RU2076472C1

RU2076472C1 - High-power hybrid integrated circuit

Info

Publication number: RU2076472C1
Application number: RU92015725A
Authority: RU
Inventors: Виктор Анатольевич Иовдальский; Владимир Владимирович Демиденко; Владимир Михайлович Ипполитов; Илья Маркович Блейвас
Original assignee: Виктор Анатольевич Иовдальский; Владимир Владимирович Демиденко; Владимир Михайлович Ипполитов; Илья Маркович Блейвас
Priority date: 1992-12-31
Filing date: 1992-12-31
Publication date: 1997-03-27

Abstract

FIELD: electronic engineering. SUBSTANCE: dielectric board, having the topological pattern of bonding, uses a recess located under the heat-liberating element on the back side of the substrate. The recess accommodates the lug of the metal heat-removing base. EFFECT: improved mass, dimensional and heat-dissipation characteristics of board. 3 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при конструировании мощных гибридных интегральных схем. The invention relates to electronic equipment and can be used in the design of powerful hybrid integrated circuits.

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.Known hybrid integrated circuit with surface mounting, providing for the soldering of the housing on one surface of the substrate of the hybrid circuit, and the heat dissipating element on another surface. On the bottom of the case there is a serviced platform, and on the substrate there are two platforms located opposite each other and communicating through at least one hole with metallized walls. The heat-dissipating element has a channel ending with a capillary on the substrate side and leading to solder reservoirs facing the side surface of the element, this channel allows you to collect excess solder under the bottom of the integrated circuit housing, which can cause short circuits between the contact pads or prevent the integrated circuit housing from being placed correctly. on the substrate [1]
The disadvantages of this technical solution is the relatively low weight and heat dissipation characteristics.

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.A powerful hybrid integrated circuit is known that contains a ceramic or plastic board for applying conductors to one of its surfaces, a window, for example, a through hole in the board, a metal cooling base that covers at least one part of the board surface opposite the conductors around the window, and is located in window element, which is located between the heat conductive electrical elements, for example, semiconductor crystals, and / or a laser placed in / or on the window connecting wires , and / or a resistive layer, and / or a micromodule, on the one hand, and a metal cooling base, on the other hand, in which, in order to improve heat dissipation, a massive metal cooling block with a low thermal resistance of transition between the element is placed in the window from the base and cooling unit and between the unit and the base [2]
The disadvantage of this technical solution is the low electrical, weight and heat dissipation characteristics.

Цель изобретения улучшение массогабаритных и одновременно теплорассеивающих характеристик и снижение трудоемкости. The purpose of the invention is the improvement of mass and at the same time heat dissipating characteristics and the reduction of labor intensity.

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. This goal is achieved by the fact that in the known powerful hybrid integrated circuit containing a dielectric board with a topological metallization pattern on the front side, a recess on the back side of the board, metal cooling of the base, which covers at least part of the back side of the board around the recess, a heat-generating electrical element, located above the recess, for example, a resistive layer on the front side and a metal cooling unit installed in the recess, with low thermal resistance by the transition between the heat-generating electric element and the metal cooling block and between the block and the base, the metal cooling block is made in the form of a protrusion on the base, the distance between the walls of the recess and the protrusion is 0.001-1.0 mm, the block area is 0.8-1.2 the area of the fuel element, and the residual thickness for the recess is from 0.5 μm to 70% of the thickness of the dielectric substrate, a dielectric layer may be applied over the heat-generating electric element, for example, a film resistor a high heat dissipation curve whose dimensions exceed the dimensions of the heat-generating electric element by 1-50 μm, and the thickness is 0.5-500 μm, and the reverse side of the dielectric is connected by thermal contact with a metal well-heat-conducting block and / or with a heat-conducting body. At least one or both cooling units can be made of a dielectric with high thermal conductivity.

Выполнение металлического охлаждающего блока в виде выступа на основании позволяет стабилизировать сопротивление теплового контакта блока и основания и улучшить теплоотвод. The implementation of the metal cooling block in the form of a protrusion on the base allows you to stabilize the thermal contact resistance of the block and the base and improve heat dissipation.

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. The limitation of the size and area of the metal cooling protrusion from below is due to an increase in thermal resistance caused by the contraction of the thermal field by the protrusion, and from above due to the deterioration of the overall dimensions in the absence of a decrease in thermal resistance.

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. Limitations of the thickness of the bottom of the recess are due to considerations of electrical strength, and from the top the optimal ratio of reducing thermal resistance and improving weight and size characteristics by reducing the size of the fuel element, for example, a resistor.

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. The choice of the material of the cooling block of the dielectric with high heat dissipation ability allows to reduce the thermal resistance of the heat sink and the heat-generating element, and limiting the distance between the side surface of the block and the recess can reduce the requirements for the accuracy of installation of the block and the board without a significant increase in thermal resistance.

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. The application of a dielectric layer with good thermal conductivity on top of the heat-generating element, the limitation of its size and its connection with a metal heat sink unit and / or heat sink body can further improve heat dissipation.

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. The dependence of the thermal resistance Rthj of the heat sink (protrusion) located in the substrate under the heat-generating element on the size of the metal protrusion for a substrate of polycor H <0.5 mm is studied.

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.As a result of the calculations, it was found that the effect of lowering thermal resistance due to the use of a heat-removing metal protrusion K _p Rthj / Rthj _o ,
where Rthj _o thermal resistance without a metal protrusion,
Rthj thermal resistance with metal protrusion,
K _p is maximum when S _ist ≥R _Venue where
S _Venue protrusion area, mm;
S _ist area heat source (resistor), and does not depend on S _Venue
To _{p is} determined by the formula (1):

where λ _o thermal conductivity of the substrate material;
_Venue thermal conductivity λ of the material projection,
h _drawing the projection height,
h _{mean the} thickness of the substrate.

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.At S _rise <S _{East, the} effect of a decrease in Rthj decreases markedly. Therefore, when choosing the optimal heat sink dimensions, the negative effect of increasing the mass of the structure due to the introduction of a metal protrusion should be taken into account. To maximize the reduction of thermal resistance with minimal increase in weight should be used _Venue ratio S (1-1,2) • S _ist at the maximum _draw ratio h / h _vile. The introduction of a heat sink protrusion into the volume of the substrate allows either to reduce the heating temperature of the heat source (resistor) of temperature T ₁ , or to reduce the area of the heat source (resistor) while maintaining a constant temperature in accordance with the relation (2)

The reduction in the area of the heat source allows us to generally reduce the weight and size parameters of the hybrid integrated circuit, which is confirmed by the calculation using the following formulas:

The table shows the calculation data for the decrease in the area of the film resistor under the following initial conditions:
Rthjo = 7.5 ^° C / Bτ = const;
h 0.5 mm;
h _ost 30 microns;
the shape of the source is round.

Из таблицы видно, что при указанных исходных данных площадь пленочного резистора может быть уменьшена в 8 раз за счет введения выступа. The table shows that with the specified initial data, the area of the film resistor can be reduced by 8 times due to the introduction of the protrusion.

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.Figure 1 presents the proposed hybrid integrated circuit, where:
dielectric board 1, topological metallization pattern 2, recess 3, metal cooling base 4, fuel electric element 5, metal cooling element 5, metal cooling block 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. Figure 2 presents the size of the proposed hybrid integrated circuit with a heat sink up and down, where: dielectric heat sink film 8, heat sink block 9, body 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.For example, a powerful hybrid integrated circuit containing a dielectric, for example, multicore board 1, with a topological metallization pattern 2. For example, with a Ti structure (100 Ohm / mm ² Pd (0.2 μm) Au (3 μm) on the front side of the board. On the reverse side, a recess 3 is made, for example, with a size of 11.0 x 9 x 0.45 mm.

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.The reverse side of the board 1 is connected to a metal heat sink 4 made, for example, from an MD-50 pseudo-alloy or a copper tungsten pseudo-alloy, which covers at least part of the back side of the board 1 around a recess, and a heat-generating electric element placed above the recess, for example, a resistive layer with a structure, for example, of a Ta film with a surface resistance of 20 Ohm / mm ² and a size of 10x8 mm, located on the front side of the board 1, a metal cooling unit, for example, of a base material, or made of aluminum nitride, installed in a recess with a low thermal resistance of the transition between the heat-generating electric element 5 and the metal cooling unit 6 and the base 4. The dimensions of the metal cooling unit 6 (protrusion) in the plan are 10.1 x 8.1 x 0.45 mm, the residual thickness of the bottom of the recess 0.05 mm. The distance between the side surface of block 76 and the recess 3 is 0.5 mm.

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. On top of the heat-generating electric element 5, for example, a film resistor, a dielectric layer 9 with high heat dissipation ability, for example, of aluminum nitride 3, can be applied. The dimensions of the dielectric layer 9 are 10 μm larger than the resistor, and the thickness is 5 μm, placed and connected to layer 9 block 10 of the MD-50 connected to the housing 11.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

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. An electrical signal passes through, for example, a powerful film resistor. In this case, heat is released in the resistive film, which is removed through the residual thickness of the two recesses in the circuit board, then through the metal cooling unit, the metal heat dissipating base.

Использование предлагаемой конструкции гибридной интегральной схемы позволяет улучшить теплорассеивающие характеристики схемы при одновременном улучшении массогабаритных характеристик. Using the proposed design of a hybrid integrated circuit allows you to improve the heat dissipation characteristics of the circuit while improving mass-dimensional characteristics.

Claims

1. A powerful hybrid integrated circuit containing a dielectric circuit board with a topological metallization pattern on the front side, a recess on the back side of the board, a metal cooled base that covers at least a portion of the back side of the board around the recess, a heat-generating electrical element placed above the recess, for example resistive layer on the front side and a metal cooling unit installed in a recess with a low thermal resistance of the transition between the heat-generating electron element and a metal cooling block and between the block and the base, characterized in that the metal cooling block is made in the form of a protrusion on the base, the distance between the walls of the recess and the protrusion is 0.001 1.0 mm, the block area is 0.8 1.2 area of the fuel element, and the residual thickness of the bottom of the recess is from 0.5 μm to 70% of the thickness of the dielectric substrate.

2. The circuit according to claim 1, characterized in that on top of the heat-generating electric element, for example a film resistor, a dielectric layer with a high heat-dissipating ability is applied, the dimensions of which exceed the dimensions of the heat-generating electric element by 1 50 microns, and the thickness is 0.5 to 500 microns, and the reverse side of the dielectric is connected by a thermal contact with a metal well heat-conducting block and / or with a heat-removing body.

3. The circuit according to claim 1 or 2, characterized in that at least one or both cooling units are made of a dielectric with high thermal conductivity.