RU2439746C1 - Device for temperature stabilisation of chip assembly elements - Google Patents
Device for temperature stabilisation of chip assembly elements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2439746C1 RU2439746C1 RU2010122358/28A RU2010122358A RU2439746C1 RU 2439746 C1 RU2439746 C1 RU 2439746C1 RU 2010122358/28 A RU2010122358/28 A RU 2010122358/28A RU 2010122358 A RU2010122358 A RU 2010122358A RU 2439746 C1 RU2439746 C1 RU 2439746C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- temperature
- longitudinal axis
- heater
- metal layer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Control Of Resistance Heating (AREA)
- Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)
Abstract
Description
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).The invention relates to techniques for controlling temperature in precision electronic devices and can be used to maintain the constancy of the parameters of these devices in a wide range of ambient temperatures (TOC).
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.A device for thermostating semiconductor wafers of integrated circuits containing a wafer, a temperature control circuit and a temperature sensor and a transistor heater are electrically connected to the temperature control circuit [1]. Thanks to the introduction of a feedback temperature into the temperature control circuit and the implementation of a temperature sensor in the form of a differential amplifier, an increase in thermostating accuracy is achieved by eliminating thermal hysteresis. The disadvantage of this device is that the high accuracy of temperature control on the wafer is achieved only near the location of the temperature sensor, and elements remote from the temperature sensor have a low accuracy of temperature control in a wide TOC range due to the finite value of the thermal conductivity of the substrate. Another disadvantage of this device is that its design does not provide measures to reduce spurious connections between thermostatically controlled elements and nodes operating in a wide frequency range, which limits the functionality of thermostatically controlled integrated circuits.
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.A device for stabilizing the temperature of electro-radio elements containing a substrate, a temperature control circuit, and a temperature sensor and a transistor heater located on the working surface of the substrate electrically connected to the temperature control circuit, the substrate is made in the form of a square, the transistor heater is located on the working surface of the substrate in its central part , the temperature sensor is located at the edge of the working surface of the substrate, and the boundaries of the ring of the thermostatic region in the form of two central concentric circles visually distinguishable from the rest of the working surface of the substrate, the radii of which are determined by calculation or experimental measurements of the temperature field of the substrate [2]. Due to the fact that the thermal conductivity of the substrate is a finite value, a predetermined range of variation of the temperature of the temperature control will be provided on the working surface of the substrate only near the location of the temperature sensor. For this reason, the accuracy of temperature control at various points on the surface of the substrate in a wide range of TOC changes is not the same. In the case when the temperature sensor is located at the edge of the working surface of the substrate, the transistor-heater is on the working surface of the substrate in its central part, and the substrate is made in the form of a square, the accuracy of thermostating of elements located in a limited area of the surface of the substrate is higher than the accuracy of thermostating of the substrate in the area of the temperature sensor. The disadvantage of this device is that high precision thermostating is achieved on a relatively small area compared to the area of the substrate. Another disadvantage of this device is that its design does not provide for measures to reduce spurious connections between thermostatic elements and nodes operating in a wide frequency range, which limits the functionality of thermostatic nodes.
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.Closest to the claimed object is a device for stabilizing the temperature of elements of microcircuits and microassemblies containing a substrate, a temperature control circuit and a temperature sensor electrically connected to it and a heater located on the working surface of the substrate, the substrate and the film heater are made in the form of rectangles, the heater is located on the longitudinal axis of the substrate along its entire length, one end of the heater is connected directly to a conductor common to the entire device, and the other end is connected through h is a blocking capacitor, the temperature sensor is located at the edge of the substrate on its transverse axis, and the two areas occupied by thermostatic elements are located symmetrically along the entire length of the substrate relative to its longitudinal axis and are limited by four straight lines visually distinguishable from the other elements of the substrate’s working surface, the distances to which determined by calculation or experimental measurement of the temperature field of the substrate [3]. The disadvantage of this device is that high accuracy of thermostating is achieved in a relatively small area, although this area is larger than in the device for stabilizing the temperature of electro-radio elements [2]. Another disadvantage of this device for stabilizing the temperature of elements of microcircuits and microassemblies is that the measures provided for in its design not to reduce spurious connections between thermostatted elements and nodes operating in a wide frequency range are not effective enough due to the relatively large resistance of the heater, additionally performing the function of the screen.
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.Common disadvantages of the above devices [1-3] are the low accuracy of thermostating of radio-electronic elements and significant spurious connections between thermostatic elements and nodes operating in a wide frequency range, which limits the functionality of thermostatic nodes.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - расширение функциональных возможностей термостатируемых устройств, работающих в широком диапазоне частот, в том числе:The technical result, the achievement of which the proposed solution is aimed at, is the expansion of the functionality of thermostatically controlled devices operating in a wide frequency range, including:
- увеличение площади зон с малой погрешностью термостатирования;- increase in the area of zones with a small error in temperature control;
- уменьшение паразитных связей между термостатируемыми элементами и узлами.- reduction of spurious connections between thermostatic elements and nodes.
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.This is achieved by the fact that in the device for stabilizing the temperature of the elements of microassemblies containing a conductor common to the entire device, a rectangular dielectric substrate, on the working side of which along its longitudinal axis along the entire length of the substrate there is a strip film heater, the first end of which is connected to a common conductor, two equal-sized rectangular areas for placement of microassembly elements on them, symmetrically located relative to the longitudinal axis of the working surface of the substrate and faceted bounded by the edges of the substrate and four lines drawn on this surface that visually differ from the other elements of the working surface of the substrate, a temperature sensor located at the edge of the substrate on the transverse axis of its working surface, and a temperature control circuit connected to a common conductor, the input of which is connected to the temperature sensor, and the output is with the second end of the heater, a blocking capacitor, one end of which is connected to the second end of the heater, and the other to a common conductor, on the back of the substrate a metal layer having high thermal conductivity is placed symmetrically with respect to its longitudinal axis, the length of the metal layer is equal to the length of the substrate, and its width is selected within 1.00-1.05 of the distance between the external lines deposited on the working side of the substrate, and the metal layer itself is connected to a common conductor at a point, lying on the longitudinal axis of the back surface of the substrate near the second end of the heater, while the distances from the longitudinal axis of the working surface of the substrate to the four named lines are determined by p account or experimental measurements.
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).Figure 1 shows the structural diagram of the proposed device for stabilizing the temperature of the elements of the microassemblies, which are indicated: 1 - a common conductor for the entire device (screen conductor); 2 - substrate; 3 - strip film heater; 4 and 5 - areas occupied by thermostatic elements; 6 - line boundaries of the areas occupied by thermostatic elements, visually different from the rest of the elements of the working surface of the substrate; 7 - temperature sensor; 8 is a temperature control circuit; 9 - blocking capacitor; 10 - metal layer with high thermal conductivity (screen layer).
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.In Fig.2 shows a diagram of the inclusion of the transistor when used as a temperature sensor, and Fig.3 - current-voltage characteristics of this transistor for two values of TOC.
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.Figure 4a shows the direction of propagation of the heat flux along the right half of the substrate from the middle of the heater to the right edge of the substrate in the direction perpendicular to its longitudinal axis Y. Through l and δ in figure 4, respectively, half the width of the substrate and its thickness are indicated. Figure 4, b shows the nature of the decrease in temperature with distance from the longitudinal axis of the substrate Y to its right edge.
На фиг.5 приведены кривые зависимости температуры в различных точках прямоугольной подложки из керамики ВК94, имеющей размеры 12×16×1 мм3, 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.Figure 5 shows the temperature curves at various points of a rectangular VK94 ceramic substrate having dimensions 12 × 16 × 1 mm 3 at different TOC values for the case when the film heater is made in the form of a rectangle and is located on the longitudinal axis of the substrate along its entire length, and the temperature sensor is located at the edge of the working surface of the substrate on its transverse axis.
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 мм2, а ее толщина δ=1 мм. Пунктирными линиями (----) показаны участки разбиения поверхности подложки на квадраты, причем центры квадратов расположены на оси X.Figure 6 shows a diagram of an electrical simulation of the dependence of the temperature of the substrate on the X coordinate at Y = 0 mm. The heat flux propagation along the right half of the substrate, shown in Fig. 4a, was simulated for the case when the substrate is made of VK94 ceramics having a thermal conductivity λ = 13.2 W / (m · K). The film heater is located on the Y axis along the entire length of the substrate (its width was assumed to be infinitely small). There is no metal layer on the back of the substrate. To reduce heat loss inside the device’s body to stabilize the temperature of microassembly elements, vacuum and convection are absent. The reduced degree of blackness of the substrate surface is ε = 0.8. The X coordinate of the right edge of the substrate is 6 mm. Since the length of the substrate is much greater than half its width, a change in temperature along the Y axis can be neglected. The linear dimensions of the substrate were 12 × 16 mm 2 and its thickness δ = 1 mm. Dotted lines (----) show the areas of dividing the substrate surface into squares, with the centers of the squares located on the X axis.
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.Figure 7 shows the simulation results of the dependence of the substrate temperature on the X coordinate at Y = 0 mm, obtained in the MicroCAP8 circuit simulation system (CCM), for the circuit shown in Fig.6, for different values of TOC. In Fig. 7, a shows the results for the TOC value of 223 K, in Fig. 7, b - for the TOC value of 273 K, and in Fig. 7, c - for the TOC value of 323 K.
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.On Fig shows a diagram of an electrical simulation of the dependence of the temperature of the substrate on the X coordinate at Y = 0 mm. This scheme differs from the scheme shown in FIG. 6 in that the heat transfer of the metal layer 10 (see FIG. 1) located on the back side of the substrate is further modeled.
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.Figure 9 shows the simulation results of the dependence of the substrate temperature on the X coordinate at Y = 0 mm, obtained in the MicroCAP8 CCM for the circuit shown in Fig. 8, for different values of TOC. In Fig. 9, a shows the results for the TOC value of 223 K, in Fig. 9, b - for the TOC value of 273 K, and in Fig. 9, c - for the TOC value of 323 K.
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.Figure 10 shows the curves of the dependence of the temperature of the substrate on the X coordinate at Y = 0 mm, constructed according to the simulation results reflected in Fig. 7 (Fig. 10, a) and in Fig. 9 (Fig. 10, b).
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.Figure 11 shows the equivalent electrical circuits displayed in the MicroCAP8 CCM, the penetration of the pick-up at a frequency of 10 MHz from the pick-up source V1 = 1000 mV, connected to the stray capacitance C2 and located in the left region of the substrate to the pick-up receiver, connected to the stray capacitance C4 and located in the right area of the substrate. 11, a shows the equivalent circuit diagram for the case when there is no metal layer on the back side of the substrate. In this case, parasitic capacitances are small: C2 - between the conductor common to the entire device and the region of the pickup source; C4 - between this conductor and the pickup receiver area; C5 - between the same conductor and the strip film heater (take C2 = C4 = C5 equal to 1 pF). 11, b shows the equivalent electrical circuit for the case when a metal layer is located on the back side of the substrate. In this case, the parasitic capacitances C2, C4 and C5 increase significantly. For this case, we take C2 = C4 = C5 equal to 10 pF. The stray capacitances C1 and C3 for both circuits are taken equal to 1 pF, and the stray leakage resistance R1 and R3 equal to 1 Ohm. Above the nodes of the circuits are reflected the values of the amplitude of the alternating voltage calculated in SSM MicroCAP8 in mV.
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 IК0 мал, а напряжение на коллекторе UК велико. Увеличение напряжения UК, 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 ΔТП, равный разности между температурой подложки (ТП) и ТОС (ТОС). В этом случае ΔТП=ТП-ТОС. 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 IК0, к уменьшению значений напряжения коллектора UК 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 ΔТСТ.З определяет точность регулирования температуры подложки в районе размещения датчика температуры.A device for stabilizing the temperature of elements of microassemblies works as follows. Thermostat temperature is selected more than CBT. Therefore, when connecting the device to the power source, the temperature of the
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 UЭБ0, поступающем на базу транзистора VT с резистора R2, увеличение ТОС от значения Т1 до значения Т2 приводит к резкому увеличению тока коллектора IК0, что вызывает уменьшение напряжения коллектора UК. Напряжение коллектора UК 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 UК вызывает уменьшение тока через полосковый пленочный нагреватель 3 и уменьшение температуры подложки 2. При уменьшении ТОС (ТОС) и температуры ТП подложки 2 напряжение коллектора UК транзистора (датчика температуры 7) увеличивается, что приводит к увеличению тока через полосковый пленочный нагреватель 3 и к увеличению температуры ТП подложки 2. Величину температуры термостатирования ТСТ подложки 2 можно изменять, меняя опорное напряжение на другом входе дифференциального усилителя схемы регулирования температуры.Small temperature bipolar transistor was used as a temperature sensor 7, which reduced the thermal inertia of the sensor and increased the dynamic accuracy of temperature control. The collector of the transistor (temperature sensor 7), electrically connected to the input of the differential amplifier included in the temperature control circuit, is included in the circuit with a common emitter (figure 2). From the current-voltage characteristics of the transistor (Fig. 3), it can be seen that with a constant driving voltage U ЭБ0 supplied to the base of the transistor VT from resistor R2, an increase in TOC from T 1 to T 2 leads to a sharp increase in collector current I K0 , which causes a decrease collector voltage U K The collector voltage U K is supplied to one of the inputs of the differential amplifier of the temperature control circuit, the output of which is connected to a
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:The accuracy of temperature control at various points on the substrate surface in a wide range of TOC changes is not the same. In the proposed device, containing a
где ТП - температура подложки; ТОС - 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; l1=l+S/U - эффективная длина, численное значение которой используется в расчете температурного поля подложки; (b1)2=α·U/(λ·S) - коэффициент, определяющий скорость убывания температуры при удалении от нагревателя (при возрастании координаты X); α=αк+αл - коэффициент теплоотдачи; αк - конвективно-кондуктивный коэффициент теплоотдачи; αл - коэффициент теплоотдачи излучением.where T P is the temperature of the substrate; T OS - ambient temperature; λ is the coefficient of thermal conductivity of the substrate material; l is half the width of the substrate; P is a flow equal to half the thermal power of the heater; S = a · δ is the cross-sectional area of the substrate; a is the length of the substrate; U = 2 (a + δ) is the perimeter of the cross section of the substrate; l 1 = l + S / U is the effective length, the numerical value of which is used in the calculation of the temperature field of the substrate; (b 1 ) 2 = α · U / (λ · S) - coefficient that determines the rate of decrease of temperature with distance from the heater (with increasing coordinate X); α = α to + α l - heat transfer coefficient; α to - convective-conductive heat transfer coefficient; α l - heat transfer coefficient by radiation.
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.A more accurate calculation of the temperature field of the substrate is reduced to solving the two-dimensional problem of the propagation of heat flux from a film heater by mathematical modeling taking into account temperature control.
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 мм3, 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 ΔТСТ.З≤5 К. Максимальная тепловая мощность нагревателя РМАХ была 2.2 Вт. Диапазон изменения температуры внешней среды ΔТОС=100 К находился в пределах 223…323 К. Температура термостатирования ТСТ составляла 334 К.Figure 5 shows the temperature curves obtained as a result of modeling [3] at various points of a rectangular VK94 ceramic substrate having dimensions 12 × 16 × 1 mm 3 at different TOC values. The thermal conductivity of the substrate λ = 13.2 W / (m · K). The strip film heater is made in the shape of a rectangle and is located on the longitudinal axis of the substrate along its entire length, and the temperature sensor is located at the edge of the working surface of the substrate on its transverse axis. The specified range of temperature changes in thermostating temperature in the area of the temperature sensor was ΔТ ST.З ≤5 K. The maximum thermal power of the heater R MAX was 2.2 W. The range of changes in ambient temperature ΔТ OS = 100 K was in the range of 223 ... 323 K. The temperature of thermostating T ST was 334 K.
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.From the graphs of temperature changes along the X axis at a fixed value of the Y coordinate (Fig. 5), it is evident that the accuracy of thermostating of elements located in the regions of the substrate surface bounded by
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.Using simulation, we prove the effectiveness of using a metal layer with high thermal conductivity on the back side of the inventive object to increase the area of the zones with a small temperature control error. To do this, we will compare with the closest to the claimed object device for stabilizing the temperature of the elements of microcircuits and microassemblies [3], not containing the specified metal layer.
На фиг.6 приведена схема электрического моделирования зависимости температуры подложки ТП 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 мм2, 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 VН в Вольтах численно принималось равной величине температуры нагревателя (ТН) в Кельвинах, а величина напряжения VС в Вольтах - величине ТОС (ТОС) в Кельвинах. Электрическое сопротивление Rλ в Омах принималось численно равным тепловому сопротивлению квадрата подложки RλТ=1/(λ·δ)=1/(13.2·1·10-3)≈76 К/Вт [5]. Электрическое сопротивление Ri в Омах выбиралось численно равным тепловому сопротивлению RiТ в К/Вт между площадью квадрата разбиения подложки, участвующей в лучистом теплообмене, и окружающей средой. Величину RiТ определяли с помощью выражения [4]:Figure 6 shows a diagram of an electrical simulation of the dependence of the substrate temperature T P on the X coordinate at Y = 0 mm [5]. The heat flux propagation along the right half of the substrate, shown in Fig. 4a, was simulated for the case when the substrate is made of VK94 ceramics having a thermal conductivity λ = 13.2 W / (m · K) and when convection is absent. The reduced degree of blackness of the substrate surface is ε = 0.8. The strip film heater was located on the Y axis along the entire length of the substrate, and its width was assumed to be infinitely small. The X coordinate of the right edge of the substrate is 6 mm. The linear dimensions of the substrate are 12 × 16 mm 2 , and its thickness δ is 1 mm. The dashed lines (----) show the areas of dividing the substrate surface into squares, with the centers of the squares located on the X axis. In the simulation, the voltage V N in Volts was numerically taken equal to the heater temperature (T N ) in Kelvin, and the voltage V C in Volts - the value of TOC (T OS ) in Kelvin. The electrical resistance R λ in Ohms was taken numerically equal to the thermal resistance of the square of the substrate R λT = 1 / (λ · δ) = 1 / (13.2 · 1 · 10 -3 ) ≈76 K / W [5]. The electrical resistance R i in Ohms was chosen numerically equal to the thermal resistance R iT in K / W between the square area of the partition of the substrate involved in the radiant heat transfer and the environment. The value of R iТ was determined using the expression [4]:
RiТ=(αЛ·Si)-1 , R iT = (α L · S i ) -1 ,
где Si=(2·0.5·10-3)2=0.5·10-6 м2 - площадь разбиения поверхности подложки на квадраты, участвующая в лучистом теплообмене; αЛ=ε·f(ТП, ТОС) - коэффициент теплообмена излучением; температура ТП при вычислении αЛ выбрана равной ТСТ для всех квадратов, так как ТП-ТСТ<<ТП; по этой же причине сопротивления Ri соединены с центрами квадратов площадей рабочей поверхности подложки, хотя учитывают теплообмен с рабочей и с тыльной стороны поверхностей подложки;where S i = (2 · 0.5 · 10 -3 ) 2 = 0.5 · 10 -6 m 2 is the area of the partition of the surface of the substrate into squares involved in radiant heat transfer; α L = ε · f (T P , T OS ) is the heat transfer coefficient of radiation; the temperature T P in the calculation of α L is chosen equal to T ST for all squares, since T P -T ST << T P ; for the same reason, the resistances R i are connected to the square centers of the areas of the working surface of the substrate, although heat transfer from the working and back sides of the surfaces of the substrate is taken into account;
Площадь торцевых поверхностей подложки намного меньше суммы площадей рабочей и тыльной поверхностей. Поэтому мощностью, отводимой с торцевых поверхностей, как обычно, пренебрегли [4].The area of the end surfaces of the substrate is much less than the sum of the areas of the working and back surfaces. Therefore, the power withdrawn from the end surfaces, as usual, was neglected [4].
На фиг.7 приведены результаты моделирования зависимости температуры подложки ТП от координаты Х при Y=0 мм, полученные в ССМ MicroCAP8 [6], для схемы, изображенной на фиг.6, при разных значениях ТОС. На фиг.7,а приведены результаты для ТОС=223 К, на фиг.7,б - для ТОС=273 К, а на фиг.7,в - для ТОС=323 К. Температура термостатирования выбрана ТСТ=334 К, а диапазон ее изменения районе размещения датчика температуры составил ΔТСТ=333.907-333.783=0.124 К. Температура правого края подложки оказалась равной 333.783 К для ТОС=223 К, 333.835 К для ТОС=273 К и 333.907 К для ТОС=223 К.Figure 7 shows the results of modeling the dependence of the temperature of the substrate T P on the X coordinate at Y = 0 mm, obtained in CCM MicroCAP8 [6], for the circuit shown in Fig.6, for different values of T OS . In Fig. 7, a shows the results for T OS = 223 K, in Fig. 7, b - for T OS = 273 K, and in Fig. 7, c - for T OS = 323 K. Thermostating temperature is selected T ST = 334 K, and the range of its change in the area where the temperature sensor was located was ΔТ СТ = 333.907-333.783 = 0.124 K. The temperature of the right edge of the substrate was 333.783 K for T OS = 223 K, 333.835 K for T OS = 273 K and 333.907 K for T OS = 223 K.
Эффективность применения металлического слоя для увеличения площади зон с малой погрешностью термостатирования докажем путем моделирования. На фиг.8 приведена схема электрического моделирования зависимости ТП(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.We will prove the effectiveness of using a metal layer to increase the area of zones with a small error in thermostating by modeling. On Fig shows a diagram of an electrical simulation of the dependence of T P (X) at Y = 0 mm This scheme differs from the scheme shown in FIG. 6 in that the heat transfer of a metal layer 10 (see FIG. 1) having high thermal conductivity located on the back side of the substrate is further modeled. The length of this layer is equal to the length of the substrate, and the coordinate of its right edge is X = 4 mm.
На фиг.9 приведены результаты моделирования зависимости ТП(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 ТОС=223 К, на фиг.9,б - для ТОС=273 К, а на фиг.9,в - для ТОС=323 К. Электрическое сопротивление квадрата металлического слоя RПЛ в Омах принималось численно равным тепловому сопротивлению квадрата этого слоя RПЛ=1/(λМ·δПЛ)=20 К/Вт. Если металлический слой изготовлен из меди с теплопроводностью λМ=390 Вт/(м·К), то тепловому сопротивлению квадрата этого слоя RПЛ=20 К/Вт соответствует толщина металлического слоя δПЛ=δМ=1/(λМ·RПЛ)=1/(390·20)=1.282·10-4 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 RYT между рабочей поверхностью подложки и поверхностью квадрата металлического слоя RYT=δ/(λ·Si)=10-3/(13.2·0.52·10-6)≈303 К/Вт соответствовало электрическому сопротивлению на модели RY=303 Ом.Figure 9 shows the simulation results of the dependence of T P (X) at Y = 0 mm, obtained in CCM MicroCAP8, for the circuit depicted in Fig. 8, for different values of T OS . In Fig. 9, a shows the results for T OS = 223 K, in Fig. 9, b - for T OS = 273 K, and in Fig. 9, c - for T OS = 323 K. The electrical resistance of the square of the metal layer R The PL in Ohms was taken numerically equal to the thermal resistance of the square of this layer R PL = 1 / (λ M · δ PL ) = 20 K / W. If the metal layer is made of copper with thermal conductivity λ M = 390 W / (m · K), then the thermal resistance of the square of this layer R PL = 20 K / W corresponds to the thickness of the metal layer δ PL = δ M = 1 / (λ M · R PL ) = 1 / (390 · 20) = 1.282 · 10 -4 m = 128.2 μm. Note that in industry-standard standard foil materials (getinax, fiberglass), the thickness of the copper foil is in the range of 35-50 microns. The thermal resistance R YT between the working surface of the substrate and the square surface of the metal layer R YT = δ / (λ · S i ) = 10 -3 /(13.2 · 0.5 2 · 10 -6 ) ≈303 K / W corresponded to the electrical resistance on the model R Y = 303 ohms.
На фиг.10 приведены кривые зависимости ТП(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 ТОС=223 К, кривая 2 - для ТОС=273 К, а кривая 3 - для ТОС=323 К.Figure 10 shows the curves of the dependence of T P (X) at Y = 0 mm, constructed according to the simulation results reflected in Fig.7 (Fig.10, a) and Fig.9 (Fig.10, b).
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 RПЛ=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.The results of the analysis of numerical data (Figs. 7 and 9) and curves of the dependence of the substrate temperature on the X coordinate at Y = 0 mm, constructed according to the simulation results (Fig. 10), made it possible to evaluate the effectiveness of using a metal layer to increase the area of zones with a small temperature control error. In the region where the metal layer decreases, which reduces the thermal resistance along the X coordinate, with the thermal resistance of the square of this layer R PL = 20 K / W and when the TOC changes from 223 to 323 K on the substrate area bounded by straight lines with X coordinates from +1.28 mm to +3.5 mm, the temperature of the working surface of the substrate varied within 334.07 ± 0.132 K. In the absence of a metal layer, ceteris paribus, the same change in the temperature of the working surface of the substrate was achieved on the surface of the substrate bounded by straight lines with the coordinate mi X from +2.5 to +3.5 mm. The area of the zone with a small temperature control error of ± 0.132 K, due to the use of the metal layer, in this case increased 2.22 times.
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.Consider the case where the accuracy of temperature control of elements located in a limited area of the surface of the substrate is higher than the accuracy of temperature control of the substrate in the region where the temperature sensor is located. The temperature of the working surface of the substrate in the presence of a metal layer varied within 333.9715 ± 0.0515 K on the area of the substrate bounded by straight lines with X coordinates from +3 mm to +4 mm, and in the absence of this layer under the same conditions, on the area bounded by straight lines with X coordinates from +3.363 mm to +4 mm. The area of the zone with a temperature control error of ± 0.132 K, due to the use of the metal layer, in this case increased by 1.57 times.
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 RλТ ЭКВ 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 r1 и r2 от продольной оси рабочей поверхности подложки до четырех линий границ областей, занимаемых термостатируемыми элементами 6 (фиг.1), определяют путем расчета или экспериментальных измерений.It should be noted that if the metal layer completely occupies the area on the back side of the substrate, then even in the ideal case of the infinitely large equivalent thermal conductivity of the substrate (the equivalent thermal resistance R λT EQV along the X coordinate is close to zero K / W), the thermostating accuracy at an arbitrary point on the substrate is close to thermostat accuracy in the area of the temperature sensor. To obtain substrate regions with higher thermostating accuracy, it is necessary to limit the screen width along the X coordinate. The boundaries of the metal layer along the X coordinate should be chosen in the regions of the substrate surface, in which, in the absence of this layer, the thermostating accuracy is higher than the accuracy of the thermostatic control of the substrate in the region where the temperature sensor is located. For the design case shown in FIG. 5, the metal layer should have a width equal to or slightly larger than the size limited by the range of X values [-4 mm; +4 mm]. In the inventive device, the width of the metal layer is selected within 1.00-1.05 of the distance between the external lines deposited on the working side of the substrate, while the distances r 1 and r 2 from the longitudinal axis of the working surface of the substrate to four lines of the boundaries of the regions occupied by thermostatic elements 6 (Fig. 1), determined by calculation or experimental measurements.
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.Let us prove the effectiveness of using a metal layer connected to a common conductor at a point lying on the longitudinal axis of the back surface of the substrate near the second end of the heater (Fig. 1) to reduce spurious connections between thermostatic elements and nodes. To reduce spurious connections between thermostatically controlled elements and nodes located in
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.The effectiveness of using a metal layer located on the back surface of the substrate and connected to a common conductor to reduce spurious connections between thermostatic elements and nodes can be confirmed by electrical modeling. Figure 9 shows the equivalent electrical circuits displayed in the MicroCAP8 CCM, penetration of a pick-up voltage at a frequency of 10 MHz from a pick-up voltage source V1 connected to a stray capacitor C2 and located in the left region of the substrate to a pick-up receiver connected to a stray capacitor C4 and located in right area of the substrate. Figure 9, a shows the equivalent electrical circuit of the penetration of pickups for the case when there is no metal layer on the back side of the substrate. In this case, the numerical values of stray capacitances are small: C2 - between the conductor common to the entire device and the region of the pickup source; C4 - between this conductor and the pickup receiver area; C5 - between the same conductor and the strip film heater (take C2 = C4 = C5 = 1 pF). Fig. 9, b shows the equivalent circuit diagram for the case when a metal layer is located on the back side of the substrate. In this case, the numerical values of stray capacitances C2, C4 and C5 increase significantly. For this case, we take C2 = C4 = C5 = 10 pF. The stray capacitances C1 and C3 for both circuits are taken equal to 1 pF, and the stray leakage resistances R1 and R3 equal to 15 MOhm. Above the nodes of the circuits are reflected the values of the amplitude of the alternating voltage calculated in SSM MicroCAP8 in mV.
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.With the same numerical value of the amplitude amplitude of the pickup source V1 = 1000 mV, the magnitude of the amplitude of the alternating voltage at the input of the pickup receiver for an equivalent electrical circuit in the case when there is no metal layer on the back of the substrate is 200 mV (Fig. 9 a), and when this the layer is available - 7.634 mV (Fig.9, b). That is, according to calculations in the MicroCAP8 CCM of equivalent electrical circuits, the magnitude of the amplitude of the alternating voltage at the pickup receiver when the metal layer is introduced decreases by 27.15 times. Since the values of the parasitic parameters of the circuits are taken tentatively, the calculation of the reduction of spurious connections between thermostatically controlled elements and nodes is also indicative.
Источники информацииInformation sources
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. №31.1. A.S. USSR No. 1672421, cl. G05D 23/19. Babayan P.P., Okropidze D.P., Hovhannisyan O.G. Device for thermostating of semiconductor wafers of integrated circuits. Publ. 08/23/91. Bull. No. 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. №7.2. Pat. RF №2355016, class G05D 23/19. Kozlov V.G., Alekseev V.P., Karaban V.M. Device for stabilizing the temperature of electro-radio elements. Publ. 05/10/2009. Bull. Number 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.3. Pat. RF №235016, class G05D 23/19. Kozlov V.G., Alekseev V.P., Karaban V.M. Device for stabilizing the temperature of elements of microchips and microassemblies. Publ. 03/10/2009. Bull. No. 13 is a prototype.
4. Дульнев Г.Н. Тепломассообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Высш. шк., 1984. - 247 с. (с.41-46 и с.95).4. Dulnev G.N. Heat and mass transfer in electronic equipment. - M .: Higher. school., 1984. - 247 p. (p. 41-46 and p. 95).
5. Козлов В.Г. Практикум по тепломассообмену. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1980. - 75 с. (с.46-57).5. Kozlov V.G. Workshop on heat and mass transfer. Tomsk: Tomsk Publishing House. University, 1980 .-- 75 p. (p. 46-57).
6. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью MicroCap7. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003.6. Razevig V.D. Circuit simulation using MicroCap7. - M .: Hot line - Telecom, 2003.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010122358/28A RU2439746C1 (en) | 2010-06-01 | 2010-06-01 | Device for temperature stabilisation of chip assembly elements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010122358/28A RU2439746C1 (en) | 2010-06-01 | 2010-06-01 | Device for temperature stabilisation of chip assembly elements |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010122358A RU2010122358A (en) | 2011-12-10 |
| RU2439746C1 true RU2439746C1 (en) | 2012-01-10 |
Family
ID=45405158
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010122358/28A RU2439746C1 (en) | 2010-06-01 | 2010-06-01 | Device for temperature stabilisation of chip assembly elements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2439746C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2529852C2 (en) * | 2012-10-18 | 2014-10-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Прибор" | Temperature control device for electronic components |
| RU2622234C1 (en) * | 2016-04-05 | 2017-06-13 | Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ПАО АНПП "ТЕМП-АВИА") | Device for stabilizing temperature of electronic products |
| RU2690018C1 (en) * | 2017-12-08 | 2019-05-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Method for prevention of electrochemical migration phenomenon and device for its implementation |
-
2010
- 2010-06-01 RU RU2010122358/28A patent/RU2439746C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2529852C2 (en) * | 2012-10-18 | 2014-10-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Прибор" | Temperature control device for electronic components |
| RU2622234C1 (en) * | 2016-04-05 | 2017-06-13 | Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ПАО АНПП "ТЕМП-АВИА") | Device for stabilizing temperature of electronic products |
| RU2690018C1 (en) * | 2017-12-08 | 2019-05-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Method for prevention of electrochemical migration phenomenon and device for its implementation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010122358A (en) | 2011-12-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3308271A (en) | Constant temperature environment for semiconductor circuit elements | |
| RU2439746C1 (en) | Device for temperature stabilisation of chip assembly elements | |
| CN107389206A (en) | A kind of thermopile sensor and its control method | |
| KR20190093595A (en) | Temperature controller | |
| US3882728A (en) | Temperature sensing circuit | |
| Pfost et al. | Accurate temperature measurements of DMOS power transistors up to thermal runaway by small embedded sensors | |
| RU2355016C2 (en) | Device for stabilising temperature of radio components | |
| RU2348962C1 (en) | Device for stabilisation of temperature of devices of microcircuits and microassemblies | |
| KR101662713B1 (en) | Thermal properties measurement sensors for thermoelectric thin film in cross-plane direction | |
| RU2459231C2 (en) | Device to stabilise temperature of microassemblies | |
| RU2461047C1 (en) | Device for stabilising temperature of elements of microcircuits and microassemblies | |
| Hamlet et al. | Modeling of circuits with strongly temperature dependent thermal conductivities for cryogenic CMOS | |
| CN108291843A (en) | Semiconductor component with the first temperature-measuring element and the method for determining the electric current for flowing through semiconductor component | |
| CN108680286B (en) | High-resolution heat flow signal measuring system used under high-magnetic environment wide-temperature area | |
| Lin et al. | CMOS monolithic thermostatic microwave heater with bioimpedance load effect compensation | |
| CN113551778A (en) | Thermal imager relative temperature measurement performance evaluation device | |
| Nicolae et al. | Characterization and modeling of an RMS-DC solid-state thermal converter | |
| JPS6230087Y2 (en) | ||
| Górecki et al. | Investigations of mutual thermal coupling between SiC Schottky diodes situated in the common case | |
| Szekely et al. | Design of a static TIM tester | |
| CN106802385B (en) | Thermal resistance extraction method of SOI MOS device | |
| KR20160064271A (en) | Multi- direction Seebeck measurement sensors for thermoelectric thin film | |
| Guilherme et al. | Field-effect transistor thermal converters: a promising device for ac–dc transfer and ac power measurements at higher frequencies | |
| Farkas | Fundamentals of Thermal Transient Measurements | |
| RU2317531C2 (en) | Device for measuring temperature difference |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150602 |