Главная  Интегральный монолит 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [ 45 ] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

сопротивление слоя около 30 иОт т квадрат, необходимо обращать внимание на сохранение равномерной инжекции на всей поверхности амиттера путем использования больших соединительных полосок над эмиттером. Для обеспечения требуемой равномерности плотности тока (Прямое напряжение на переходе база- эмиттер транзистора не должно изменяться более чем на 10 мВ.

С целью предохранения мощных транзисторов от перехода в режим вторичного пробоя необходимо использовать небольшие токопроводя-щие или балластные резисторы, которые включаются последовательно с каждой из областей эмиттера для устранения локального нагрева или образования горячих точек из-за неравномерности распределения тока по площади эмиттерно-базового перехода. Так как переход база - эмиттер имеет распределенный характер, такие балластные резисторы можно ввести в схему как распределенные резисторы, выполненные в виде объемного сопротивления диффузионной эмиттерной области tt+-THna. Достигается это оставлением некоторого расстояния (обычно от 15 до 30 мкм) между металлическим контактом эмиттера и периферийной активной областью эмиттера. Схематически такие объёмные резисторы показаны на рис. 6-12. Если в одной из периферий-

ч /

Край эмиттерной " области

Балластные

резисторы

Металлический контакт

Мощный транзистор


Рис. 6-12. Схематическое изображение распределенных балластных резисторов.

Рис. 6-13. Распачожение элементов схемы мощного стабилизатора напряжения на монолитной пластинке.

ных точек эмиттера появляется тенденция к протеканию более сильного тока и, следовательно, появляется возможность локального нагрева этой точки, то падение напряжения на балластном резисторе будет уменьшать смещение на этом участке эмиттера и выравнивать распределение тока.

В мощных монолитных схемах размещение мощных устройств в непосредственной близости от маломощных схем обработки сигналов и схем управления требует дополнительной предосторожности при выборе топологии. Мощные устройства являются сосредоточенными источниками выделения тепла и могут привести к возникновению значительного температурного градиента на монолитной пластинке. Эта проблема стоит особенно остро в схемах монолитных стабилизаторов, в которых на пластинке должна изготавливаться схема независимого от температуры источника эталонного напряжения. Поэтому при разметке схем такого типа необходимо очень внимательно подходить к размещению устройств управления и особенно источника эталонного напряжения с тем, чтобы по возможности минимизировать влияние на эти схемы неравномерного распределения температуры по пластинке.

На рис. 6-13 показан практический пример расположения элементов схемы монолитного мощного



стабилизатора. Как .правило, источник выделения тепла - мощный транзистор (последовательный элемент схемы стабилизатора) располагают на краю МОНОЛИТНОЙ пластинки. Локальный нагрев мощного транзистора приводит к образованию изотермальных контуров на остальной части пластинки, которые приблизительно параллельны краю мощного транзистора. Тепловой дрейф монолитных элементов можно минимизировать, размещая схемы управления таким образом, чтобы элементы, которые должны быть согласованы, располагались на одних изотермальных контурах или на равных расстояниях от источника выделения тепла. Так как схема источника эталонного напряжения наиболее подвержена воздействию теплового градиента, ее следует располагать возможно дальще от мощных транзисторов. А схему тепловой защиты, которая должна реагировать на температуру р-п переходов мощного транзистора, следует располагать около выходного транзистора.

6-7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛООТВОДА И ЗАКЛЮЧЕНИЕ В КОРПУС

Проблема рассеивания тепла является наиболее серьезным ограничением в мощных монолитных схемах. Поэтому для разработки хорощо работающей мощной схемы анализ теплоотвода является столь же важной составной частью процесса проектирования, как и расчет электрических характеристик. Для обеспечения безопасной и надежной работы кремниевых устройств максимально допустимая температура переходов должна ограничиваться величиной около Н-175°С. Теплоот-вод от монолитной пластинки в корпус схемы и далее в окружающую среду представляет сложную проблему, которая зависит от расположения пластинки и ее размеров, типа корпуса и его размеров и от температуры окружающей среды.

Приближенная оценка некоторых основных тепловых параметров основана на использовании простой, линеаризованной модели теплопроводности. Поток теплоты Q через тепловой барьер, имеющий разность тем1ператур, равную АГ, можно связать с так называемым тепловым сопротивлением барьера R следующим соотнощением:

Q=Am.

(6-21)

Между монолитной пластинкой и окружающей средой имеются два последовательных этапа теплоотвода: поток теплоты от переходов полупроводниковых устройств к корпусу и от корпуса в окружающую среду. В виде электрического аналога процесс теплопередачи можно описать с помощью схемы теплового сопротивления, которая показана на рис. 6-14, на которой Гп, Гк и Гс - температура перехода, корпуса и окружающей среды соответственно; ruk - тепловое сопротивление между переходом и корпусом; кс - тепловое сопротивление между корпусо-м и окружающей средой. Свойства монолитной схемы и корпуса по рассеиванию тепловой энергии можно приближенно описать с помощью линеаризованной модели рис. 6-14 следующим выражением:

(6-22)

Тепловое сопротивление Rk зависит от расположения монолитных элементов на пластинке, ее размеров и способа крепления пластинки в корпусе. Тепловое сопротивление между корпусом и окружающей

Рис. 6-14. Электрический аналог-теплоотв«-да от интегральной схемы.



средой Rkc в .некоторой степени можно изменить в процессе эксплуатации путем улучшения теплоотво-да от .всего устройства в целом. По этой причине сопротивление Rc на электрической эквивалентной схеме рис, 6-14 показано в виде переменного элемента. Точное значение величин тепловых сопротивлений для конкретной схемы определяется на основе опытных данных. Наиболее часто для мощных монолитных схем применяется отдельный корпус. В этом случае удобно описы-,вать свойства корпуса непосредст-венио характеристиками теплопередачи от переходов схемы в окружающую среду. Это можно сделать путем определения теплового сопротивления Rnc между переходом и окружающей средой в виде

Rnc - пк -Ь

(6-23)

и рассчитывать способность монолитной схемы по рассеиванию мощности из уравнения

Тп-П.

(6-24)

Максимально допустимая температура перехода Гп.макс определяет максимально допустимое значение Q при данной температуре окружающей среды и тепловом сопротивлении. Как видно из уравнения (6-24), возможности схемы по теп-

Qz Hi

Рмакс

Рис. 6-15. Зависимость рассеиваемой мощности от температуры окружающей среды.

лоотводу снижаются линейно с повышением температуры окружающей среды, так как величина Гп.макс

постоянна (как правило, Гп.макс !=>=:175°С). Таким образом, при повышении температуры окружающей среды мощность схемы необходимо уменьшать. Это можно сделать в соответствии с графиком, приведенным на рис. 6-15. На этом рисунке точка Го соответствует комнатной температуре -Ь25°С, при которой схема рассеивает в установившемся режиме максимальную мощность Смаке. Если же схема работает при температуре окружающей среды Ti или Гг, то возможности .схемы по рассеиванию мощности снижаются до Qi и Q2 соответственно.

Выбор корпуса является одной из наиболее серьезных проблем проектирования недорогих мощных интегральных схем. /vlHorne из корпусов, широко применяемых для интегральных схем, такие, как ТО-5 и пластмассовый корпус с двумя ря-,дами выводов, имеют слиш-ком большое тепловое сопротивление (типовая величина теплового сопротивления i?nK~ 15°С/Вт). По этой причине они не пригодны для интегральных схем, имеющих мощность более 1 Вт.

Корпуса для мощных интегральных схем делятся на две группы: пластмассовые и металлические (герметичные). Пластмассовые корпуса для мощных интегральных схем не обязательно имеют такие же преимущества в стоимости, которыми обладают пластмассовые корпуса небольших размеров для маломощных транзисторов и интегральных схем. При уровнях рассеиваемой мощности более нескольких ватт целесообразно применять корпуса с винтовым креплением, который приспособлен для непосредственного закрепления на теплоотво-де. Невысокая точность размеров пластмассового корпуса вынуждает расширять монтажные отверстия для крепления его к теплоотводу. Иногда применяется комбинирован-



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [ 45 ] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

0.0008