Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам (62660)

Посмотреть архив целиком

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:

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 (для пластмассового корпуса) и (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:


(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.


Случайные файлы

Файл
agit_smi.doc
176242.rtf
143116.rtf
9814-1.rtf
25416.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.