[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2461047C1 - Device for stabilising temperature of elements of microcircuits and microassemblies - Google Patents

Device for stabilising temperature of elements of microcircuits and microassemblies Download PDF

Info

Publication number
RU2461047C1
RU2461047C1 RU2011127615/08A RU2011127615A RU2461047C1 RU 2461047 C1 RU2461047 C1 RU 2461047C1 RU 2011127615/08 A RU2011127615/08 A RU 2011127615/08A RU 2011127615 A RU2011127615 A RU 2011127615A RU 2461047 C1 RU2461047 C1 RU 2461047C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
substrate
microassemblies
heater
microcircuits
Prior art date
Application number
RU2011127615/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виталий Григорьевич Козлов (RU)
Виталий Григорьевич Козлов
Валерий Павлович Алексеев (RU)
Валерий Павлович Алексеев
Денис Витальевич Озёркин (RU)
Денис Витальевич Озёркин
Григорий Витальевич Козлов (RU)
Григорий Витальевич Козлов
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)
Priority to RU2011127615/08A priority Critical patent/RU2461047C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2461047C1 publication Critical patent/RU2461047C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Control Of Temperature (AREA)

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: invention can be used to maintain constancy of properties said devices in a wide range of ambient temperature. The precision electronic devices used can be microcircuits of different degree of integration, up to very-large-scale integration (VLSI), system-on-a-chip, and microassemblies. Temperature of microcircuits and microassemblies is controlled without convection, which enables to use a device for operation in deep space, particularly in space equipment for satellite systems. The device for stabilising temperature of elements of microcircuits and microassemblies has a conductor which is common for the entire device, a dielectric substrate having the shape of a rectangular parallelepiped and made from material with a high heat conduction coefficient, a temperature control circuit, having three leads, the first of which is connected to the common conductor, a temperature sensor connected to the second lead of the temperature control circuit, a blocking capacitor whose first lead is connected to the common conductor, and the second lead is connected to the third lead of the temperature control circuit, a heater which is in form of a rectangular resistive film, one end of which is connected to the common conductor, and the other end is connected to the second lead of the blocking capacitor; the resistive film of the heater lies on the entire back surface of the dielectric substrate; and the device additionally includes a temperature-controlled dielectric layer having a high heat conduction coefficient and having inside it elements of circuits and/or microassemblies lying on the entire working surface of the dielectric substrate, a first heat-insulating layer lying on the entire outer surface of the heater and a second heat-insulating layer lying on the outer surface of said temperature-controlled layer; and the temperature sensor lies on the outer surface of the second heat-insulating layer at its centre. ^ EFFECT: larger volume of the temperature-controlled dielectric layer having inside it elements of microcircuits or microassemblies, having insignificant temperature-control error in a wide range of ambient temperature. ^ 14 dwg

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). В качестве прецизионных электронных устройств могут быть использованы микросхемы различной степени интеграции вплоть до сверхбольших интегральных схем - систем на кристалле и микросборки. Регулирование температуры микросхем и микросборок осуществляется в отсутствие конвекции, что позволяет использовать предлагаемое устройство для работы в открытом космосе, в частности в космической аппаратуре спутниковых систем.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). As precision electronic devices, microcircuits of various degrees of integration can be used up to ultra-large integrated circuits - systems on a chip and microassemblies. The temperature control of microcircuits and microassemblies is carried out in the absence of convection, which allows the use of the proposed device for operation in outer space, in particular in space equipment of satellite systems.

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. Недостатком этого устройства является то, 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.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 temperature control accuracy in a wide TOC range due to the finite value of the thermal conductivity of the substrate.

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 термостатируемой области, визуально различимые от остальных частей рабочей поверхности 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. Недостатком этого устройства является то, что высокая точность термостатирования достигается на относительно небольшой площади подложки.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 thermostat are marked on the working surface of the substrate area visually distinguishable from other parts of the working surface 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 thermostating 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 located 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 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 placement of the temperature sensor. The disadvantage of this device is that high precision temperature control is achieved on a relatively small area of the substrate.

Наиболее близким к заявляемому объекту является устройство для стабилизации температуры элементов микросхем и микросборок, содержащее диэлектрическую подложку, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, схему регулирования температуры и электрически соединенные с ней датчик температуры и выполненный в виде прямоугольной резистивной пленки нагреватель, нагреватель расположен на рабочей поверхности диэлектрической подложки на продольной оси этой поверхности по всей длине подложки, один конец нагревателя соединен непосредственно с общим для всего устройства проводником, а другой конец - через блокировочный конденсатор, датчик температуры расположен у края рабочей поверхности подложки на ее поперечной оси, а две области, занимаемые термостатируемыми элементами, расположены по всей длине подложки симметрично относительно продольной оси рабочей поверхности подложки 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]. Недостатком устройства-прототипа является то, что высокая точность термостатирования достигается на относительно небольшой площади, хотя эта площадь и больше, чем в устройстве стабилизации температуры электрорадиоэлементов, описанном в [2].Closest to the claimed object is a device for stabilizing the temperature of elements of microchips and microassemblies containing a dielectric substrate made in the form of a rectangular parallelepiped made of a material with a high coefficient of thermal conductivity, a temperature control circuit and a temperature sensor electrically connected to it and a heater made in the form of a rectangular resistive film, the heater is located on the working surface of the dielectric substrate on the longitudinal axis of this surface throughout the substrate line, one end of the heater is connected directly to the conductor common to the entire device, and the other end is connected through a blocking capacitor, the temperature sensor is located at the edge of the substrate’s working surface on its transverse axis, and the two regions occupied by thermostatically controlled elements are symmetrically located along the entire length of the substrate relative to the longitudinal axis of the working surface of the substrate and are limited by four straight lines that are visually distinguishable from other elements of the working surface of the substrate, the distance to which x is determined by calculation or experimental measurement of the temperature field of the substrate [3]. The disadvantage of the prototype device is that high precision 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 described in [2].

Общими недостатками вышеперечисленных устройств [1-3] являются низкая точность термостатирования электрорадиоэлементов, что ограничивает возможности применения термостатируемых узлов.Common disadvantages of the above devices [1-3] are the low accuracy of thermostating of radio-electronic elements, which limits the possibility of using thermostatic nodes.

Задача, на достижение которой направлено предлагаемое техническое решение, - увеличение объема термостатируемого диэлектрического слоя с размещенными внутри него элементами микросхем и/или микросборок, имеющего малую погрешность термостатирования в широком диапазоне изменения ТОС.The task to which the proposed technical solution is directed is to increase the volume of the thermostatically controlled dielectric layer with elements of microcircuits and / or microassemblies located inside it, which has a small thermostating error in a wide range of TOC changes.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для стабилизации температуры элементов микросхем и микросборок, содержащем общий для всего устройства проводник, диэлектрическую подложку, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, схему регулирования температуры, имеющую три вывода, первый из которых соединен с общим проводником, датчик температуры, соединенный со вторым выводом схемы регулирования температуры, блокировочный конденсатор, первый вывод которого соединен с общим проводником, а второй вывод - с третьим выводом схемы регулирования температуры, нагреватель, выполненный в виде прямоугольной резистивной пленки, один конец которого соединен с общим проводником, а другой конец - со вторым выводом блокировочного конденсатора, резистивная пленка нагревателя расположена на всей тыльной поверхности диэлектрической подложки, и в состав устройства дополнительно введены термостатируемый имеющий высокий коэффициент теплопроводности диэлектрический слой с расположенными внутри него элементами схем и/или микросборок, расположенный на всей рабочей поверхности диэлектрической подложки, первый теплоизоляционный слой, расположенный на всей внешней поверхности нагревателя, и второй теплоизоляционный слой, расположенный на внешней поверхности названного термостатируемого слоя, а датчик температуры расположен на внешней поверхности второго теплоизоляционного слоя в ее центре.The solution to this problem is achieved by the fact that in a device for stabilizing the temperature of elements of microcircuits and microassemblies containing a conductor common to the entire device, a dielectric substrate made in the form of a rectangular parallelepiped made of a material with a high coefficient of thermal conductivity, a temperature control circuit having three leads, the first of which connected to a common conductor, a temperature sensor connected to the second terminal of the temperature control circuit, a blocking capacitor, the first terminal of which ohm is connected to a common conductor, and the second output to the third output of the temperature control circuit, the heater is made in the form of a rectangular resistive film, one end of which is connected to a common conductor, and the other end to the second output of the blocking capacitor, the heater resistive film is located throughout the back surface of the dielectric substrate, and a temperature-controlled dielectric layer with a high coefficient of thermal conductivity with elements of circuits and / or microassemblies located on the entire working surface of the dielectric substrate, the first heat-insulating layer located on the entire outer surface of the heater, and the second heat-insulating layer located on the outer surface of the thermostatic layer, and the temperature sensor is located on the outer surface of the second heat-insulating layer in its center.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства для стабилизации температуры элементов микросхем и микросборок, на которой обозначено: 1 - диэлектрическая подложка, выполненная в форме прямоугольного параллелепипеда из материала с высоким коэффициентом теплопроводности; 2 - расположенный на рабочей поверхности диэлектрической подложки 1 термостатируемый имеющий высокий коэффициент теплопроводности диэлектрический слой с размещенными внутри него элементами микросхем и/или микросборок и форму прямоугольного параллелепипеда, боковые грани которого находятся в одних плоскостях с боковыми гранями диэлектрической подложки 1; 3 - нагреватель, выполненный в виде резистивной пленки, расположенной на всей тыльной поверхности диэлектрической подложки 1; 4 - первый теплоизоляционный слой, размещенный на внешней поверхности нагревателя 3; 5 - второй теплоизоляционный слой, расположенный на внешней поверхности термостатируемого диэлектрического слоя 2 с размещенными внутри него элементами микросхем и/или микросборок; 6 - общий для всего устройства проводник; 7 - датчик температуры, расположенный в центре внешней поверхности второго теплоизоляционного слоя; 8 - схема регулирования температуры; 9 - блокировочный конденсатор.Figure 1 shows the structural diagram of the proposed device for stabilizing the temperature of the elements of microcircuits and microassemblies, which are indicated: 1 - dielectric substrate made in the form of a rectangular parallelepiped made of a material with a high coefficient of thermal conductivity; 2 - a thermostatically controlled dielectric layer located on the working surface of the dielectric substrate 1 having a high coefficient of thermal conductivity with elements of microcircuits and / or microassemblies inside it and the shape of a rectangular parallelepiped, the side faces of which are in the same planes as the side faces of the dielectric substrate 1; 3 - heater, made in the form of a resistive film located on the entire back surface of the dielectric substrate 1; 4 - the first heat-insulating layer placed on the outer surface of the heater 3; 5 - a second heat-insulating layer located on the outer surface of the thermostatically controlled dielectric layer 2 with chip elements and / or microassemblies located inside it; 6 - a conductor common to the entire device; 7 - a temperature sensor located in the center of the outer surface of the second heat-insulating layer; 8 is a temperature control circuit; 9 - blocking capacitor.

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 приведены кривые зависимости температуры в различных точках прямоугольной подложки ТП из керамики ВК94, имеющей размеры 12×16×1 мм3, для разных значений 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 (для устройства-прототипа).Figure 4 shows the curves of temperature at different points of a rectangular substrate T P made of VK94 ceramics having dimensions 12 × 16 × 1 mm 3 for 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 (for the prototype device).

На фиг.5 приведена схема электрического моделирования зависимости температуры подложки устройства-прототипа от координаты Х при Y=0 мм. Моделировалось распространение теплового потока по правой половине подложки из керамики ВК94, имеющей коэффициент теплопроводности λ=13,2 Вт/(м·К). Пленочный нагреватель был расположен на оси Y по всей длине подложки (его ширина принималась бесконечно малой). Координата X правого края подложки была равна 6 мм. Так как длина подложки была значительно больше половины ее ширины, то изменением температуры вдоль оси Y пренебрегали. Габаритные размеры подложки составляли 12, 16 и 1 мм. Пунктирными линиями на фиг.5 показаны участки разбиения поверхности подложки на квадраты, причем центры квадратов располагались на оси X.Figure 5 shows a diagram of an electrical simulation of the temperature dependence of the substrate of the prototype device on the X coordinate at Y = 0 mm. The heat flux propagation along the right half of a VK94 ceramic substrate having a thermal conductivity coefficient λ = 13.2 W / (m · K) was simulated. The film heater was located on the Y axis along the entire length of the substrate (its width was assumed to be infinitely small). The X coordinate of the right edge of the substrate was 6 mm. Since the length of the substrate was much more than half its width, the temperature change along the Y axis was neglected. The overall dimensions of the substrate were 12, 16, and 1 mm. The dashed lines in Fig. 5 show the sections of dividing the surface of the substrate into squares, with the centers of the squares being located on the X axis.

На фиг.6 приведены результаты моделирования зависимости температуры подложки от координаты Х при Y=0 мм, полученные в системе схемотехнического моделирования (ССМ) MicroCAP 8 [4], для схемы, изображенной на фиг.5, при разных значениях ТОС. На фиг.6, а приведены результаты моделирования для значения ТОС 223 К, на фиг.6, б - для значения ТОС 273 К, а на фиг.6, в - для значения ТОС 323 К. На фиг.6, г приведены кривые зависимости температуры подложки ТП от координаты Х при Y=0 мм, построенные по результатам моделирования, отраженным на фиг.6, а; 6, б и 6, в. 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 6 shows the simulation results of the dependence of the substrate temperature on the X coordinate at Y = 0 mm, obtained in the MicroCAP 8 system of circuit simulation (CCM) [4], for the circuit depicted in figure 5, for different values of TOC. In Fig. 6, a shows the simulation results for the TOC value of 223 K, in Fig. 6, b - for the TOC value of 273 K, and in Fig. 6, c - for the TOC value of 323 K. Fig. 6, d shows the curves the dependence of the substrate temperature T P on the X coordinate at Y = 0 mm, constructed according to the simulation results reflected in Fig.6, a; 6, b and 6, c. Curve 1 reflects the simulation results for a TOC value of 223 K, curve 2 for a TOC value of 273 K, and curve 3 for a TOC value of 323 K.

На фиг.7 приведена схема электрического моделирования распределения температуры в различных частях предлагаемого устройства для стабилизации температуры элементов микросхем и/или микросборок.Figure 7 shows a diagram of an electrical simulation of the temperature distribution in various parts of the proposed device for stabilizing the temperature of elements of microcircuits and / or microassemblies.

На фиг.8, а приведены результаты моделирования распределения температуры в различных частях предлагаемого устройства в ССМ MicroCAP 8 для TOC=223 К, на фиг.8, б - для ТОС=273 К, а на фиг.8, в - для ТОС=323 К.On Fig, a shows the results of modeling the temperature distribution in different parts of the proposed device in the MicroCAP 8 CCM for T OC = 223 K, in Fig. 8, b - for T OS = 273 K, and in Fig. 8, c - for T OS = 323 K.

На фиг.9 приведены значения температуры в различных частях предлагаемого устройства, найденные в результате моделирования и отраженные на фиг.8, а; 8, б и 8, г. Значками

Figure 00000001
,
Figure 00000002
и
Figure 00000003
обозначены значения температуры в различных частях предлагаемого устройства для ТОС 223К, для ТОС 273 К и для ТОС 323 К. Координатам на оси абсцисс соответствуют точки: Х1 - точки на внешней поверхности первого теплоизоляционного слоя 4; Х2 - точки в плоскости контакта диэлектрической подложки 1 и нагревателя 3; X3 - точки плоскости контакта диэлектрической подложки 1 и термостатируемого слоя 2 с размещенными внутри него элементами микросхем и/или микросборок; Х4 - точки плоскости контакта термостатируемого слоя 2 и поверхности второго теплоизоляционного слоя 5 и X5 - точки на внешней поверхности второго теплоизоляционного слоя 5 (см. фиг.1).In Fig.9 shows the temperature in various parts of the proposed device, found as a result of modeling and reflected in Fig.8, a; 8, b and 8, d.
Figure 00000001
,
Figure 00000002
and
Figure 00000003
the temperature values are indicated in various parts of the proposed device for TOS 223K, for TOS 273 K and for TOS 323 K. The coordinates on the abscissa correspond to the points: X 1 - points on the outer surface of the first heat-insulating layer 4; X 2 - points in the plane of contact of the dielectric substrate 1 and the heater 3; X 3 - points of the plane of contact of the dielectric substrate 1 and thermostatic layer 2 with the elements of microcircuits and / or microassemblies located inside it; X 4 are points of the contact plane of the thermostatic layer 2 and the surface of the second heat-insulating layer 5 and X 5 are points on the outer surface of the second heat-insulating layer 5 (see Fig. 1).

Устройство для стабилизации температуры элементов микросхем и/или микросборок работает следующим образом. Температура термостатирования слоя 2 выбирается больше ТОС. При включении схемы регулирования температуры температура слоя 2 и температура 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 расположенный на тыльной поверхности диэлектрической подложки 1 нагреватель 3, подключенный к выходу дифференциального усилителя. Блокировочный конденсатор 9 уменьшает влияние наводок переменного тока на схему регулирования температуры. Использование диэлектрической подложки 1, имеющей высокий коэффициент теплопроводности, позволяет получить изменение температуры в предлагаемом устройстве практически только в направлениях, перпендикулярных к рабочей поверхности подложки, и свести расчет температуры частей устройства при его проектировании к решению одномерной задачи.A device for stabilizing the temperature of elements of microcircuits and / or microassemblies works as follows. The temperature control temperature of layer 2 is selected more than CBT. When you turn on the temperature control circuit, the temperature of the layer 2 and the temperature of the transistor VT, used as a temperature sensor 7 (figure 2), are below the temperature of thermostating. At low temperature, the collector current of the transistor I K0 is small, and the voltage across the collector U K is large. The increase in voltage U K applied to the input of the differential amplifier included in the temperature control circuit 8 leads to an increase in current through the heater 3 located on the back surface of the dielectric substrate 1, connected to the output of the differential amplifier. The blocking capacitor 9 reduces the influence of AC pickups on the temperature control circuit. The use of a dielectric substrate 1 having a high coefficient of thermal conductivity allows one to obtain a temperature change in the proposed device practically only in directions perpendicular to the working surface of the substrate, and reduce the calculation of the temperature of the parts of the device during its design to the solution of a one-dimensional problem.

Первый теплоизоляционный слой 4 служит для уменьшения тепловых потерь. Мощность, выделяемая нагревателем, вызывает перегрев ΔТК термостатируемого слоя 2, равный разности между температурой слоя 2 (ТК) и ТОС (ТОС). В этом случае ΔТККОС. При этом нагрев слоя 2 и датчика температуры 7, расположенного на внешней поверхности второго слоя теплоизоляции 5 в ее центре, постепенно увеличивается до температуры термостатирования. Увеличение температуры слоя 2 выше температуры термостатирования приводит к увеличению значения тока IКО коллектора транзистора, к уменьшению значений напряжения UК коллектора и тока через нагреватель 3. При этом температура слоя 2 уменьшается до температуры термостатирования. В дальнейшем процесс повторяется, приобретая колебательный характер. Заданный диапазон изменения температуры термостатирования ΔТСТ.З определяет точность регулирования температуры слоя 2 в районе размещения датчика температуры. Второй слой теплоизоляции 5 использован для увеличения изменения величины управляющего напряжения UК, приложенного к входу дифференциального усилителя, при изменении ТОС (для увеличения чувствительности при регулировании температуры).The first heat-insulating layer 4 serves to reduce heat loss. The power released by the heater causes overheating ΔT K of the thermostatically controlled layer 2, which is equal to the difference between the temperature of layer 2 (T K ) and TOC (T OS ). In this case, ΔT K = T K -T OS . In this case, the heating of layer 2 and temperature sensor 7 located on the outer surface of the second thermal insulation layer 5 in its center gradually increases to the temperature of thermostating. An increase in the temperature of layer 2 above the temperature of the temperature control leads to an increase in the current value I KO of the collector of the transistor, to a decrease in the voltage U K of the collector and current through the heater 3. In this case, the temperature of layer 2 decreases to the temperature of the temperature control. Subsequently, the process repeats, acquiring an oscillatory character. The predetermined temperature variation temperature range ΔТ СТ.З determines the accuracy of temperature control of layer 2 in the area of the temperature sensor. The second thermal insulation layer 5 is used to increase the change in the magnitude of the control voltage U K applied to the input of the differential amplifier when changing the TOC (to increase the sensitivity when controlling the temperature).

В качестве датчика температуры 7 нами был применен бескорпусной 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 8, был включен по схеме с общим эмиттером (фиг.2). Из вольтамперной характеристики транзистора (фиг.3) видно, что при постоянном напряжении UЭБ0, поступающем на базу транзистора VT с резистора R2, увеличение ТОС от значения Т1 до значения T2 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 нагреватель 3. Уменьшение напряжения на коллекторе UК вызывает уменьшение тока через нагреватель 3 и уменьшение температуры термостатируемого слоя 2 с размещенными внутри него элементами микросхем и/или микросборок. При уменьшении ТОС (ТОС) и температуры ТК слоя 2 напряжение коллектора UК транзистора (напряжение, поступающее на датчик температуры 7) увеличивается, что приводит к увеличению тока через нагреватель 3 и к увеличению температуры ТК слоя 2. Величину температуры термостатирования ТСТ слоя 2 можно изменять, меняя опорное напряжение на другом входе дифференциального усилителя схемы регулирования температуры.As the temperature sensor 7, we used a small-sized open-ended bipolar transistor, 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 8, was 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 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 in voltage collector U To . The collector voltage U K is supplied to one of the inputs of the differential amplifier of the temperature control circuit, the heater 3 is connected to its output. Decreasing the voltage at the collector U K causes a decrease in the current through heater 3 and a decrease in the temperature of the thermostatic layer 2 with chip elements and / or microassemblies inside it . With a decrease in TOC (T OS ) and temperature T K of layer 2, the collector voltage U K of the transistor (voltage supplied to temperature sensor 7) increases, which leads to an increase in current through heater 3 and to an increase in temperature T K of layer 2. The temperature of temperature control T CT layer 2 can be changed by changing the reference voltage at the other input of the differential amplifier of the temperature control circuit.

Точность стабилизации температуры в различных точках термостатируемого пространства в широком диапазоне изменения ТОС неодинакова.The accuracy of temperature stabilization at different points in a thermostatic space over a wide range of TOC changes is not the same.

На фиг.4 приведены полученные в результате электрического моделирования устройства-прототипа [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 составлял λ=13,2 Вт/(м·К). 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 4 shows the temperature curves obtained as a result of electrical modeling of the prototype device [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 was λ = 13.2 W / (m · K). 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 watts. 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.4) видно, что точность термостатирования элементов, расположенных в ограниченных 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. 4), it is evident that the accuracy of thermostating of elements located in limited areas of the substrate surface is higher than the accuracy of thermostating of the substrate in the region of the temperature sensor. For different values of the Y coordinate, the graphs of temperature changes along the X axis almost do not differ from each other when the length of the substrate is much more than half its width [3]. This means that with high accuracy it is possible to simulate the temperature change along the X axis, solving the one-dimensional problem without taking into account the temperature change along the Y axis.

Достижение технического результата в предлагаемом устройстве по отношению к устройству-прототипу обеспечивается за счет:The achievement of the technical result in the proposed device in relation to the prototype device is provided by:

- замены диэлектрической подложки на термостатируемый слой с размещенными внутри него элементами микросхем и/или микросборок;- replacing the dielectric substrate with a thermostatic layer with elements of microcircuits and / or microassemblies placed inside it;

- использования диэлектрической подложки из теплопроводящего диэлектрика, контактирующей рабочей поверхностью с термостатируемым слоем, и нагревателя, контактирующего всей рабочей поверхностью с тыльной поверхностью этой подложки;- the use of a dielectric substrate of a heat-conducting dielectric in contact with the working surface with a thermostatic layer, and a heater in contact with the entire working surface with the back surface of this substrate;

- нанесения на тыльную поверхность нагревателя первого теплоизоляционного слоя;- applying the first heat-insulating layer to the back surface of the heater;

- нанесения на другое основание термостатируемого слоя второго теплоизоляционного слоя и размещения датчика температуры на внешней поверхности теплоизоляционного слоя в ее центре.- applying to another base of the thermostatically controlled layer a second heat-insulating layer and placing a temperature sensor on the outer surface of the heat-insulating layer in its center.

На фиг.5 приведена схема электрического моделирования зависимости температуры подложки ТП от координаты Х при Y=0 мм для устройства-прототипа [5]. Моделировалось распространение теплового потока по правой половине подложки, показанной на фиг.4, 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 пренебрежимо малой величиной. Координата Х правого края подложки была равна 6 мм. Линейные размеры подложки составляли 12×16×1 мм3. Пунктирными линиями показаны участки разбиения поверхности подложки на квадраты, при этом центры квадратов были расположены на оси X. При моделировании величина напряжения VH в вольтах численно принималась равной величине температуры нагревателя (ТН) в кельвинах, и величина напряжения VC 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 RiT в К/Вт между площадью квадрата разбиения подложки, участвующей в лучистом теплообмене, и окружающей средой. Величину RiT определяли с помощью выражения [6]:Figure 5 shows a diagram of an electrical simulation of the dependence of the temperature of the substrate T P on the X coordinate at Y = 0 mm for the prototype device [5]. The heat flux propagation along the right half of the substrate shown in Fig. 4 was simulated for the case when the substrate is made of VK94 ceramics having a thermal conductivity coefficient 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 negligible. The X coordinate of the right edge of the substrate was 6 mm. The linear dimensions of the substrate were 12 × 16 × 1 mm 3 . The dashed lines show the areas of dividing the substrate surface into squares, while the centers of the squares were located on the X axis. In the simulation, the voltage V H in volts was numerically taken equal to the heater temperature (T N ) in kelvins, and the voltage V C in volts was the value CBT (T OS ) in kelvins. The electrical resistance R λ in ohms was taken numerically equal to the thermal resistance of the substrate square R λТ = 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 participating in the radiant heat transfer and the environment. The value of R iT was determined using the expression [6]:

Figure 00000004
,
Figure 00000004
,

где Si=(2·0,5·10-3)2=0,5·10-6 м2 - площадь разбиения поверхности подложки на квадраты, участвующей в лучистом теплообмене;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;

αЛ=ε·f(ТП, ТОС) - коэффициент теплообмена излучением;α L = ε · f (T P , T OS ) is the heat transfer coefficient of radiation;

ε - приведенная степень черноты поверхности теплообмена;ε is the reduced degree of blackness of the heat exchange surface;

f(ТП, ТОС)=5,67·10-8П4ОС4)/(ТПОС) - табулированная функция [4].f (T P , T OS ) = 5.67 · 10 -8 (T P 4 -T OS 4 ) / (T P -T OS ) - tabulated function [4].

Температура ТП при вычислении αЛ была выбрана равной ТСТ для всех квадратов, так как ТПСТ<<ТП. По этой же причине сопротивления Ri были соединены с центрами квадратов площадей поверхности подложки. При этом учитывался теплообмен рабочей и тыльной сторон поверхностей подложки с окружающей средой.The temperature T P in the calculation of α L was chosen equal to T ST for all squares, since T P -T ST << T P. For the same reason, the resistances R i were connected to the centers of the squares of the surface areas of the substrate. In this case, heat transfer of the working and back sides of the substrate surfaces with the environment was taken into account.

Площадь торцевых граней подложки устройства-прототипа намного меньше суммы площадей рабочей и тыльной поверхностей. Поэтому мощностью, отводимой с торцевых поверхностей, как обычно, пренебрегли [6].The area of the end faces of the substrate of the prototype device 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 [6].

На фиг.6 приведены результаты электрического моделирования зависимости температуры подложки ТП от координаты Х при Y=0 мм, полученные в ССМ MicroCAP 8, для схемы, изображенной на фиг.5, при разных значениях ТОС. На фиг.6, а приведены результаты для ТОС=223 К, на фиг.6, б - для ТОС=273 К, а на фиг.6, в - для ТОС=323 К. Температура термостатирования была выбрана ТСТ=334 К, а диапазон ее изменения в области 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. На фиг.6, г приведены кривые зависимости температуры подложки от координаты Х при Y=0 мм, построенные по результатам моделирования, отраженным на фиг.6, а; 6, б и 6, в. Кривая 7 отражает результаты моделирования для значения ТОС 223 К, кривая 2 - для значения ТОС 273 К и кривая 3 - для значения ТОС 323 К.Figure 6 shows the results of electrical modeling of the dependence of the substrate temperature T P on the X coordinate at Y = 0 mm, obtained in the MicroCAP 8 CCM, for the circuit shown in figure 5, for different values of T OS . In Fig. 6, a shows the results for T OS = 223 K, in Fig. 6, b - for T OS = 273 K, and in Fig. 6, c - for T OS = 323 K. The temperature of temperature control was chosen T ST = 334 K, and the range of its change in the region 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. Figure 6d shows the curves of the dependence of the temperature of the substrate on the X coordinate at Y = 0 mm, constructed from the simulation results shown in Fig. 6, and ; 6, b and 6, c. Curve 7 shows the simulation results for a TOC value of 223 K, curve 2 for a TOC value of 273 K, and curve 3 for a TOC value of 323 K.

На фиг.7 приведена схема электрического моделирования распределения температуры в различных частях предлагаемого устройства для стабилизации температуры элементов микросхем и микросборок. Моделирование осуществлено в приближении одномерной задачи, когда тепловой поток распространяется перпендикулярно подложке из бериллиевой керамики (99% ВеО), обладающей большой величиной коэффициента теплопроводности (λ=210 Вт/(м·К) [7]).Figure 7 shows a diagram of an electrical simulation of the temperature distribution in various parts of the proposed device for stabilizing the temperature of elements of microcircuits and microassemblies. The simulation was carried out in the approximation of the one-dimensional problem, when the heat flux propagates perpendicular to the beryllium ceramic substrate (99% BeO), which has a large thermal conductivity (λ = 210 W / (m · K) [7]).

Так же как и для модели, изображенной на фиг.5, величина напряжения VH в вольтах численно принималась равной величине температуры нагревателя (ТН) в кельвинах, а величина напряжения VC в вольтах - величине ТОС (ТОС) в кельвинах. Для корректности сопоставления результатов при моделировании неравномерности распределения температуры в рабочей области для модели, изображенной на фиг.5, и модели, изображенной на фиг.7, базовые размеры термостатируемого слоя с размещенными внутри него элементами микросхем и/или микросборок выбирались такими же, как линейные размеры подложки SК=6×16 мм2 устройства-прототипа, а толщину термостатируемого слоя принимали в два раза больше, чем толщина подложки устройства-прототипа (δК=2 мм). Материал термостатируемого слоя выбрали с таким же коэффициентом теплопроводности λ=13,2 Вт/(м·К), что и у подложки устройства-прототипа. Электрическое сопротивление Rλ в омах принималось численно равным тепловому сопротивлению в направлении распространения теплового потока RλT в К/Вт [3, 5]. Для термостатируемого слоя в направлении, перпендикулярном его основаниям, тепловое сопротивление RλКT составило:As for the model shown in Fig. 5, the value of voltage V H in volts was numerically taken equal to the value of the temperature of the heater (T N ) in kelvins, and the value of voltage V C in volts was taken to be the value of TOC (T OS ) in kelvins. For the correct comparison of the results when modeling the uneven distribution of temperature in the working area for the model shown in Fig. 5 and the model shown in Fig. 7, the basic dimensions of the thermostatically controlled layer with the elements of microcircuits and / or microassemblies inside it were chosen the same as linear the dimensions of the substrate S K = 6 × 16 mm 2 of the prototype device, and the thickness of the thermostatically controlled layer was taken to be twice as large as the thickness of the substrate of the prototype device (δ K = 2 mm). The material of the thermostatic layer was chosen with the same coefficient of thermal conductivity λ = 13.2 W / (m · K) as the substrate of the prototype device. The electrical resistance R λ in ohms was taken numerically equal to the thermal resistance in the direction of propagation of the heat flux R λT in K / W [3, 5]. For the thermostatic layer in the direction perpendicular to its bases, the thermal resistance R λKT was:

RλКТК/(λК·SК)=2·10-3/(13,2·6·10-316·10-3)≈1,578 К/Вт,R λKT = δ K / (λ K · S K ) = 2 · 10 -3 / (13.2 · 6 · 10 -3 16 · 10 -3 ) ≈1.578 K / W,

соответственно RλК=1,578 Ом.accordingly, R λK = 1.578 Ohms.

Для подложки из бериллиевой керамики толщиной δП=0,5 мм в направлении, перпендикулярном ее рабочей поверхности, тепловое сопротивление RλПТ составило (см. фиг.7):For a beryllium ceramic substrate with a thickness of δ P = 0.5 mm in the direction perpendicular to its working surface, the thermal resistance R λPT was (see Fig. 7):

RλПТП/(λП·SП)=0,5·10-3/(210·6·10-316·10-3)=0,025 К/Вт,R λPT = δ P / (λ P · S P ) = 0.5 · 10 -3 / (210 · 6 · 10 -3 16 · 10 -3 ) = 0.025 K / W,

соответственно RλП=0,025 Ом.accordingly, R λP = 0.025 Ohms.

Для первого теплоизоляционного слоя из компаунда ЭК16А с коэффициентом теплопроводности λИ1=0,3 Вт/(м·К) [6] и толщиной δИ1=0,3 мм в направлении, перпендикулярном рабочей поверхности подложки, тепловое сопротивление RλИ1Т составило:For the first heat-insulating layer from the EK16A compound with a thermal conductivity coefficient λ И1 = 0.3 W / (m · K) [6] and a thickness δ И1 = 0.3 mm in the direction perpendicular to the working surface of the substrate, the thermal resistance R λI1T was:

RλИ1ТИ1/(λИ1·SК)=0,3·10-3/(0,3·6·10-3·16·10-3)=10,417 К/Вт,R λI1T = δ И1 / (λ И1 · S K ) = 0.3 · 10 -3 / (0.3 · 6 · 10 -3 · 16 · 10 -3 ) = 10.417 K / W,

соответственно в омах - RλИ1 =10,417 Ом.respectively, in ohms - R λI1 = 10.417 Ohms.

Для второго теплоизоляционного слоя выбрали те же размеры и тот же материал, что и для первого теплоизоляционного слоя. ПоэтомуFor the second heat-insulating layer, the same dimensions and the same material were chosen as for the first heat-insulating layer. therefore

RλИ2Т=RλИ1Т=10,417 К/Вт,R λI2T = R λI1T = 10.417 K / W,

соответственно в омах - RλИ2=RλИ1=10,417 Ом.respectively, in ohms - R λI2 = R λI1 = 10.417 Ohms.

Величины тепловых сопротивлений RiT для моделирования теплообмена излучением определяли с помощью выражения [6]:The values of thermal resistances R iT for modeling heat transfer by radiation were determined using the expression [6]:

Figure 00000005
Figure 00000005

где коэффициент теплообмена излучением αЛК, ТОС)= ε·f(ТК, ТОС), a приведенную степень черноты поверхности подложки ε принимали равной 0,8.where the heat transfer coefficient of radiation α L (T K , T OS ) = ε · f (T K , T OS ), and the reduced degree of blackness of the substrate surface ε was taken equal to 0.8.

Для частей, расположенных внутри предлагаемого устройства, площадь Si теплообмена излучением в окружающее пространство i-й части определяли как произведение периметра Пi, ограничивающего площадь основания, на размер δi в направлении, перпендикулярном основанию:For parts located inside the proposed device, the area S i of heat transfer by radiation into the surrounding space of the i-th part was determined as the product of the perimeter P i limiting the area of the base by the size δ i in the direction perpendicular to the base:

Sii·δi=2·(6+16)·10-3·δi=44·10-3·δi 2].S i = P i · δ i = 2 · (6 + 16) · 10 -3 · δ i = 44 · 10 -3 · δ i [m 2 ].

Для термостатируемого слоя δiК=2·10-3 м; S=88·10-6 м2. Для подложки из бериллиевой керамики δiП=0,5 мм; S=22·10-6 м2.For a thermostatic layer δ i = δ K = 2 · 10 -3 m; S iK = 88 · 10 -6 m 2 . For a beryllium ceramic substrate, δ i = δ P = 0.5 mm; S iP = 22 · 10 -6 m 2 .

Из-за малой толщины нагревателя теплообмен излучением в окружающее пространство его торцевых поверхностей не учитывали.Due to the small thickness of the heater, heat transfer by radiation into the surrounding space of its end surfaces was not taken into account.

Для первого и второго теплоизоляционных слоев δiИ1И2=0,3 мм, а площадь Si теплообмена излучением в окружающее пространство определяли как сумму площади основания и произведения периметра Пi, ограничивающего площадь основания, на размер δ:For the first and second insulating layers δ i = δ = δ I1 I2 = 0.3 mm and S i radiation heat transfer area in the surrounding area was determined as the sum of the base area and perimeter product P i, bounding the base area, the size of δ:

SИ1=SИ2=6·16·10-6i·δi=6·16·10-6+44·10-3·3·10-3=10,92·10-5 м2.S И1 = S И2 = 6 · 16 · 10 -6 + П i · δ i = 6 · 16 · 10 -6 + 44 · 10 -3 · 3 · 10 -3 = 10.92 · 10 -5 m 2 .

На фиг.8, а приведены результаты моделирования в ССМ MicroCAP 8 [6] для TOC=223 К, на фиг.8, б - для ТОС=273 К, а на фиг.8, в - для ТОС=323 К. Температура термостатирования была выбрана ТСТК=334 К. При моделировании предполагалось отсутствие конвекции.On Fig, a shows the simulation results in the MicroCAP 8 SMS [6] for T OC = 223 K, in Fig. 8, b - for T OS = 273 K, and in Fig. 8, c - for T OS = 323 K. The temperature of thermostating was chosen T ST = T K = 334 K. When modeling was assumed the absence of convection.

Для ТОС=223 К f(ТК, ТОС)=5,094; αЛ(334, 223)=4,075.For T OS = 223 K f (T K , T OS ) = 5.094; α L (334, 223) = 4.075.

Величины тепловых сопротивлений RiT для моделирования теплообмена излучением в окружающую среду для TOC=223 К составили:The values of thermal resistances R iT for modeling heat transfer by radiation into the environment for T OC = 223 K were:

- для термостатируемого слоя RiКТ=(4,075·88·10-6)-1=2789 К/Вт, соответственно R=2789 Ом;- for a thermostatic layer R iKT = (4.075 · 88 · 10 -6 ) -1 = 2789 K / W, respectively R = 2789 Ohm;

- для подложки RiПТ=(4,075·22·10-6)-1=11150 К/Вт, соответственно R=11150 Ом;- for the substrate R iПТ = (4.075 · 22 · 10 -6 ) -1 = 11150 K / W, respectively R = 11150 Ohm;

- для первого и второго теплоизоляционных слоев RiИ1Т=RiИ2Т=(4,075·10,92·10-5)-1=2,247·103 К/Вт, соответственно RiИ1=RiИ2=2247 Ом.- for the first and second heat-insulating layers R iИ1Т = R iИ2Т = (4.075 · 10.92 · 10 -5 ) -1 = 2.247 · 10 3 K / W, respectively R iИ1 = R iИ2 = 2247 Ohm.

Для ТОС=273 К f(ТК, ТОС)=6,404; αЛ (334, 273)=5,123.For T OS = 273 K f (T K , T OS ) = 6.404; α L (334, 273) = 5.123.

Величины тепловых сопротивлений RiT для моделирования теплообмена излучением в окружающую среду для TOC=273 К составили:The values of thermal resistances R iT for modeling heat transfer by radiation into the environment for T OC = 273 K were:

- для термостатируемого слоя RiКТ=(5,123·88·10-6)-1=2218 К/Вт, соответственно R=2218 Ом;- for a thermostatic layer R iKT = (5.123 · 88 · 10 -6 ) -1 = 2218 K / W, respectively R = 2218 Ohm;

- для подложки RiПТ=(5,123·22·10-6)-1=8873 К/Вт, соответственно R=8873 Ом;- for the substrate, R iPT = (5.123 · 22 · 10 -6 ) -1 = 8873 K / W, respectively, R = 8873 Ohm;

- для первого и второго теплоизоляционных слоев RiИ1Т=RiИ2Т=(5,123·10,92·10-5)-1=1,788·103 К/Вт, соответственно RiИ1=RiИ2=1788 Ом.- for the first and second heat-insulating layers, R iИ1Т = R iИ2Т = (5.123 · 10.92 · 10 -5 ) -1 = 1.788 · 10 3 K / W, respectively R iИ1 = R iИ2 = 1788 Ohm.

Для ТОС=323 К f(ТК, ТОС)=8,042; αЛ(334, 273)=6,434.For T OS = 323 K f (T K , T OS ) = 8.042; α L (334, 273) = 6.434.

Величины тепловых сопротивлений RiT для моделирования теплообмена излучением в окружающую среду для TOC=323 К составили:The values of thermal resistances R iT for modeling heat transfer by radiation into the environment for T OC = 323 K were:

- для термостатируемого слоя RiКТ=(6,434·88·10-6)-1=1766 К/Вт, соответственно R=1766 Ом;- for a thermostatic layer R iKT = (6.434 · 88 · 10 -6 ) -1 = 1766 K / W, respectively R = 1766 Ohm;

- для подложки RiПТ=(6,434·22·10-6)-l=7065 К/Вт, соответственно R=7065 Ом;- for the substrate, R iПТ = (6.434 · 22 · 10 -6 ) -l = 7065 K / W, respectively, R = 7065 Ohm;

- для первого и второго теплоизоляционных слоев RiИ1Т=RiИ2Т=(6,434·10,92·10-5)-1=1,423·103 К/Вт, соответственно RiИ1=RiИ2=1423 Ом.- for the first and second heat-insulating layers R iI1T = R iI2T = (6.434 · 10.92 · 10 -5 ) -1 = 1.423 · 10 3 K / W, respectively R iI1 = R iI2 = 1423 Ohm.

На фиг.9 приведены значения температуры в различных частях предлагаемого устройства для стабилизации температуры элементов микросхем и/или микросборок, найденные по результатам моделирования, отраженным на фиг.8, а; 8, б и 8, в. Координатам на оси абсцисс (см. фиг.1) соответствуют точки: Х1 - точки на внешней поверхности первого теплоизоляционного слоя 4; Х2 - точки в плоскости контакта диэлектрической подложки 1 и нагревателя 3; Х3 - точки плоскости контакта диэлектрической подложки 1 и термостатируемого слоя 2 с размещенными внутри него элементами микросхем и/или микросборок; Х4 - точки плоскости контакта термостатируемого слоя 2 и поверхности второго теплоизоляционного слоя 5 и X5 - точки на внешней поверхности второго теплоизоляционного слоя 5.In Fig.9 shows the temperature in various parts of the proposed device for stabilizing the temperature of the elements of microcircuits and / or microassemblies, found by the simulation results reflected in Fig.8, a; 8, b and 8, c. The coordinates on the abscissa axis (see figure 1) correspond to the points: X 1 - points on the outer surface of the first heat-insulating layer 4; X 2 - points in the plane of contact of the dielectric substrate 1 and the heater 3; X 3 - points of the plane of contact of the dielectric substrate 1 and thermostatic layer 2 with the elements of microcircuits and / or microassemblies located inside it; X 4 are the points of the contact plane of the thermostatic layer 2 and the surface of the second heat-insulating layer 5 and X 5 are the points on the outer surface of the second heat-insulating layer 5.

Из цифровых данных, приведенных на фиг.9, видно, что максимальная погрешность термостатирования в объеме термостатируемого слоя при изменении температуры среды ТОС от 223 К до 323 К была равна 0,141 К при изменении ее на датчике температуры на 0,432 К. В то же время как в устройстве-прототипе с объемом подложки, в два раза меньшем, чем объем термостатируемого слоя в заявляемом устройстве, как видно из графика, изображенного на фиг.6, даже меньший объем подложки имел бóльшую погрешность термостатирования. Это доказывает достижение технического результата - увеличения объема области с малой погрешностью термостатирования в широком диапазоне изменения ТОС при использовании предлагаемого решения.From the digital data shown in Fig. 9, it can be seen that the maximum temperature control error in the volume of the thermostatic layer when the temperature of the OS environment changes from 223 K to 323 K was 0.141 K when it is changed to 0.432 K. on the temperature sensor. as in the prototype device with a substrate volume that is two times smaller than the volume of the thermostatic layer in the inventive device, as can be seen from the graph depicted in Fig.6, even a smaller substrate volume had a greater thermostating error. This proves the achievement of the technical result - an increase in the volume of the region with a small thermostating error in a wide range of TOC changes when using the proposed solution.

В устройстве-прототипе (см. фиг.6) изменение нагрева датчика температуры составило 0,124 К, то есть в 3,5 раза меньше чем, в заявляемом устройстве. Это позволило применить в заявляемом устройстве датчик температуры с меньшей чувствительностью, что дополнительно увеличило устойчивость системы стабилизации температуры.In the prototype device (see Fig.6), the change in temperature sensor heating was 0.124 K, that is, 3.5 times less than in the inventive device. This made it possible to use a temperature sensor with a lower sensitivity in the inventive device, which further increased the stability of the temperature stabilization system.

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. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - 368 с.4. Razevig V.D. Circuit modeling using Micro-Cap 7. - M .: Hot line - Telecom, 2003. - 368 p.

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. Дульнев Г.Н. Тепломассообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Высш. шк., 1984. - 247 с. (с.41-46 и с.95).6. Dulnev G.N. Heat and mass transfer in electronic equipment. - M .: Higher. school., 1984. - 247 p. (p. 41-46 and p. 95).

7. Коледов Л.А. и др. Конструирование и технология микросхем. - М.: Высш. шк., 1984. - 231 с. (с.90).7. Koledov L.A. and others. Design and technology of microcircuits. - M .: Higher. school., 1984. - 231 p. (p. 90).

Claims (1)

Устройство для стабилизации температуры элементов микросхем и микросборок, содержащее общий для всего устройства проводник, диэлектрическую подложку, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, схему регулирования температуры, имеющую три вывода, первый из которых соединен с общим проводником, датчик температуры, соединенный со вторым выводом схемы регулирования температуры, блокировочный конденсатор, первый вывод которого соединен с общим проводником, а второй вывод - с третьим выводом схемы регулирования температуры, нагреватель, выполненный в виде прямоугольной резистивной пленки, один конец которого соединен с общим проводником, а другой конец - со вторым выводом блокировочного конденсатора, отличающееся тем, что резистивная пленка нагревателя расположена на всей тыльной поверхности диэлектрической подложки, и в состав устройства дополнительно введены термостатируемый, имеющий высокий коэффициент теплопроводности, диэлектрический слой с расположенными внутри него элементами схем и/или микросборок, расположенный на всей рабочей поверхности диэлектрической подложки, первый теплоизоляционный слой, расположенный на всей внешней поверхности нагревателя, и второй теплоизоляционный слой, расположенный на внешней поверхности названного термостатируемого слоя, а датчик температуры расположен на внешней поверхности второго теплоизоляционного слоя в ее центре. A device for stabilizing the temperature of elements of microcircuits and microassemblies, containing a conductor common to the entire device, a dielectric substrate made in the form of a rectangular parallelepiped made of a material with a high coefficient of thermal conductivity, a temperature control circuit having three terminals, the first of which is connected to a common conductor, a temperature sensor, connected to the second terminal of the temperature control circuit, a blocking capacitor, the first terminal of which is connected to a common conductor, and the second terminal is connected to the third output of the temperature control circuit, a heater made in the form of a rectangular resistive film, one end of which is connected to a common conductor, and the other end to the second output of the blocking capacitor, characterized in that the heater resistive film is located on the entire back surface of the dielectric substrate, and the composition of the device is additionally introduced thermostatically controlled, having a high coefficient of thermal conductivity, a dielectric layer with circuit elements and / or microsb located inside it rock, located throughout the working surface of the dielectric substrate, a first insulating layer disposed on the entire outer surface of the heater and a second insulating layer disposed on the outer surface of said thermostatic layer and the temperature sensor is disposed on the outer surface of the second insulation layer at its center.
RU2011127615/08A 2011-07-05 2011-07-05 Device for stabilising temperature of elements of microcircuits and microassemblies RU2461047C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011127615/08A RU2461047C1 (en) 2011-07-05 2011-07-05 Device for stabilising temperature of elements of microcircuits and microassemblies

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011127615/08A RU2461047C1 (en) 2011-07-05 2011-07-05 Device for stabilising temperature of elements of microcircuits and microassemblies

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2461047C1 true RU2461047C1 (en) 2012-09-10

Family

ID=46939061

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011127615/08A RU2461047C1 (en) 2011-07-05 2011-07-05 Device for stabilising temperature of elements of microcircuits and microassemblies

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2461047C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1164679A1 (en) * 1983-05-19 1985-06-30 Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Hybrid-film constant-temperature microcabinet
RU2348962C1 (en) * 2007-05-22 2009-03-10 ГОУ ВПО "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" Device for stabilisation of temperature of devices of microcircuits and microassemblies
RU2355016C2 (en) * 2007-03-15 2009-05-10 ГОУ ВПО "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" Device for stabilising temperature of radio components
US20090266809A1 (en) * 2006-09-25 2009-10-29 Tokyo Electron Limited High rate method for stable temperature control of a substrate
US20100078424A1 (en) * 2006-09-25 2010-04-01 Tokyo Electron Limited Temperature controlled substrate holder with non-uniform insulation layer for a substrate processing system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1164679A1 (en) * 1983-05-19 1985-06-30 Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Hybrid-film constant-temperature microcabinet
US20090266809A1 (en) * 2006-09-25 2009-10-29 Tokyo Electron Limited High rate method for stable temperature control of a substrate
US20100078424A1 (en) * 2006-09-25 2010-04-01 Tokyo Electron Limited Temperature controlled substrate holder with non-uniform insulation layer for a substrate processing system
RU2355016C2 (en) * 2007-03-15 2009-05-10 ГОУ ВПО "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" Device for stabilising temperature of radio components
RU2348962C1 (en) * 2007-05-22 2009-03-10 ГОУ ВПО "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" Device for stabilisation of temperature of devices of microcircuits and microassemblies

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7714694B2 (en) Compensating for linear and non-linear trimming-induced shift of temperature coefficient of resistance
AU2017371801B2 (en) Temperature control device
KR102303306B1 (en) holding device
CN111132391B (en) Integrated heater and sensor system
RU2355016C2 (en) Device for stabilising temperature of radio components
Hotta et al. Effect of surface radiation heat transfer on the optimal distribution of discrete heat sources under natural convection
Adnane et al. High temperature setup for measurements of Seebeck coefficient and electrical resistivity of thin films using inductive heating
Xu et al. Thermometry of a high temperature high speed micro heater
TWI467165B (en) Measurement method, measurement apparatus, and computer program product
US20130276464A1 (en) Measurement method, measurement apparatus, and computer program product
RU2348962C1 (en) Device for stabilisation of temperature of devices of microcircuits and microassemblies
RU2461047C1 (en) Device for stabilising temperature of elements of microcircuits and microassemblies
Kolodner High-precision thermal and electrical characterization of thermoelectric modules
US20060062272A1 (en) Measuring and trimming circuit components embedded in micro-platforms
RU2439746C1 (en) Device for temperature stabilisation of chip assembly elements
WO2019078087A1 (en) Flow sensor
RU2459231C2 (en) Device to stabilise temperature of microassemblies
Dhawan et al. Independent determination of Peltier coefficient in thermoelectric devices
Hamlet et al. Modeling of circuits with strongly temperature dependent thermal conductivities for cryogenic CMOS
Luiten Heat spreading in a thin longitudinal fin
Sofia Electrical Thermal Resistance Measurements for Hybrids and Multi-Chip Packages
Cheneler et al. Active thermal sensor for improved distributed temperature sensing in haptic arrays
JP2007322205A (en) Reliability testing device
EP0413479A1 (en) Uniform temperature power transistor
JPS6230087Y2 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160706