Методы обеспечения теплоотвода космических аппаратов

Улучшение тепловых характеристик в модулях подобных конструкций можно достигнуть путем введения подпружинивания теплопроводных плунжеров. В модуле на бескорпусных БИС фирмы IBM наряду с этим для внешней теплоотдачи используется принудительное жидкостное охлаждение (рис. 1.17).

Еще одним из направлений снижения теплового сопротивления являются конструктивы, использующие вместо штырей и прижимных плунжеров теплопроводные наполнители. Примером может служить устройство, представляющее собой чашеобразную крышку, герметично закрывающую подложку путем припаивания или приклеивания фланца к подложке. Крышка выполнена из материала с высокой теплопроводностью. Внутренняя полость крышки разделена тонкими перегородками на ячейки-соты, нависающими над каждым из кристаллов, смонтированных на подложку способом “флип-чип”. В ячейки заливается полуотвержденный теплопроводный адгезив. При нагреве адгезив, размягчаясь, образует тепловой контакт с соответствующим кристаллом ИС. Для оптимизации теплового режима работы модуля, адгезив помещают в разные ячейки-соты с разной теплопроводностью в зависимости от уровня выделяемой кристаллом мощности.

а) детали модуля перед сборкой

б) конструкция теплоотвода с подпружиниванием

Рис.1.17. Тепловой модуль устройства фирмы IBM на бескорпусных СБИС.

1 - каналы для воды, 2- стопор, 3- прокладка, 4- многослойная плата, 5- основание, 6- пружина, 7- плунжер, 8- фланец, 9- кристалл, 10- крышка, 11- панель охлаждения

Теплопроводные вставки (из металла, псевдосплава Cu-W) выполняются и внутри подложки, герметично заполняя сквозные отверстия в подложке. Монтаж кристаллов ведется именно на эти вставки. Имеются сообщения, что подобные вставки могут выполняться в виде глухих или сквозных узких отверстий, заполненных теплопроводящим материалом. Характерен способ, предусматривающий вытравливание вертикального отверстия, которое проходит через многослойную структуру, состоящую из чередующихся слоев металла и диэлектрика. Это отверстие, на дне и боковых стенках которого имеются нанесенные многослойные структуры, заполняют теплопроводным материалом - полимер с серебряным порошком в качестве наполнителя или припоем. С помощью этого материала также присоединяют полупроводниковые кристаллы к верхней многослойной структуры металлизации. Подложку в таких модулях выполняют из теплопроводного зеркально-полированного AIN. На верхней поверхности сборки также размещают пластину из Cu-W, которая служит теплоотводом.

Отмечается, что наиболее прогрессивным методом при кондуктивном охлаждении является использование металлических оснований коммутационных плат. При монтаже ИС, особенно бескорпусных, они позволяют избавиться от массогабаритных устройств теплоотвода (характерных для мощных корпусных ИС), позволяют избежать неравномерности перегрева ИС. Как было отмечено наиболее эффективным материалом в технологии монтажа МКМ для этого является анодированный алюминий и его сплавы.

Конструктивные решения с размещением кристаллов в отверстиях (выемках) платы (и в первую очередь металлического основания) интересны для реализации теплостока, так как в этом случае кристаллы дополнительно могут рассеивать тепло в подложку и через свои боковые поверхности. Однако, как отмечалось ранее, здесь требуется высокая точность совмещения и в то же время теряется много коммутационной площади на формирование переходов в диэлектрике, при этом целостность электроцепи зависит от многих трудно контролируемых технологических факторов: обеспечения плоскостности кристаллов и платы, соосности кристаллов, исключение провалов термопластика по краям кристалла и т.п. и крайне ограниченная ремонтнопригодность.

Большое значение для теплостока играет и технология установки кристалла на основание платы (корпуса): приклеивание или пайка. Пайка будет обеспечивать более низкое тепловое сопротивление. При этом отмечается, что при креплении бескорпусных СБИС на коммутационную плату наличие металлических выводов и их плотность существенно сказываются на условиях теплоотдачи. Так, нанесение на стеклоэпоксидную печатную плату металлических полосок, на которые устанавливаются теплорассеивающие элементы, улучшают их тепловые характеристики почти на 40% (полоски соединяются с земляным выводом или рамой платы).

Для многослойных двусторонних плат на полиимидной пленке, установленных на металлическую пластину, матрица металлизированных пропаяных отверстий способствует эффективному теплоотводу на металлизированную пластину (алюминий) с диэлектрическим покрытием (оксидированный слой).

Применение гетероструктурных подложек для обеспечения теплоотвода при повышенной мощности рассеяния МКМ (в отдельных случаях и для согласования ТКР материалов платы и монтируемых элементов) отмечается в ряде конструктивов.

Однако наиболее эффективным является конструктивно-технологическое решение, когда производится суперпозиция плат с высокой плотностью разводки коммутации, прошедших полную аттестацию на годность, и высокотеплопроводных, как правило, металлических оснований, обеспечивающих непосредственный на них монтаж теплонапряженных кристаллов. При таком решении обеспечиваются как высокая плотность коммутации, так и минимальное тепловое сопротивление «кристалл - основание МКМ».

В развитие именно такого конструктива обосновано обеспечение повышенного теплостока в технологии высокоплотного монтажа многокристальных модулей на гибких полиимидных носителях. Многослойные полиимидные платы-носители изготавливаются с использованием высокоразрешающей тонкопленочной технологии, аттестуются на годность, а затем устанавливаются на теплопроводные металлические основания с обеспечением монтажа кристаллов СБИС КГА (на гибких носителях) либо на теплопроводные сквозные припойные каналы в плате, спаяные в вакууме с металлическим основанием, либо непосредственно на пьедесталы металлического основания.

Размещено на Allbest.ru