Xreferat.com » Рефераты по коммуникации и связи » Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ


КАФЕДРА РЭС


РЕФЕРАТ

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.

Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

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


Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

(1)

где RT — тепловое сопротивление; Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам и Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — коэффициенты теплопроводности материала подложки и клея, Вт/(м•°С); hП и hK — их толщины; b и l — размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой; h = hП + hK.

При уменьшении размеров источника тепла тепловой поток становится расходящимся (рис. 1), эффективность теплоотвода увеличивается и соответственно уменьшается тепловое сопротивление. Этот факт учитывается функцией Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам:


Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

(2)

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

Для корпусов, значения функции Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам даны на рис. 2.


Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам


Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

Рис. 2. Значение функции Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам:

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


Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

(3)

где Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — число условных транзисторных переходов; Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — число условных диодных переходов, равное общему числу диодов, резисторов и конденсаторов; Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — число внешних выводов; Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам, Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — коэффициенты режима работы транзисторных и диодных переходов; Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам, Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам и Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — интенсивности отказов транзисторных переходов, диодных переходов и соединений соответственно (для нормальных условий); Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — коэффициент вибрации.

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


Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

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.


Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

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 Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам по выражению (27.1) необходимо производить с учетом конкретного включения ИМС. Это часто имеет место при использовании бескорпусных полупроводниковых ИМС в МСБ. Следовательно, одна и та же ИМС может иметь различные уровни надежности.


Табл. 1 Коэффициенты режима работы элементов полупроводниковых

ИМС

Коэффициент режима работы Температура, °С

20 30 40 50 60 70 80

Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

1,0 1,35 1,85 2,60 3,60 4,90 6,20

Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

1,0 1,27 1,68 2,0 2,60 3,40 4,10

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) Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам;

из-за дефектов металлизации (на 1 мм2 площади) Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам;

из-за дефектов оксида (на 1 мм2 площади) Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам;

из-за дефектов от посторонних включений в корпусе (на 1 мм2 площади кристалла) Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам;

из-за поверхностных и структурных дефектов кристалла (на 1 мм2 площади кристалла) Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

из-за некачественного крепления кристалла Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам;

из-за обрыва термокомпрессионного сварного соединения Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам;

из-за повреждения корпуса Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам (для пластмассового корпуса) и Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам (для металлокерамического 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:


Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

(4)

Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

(5)

Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

(6)

где Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам, Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам, Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — интенсивности отказов элементов (транзистора, диода, диффузионного резистора, диффузионной перемычки или шины), металлизации и кристалла соответственно; Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — число стадий диффузии при формировании того или иного элемента; Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам, Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам, Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — площади (в мм2) элемента, металлизации и кристалла соответственно.

К компонентам ненадежности относится также корпус и соединения, характеризующиеся значениями Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам и Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам. Только после такого определения расчет можно свести, как и в случае гибридных ИМС, к суммированию интенсивностей отказов отдельных компонентов ненадежности с учетом поправочных коэффициентов на величину электрической нагрузки и состояние окружающей среды.

В данном случае интенсивность отказов Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам полупроводниковых ИМС с учетом того, что время появления внезапных отказов распределено по экспоненциальному закону, определяется выражением


Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

(7)

где т — число групп элементов;

ni — число элементов данного типа с одинаковым режимом работы;

Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — поправочный коэффициент, учитывающий влияние окружающей температуры и электрической нагрузки;

Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — поправочный коэффициент, учитывающий механические воздействия, относительную влажность и изменение атмосферного давления;

Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — интенсивность отказов элементов структуры (транзисторов, диодов, резисторов), металлизации, кристалла и конструкции (соединений, корпуса).

Порядок расчета надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам физическим методом следующий.

По заданной принципиальной электрической схеме и разработанной топологии определяют число ni структурных элементов каждого типа и число т, mi типов элементов.

По топологии и маршрутной карте технологического процесса изготовления полупроводниковой ИМС определяют число диффузий Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам для изготовления структурных элементов каждого типа.

По топологии определяют площади структурных элементов каждого типа Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам, Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам и площадь кристалла Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам.

Используя данные по интенсивностям отказов элементов структуры и конструкции, по выражениям (4) — (6) определяют значения Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам для элементов каждого типа.

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 kНМi наиболее нагруженных проводников металлизации (шины питания, сигнальные выходные шины и др.) определяют из выражения


Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

(8)

где Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — ток через i-й проводник металлизации; Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам и Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — ширина и толщина проводника металлизации; Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам — допустимая плотность тока через проводник металлизации.

Для заданной температуры и рассчитанных значений kнi по графикам рис. 6 и 8 определяют значения поправочных коэффициентов Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам(Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам,Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам,Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам и Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам).

По заданным условиям эксплуатации выбирают поправочные коэффициенты k1 k2, и определяют ki = k1k2k3.

По полученным в п. 1, 4, 6 и 7 данным и выражению (7) рассчитывают интенсивность отказов Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам ИМС.

Для заданного времени t рассчитывают вероятность безотказной работы ИМС


Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

(9)

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.

6. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: