МОЩНАЯ ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА Российский патент 1997 года по МПК H05K1/00 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при конструировании мощных гибридных интегральных схем.

Известна гибридно-интегральная схема с поверхностным монтажом, предусматривающая пайку корпуса на одну поверхность подложки гибридной схемы, а теплорассеивающего элемента на другую поверхность. На днище корпуса имеется обслуживаемая площадка, а на подложке две площадки, расположенные друг напротив друга и сообщающиеся по меньшей мере через одно отверстие с металлизированными стенками. Теплорассеивающий элемент имеет канал, заканчивающийся капилляром со стороны подложки и ведущий к резервуарам для припоя, выходящим на боковую поверхность элемента, такой канал позволяет собирать избыток припоя под днищем корпуса интегральной схемы, которая может вызвать короткие замыкания между контактными площадками или препятствовать правильному размещению корпуса интегральной схемы на подложке [1]
Недостатками данного технического решения является относительно низкие массогабаритные и теплорассеивающие характеристики.

Известна мощная гибридная интегральная схема, содержащая плату из керамики или пластмассы для нанесения на одну его поверхность проводников, окно, например, сквозное отверстие в плате, металлическое охлаждающееся основание, которое закрывает по меньшей мере одну часть противоположной проводникам поверхности платы вокруг окна, и размещенный в окне элемент, который расположен между помещенными в/или на окно соединительными проводниками тепловыделяющими электрическими элементами, например, полупроводниковыми кристаллами, и/или лазером, и/или резистивным слоем, и/или микромодулем, с одной стороны, и металлическим охлаждающим основанием, с другой стороны, в которой, с целью улучшения теплоотвода в окне со стороны основания, размещен массивный металлический охлаждающий блок с низким тепловым сопротивлением перехода между элементом и охлаждающим блоком и между блоком и основанием [2]
Недостатком данного технического решения являются низкие электрические, массогабаритные и теплорассеивающие характеристики.

Цель изобретения улучшение массогабаритных и одновременно теплорассеивающих характеристик и снижение трудоемкости.

Поставленная цель достигается тем, что в известной мощной гибридной интегральной схеме, содержащей диэлектрическую плату с топологическим рисунком металлизации на лицевой стороне, углублением на обратной стороне платы, металлическое охлаждение основания, которое закрывает по меньшей мере часть обратной стороны платы вокруг углубления, тепловыделяющий электрический элемент, размещенный над углублением, например, резистивный слой на лицевой стороне и металлический охлаждающий блок, установленный в углублении, с низким тепловым сопротивлением перехода между тепловыделяющим электрическим элементом и металлическим охлаждающим блоком и между блоком и основанием, металлический охлаждающий блок выполнен в виде выступа на основании, расстояние между стенками углубления и выступом составляет 0,001-1,0 мм, площадь блока составляет 0,8-1,2 площади тепловыделяющего элемента, а остаточная толщина для углубления составляет от 0,5 мкм до 70% толщины диэлектрической подложки, поверх тепловыделяющего электрического элемента, например, пленочного резистора, может быть нанесен слой диэлектрика с высокой теплорассеивающей способностью, размеры которого превышают размеры тепловыделяющего электрического элемента на 1-50 мкм, а толщина равна 0,5-500 мкм, а обратная стоpона диэлектрика соединена тепловым контактом с металлическим хорошо теплопроводящим блоком и/или с теплопроводящим корпусом. По крайней мере один или оба охлаждающих блока могут быть выполнены из диэлектрика с высокой теплопроводностью.

Выполнение металлического охлаждающего блока в виде выступа на основании позволяет стабилизировать сопротивление теплового контакта блока и основания и улучшить теплоотвод.

Ограничение размеров и площади металлического охлаждающего выступа снизу обусловлено увеличением теплового сопротивления, вызванного стягиванием теплового поля выступом, а сверху ухудшением массогабаритных характеристик при отсутствии снижения теплового сопротивления.

Ограничения толщины дна углубления обусловлено соображениями электрической прочности, а сверху -оптимальных соотношением снижения теплового сопротивления и улучшением массогабаритных характеристик за счет сокращения размера тепловыделяющего элемента, например, резистора.

Выбор в качестве материала охлаждающего блока диэлектрика с высокой теплорассеивающей способностью позволяет снизить тепловое сопротивление теплоотвода и тепловыделяющего элемента, а ограничение расстояния между боковой поверхностью блока и углубления позволяет снизить требования по точности монтажа блока и платы без существенного повышения теплового сопротивления.

Нанесение слоя диэлектрика с хорошей теплопроводностью поверх тепловыделяющего элемента, ограничения его размеров и соединение его с металлическим теплоотводящим блоком и/или теплоотводящим корпусом позволяет дополнительно улучшить теплоотвод.

Исследована зависимость теплового сопротивления Rthj теплоотвода (выступа), размещенного в подложке под тепловыделяющим элементом от размера металлического выступа для подложки из поликора Н < 0,5 мм.

В результате проведенных расчетов выяснено, что эффект снижения теплового сопротивления за счет использования теплоотводящего металлического выступа К_p Rthj/Rthj_o,
где Rthj_o тепловое сопротивление без металлического выступа,
Rthj тепловое сопротивление с металлическим выступом,
К_р максимален при S_выст≥R_ист, где
S_выст площадь выступа, мм;
S_ист площадь источника тепла (резистора), и не зависит от S_выст
К_p определяется по формуле (1):

где λ_o теплопроводность материала подложки;
λ_выст теплопроводность материала выступа,
h_выт высота выступа,
h_подл толщина подложки.

При S_выст < S_ист эффект снижения Rthj заметно снижается. Поэтому при выборе оптимальных размеров теплоотвода следует учитывать негативный эффект увеличения массы конструкции за счет введения металлического выступа. Для обеспечения максимального снижения теплового сопротивления при минимальном возрастании массы следует пользоваться соотношением S_выст (1-1,2)•S_ист при максимальном соотношении h_выт/h_подл. Введение теплоотводящего выступа в объем подложки позволяет либо снижать температуру нагрева источника тепла (резистора) температуры Т₁, либо уменьшить площадь источника тепла (резистора) при сохранении постоянной температуры в соответствии с соотношением (2)


Уменьшение площади источника тепла позволяет в целом уменьшить массогабаритные параметры гибридной интегральной схемы, что подтверждается расчетом с использованием следующих формул:

В таблице приведены данные расчета уменьшения площади пленочного резистора при следующих исходных условиях:
Rthjo=7,5^° C/Bτ=const;
h 0,5 мм;
h_ост 30 мкм;
форма источника круглая.

Из таблицы видно, что при указанных исходных данных площадь пленочного резистора может быть уменьшена в 8 раз за счет введения выступа.

На фиг.1 представлена предлагаемая гибридная интегральная схема, где:
диэлектрическая плата 1, топологический рисунок металлизации 2, углубление 3, металлическое охлаждающее основание 4, тепловыделяющий электрический элемент 5, металлический охлаждающий элемент 5, металлический охлаждающий блок 6.

На фиг.2 представлен размер предполагаемой гибридной интегральной схемы с теплоотводом вверх и вниз, где: диэлектрическая теплоотводящая пленка 8, теплоотводящий блок 9, корпус 10.

Например, мощная гибридная интегральная схема, содержащая диэлектрическую, например, поликоровую плату 1, с топологическим рисунком металлизации 2. Например, со структурой Тi (100 Ом/мм² Рd (0,2 мкм) Au (3 мкм) на лицевой стороне платы. На обратной стороне выполнено углубление 3, например, размером 11,0х9х0,45 мм.

Обратная сторона платы 1 соединена с металлическим теплоотводящим основанием 4, выполненным, например, из псевдосплава МД-50 или псевдосплава волвольфрам медь, которое закрывает по меньшей мере часть обратной стороны платы 1 вокруг углубления, и размещенный над углублением тепловыделяющий электрический элемент, например, резистивный слой со структурой, например, из пленки Та с поверхностным сопротивлением 20 Ом/мм² и размером 10х8 мм, размещенный на лицевой стороне платы 1, металлический охлаждающий блок, например, из материала основания, или из нитрида алюминия, установленный в углубление с низким тепловым сопротивлением перехода между тепловыделяющим электрическим элементом 5 и металлическим охлаждающим блоком 6 и основанием 4. Размеры металлического охлаждающего блока 6 (выступа) в плане составляют 10,1х8,1х0,45 мм, остаточная толщина дна углубления 0,05 мм. Расстояние между боковой поверхностью блока 76 и углублением 3 составляет 0,5 мм.

Поверх тепловыделяющего электрического элемента 5, например, пленочного резистора, может быть нанесен слой 9 диэлектрика с высокой теплорассеивающей способностью, например, из нитрида алюминия 3. Размеры слоя диэлектрика 9 на 10 мкм превышают резистор, а толщина 5 мкм, на слой 9 помещен и соединен блок 10 из МД-50, соединенный с корпусом 11.

Устройство работает следующим образом.

Электрический сигнал проходит через, например, мощный пленочный резистор. При этом в резистивной пленке выделяется тепло, которое отводится через остаточную толщину два углубления в плате, затем через металлический охлаждающий блок, металлическое теплорассеивающее основание.

Использование предлагаемой конструкции гибридной интегральной схемы позволяет улучшить теплорассеивающие характеристики схемы при одновременном улучшении массогабаритных характеристик.

Изобретение относится к электронной технике. Сущность изобретения: в диэлектрической плате, содержащей топологический рисунок металлизации, выполнено углубление, расположенное под тепловыделяющим элементом на обратной стороне подложки. В углублении расположен выступ металлического теплоотводящего основания, что позволяет улучшить массогабаритные и теплорассеивающие характеристики платы. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Мощная гибридная интегральная схема, содержащая диэлектрическую плату с токологическим рисунком металлизации на лицевой стороне, углублением на обратной стороне платы, металлическое охлаждаемое основание, которое закрывает по меньшей мере часть обратной стороны платы вокруг углубления, тепловыделяющий электрический элемент, размещенный над углублением, например, резистивный слой на лицевой стороне и металлический охлаждающий блок, установленный в углублении с низким тепловым сопротивлением перехода между тепловыделяющим электрическим элементом и металлическим охлаждающим блоком и между блоком и основанием, отличающаяся тем, что металлический охлаждающий блок выполнен в виде выступа на основании, расстояние между стенками углубления и выступом составляет 0,001 1,0 мм, площадь блока составляет 0,8 1,2 площади тепловыделяющего элемента, а остаточная толщина дна углубления составляет от 0,5 мкм до 70% толщины диэлектрической подложки. 2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что поверх тепловыделяющего электрического элемента, например пленочного резистора, нанесен слой диэлектрика с высокой теплорассеивающей способностью, размеры которого превышают размеры тепловыделяющего электрического элемента на 1 50 мкм, а толщина равна 0,5 500 мкм, а обратная сторона диэлектрика соединена тепловым контактом с металлическим хорошо теплопроводящим блоком и/или с теплоотводящим корпусом. 3. Схема по п.1 или 2, отличающаяся тем, что по крайней мере один или оба охлаждающих блока выполнены из диэлектрика с высокой теплопроводностью.