Оценка теплового режима ИМС Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам (стр. 1 из 2)
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.
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 RT — тепловое сопротивление;
и 
— 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
:  | (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 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
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 | |
| | 1,0 | 1,35 | 1,85 | 2,60 | 3,60 | 4,90 | 6,20 |
| | 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: