УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОСБОРОК
DEVICE FOR TEMPERATURE STABILISATION OF CHIP ASSEMBLY ELEMENTS

Изобретение относится к технике регулирования температуры в прецизионных электронных устройствах и может быть использовано для поддержания постоянства параметров этих устройств в широком диапазоне температур окружающей среды (ТОС).
Известно устройство для термостатирования полупроводниковых пластин интегральных микросхем, содержащее пластину-подложку, схему регулирования температуры и электрически соединенные со схемой регулирования температуры датчик температуры и транзистор-нагреватель [1]. Благодаря введению в схему регулирования температуры обратной связи и выполнению датчика температуры в виде дифференциального усилителя достигается повышение точности термостатирования за счет исключения теплового гистерезиса. Недостаток этого устройства состоит в том, что высокая точность термостатирования на пластине-подложке достигается лишь вблизи расположения датчика температуры, а элементы, удаленные от датчика температуры, имеют в широком диапазоне ТОС низкую точность термостатирования из-за конечной величины теплопроводности подложки. Другой недостаток этого устройства состоит в том, что в его конструкции не предусмотрены меры по уменьшению паразитных связей между термостатируемыми элементами и узлами, работающими в широком диапазоне частот, что ограничивает функциональные возможности термостатируемых интегральных микросхем.
Известно устройство стабилизации температуры электрорадиоэлементов, содержащее подложку, схему регулирования температуры и электрически соединенные со схемой регулирования температуры датчик температуры и транзистор-нагреватель, расположенные на рабочей поверхности подложки, подложка выполнена в форме квадрата, транзистор-нагреватель расположен на рабочей поверхности подложки в центральной ее части, датчик температуры расположен у края рабочей поверхности подложки, и на рабочую поверхность подложки нанесены границы кольцевой термостатируемой области в виде двух центральных концентрических окружностей, визуально различимых от остальных частей рабочей поверхности подложки, радиусы которых определяют путем расчета или экспериментальных измерений температурного поля подложки [2]. Из-за того, что теплопроводность подложки является конечной величиной, заданный диапазон изменения температуры термостатирования будет обеспечиваться на рабочей поверхности подложки только вблизи размещения датчика температуры. По этой причине точность термостатирования в различных точках поверхности подложки в широком диапазоне изменения ТОС неодинакова. В случае, когда датчик температуры расположен у края рабочей поверхности подложки, транзистор-нагреватель - на рабочей поверхности подложки в центральной ее части, а подложка выполнена в форме квадрата, точность термостатирования элементов, расположенных в ограниченной области поверхности подложки, оказывается выше точности термостатирования подложки в районе размещения датчика температуры. Недостаток этого устройства состоит в том, что высокая точность термостатирования достигается на относительно небольшой площади по сравнению с площадью подложки. Еще один недостаток этого устройства состоит в том, что в его конструкции не предусмотрены меры по уменьшению паразитных связей между термостатируемыми элементами и узлами, работающими в широком диапазоне частот, что ограничивает функциональные возможности термостатируемых узлов.
Наиболее близким к заявляемому объекту является устройство для стабилизации температуры элементов микросхем и микросборок, содержащее подложку, схему регулирования температуры и электрически соединенные с ней датчик температуры и нагреватель, расположенные на рабочей поверхности подложки, подложка и пленочный нагреватель выполнены в форме прямоугольников, нагреватель расположен на продольной оси подложки по всей ее длине, один конец нагревателя соединен непосредственно с общим для всего устройства проводником, а другой конец - через блокировочный конденсатор, датчик температуры расположен у края подложки на ее поперечной оси, а две области, занимаемые термостатируемыми элементами, расположены по всей длине подложки симметрично относительно ее продольной оси и ограничены четырьмя прямыми линиями визуально различимыми от остальных элементов рабочей поверхности подложки, расстояния до которых определяют путем расчета или экспериментального измерения температурного поля подложки [3]. Недостаток этого устройства состоит в том, что высокая точность термостатирования достигается на относительно небольшой площади, хотя эта площадь и больше, чем в устройстве стабилизации температуры электрорадиоэлементов [2]. Еще один недостаток этого устройства для стабилизации температуры элементов микросхем и микросборок состоит в том, что меры, предусмотренные в его конструкции не по уменьшению паразитных связей между термостатируемыми элементами и узлами, работающими в широком диапазоне частот, недостаточно эффективны из-за сравнительно большого сопротивления нагревателя, дополнительно выполняющего функцию экрана.
Общими недостатками вышеперечисленных устройств [1-3] являются низкая точность термостатирования электрорадиоэлементов и существенные паразитные связи между термостатируемыми элементами и узлами, работающими в широком диапазоне частот, что ограничивает функциональные возможности термостатируемых узлов.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - расширение функциональных возможностей термостатируемых устройств, работающих в широком диапазоне частот, в том числе:
- увеличение площади зон с малой погрешностью термостатирования;
- уменьшение паразитных связей между термостатируемыми элементами и узлами.
Это достигается тем, что в устройстве для стабилизации температуры элементов микросборок, содержащем общий для всего устройства проводник, диэлектрическую подложку прямоугольной формы, на рабочей стороне которой вдоль ее продольной оси по всей длине подложки расположены полосковый пленочный нагреватель, первый конец которого соединен с общим проводником, две равные по площади прямоугольные области для размещения на них элементов микросборок, симметрично расположенные относительно продольной оси рабочей поверхности подложки и ограниченные краями подложки и четырьмя нанесенными на эту поверхность линиями, визуально отличающимися от остальных элементов рабочей поверхности подложки, датчик температуры, размещенный у края подложки на поперечной оси ее рабочей поверхности, и соединенную с общим проводником схему регулирования температуры, вход которой соединен с датчиком температуры, а выход - со вторым концом нагревателя, блокировочный конденсатор, один конец которого соединен со вторым концом нагревателя, а другой - с общим проводником, на тыльной стороне подложки симметрично относительно ее продольной оси размещен обладающий высокой теплопроводностью металлический слой, длина металлического слоя равна длине подложки, а его ширина выбирается в пределах 1.00-1.05 расстояния между внешними линиями, нанесенными на рабочую сторону подложки, а сам металлический слой соединен с общим проводником в точке, лежащей на продольной оси тыльной поверхности подложки вблизи второго конца нагревателя, при этом расстояния от продольной оси рабочей поверхности подложки до четырех названных линий определяют путем расчета или экспериментальных измерений.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства для стабилизации температуры элементов микросборок, на которой обозначено: 1 - общий для всего устройства проводник (экранный проводник); 2 - подложка; 3 - полосковый пленочный нагреватель; 4 и 5 - области, занимаемые термостатируемыми элементами; 6 - линии границ областей, занимаемых термостатируемыми элементами, визуально отличающиеся от остальных элементов рабочей поверхности подложки; 7 - датчик температуры; 8 - схема регулирования температуры; 9 - блокировочный конденсатор; 10 - металлический слой, обладающий высокой теплопроводностью (экранный слой).
На фиг.2 приведена схема включения транзистора при использовании его в качестве датчика температуры, а на фиг.3 - вольтамперные характеристики этого транзистора для двух значений ТОС.
На фиг.4,а показано направление распространения теплового потока по правой половине подложки от середины нагревателя к правому краю подложки в направлении, перпендикулярном ее продольной оси Y. Через l и δ на фиг.4,а соответственно обозначены половина ширины подложки и ее толщина. На фиг.4,б показан характер убывания температуры при удалении от продольной оси подложки Y к ее правому краю.
3
На фиг.5 приведены кривые зависимости температуры в различных точках прямоугольной подложки из керамики ВК94, имеющей размеры 12×16×1 мм, при разных значениях ТОС для случая, когда пленочный нагреватель выполнен в форме прямоугольника и расположен на продольной оси подложки по всей ее длине, а датчик температуры расположен у края рабочей поверхности подложки на ее поперечной оси.
2
На фиг.6 приведена схема электрического моделирования зависимости температуры подложки от координаты Х при Y=0 мм. Моделировалось распространение теплового потока по правой половине подложки, показанной на фиг.4,а, для случая, когда подложка выполнена из керамики ВК94, имеющей коэффициент теплопроводности λ=13.2 Вт/(м·К). Пленочный нагреватель расположен на оси Y по всей длине подложки (его ширина принималась бесконечно малой). На тыльной стороне подложки металлический слой отсутствует. Для уменьшения тепловых потерь внутри корпуса устройства для стабилизации температуры элементов микросборок вакуум и конвекция отсутствуют. Приведенная степень черноты поверхности подложки ε=0.8. Координата Х правого края подложки равна 6 мм. Так как длина подложки значительно больше половины ее ширины, то изменением температуры вдоль оси Y можно пренебречь. Линейные размеры подложки составляли 12×16 мм, а ее толщина δ=1 мм. Пунктирными линиями (----) показаны участки разбиения поверхности подложки на квадраты, причем центры квадратов расположены на оси X.
На фиг.7 приведены результаты моделирования зависимости температуры подложки от координаты Х при Y=0 мм, полученные в системе схемотехнического моделирования (ССМ) MicroCAP8, для схемы, изображенной на фиг.6, при разных значениях ТОС. На фиг.7,а приведены результаты для значения ТОС 223 К, на фиг.7,б - для значения ТОС 273 К, а на фиг.7,в - для значения ТОС 323 К.
На фиг.8 приведена схема электрического моделирования зависимости температуры подложки от координаты Х при Y=0 мм. Эта схема отличается от схемы, изображенной на фиг.6, тем, что дополнительно смоделирован теплообмен металлического слоя 10 (см. фиг.1), расположенного на тыльной стороне подложки.
На фиг.9 приведены результаты моделирования зависимости температуры подложки от координаты Х при Y=0 мм, полученные в ССМ MicroCAP8, для схемы, изображенной на фиг.8, при разных значениях ТОС. На фиг.9,а приведены результаты для значения ТОС 223 К, на фиг.9,б - для значения ТОС 273 К, а на фиг.9,в - для значения ТОС 323 К.
На фиг.10 приведены кривые зависимости температуры подложки от координаты Х при Y=0 мм, построенные по результатам моделирования, отраженным на фиг.7 (фиг.10,а) и на фиг.9 (фиг.10,б). Кривая 1 отражает результаты моделирования для значения ТОС 223 К, кривая 2 - для значения ТОС 273 К, а кривая 3 - для значения ТОС 323 К.
На фиг.11 приведены эквивалентные электрические схемы, отображенные в ССМ MicroCAP8, проникновения наводки на частоте 10 МГц от источника наводки V1=1000 мВ, подключенного к паразитной емкости С2 и расположенного в левой области подложки к приемнику наводки, подключенному к паразитной емкости С4 и расположенному в правой области подложки. На фиг.11,а приведена эквивалентная электрическая схема для случая, когда на тыльной стороне подложки металлический слой отсутствует. При этом малы паразитные емкости: С2 - между общим для всего устройства проводником и областью источника наводки; С4 - между этим проводником и областью приемника наводки; С5 - между этим же проводником и полосковым пленочным нагревателем (принимаем С2=С4=С5, равными 1 пФ). На фиг.11,б приведена эквивалентная электрическая схема для случая, когда на тыльной стороне подложки расположен металлический слой. В этом случае значительно возрастают паразитные емкости С2, С4 и С5. Для этого случая принимаем С2=С4=С5 равными 10 пФ. Паразитные емкости С1 и С3 для обеих схем принимаем, равными 1 пФ, а паразитные сопротивления утечки R1 и R3, равными 1 Ом. Над узлами схем отражены рассчитанные в ССМ MicroCAP8 величины амплитуды переменного напряжения в мВ.
К0
К
К
П
П
ОС
П
П
ОС
К0
К
СТ.З
Устройство для стабилизации температуры элементов микросборок работает следующим образом. Температура термостатирования выбирается больше ТОС. Поэтому при подключении устройства к источнику питания температуры подложки 2 и транзистора VT, примененного в качестве датчика температуры 7 (фиг.2), оказываются ниже температуры термостатирования. При низкой температуре ток коллектора транзистора I мал, а напряжение на коллекторе U велико. Увеличение напряжения U, приложенного к входу дифференциального усилителя, входящего в схему регулирования температуры 8, приводит к увеличению тока через полосковый пленочный нагреватель 3, подключенный к выходу дифференциального усилителя. Мощность, выделяемая пленочным нагревателем, вызывает перегрев подложки ΔТ, равный разности между температурой подложки (Т) и ТОС (Т). В этом случае ΔТ=Т-Т. При этом нагрев подложки 2 и датчика температуры 7, расположенного на рабочей поверхности подложки, постепенно увеличивается до температуры термостатирования. Увеличение температуры подложки 2 выше температуры термостатирования приводит к значительному увеличению значения тока коллектора транзистора I, к уменьшению значений напряжения коллектора U и тока через полосковый пленочный нагреватель 3. При этом температура подложки 2 уменьшается до температуры термостатирования. В дальнейшем процесс повторяется. Заданный диапазон изменения температуры термостатирования ΔТ определяет точность регулирования температуры подложки в районе размещения датчика температуры.
ЭБ0
1
2
К0
К
К
К
ОС
П
К
П
СТ
В качестве датчика температуры 7 был применен бескорпусный биполярный транзистор малых размеров, что уменьшило тепловую инерционность датчика и увеличило динамическую точность регулирования температуры. Коллектор транзистора (датчика температуры 7), электрически соединенный с входом дифференциального усилителя, входящего в схему регулирования температуры, включен по схеме с общим эмиттером (фиг.2). Из вольтамперной характеристики транзистора (фиг.3) видно, что при постоянном задающем напряжении U, поступающем на базу транзистора VT с резистора R2, увеличение ТОС от значения Т до значения Т приводит к резкому увеличению тока коллектора I, что вызывает уменьшение напряжения коллектора U. Напряжение коллектора U поступает на один из входов дифференциального усилителя схемы регулирования температуры, с выходом которого соединен полосковый пленочный нагреватель 3, расположенный на рабочей поверхности подложки 2. Уменьшение напряжения на коллекторе U вызывает уменьшение тока через полосковый пленочный нагреватель 3 и уменьшение температуры подложки 2. При уменьшении ТОС (Т) и температуры Т подложки 2 напряжение коллектора U транзистора (датчика температуры 7) увеличивается, что приводит к увеличению тока через полосковый пленочный нагреватель 3 и к увеличению температуры Т подложки 2. Величину температуры термостатирования Т подложки 2 можно изменять, меняя опорное напряжение на другом входе дифференциального усилителя схемы регулирования температуры.
Точность термостатирования в различных точках поверхности подложки в широком диапазоне изменения ТОС неодинакова. В предлагаемом устройстве, содержащем общий для всего устройства проводник 1, диэлектрическую подложку прямоугольной формы 2, на рабочей стороне которой вдоль ее продольной оси по всей длине подложки расположены полосковый пленочный нагреватель 3, первый конец которого соединен с общим проводником, две равные по площади прямоугольные области 4 и 5 для размещения на них элементов микросборок, симметрично расположенные относительно продольной оси рабочей поверхности подложки и ограниченные краями подложки и четырьмя нанесенными на эту поверхность линиями 6, визуально отличающимися от остальных элементов рабочей поверхности подложки, датчик температуры 7, размещенный у края подложки на поперечной оси ее рабочей поверхности, и соединенную с общим проводником схему регулирования температуры 8, вход которой соединен с датчиком температуры, а выход - со вторым концом нагревателя, блокировочный конденсатор 9, один конец которого соединен со вторым концом нагревателя, а другой - с общим проводником, на тыльной стороне подложки симметрично относительно ее продольной оси размещен обладающий высокой теплопроводностью металлический слой 10. Длина металлического слоя равна длине подложки, а его ширина выбирается в пределах 1.00-1.05 расстояния между внешними линиями, нанесенными на рабочую сторону подложки. Металлический слой соединен с общим проводником в точке, лежащей на продольной оси тыльной поверхности подложки вблизи второго конца нагревателя, при этом расстояния от продольной оси рабочей поверхности подложки до четырех названных линий определяют путем расчета или экспериментальных измерений. В предлагаемом устройстве точность термостатирования элементов, расположенных в ограниченной области поверхности подложки, оказывается выше точности термостатирования подложки в районе размещения датчика температуры. Это подтверждается расчетом температурного поля подложки. Вначале рассмотрим расчет температурного поля подложки при отсутствии металлического слоя 10. Если пренебречь изменением температуры вдоль продольной оси подложки Y, то расчет температурного поля подложки сводится к решению одномерной задачи распространения теплового потока вдоль пластины, приведенной в [4] (фиг.4,а и 4,б). Формула для расчета температурного поля подложки при пренебрежении шириной нагревателя имеет вид:
П
ОС
1
1
к
л
к
л
2
где Т - температура подложки; Т - температура окружающей среды; λ - коэффициент теплопроводности материала подложки; l - половина ширины подложки; Р - поток, равный половине тепловой мощности нагревателя; S=а·δ - площадь поперечного сечения подложки; а - длина подложки; U=2(а+δ) - периметр поперечного сечения подложки; l=l+S/U - эффективная длина, численное значение которой используется в расчете температурного поля подложки; (b)=α·U/(λ·S) - коэффициент, определяющий скорость убывания температуры при удалении от нагревателя (при возрастании координаты X); α=α+α - коэффициент теплоотдачи; α - конвективно-кондуктивный коэффициент теплоотдачи; α - коэффициент теплоотдачи излучением.
Проведенный более точный расчет температурного поля подложки сводится к решению двумерной задачи распространения теплового потока от пленочного нагревателя путем математического моделирования с учетом регулирования температуры.
3
СТ.З
МАХ
ОС
СТ
На фиг.5 приведены полученные в результате моделирования [3] кривые зависимости температуры в различных точках прямоугольной подложки из керамики ВК94, имеющей размеры 12×16×1 мм, при разных значениях ТОС. Коэффициент теплопроводности подложки λ=13.2 Вт/(м·К). Полосковый пленочный нагреватель выполнен в форме прямоугольника и расположен на продольной оси подложки по всей ее длине, а датчик температуры расположен у края рабочей поверхности подложки на ее поперечной оси. Заданный диапазон изменения температуры термостатирования в районе размещения датчика температуры составлял ΔТ≤5 К. Максимальная тепловая мощность нагревателя Р была 2.2 Вт. Диапазон изменения температуры внешней среды ΔТ=100 К находился в пределах 223…323 К. Температура термостатирования Т составляла 334 К.
Из графиков изменения температуры вдоль оси Х при фиксированном значении координаты Y (фиг.5) видно, что точность термостатирования элементов, расположенных в ограниченных линиями 6 областях поверхности подложки, оказывается выше точности термостатирования подложки в районе размещения датчика температуры. Для различных значений координаты Y графики изменения температуры вдоль оси Х почти не отличаются друг от друга, когда длина подложки значительно больше половины ее ширины [3]. Это означает, что с высокой точностью можно моделировать изменение температуры вдоль оси X, решая одномерную задачу, не учитывая изменение температуры вдоль оси Y.
Докажем с помощью моделирования эффективность применения на тыльной стороне подложки заявляемого объекта металлического слоя, обладающего высокой теплопроводностью, для увеличения площади зон с малой погрешностью термостатирования. Для этого проведем сравнение с наиболее близким к заявляемому объекту устройством для стабилизации температуры элементов микросхем и микросборок [3], не содержащим указанного металлического слоя.
П
Н
Н
С
ОС
λ
λТ
i
iТ
iТ
2
-3
На фиг.6 приведена схема электрического моделирования зависимости температуры подложки Т от координаты Х при Y=0 мм [5]. Моделировалось распространение теплового потока по правой половине подложки, показанной на фиг.4,а, для случая, когда подложка выполнена из керамики ВК94, имеющей коэффициент теплопроводности λ=13.2 Вт/(м·К) и когда конвекция отсутствует. Приведенная степень черноты поверхности подложки ε=0.8. Полосковый пленочный нагреватель был расположен на оси Y по всей длине подложки, а его ширина принималась бесконечно малой величиной. Координата Х правого края подложки равна 6 мм. Линейные размеры подложки 12×16 мм, а ее толщина δ равна 1 мм. Пунктирными линиями (----) показаны участки разбиения поверхности подложки на квадраты, причем центры квадратов расположены на оси X. При моделировании величина напряжения V в Вольтах численно принималось равной величине температуры нагревателя (Т) в Кельвинах, а величина напряжения V в Вольтах - величине ТОС (Т) в Кельвинах. Электрическое сопротивление R в Омах принималось численно равным тепловому сопротивлению квадрата подложки R=1/(λ·δ)=1/(13.2·1·10)≈76 К/Вт [5]. Электрическое сопротивление R в Омах выбиралось численно равным тепловому сопротивлению R в К/Вт между площадью квадрата разбиения подложки, участвующей в лучистом теплообмене, и окружающей средой. Величину R определяли с помощью выражения [4]:
iТ
Л
i
,
-1
R=(α·S)
i
Л
П
ОС
П
Л
СТ
П
СТ
П
i
-3
2
-6
2
где S=(2·0.5·10)=0.5·10 м - площадь разбиения поверхности подложки на квадраты, участвующая в лучистом теплообмене; α=ε·f(Т, Т) - коэффициент теплообмена излучением; температура Т при вычислении α выбрана равной Т для всех квадратов, так как Т-Т<<Т; по этой же причине сопротивления R соединены с центрами квадратов площадей рабочей поверхности подложки, хотя учитывают теплообмен с рабочей и с тыльной стороны поверхностей подложки;
- табулированная функция.
Площадь торцевых поверхностей подложки намного меньше суммы площадей рабочей и тыльной поверхностей. Поэтому мощностью, отводимой с торцевых поверхностей, как обычно, пренебрегли [4].
П
ОС
ОС
ОС
ОС
СТ
СТ
ОС
ОС
ОС
На фиг.7 приведены результаты моделирования зависимости температуры подложки Т от координаты Х при Y=0 мм, полученные в ССМ MicroCAP8 [6], для схемы, изображенной на фиг.6, при разных значениях Т. На фиг.7,а приведены результаты для Т=223 К, на фиг.7,б - для Т=273 К, а на фиг.7,в - для Т=323 К. Температура термостатирования выбрана Т=334 К, а диапазон ее изменения районе размещения датчика температуры составил ΔТ=333.907-333.783=0.124 К. Температура правого края подложки оказалась равной 333.783 К для Т=223 К, 333.835 К для Т=273 К и 333.907 К для Т=223 К.
П
Эффективность применения металлического слоя для увеличения площади зон с малой погрешностью термостатирования докажем путем моделирования. На фиг.8 приведена схема электрического моделирования зависимости Т(Х) при Y=0 мм. Эта схема отличается от схемы, изображенной на фиг.6, тем, что дополнительно смоделирован теплообмен металлического слоя 10 (см. фиг.1), обладающего высокой теплопроводностью, расположенного на тыльной стороне подложки. Длина этого слоя равна длине подложки, а координата его правого края Х=4 мм.
П
ОС
ОС
ОС
ОС
ПЛ
ПЛ
М
ПЛ
М
ПЛ
ПЛ
М
М
ПЛ
YT
YT
i
Y
-4
-3
2
-6
На фиг.9 приведены результаты моделирования зависимости Т(Х) при Y=0 мм, полученные в ССМ MicroCAP8, для схемы, изображенной на фиг.8, при разных значениях Т. На фиг.9,а приведены результаты для Т=223 К, на фиг.9,б - для Т=273 К, а на фиг.9,в - для Т=323 К. Электрическое сопротивление квадрата металлического слоя R в Омах принималось численно равным тепловому сопротивлению квадрата этого слоя R=1/(λ·δ)=20 К/Вт. Если металлический слой изготовлен из меди с теплопроводностью λ=390 Вт/(м·К), то тепловому сопротивлению квадрата этого слоя R=20 К/Вт соответствует толщина металлического слоя δ=δ=1/(λ·R)=1/(390·20)=1.282·10 м=128.2 мкм. Заметим, что в выпускаемых промышленностью стандартных фольгированных материалах (гетинакс, стеклотекстолит) толщина медной фольги реализуется в пределах 35-50 мкм. Тепловое сопротивление R между рабочей поверхностью подложки и поверхностью квадрата металлического слоя R=δ/(λ·S)=10/(13.2·0.5·10)≈303 К/Вт соответствовало электрическому сопротивлению на модели R=303 Ом.
П
ОС
ОС
ОС
На фиг.10 приведены кривые зависимости Т(Х) при Y=0 мм, построенные по результатам моделирования, отраженным на фиг.7 (фиг.10,а) и на фиг.9 (фиг.10,б). Кривая 1 отражает результаты моделирования для Т=223 К, кривая 2 - для Т=273 К, а кривая 3 - для Т=323 К.
ПЛ
Результаты анализа численных данных (фиг.7 и 9) и кривых зависимости температуры подложки от координаты Х при Y=0 мм, построенных по результатам моделирования (фиг.10), позволили оценить эффективность применения металлического слоя для увеличения площади зон с малой погрешностью термостатирования. В области размещения металлического слоя, уменьшающего тепловое сопротивление вдоль координаты X, при тепловом сопротивлении квадрата этого слоя R=20 К/Вт и при изменении ТОС от 223 до 323 К на площади подложки, ограниченной прямыми линиями с координатами Х от +1.28 мм до +3.5 мм температура рабочей поверхности подложки менялась в пределах 334.07±0.132 К. При отсутствии металлического слоя при прочих равных условиях такое же изменение температуры рабочей поверхности подложки достигнуто на площади подложки, ограниченной прямыми линиями с координатами Х от +2.5 до +3.5 мм. Площадь зоны с малой погрешностью термостатирования ±0.132 К, благодаря применению металлического слоя, в этом случае увеличилась в 2.22 раза.
Рассмотрим случай, когда точность термостатирования элементов, расположенных в ограниченной области поверхности подложки, оказывается выше точности термостатирования подложки в районе размещения датчика температуры. Температура рабочей поверхности подложки при наличии металлического слоя менялась в пределах 333.9715±0.0515 К на площади подложки, ограниченной прямыми линиями с координатами Х от +3 мм до +4 мм, а при отсутствии этого слоя при тех же условиях - на площади, ограниченной прямыми линиями с координатами Х от +3.363 мм до +4 мм. Площадь зоны с погрешностью термостатирования ±0.132 К, благодаря применению металлического слоя, в этом случае увеличилась в 1.57 раза.
λТ ЭКВ
1
2
Следует отметить, что если металлический слой полностью занимает площадь на тыльной стороне подложки, то даже в идеальном случае бесконечно большой эквивалентной теплопроводности подложки (эквивалентное тепловое сопротивление R вдоль координаты Х близко к нулю К/Вт) точность термостатирования в произвольной точке подложки близка к точности термостатирования в районе размещения датчика температуры. Для получения областей подложки с более высокой точностью термостатирования нужно ограничивать ширину экрана вдоль координаты X. Границы металлического слоя вдоль координаты Х следует выбирать в областях поверхности подложки, в которой при отсутствии этого слоя точность термостатирования оказывается выше точности термостатирования подложки в районе размещения датчика температуры. Для расчетного случая, отображенного на фиг.5, металлический слой должен иметь ширину, равную или немного большую размера, ограниченного интервалом значений Х [-4 мм; +4 мм]. В заявляемом устройстве ширина металлического слоя выбирается в пределах 1.00-1.05 расстояния между внешними линиями, нанесенными на рабочую сторону подложки, при этом расстояния r и r от продольной оси рабочей поверхности подложки до четырех линий границ областей, занимаемых термостатируемыми элементами 6 (фиг.1), определяют путем расчета или экспериментальных измерений.
Докажем эффективность применения металлического слоя, соединенного с общим проводником в точке, лежащей на продольной оси тыльной поверхности подложки вблизи второго конца нагревателя (фиг.1) для уменьшения паразитных связей между термостатируемыми элементами и узлами. Для уменьшения паразитных связей между термостатируемыми элементами и узлами, расположенными в области 4, и элементами и узлами, расположенными в области 5 (фиг.1), необходимо, чтобы эквивалентное электрическое сопротивление между ними было бы намного больше эквивалентного электрического сопротивления между этими элементами и узлами и общим проводником. Чтобы уменьшить эквивалентное электрическое сопротивление между элементами и узлами и общим проводником, необходимо уменьшать значения паразитных параметров конденсатора - величины сопротивления R выводов емкостей С между отдельным элементом и общим проводником и индуктивности L выводов этих емкостей, а величины самих емкостей С увеличивать. На высоких частотах эквивалентное электрическое сопротивление конденсатора Z в зависимости от круговой частоты ω в общем случае равно Z=R+jωL+1/(jωC), где R и L - сопротивление и индуктивность выводов конденсатора. Эквивалентное электрическое сопротивление между отдельным элементом и общим проводником уменьшается при увеличении паразитной емкости между этим элементом и общим проводником. Увеличение паразитной емкости С достигается благодаря большой площади металлического слоя. Из-за большой ширины металлического слоя емкость С имеет малую индуктивность L выводов и малое сопротивление R выводов, что также уменьшает величину эквивалентного электрического сопротивления Z. Таким образом, применение металлического слоя уменьшает паразитные связи между термостатируемыми элементами и узлами.
Эффективность применения металлического слоя, расположенного на тыльной поверхности подложки и соединенного с общим проводником, для уменьшения паразитных связей между термостатируемыми элементами и узлами можно подтвердить путем электрического моделирования. На фиг.9 приведены эквивалентные электрические схемы, отображенные в ССМ MicroCAP8, проникновения напряжения наводки на частоте 10 МГц от источника напряжения наводки V1, подключенного к паразитной емкости С2 и расположенного в левой области подложки к приемнику наводки, подключенному к паразитной емкости С4 и расположенному в правой области подложки. На фиг.9,а приведена эквивалентная электрическая схема проникновения наводок для случая, когда на тыльной стороне подложки металлический слой отсутствует. При этом малы численные значения паразитных емкостей: С2 - между общим для всего устройства проводником и областью источника наводки; С4 - между этим проводником и областью приемника наводки; С5 - между этим же проводником и полосковым пленочным нагревателем (принимаем С2=С4=С5=1 пФ). На фиг.9,б приведена эквивалентная электрическая схема для случая, когда на тыльной стороне подложки расположен металлический слой. В этом случае значительно возрастают численные значения паразитных емкостей С2, С4 и С5. Для этого случая принимаем С2=С4=С5=10 пФ. Паразитные емкости С1 и С3 для обеих схем принимаем равными 1 пФ, а паразитные сопротивления утечки R1 и R3 равными 15 МОм. Над узлами схем отражены рассчитанные в ССМ MicroCAP8 величины амплитуды переменного напряжения в мВ.
При одинаковом численном значении амплитуды напряжения источника наводки V1=1000 мВ величина амплитуды переменного напряжения на входе приемника наводки для эквивалентной электрической схемы в случае, когда на тыльной стороне подложки отсутствует металлический слой, равна 200 мВ (фиг.9,а), а когда этот слой имеется - 7.634 мВ (фиг.9,б). То есть согласно расчетам в ССМ MicroCAP8 эквивалентных электрических схем величина амплитуды переменного напряжения на приемнике наводки при введении металлического слоя уменьшается в 27.15 раз. Так как величины паразитных параметров схем взяты ориентировочно, то и расчет уменьшения паразитных связей между термостатируемыми элементами и узлами также является ориентировочным.
Источники информации
1. А.с. СССР №1672421, кл. G05D 23/19. Бабаян P.P., Окропидзе Д.П., Ованесян О.Г. Устройство для термостатирования полупроводниковых пластин интегральных микросхем. Опубл. 23.08.91. Бюл. №31.
2. Пат. РФ №2355016, кл. G05D 23/19. Козлов В.Г., Алексеев В.П., Карабан В.М. Устройство стабилизации температуры электрорадиоэлементов. Опубл. 10.05.2009. Бюл. №7.
3. Пат. РФ №235016, кл. G05D 23/19. Козлов В.Г., Алексеев В.П., Карабан В.М. Устройство для стабилизации температуры элементов микросхем и микросборок. Опубл. 10.03.2009. Бюл. №13 - прототип.
4. Дульнев Г.Н. Тепломассообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Высш. шк., 1984. - 247 с. (с.41-46 и с.95).
5. Козлов В.Г. Практикум по тепломассообмену. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1980. - 75 с. (с.46-57).
6. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью MicroCap7. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003.