Реферат: Оценка теплового режима ИМС Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

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 T_{max 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 (R_{t 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

(1)

где R_T — тепловое сопротивление; и — коэффициенты теплопроводности материала подложки и клея, Вт/(м•°С); h_П и h_K — их толщины; b и l — размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой; h = h_П + h_K .

При уменьшении размеров источника тепла тепловой поток становится расходящимся (рис. 1), эффективность теплоотвода увеличивается и соответственно уменьшается тепловое сопротивление. Этот факт учитывается функцией :

(2)

где q = l/2h, r = b/2h, l и b — линейные размеры плоского источника теплоты.

Для корпусов, значения функции даны на рис. 2.

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

(3)

где — число условных транзисторных переходов; — число условных диодных переходов, равное общему числу диодов, резисторов и конденсаторов; — число внешних выводов; , — коэффициенты режима работы транзисторных и диодных переходов; , и — интенсивности отказов транзисторных переходов, диодных переходов и соединений соответственно (для нормальных условий); — коэффициент вибрации.

При расчете бескорпусных полупроводниковых ИМС выражение (3) упрощается, так как отсутствуют соединения с выводами корпуса и = 0. Рекомендуемые для расчетов средние статистические значения интенсивностей отказов компонентов ненадежности следующие:

Рис. 4. Зависимости поправочных коэффициентов от температуры и коэффициента нагрузки k_a 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.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--