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.

	


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.

	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 ni структурных элементов каждого типа и число т, mi типов 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 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

		



(8)

		

		где  — ток через i-й проводник металлизации;  и  — ширина и толщина проводника металлизации;  — допустимая плотность тока через проводник металлизации.

		Для заданной температуры и рассчитанных значений kнi по графикам рис. 6 и 8 определяют значения поправочных коэффициентов (,, и ).

		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  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.