Конструктивные особенности и охлаждение ИС.

Широкое распространение получили корпуса типа 2. В зарубежной литературе корпуса с двухрядным расположением внешних выводов называются DIP - корпусами (dual-in-line-packige). Ниже на рис.4 а, б приведены основные геометрические размеры корпусов типа 238.16-1 и 238.16-2.

Рис. 4 Конструкция корпуса типа 2

Тело корпусов изготовлено из пластмассы. Кристалл прикреплен к подложке клеем ВК-32-200. Материалом подложки корпуса 238.16-1 служит ситалл толщиной 0,6мм, корпуса 238.16-2 – дюралюминий. Дюралюминевая подложка выполняет функции растекателя теплоты. Выводы толщиной 0,25 – 0,3мм армируют тело корпуса на большую глубину. Тепловой поток от кристалла частично передается по выводам ПП и снимается с корпуса конвекцией и тепловым излучением. Таким образом происходит охлаждение корпусов малой мощности.

Современные микрокорпуса ИС широкого применения типа SO (Small Outline), напоминают уменьшенный вариант корпуса DIP. Число выводов от 4 до 28. Тип выводов «крыло чайки» (рис. 5а).

Рис.5 Корпуса ИС для поверхностного монтажа

а – выводы «крыло чайки»; б – «J» - выводы; в – безвыводной корпус

Число выводов 8, 14 и 16, выводы располагаются с шагом 1,27мм. По объему на 70% меньше корпуса типа DIP.

Для корпусирования БИС и СБИС применяют корпуса типа PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) – пластмассовые кристаллоносители с выводами. Проекция PLCC представляет собой почти правильный квадрат и имеет обычно от 18до 84 выводов. Шаг выводов обычно составляет 1,27 или 0,635мм (у некоторых СБИС шаг 0,508мм). Выводы располагаются в один ряд по периферии. Варианты корпусов с числом выводов до 52 имеют «J» - образные выводы, загибаемые под корпус (рис.4 б). Охлаждение кристалла происходит так же как у корпусов типа DIP.

Замена в ИС пластмассы на керамику снижает тепловое сопротивление с 55…60 К/Вт до 30…40 К/Вт и соответственно приводит к понижению температурного перепада в два раза при одной и той же мощности тепловыделения.

Безвыводные корпуса (рис.4,в) устанавливаются на керамическую плату без воздушного зазора, улучшая теплоотвод.

Теплоотвод от ИС, установленных на ПП, может осуществляться с помощью теплопроводных шин, которые располагают непосредственно под корпусами ИС (рис.6, а) или быть сплошными (рис. 6,б).

Рис.6 Охлаждение ИС с помощью теплоотводящих шин:

а – ячейка с шинами – теплостоками и плоским тепловым разъемом; б – ячейка со сплошным теплоотводом и ребристым тепловым разъемом;

1- элементы теплоотвода; 2- ИС; 3- печатная плата; 4- окна в теплоотводящей шине; 5- разетка соединителя

Материалом для тепловых шин служат сплавы алюминия, медь и ее сплавы. Толщина шин не менее 0,5мм для меди и ее сплавов, 1мм для алюминия и его сплавов. Конструкции с тепловыми шинами применяются при всех видах охлаждения ЭС: естественно – вентилируемом, принудительно - вентилируемом, жидкостном.

Одним из условий эффективного применения кондуктивных теплостоков является обеспечение низкого теплового сопротивления между корпусом ИС и теплостоком за счет приклеивания.

При воздушном охлаждении тепловые шины (теплостоки) выполняют функцию радиаторов.

В герметичных конструкциях обеспечивают тепловой контакт теплостоков с корпусом блока через тепловой разъем. На поверхности корпуса располагают радиаторы.

Эффективность охлаждения можно повысить применением тепловых шин (теплостоков) и тепловых разъемов в сочетании с жидкостным охлаждением.

Пример с применением тепловых шин и теплового разъема в сочетании с жидкостным охлаждением показан на рис.7. С обеих сторон МПП расположены теплоотводящие шины, на которых закреплены корпуса ИС.

Рис.7 Тепловая модель функциональной ячейки:

1 – канал для жидкого теплоносителя; 2 - тепловой разъем; 3 – корпус ИС; 4 – теплоотводящая шина; 5 – печатная плата

Шины соединены с ребристым теплоотводом, который составляет часть пластинчатого теплового разъема. Другая часть разъема устанавливается на каркас шкафа и соединяется с теплообменником, по которому циркулирует охлаждающая жидкость. Такая конструкция обладает низким тепловым сопротивлением по всей плате (0,3 – 0,5 К/Вт), обеспечивает возможность оперативной замены ячеек в устройствах.

Общим для рассмотренных способов охлаждения является использование корпусов ИС соответствующих тепловой модели представленной на рис.1,а.

В последнее десятилетие для охлаждения мощных ИС стали широко применяться корпуса ИС соответствующие второй модели (рис.1,б). Интенсификация теплоотвода достигается применением радиаторов (рис.8).

Рис.8 Конструкция ИС с принудительным воздушным охлаждением:

1- кристалл; 2- корпус; 3- клей; 4- радиатор; 5- выводы; 6- крышка

Принудительная воздушная система охлаждения перемещает воздух вдоль ПП с ИС со скоростью до 5м/с.

Аналогичная конструкция ИС используется при локальном (струйном) охлаждении ИС (рис.9).

Рис.9 Схема струйного обдува ИС в блоке:

1 – корпус ИС с радиатором; 2- печатная плата; 3- коллектор

Способ широко применяется для охлаждения БИС в персональных компьютерах и по эффективности сравним с жидкостным охлаждением.