размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой;

         h=h_п+h_к.

     Выбраны ситалловая подложка СТ-50-1 и эпоксидный клей согласно [1]:

     l_п=1,5 Вт/(м×^оС)

     l_к=0,3 Вт/(м×^оС)

     h_п=0,6 мм

     h_к=0,1 мм

     При уменьшении размеров источника тепла  тепловой поток становится расходящимся, эффективность теплоотвода увеличивается и соответственно уменьшается тепловое сопротивление [1]. Тот факт учитывается функцией g(q,r): 

     R_Tэфф=R_Tg(q,r),                                   (3.8)

     q=l/2h,

     r=b/2h,

где l,b – линейные размеры плоского источника теплоты. Значения функции g(q,r) приведены в [1].

     Расчет  теплового режима резисторов.

     Расчет  теплового режима резистора R5:

     Значения  q,r,h при l=1,55 мм, b=0,95 мм:

     h=0,6+0,1=0,7 мм,

     q=1,55/(2×0,7)=1,107,

     r=0,95/(2×0,7)=0,678.

     По  полученным данным найдено значение функции g(q,r) [1]:

g(q,r)=0, 62

     По  выражениям определенны R_T и R_Tэфф: 

,

     R_Tэфф=0,62×475=294

.

     Нормальный  тепловой режим элементов обеспечивается при выполнении условия:

     T_э=Т_сmax+q_к+q_э< Т_{max доп},                                               (3.9)

где Т_сmax – максимальная температура окружающей среды в процессе эксплуатации: Т_сmax=55 ^оС;

       q_к – перегрев корпуса относительно температуры окружающей среды;

       q_э – перегрев элементов за счет рассеиваемой мощности;

       Т_{max доп} – максимально допустимая рабочая температура

     Перегрев  корпуса относительно температуры  окружающей среды находим по формуле:

     q_к=P_SR_к,                                                             (3.10)

где P_S – суммарная мощность, рассеиваемая ИМС;

       R_к – тепловое сопротивление корпуса.

     Тепловое  сопротивление корпуса находим  по формуле:

     R_к=1/(aS_T),                                                         (3.11)

где a=3×10³ Вт/(м²×^оС) – коэффициент теплопередачи;

       S_T – площадь теплового контакта с теплоотводом;

     Подставив значения в формулы (3.10), (3.11) получаем:

     R_к=1/(3×10³×80×10^-6)=4,167

,

     q_к=0,192×4,167=0,813 ^оС.

     Перегрев  элементов за счет рассеиваемой мощности:

     q_э=P_э R_Tэфф,                                         (3.12)

где P_э — мощность элемента, Вт

     По  формуле (3.12):

     q_э=0,044×294=12,94×^оС

     По  формуле (3.9):

     T_э=55+0,813+12,94=68,75^оС<85 ^оС

     Дальнейший  тепловой расчет резисторов проводится аналогично вышеприведенному данные по тепловому расчету резисторов приведены  в таблице 6. 

Таблица 6 – Данные по тепловому расчету резисторов

 

     Тепловой  расчет транзистора. 

     В соответствии с техническим заданием в разрабатываемой микросхеме есть транзистор SB-07, мощность которого P_э=15 мВт.

     Нормальный  тепловой режим элементов обеспечивается при выполнении условия:

     T_э=Т_сmax+q_к+q_э+q_вн < Т_{max доп},                                          (3.13)

где q_вн – внутренний перегрев области p-n перехода.

     В соответствии с вышеприведенным расчетом резисторов h=0,7 мм.

     Габаритные размеры транзисторов:

     l=1 мм

     b=1,3 мм

     Находим значения q,r:

     q=1/(2∙0,7)=0,71

     r=1,3/(2×0,7)=0,92

     По  полученным данным значение функции g(q,r):

     g(q,r)=0,63

     По  выражениям (3.7), (3.8) значения R_T и R_Tэфф:

     R_Tэфф=538,3×0,63=339

     По  формуле (3.12) перегрев элементов за счет рассеиваемой мощности:

     q_э=339×15×10^-3=5 ^оС

     Внутренний  перегрев области p-n перехода:

     q_вн=R_TвнP_э,                                                           (3.14)

где R_Tвн — внутреннее тепловое сопротивление, R_Tвн=860 ^оС/Вт

     По  формуле (3.14):

     q_вн=15×10³×860=12,9 ^оС