Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 45
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ КАФЕДРА РЭС НА ТЕМУ: «Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам» МИНСК, 2009 Оценка теплового режима ИМС
Конструкция ИМС должна быть такой, чтобы теплота, выделяющаяся при ее функционировании, не приводила в наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации к отказам элементов в результате перегрева. К тепловыделяющим элементам следует отнести, прежде всего, резисторы, активные элементы и компоненты. Мощности, рассеиваемые конденсаторами и индуктивностями, невелики. Пленочная коммутация ИМС благодаря малому электрическому сопротивлению и высокой теплопроводности металлических пленок способствует отводу теплоты от наиболее нагретых элементов и выравниванию температуры платы ГИС или кристаллов полупроводниковых ИМС. Введем следующие понятия, необходимые для осуществления тепловых расчетов. Перегрев элемента или компонента ИМС (Θ, °С), — разность между их температурой и средней температурой поверхности корпуса. Максимально допустимая температура Tmax
доп
— максимальная температура элемента или компонента ИМС, при которой обеспечиваются требования к их надежности. Удельная мощность рассеяния (Р0
, Вт/°С) — плотность теплового потока от элемента ИМС, кристалла или платы ИМС. Внутреннее тепловое сопротивление элемента, кристалла или компонента ИМС (Rt
вн
, °С/Вт) — тепловое сопротивление самого элемента (кристалла, компонента) и тепловое сопротивление контакта между элементом (компонентом) и платой (кристаллом и корпусом) с учетом теплового сопротивления клеевой прослойки. Рис. 1. Тепловой поток от источника теплоты при различных соотношениях между размерами тепловыделяющих элементов и толщиной подложки:1 — теплоотвод; 2 — слой клея или компаунда; 3 — подложка; 4 — тепловыделяющий элемент В случае, когда весь тепловой поток сосредоточен под элементом ИМС и направлен к подложке (рис. 1), при соотношении l, b>>h тепловой поток плоскопараллелен и тепловое сопротивление где RT
— тепловое сопротивление; При уменьшении размеров источника тепла тепловой поток становится расходящимся (рис. 1), эффективность теплоотвода увеличивается и соответственно уменьшается тепловое сопротивление. Этот факт учитывается функцией где q = l/2h, r = b/2h, l и b — линейные размеры плоского источника теплоты. Для корпусов, значения функции Рис. 2. Значение функции а — при q=0+0,1; б — при q=0,1+0,4; в — при q=0,4+1,0; г — при q=1,0+4,0 Расчет надежности полупроводниковых ИМС по
внезапным отказам
Для расчета надежности полупроводниковых ИМС разработан ряд методик на основе статистического и физического методов. Статистические методы используют для ориентировочного расчета надежности на этапе эскизного проектирования ИМС, а физические — для окончательного расчета на этапе разработки рабочей документации. Рассмотрим наиболее распространенные методики расчета для этих двух методов. Статистический метод. В основу методики расчета надежности полупроводниковых ИМС на основе статистического метода положены те же допущения, что и при расчете гибридных ИМС. При этом учитывается, что резисторы и конденсаторы формируются на базе транзисторной структуры, т.е. с помощью прямых и обратно смещенных p-n-переходов. Поэтому интенсивность их отказов принимается такой же, что и у диодов. В качестве компонентов ненадежности полупроводниковых ИМС при данном расчете используют элементы структуры и конструкции ИМС (рис. 3): транзисторные 1 и диодные 2 p-n-переходы, внутрисхемные соединения 3 и выводы корпуса 4. Интенсивность отказов корпусных полупроводниковых ИМС рассчитывают по выражению где При расчете Рис. 4. Зависимости поправочных коэффициентов от температуры и коэффициента нагрузки ka
для пленочных резисторов (a), транзисторов (б), диодов (в) и пленочных конденсаторов (г) Рекомендуемые значения коэффициентов режима работы для различной температуры окружающей среды при расчете по данной методике приведены в табл. 1. Значение вероятности безотказной работы Р (t) определяют обычным путем. Рис. 5. Конструкция полупроводниковой биполярной ИМС Следует отметить, что полупроводниковые ИМС общего применения универсальны и предназначены для многоцелевого использования. В конкретном схемном включении часть цепей и внешних выводов ИМС может не использоваться и, следовательно, они не будут влиять на надежность всего устройства. Поэтому расчет Табл. 1 Коэффициенты режима работы элементов полупроводниковых ИМС Физический метод. Данный метод учитывает не только количество компонентов ненадежности, но и качество разработанной топологии, количество технологических операций, режим работы и эксплуатационные воздействия. Исходными данными для расчета надежности полупроводниковых ИМС физическим методом являются принципиальная электрическая схема, разработанная топология, маршрут технологического процесса и значения интенсивности отказов компонентов ненадежности. В отличие от гибридных ИМС в полупроводниковых ИМС выделяют следующие элементы конструкции, характеризующиеся определенными значениями интенсивности отказов: кристалл, корпус, соединения. Однако активные и пассивные элементы полупроводниковых ИМС формируются в объеме и (или) на поверхности кристалла с помощью определенного числа технологических операций и не могут считаться самостоятельными (дискретными) при расчете надежности. Их надежность во многом будет зависеть от сложности технологического процесса. Анализ отказов полупроводниковых биполярных и МДП-ИМС позволяет выявить наиболее часто встречающиеся отказы, обусловленные различного рода дефектами, и определить их интенсивность. Так, для полупроводниковых ИМС, в зависимости от вида дефекта, установлены такие значения интенсивности отказов элементов структуры и конструкции: из-за дефектов, обусловленных диффузией (для одной стадии) из-за дефектов металлизации (на 1 мм2
площади) из-за дефектов оксида (на 1 мм2
площади) из-за дефектов от посторонних включений в корпусе (на 1 мм2
площади кристалла) из-за поверхностных и структурных дефектов кристалла (на 1 мм2
площади кристалла) из-за некачественного крепления кристалла из-за обрыва термокомпрессионного сварного соединения из-за повреждения корпуса По этим значениям можно определить интенсивности отказов активных и пассивных элементов и элементов конструкции полупроводниковых ИМС с учетом стадийности диффузионных или других высокотемпературных процессов, реальных площадей элементов, металлизации и кристалла. Поэтому в качестве компонентов ненадежности используют элементы структуры и конструкции полупроводниковой ИМС, значения интенсивностей отказов которых определяются выражениями: где К компонентам ненадежности относится также корпус и соединения, характеризующиеся значениями В данном случае интенсивность отказов где т — число групп элементов; ni
— число элементов данного типа с одинаковым режимом работы; Порядок расчета надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам физическим методом следующий. 1. По заданной принципиальной электрической схеме и разработанной топологии определяют число ni
структурных элементов каждого типа и число т, mi
типов элементов. 2. По топологии и маршрутной карте технологического процесса изготовления полупроводниковой ИМС определяют число диффузий 3. По топологии определяют площади структурных элементов каждого типа 4. Используя данные по интенсивностям отказов элементов структуры и конструкции, по выражениям (4) — (6) определяют значения 5. По заданным электрическим параметрам и принципиальной электрической схеме производят расчет электрического режима и определяют коэффициенты нагрузки kHi
для активных и пассивных элементов (как при расчете гибридных ИМС). Коэффициент нагрузки kНМ
i
наиболее нагруженных проводников металлизации (шины питания, сигнальные выходные шины и др.) определяют из выражения где 6. Для заданной температуры и рассчитанных значений kн
i
по графикам рис. 6 и 8 определяют значения поправочных коэффициентов 7. По заданным условиям эксплуатации выбирают поправочные коэффициенты k1
k2
, и определяют ki
= k1
k2
k3
. 8. По полученным в п. 1, 4, 6 и 7 данным и выражению (7) рассчитывают интенсивность отказов Для заданного времени t рассчитывают вероятность безотказной работы ИМС ЛИТЕРАТУРА
1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. - 379 с. 2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. - 440 с. 3. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. - 885 с. 4. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. - 526 с. 5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. - 416 с.
|