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 Tmaxдоп— максимальная температура элемента или компонента ИМС, при которой обеспечиваются требования к их надежности. Удельная мощность рассеяния (Р, Вт/°С) — плотность теплового потока от элемента ИМС, кристалла или платы ИМС. Внутреннее тепловое сопротивление элемента, кристалла или компонента ИМС (Rtвн, °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); hПи hK— их толщины; bи 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, lи 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.--PAGE_BREAK--
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:
из-за дефектов, обусловленных диффузией (для одной стадии) />;
из-за дефектов металлизации (на 1 мм2площади) />;
из-за дефектов оксида (на 1 мм2площади) />;
из-за дефектов от посторонних включений в корпусе (на 1 мм2площади кристалла)/>;
из-за поверхностных и структурных дефектов кристалла (на 1 мм2площади кристалла)/>
из-за некачественного крепления кристалла />;
из-за обрыва термокомпрессионного сварного соединения />;
из-за повреждения корпуса />(для пластмассового корпуса) и />(для металлокерамического корпуса). продолжение
--PAGE_BREAK--
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:
/>
(4)
/>
(5)
/>
(6)
где />, />, />— интенсивности отказов элементов (транзистора, диода, диффузионного резистора, диффузионной перемычки или шины), металлизации и кристалла соответственно; />— число стадий диффузии при формировании того или иного элемента; />, />, />— площади (в мм2) элемента, металлизации и кристалла соответственно.
К компонентам ненадежности относится также корпус и соединения, характеризующиеся значениями />и />. 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 />полупроводниковых ИМС с учетом того, что время появления внезапных отказов распределено по экспоненциальному закону, определяется выражением
/>
(7)
где т — число групп элементов;
ni— число элементов данного типа с одинаковым режимом работы;
/>— поправочный коэффициент, учитывающий влияние окружающей температуры и электрической нагрузки;
/> — поправочный коэффициент, учитывающий механические воздействия, относительную влажность и изменение атмосферного давления;
/>— 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 niструктурных элементов каждого типа и число т, miтипов элементов.
По топологии и маршрутной карте технологического процесса изготовления полупроводниковой ИМС определяют число диффузий />для изготовления структурных элементов каждого типа.
По топологии определяют площади структурных элементов каждого типа />, />и площадь кристалла />.
Используя данные по интенсивностям отказов элементов структуры и конструкции, по выражениям (4) — (6) определяют значения />для элементов каждого типа.
По заданным электрическим параметрам и принципиальной электрической схеме производят расчет электрического режима и определяют коэффициенты нагрузки kHiдля активных и пассивных элементов (как при расчете гибридных ИМС). Коэффициент нагрузки kНМiнаиболее нагруженных проводников металлизации (шины питания, сигнальные выходные шины и др.) определяют из выражения
/>
(8)
где />— ток через i-й проводник металлизации; />и />— ширина и толщина проводника металлизации; />— допустимая плотность тока через проводник металлизации. продолжение
--PAGE_BREAK--
Для заданной температуры и рассчитанных значений kнiпо графикам рис. 6 и 8 определяют значения поправочных коэффициентов />(/>,/>,/>и />).
По заданным условиям эксплуатации выбирают поправочные коэффициенты k1k2, и определяют ki= k1k2k3.
По полученным в п. 1, 4, 6 и 7 данным и выражению (7) рассчитывают интенсивность отказов />ИМС.
Для заданного времени t рассчитывают вероятность безотказной работы ИМС
/>
(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. шк., 2000. — 160 с.