Примечания

1. Для заполнения расчетной таблицы 1.2 значения номинального параметра _jн следует определить по таблице П5, а для позиций 1-2, 9-10 – из таблицы П6 как средние.

2. Значение параметра _j с учетом условий эксплуатации надо рассчитывать по формуле (1.5), определяя коэффициент k_. по таблицам П1-ПЗ.

3. Расчет параметров _c, t_ср и P_с(t) проводится по формулам (1.4), (1.7), (1.8).

4. Для оценки надежности с учетом режимов эксплуатации надо использовать значения k_H и температуры из расчетной таблицы 2 и поправочные коэффициенты _i из таблицы П4. Для позиций 1-2, 9-10 расчетной таблицы значения коэффициента _i, необходимо принять равными 1,0.

В рассмотренном задании проводилась оценка надежности неремонтируемого блока микроэлектронной аппаратуры без резервирования. В сложных технических системах, где отказы недопустимы по условиям работы (цифровые ЭВМ высоких уровней, бортовые системы космических летательных аппаратов и т.п.), для повышения надежно­сти изделий применяют резервирование, т.е. введение в техническое устройство допол­нительною числа компонентов и связей относительно минимально необходимого для его нормальной работы Теория этого вопроса и основные расчетные соотношения приведе­ны в литературе. В данной работе для иллюстрации методики оценки надежности нере­монтируемых резервируемых ИЭТ необходимо решить следующую задачу.

Задание 1.3. Считаем, что рассматриваемое ИЭТ укрупненно состоит из двух блоков: блока питания (блок 1) и основного блока (блок 2), которые соединены по­следовательно и характеризуются интенсивностями отказов _c1 и _c2. Конкретное значение _c1 принимается равным 140,5 10^-6 ч^-1 для нечетных номеров вариантов и 170,2 10^-6 ч^-1 – для четных. Значение _c2 для каждого варианта определяется по ре­зультатам расчета задания 1.2.

Требуется определить и сравнить между собой показатели надежности устройства Р_с(t_i), _ci, t_ср в течение времени наработки t_i = 20 ч (для нечетных вариантов) или t_i = 50 ч (для четных вариантов) при пассивном общем резервировании и в пассвном резервном резервировании с неизменной нагрузкой всей системы (блоки 1 и 2).

2. Тепловой режим и обеспечение влагозащиты микросхем.

Во второй части курсовой работы по дисциплине "Надежность ИЭТ" проводят расчет тепловых режимов фрагментов гибридных микросхем, кристаллов полупроводни­ковых ИС, а также оценку влагостойкости, полых и монолитных корпусов изделий мик­роэлектроники.

Основной метод защиты ИЭТ от воздействия таких дестабилизирующих факторов как температура, влажность, радиация, агрессивные среды является герметизация. Она осуществляется при помощи корпусов, в которые помещают как микросхемы, так и от­дельные блоки МЭА, либо путем нанесения защитных покрытий непосредственно на по­верхность микросхемы.

2.1.Тепловой режим работы интегральных микросхем.

Большинство механизмов отказов изделий электронной техники являются термоактивированными: теплота, выделяющаяся в процессе работы микросхем при неблаго­приятных условиях, вызывает перегрев элементов и ускоряет наступление отказов. Ско­рость (V) процессов деградации элементов достаточно точно описывает уравнение Аррениуса:

(2.1)

где Е_а – энергия активации процесса,

Т – абсолютная температура,

V₀, k – постоянные величины.

В силу экспоненциальной зависимости скорости деградации от температуры даже незначительный перегрев элементов приводит к резкому сокращению времени работы изделий до отказа. Так, если энергия активации процесса отказа микросхемы составляет 1,0 эВ, то увеличение температуры среды при эксплуатации с 85С до 125°С вызывает ускорение процесса отказа в 30 раз.

В интегральных схемах мощность, рассеиваемая конденсаторами и индуктивностями пренебрежимо мала, основными тепловыделителями являются компоненты, ак­тивные элементы и резисторы. Дорожки металлизации имеют малое электрическое со­противление и высокую теплопроводность, что способствует эффективному теплоотводу и выравниванию температуры платы ГИС или кристаллов ППИС.

Выбор метода герметизации должен обеспечить оптимальный тепловой режим ра­боты схемы.

Основными понятиями, используемыми при проведении тепловых расчетов, яв­ляются:

• перегрев элемента (компонента) ИС (, С): разность между температурой элемента и средней температурой поверхности корпуса,

• максимально допустимая температура элемента (компонента) ИС (Т_{max доп}): это температура, при которой обеспечиваются требования по надежности,

• удельная мощность рассеяния (Р₀, Вт / С): плотность теплового потока от элемента (компонента) ИС, кристалла или платы,

• максимально допустимая температура окружающий среды: температура среды в процессе эксплуатации (Т_{c max}), заданная ТУ,

• внутреннее тепловое сопротивление элемента (компонента) или кристалла ИС (R_{т вн}, С/Вт): тепловое сопротивление самого элемента (компонента, кристал­ла) и тепловое сопротивление контакта между этим элементом (компонентом) и платой (кристаллом и корпусом) с учетом теплового сопротивления клеевой прослойки.

Расчет теплового сопротивления проводится с учетом характера распределения теплового потока (рис. 2.1) и ряда допущений.

Считается, что:

• корпус изотермален, его температура во всех точках постоянна,

• коэффициенты теплопроводности (_i) всех материалов конструкции ИС не за­висят от температуры в рассматриваемом диапазоне,

• тепловыделяющие элементы ИС являются плоскими источниками тепла,

• теплопередачей через газовую среду внутри корпуса и приволочные выводы можно пренебречь.

А) В случае протяженного источника тепла, имеющего линейные размеры bхl (рис. 2.1, а), при l,b>>h весь тепловой поток сосредоточен под элементом ИС, плоскопараллелен и направлен к подложке:

(2.2)

где _n и _k – коэффициенты теплопроводности материала подложки и клея соответственно, Вт /м С,

h_n и h_k – толщина подложки и клеевого слоя, м,

b и l – размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой, м.

Б) При малых линейных размерах источника тепла тепловой поток становится расходящимся (рис. 2.1,б), увеличивается эффективность теплоотвода и падает тепловое сопротивление, которое рассчитывается:

(2.3)

Где (q, r) – безразмерная функция поправок, значения которой определяются графиками (рис.2.2):

q = l / 2h

r = b / 2h

h = h_n + h_k

Расчет значения R_T или R_Тэфф по формулам (2.2-2.3) позволяет определить как перегрев элемента _э, при известной рассеиваемой мощности Р_э, так и его температуру Т_э,:

(2.4)

(2.5)

где Т_с – температура окружающей среды,

Т_к – температура корпуса (Т_к = Т_с + _к ),

_k – перегрев корпуса относительно температуры окружающий среды.

Для определения температуры навесного дискретного компонента (Т_нк) ГИС следует учитывать перегрев области p-n – перехода относительно подложки (_вн):

(2.6)

(2.7)

Расчет перегрева корпуса _k , входящего в выражения (2.5) и (2.7), проводится при известных: конструкции корпуса, мощности рассеяния помещенных в корпус кристаллов или платы, способа монтажа ИС в составе узла или блока ИЭТ, способа охлаждения.

Сначала определяют тепловое сопротивление корпуса R_к:

(2.8)

где  – коэффициент теплопередачи, определяемый способом охлаждения, Вт/м² С,

S_Т – площадь теплового контакта корпуса с теплоотводом, м²,

Перегрев корпуса можно оценить:

(2.9)

где Р_ – суммарная мощность, рассеиваемая ИС, Вт.

Соотношение (2.5) не учитывает перегрева за счет взаимного влияния соседних тепловыделяющих элементов, то есть положения тепловых потоков всех источников тепла данной микросхемы. Этот эффект частично учтен значением _k.

Для обеспечения нормального по требованиям надежности теплового режима работы навесных компонентов и элементов ИС необходимо выполнение условий:

(2.10 а)

(2.10 б)

где Т_{с max} – максимальная температура окружающий среды в процессе эксплуатации, задаваемая ТУ на прибор,

Т_{max доп} – максимально допустимая рабочая температура элемента и компонента, оговариваемая в ТУ на компоненты или материалы пленочных элементов.

Для дискретных полупроводниковых приборов и ИС задают три уровня значений Т_{max доп} (55, 85, 125 °С), для диодов и конденсаторов – два уровня (75 и 80 °С).

Нормальный тепловой режим микросхемы обеспечивается, если температура самого теплонагруженного элемента ИС не превышает его максимальной рабочей температуры.