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

БЕЛОРУССКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КАФЕДРА РЭС

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:

«Оценка тепловогорежима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам»

МИНСК, 2009

Оценка теплового режима ИМС

Конструкция ИМС должна быть такой, чтобы теплота, выделяющаяся приее функционировании, не приводила в наиболее неблагоприятных условияхэксплуатации к отказам элементов в результате перегрева. К тепловыделяющимэлементам следует отнести, прежде всего, резисторы, активные элементы и компоненты. Мощности,рассеиваемые конденсаторами и индуктивностями, невелики. Пленочная коммутацияИМС благодаря малому электрическому сопротивлению и высокой теплопроводностиметаллических пленок способствует отводу теплоты от наиболее нагретых элементови выравниванию температуры платы ГИС или кристаллов полупроводниковых ИМС.

Введем следующие понятия, необходимые для осуществления тепловыхрасчетов.

Перегрев элемента или компонента ИМС (Θ, °С), — разностьмежду их температурой и средней температурой поверхности корпуса. Максимальнодопустимая температура Tmaxдоп — максимальнаятемпература элемента или компонента ИМС, при которой обеспечиваются требованияк их надежности. Удельная мощность рассеяния (Р0, Вт/°С) — плотностьтеплового потока от элемента ИМС, кристалла или платы ИМС. Внутреннее тепловоесопротивление 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 сопротивленияклеевой прослойки.

/>

Рис. 1.Тепловой поток от источника теплоты при различных соотношениях между размерамитепловыделяющих 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 ИМСи направлен к подложке (рис. 1), при соотношении l, b>>h тепловой потокплоскопараллелен 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 становитсярасходящимся (рис. 1), эффективность теплоотвода увеличивается и соответственноуменьшается 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 нарис. 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 ИМСпо

внезапным отказам

Для расчета надежности полупроводниковых ИМС разработан рядметодик на основе статистического и физического методов.

Статистические методы используют для ориентировочного расчетанадежности на этапе эскизного проектирования ИМС, а физические — дляокончательного расчета на этапе разработки рабочей документации.

Рассмотрим наиболее распространенные методики расчета для этихдвух методов.

Статистический метод. В основу методики расчета надежностиполупроводниковых ИМС на основе статистического метода положены те жедопущения, что и при расчете гибридных ИМС. При этом учитывается, что резисторыи конденсаторы формируются на базе транзисторной структуры, т.е. с помощьюпрямых и обратно смещенных p-n-переходов. Поэтому интенсивность их отказов принимается такой же,что и у диодов. В качестве компонентов ненадежности полупроводниковых ИМС приданном 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 рассчитываютпо выражению

/>

(3)

где /> — число условных транзисторных переходов; /> — число условных диодных переходов, равное общему числудиодов, резисторов и конденсаторов; /> — числовнешних выводов; />, /> — коэффициенты режима работы транзисторных и диодныхпереходов; />, /> и /> —интенсивности отказов транзисторных переходов, диодных переходов и соединенийсоответственно (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 статистическиезначения 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 различнойтемпературы 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 примененияуниверсальны и предназначены для многоцелевого использования. В конкретномсхемном включении часть цепей и внешних выводов ИМС может не использоваться и,следовательно, они не будут влиять на надежность всего устройства. Поэтомурасчет /> повыражению (27.1) необходимо производить с учетом конкретного включения ИМС. Эточасто 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 количествокомпонентов ненадежности, но и качество разработанной топологии, количествотехнологических операций, режим работы и эксплуатационные воздействия.

Исходными данными для расчета надежности полупроводниковых ИМСфизическим методом являются принципиальная электрическая схема, разработаннаятопология, маршрут технологического процесса и значения интенсивности отказовкомпонентов ненадежности.

В отличие от гибридных ИМС в полупроводниковых ИМС выделяютследующие элементы конструкции, характеризующиеся определенными значениямиинтенсивности отказов: кристалл, корпус, соединения. Однако активные ипассивные элементы полупроводниковых ИМС формируются в объеме и (или) наповерхности кристалла с помощью определенного числа технологических операций ине могут считаться самостоятельными (дискретными) при расчете надежности. Ихнадежность во многом будет зависеть от сложности технологического процесса.Анализ отказов полупроводниковых биполярных и МДП-ИМС позволяет выявитьнаиболее часто встречающиеся отказы, обусловленные различного рода дефектами, иопределить их интенсивность. Так, для полупроводниковых ИМС, в зависимости отвида дефекта, установлены такие значения интенсивности отказов элементовструктуры 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 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 /> (дляпластмассового корпуса) и /> (дляметаллокерамического корпуса).

По этим значениям можно определить интенсивности отказов активныхи пассивных элементов и элементов конструкции полупроводниковых ИМС с учетомстадийности диффузионных или других высокотемпературных процессов, реальныхплощадей элементов, металлизации и кристалла.

Поэтому в качестве компонентов ненадежности используют элементыструктуры и конструкции полупроводниковой ИМС, значения интенсивностей отказовкоторых определяются выражениями:

/>

(4)

/>

(5)

/>

(6)

где />, />, /> — интенсивности отказов элементов (транзистора, диода,диффузионного резистора, диффузионной перемычки или шины), металлизации икристалла соответственно; /> — числостадий 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 />. Толькопосле такого определения расчет можно свести, как и в случае гибридных ИМС, ксуммированию интенсивностей отказов отдельных компонентов ненадежности с учетомпоправочных коэффициентов на величину электрической нагрузки и состояниеокружающей среды.

В данном случае интенсивность отказов /> полупроводниковыхИМС с учетом того, что время появления внезапных отказов распределено поэкспоненциальному закону, определяется выражением

/>

(7)

где т — число групп элементов;

ni — число элементов данного типа с одинаковым режимом работы;

/> — поправочный коэффициент, учитывающий влияние окружающейтемпературы и электрической нагрузки;

/> — поправочный коэффициент, учитывающий механическиевоздействия, 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 внезапнымотказам физическим методом следующий.

1. Позаданной принципиальной электрической схеме и разработанной топологииопределяют число ni структурных элементов каждого типа и число т, mi типов элементов.

2. Потопологии и маршрутной карте технологического процесса изготовленияполупроводниковой ИМС определяют число диффузий /> дляизготовления структурных элементов каждого типа.

3. Потопологии определяют площади структурных элементов каждого типа />, /> и площадь кристалла />.

4. Используяданные по интенсивностям отказов элементов структуры и конструкции, повыражениям (4) — (6) определяют значения /> дляэлементов каждого типа.

5. Позаданным электрическим параметрам и принципиальной электрической схемепроизводят расчет электрического режима и определяют коэффициенты нагрузки kHi для активных и пассивныхэлементов (как при расчете гибридных ИМС). Коэффициент нагрузки kНМi наиболее нагруженныхпроводников металлизации (шины питания, сигнальные выходные шины и др.)определяют из выражения

/>

(8)

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

6. Длязаданной температуры и рассчитанных значений kнi по графикам рис. 6 и 8определяют значения поправочных коэффициентов />(/>,/>,/>и />).

7. Позаданным условиям эксплуатации выбирают поправочные коэффициенты k1 k2, и определяют ki = k1k2k3.

8. Пополученным в п. 1, 4, 6 и 7 данным и выражению (7) рассчитывают интенсивностьотказов /> ИМС.

Для заданного времени t рассчитывают вероятность безотказной работы ИМС

/>

(9)

ЛИТЕРАТУРА

1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовыеэлементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. — 379 с.

2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорнойтехники. 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. Расчетэлементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. — 526 с.

5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронныесхемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. — 416 с.

6. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш. шк.,2000. — 160 с.