313

Lпл, Lк, Lв - коэффициенты теплопроводности печатной платы, клея и выводов,

Вт/°С м;

d - длина выводов ЭРИ, м; Sв - сечение вывода, м2.

11.1.2Определение допустимого коэффициента электрической нагрузки ИС в КА негерметичного исполнения

Условия для оценки:

1. Давление окружающей среды 10-13 мм рт.ст. Отвод тепла осуществляет-

ся:

•только по выводам ЭРИ;

•по выводам ЭРИ и через места контакта корпуса с платой или радиатором.

2.Температура посадочного места ЭРИ от (минус 20 до +100)°С

Расчет зависимости приведем для ИС имеющих корпус 402.16-23 (ИС се-

рии 1564, 564, 1526 и т.д.).

Основные данные для оценки:

число выводов - n=16; длина выводов - d=9,5 мм;

сечение выводов - Sв=0,45 0,2=0,09 мм2 ;

площадь корпуса - Sэри=9,3 11,5=106,95 мм2 ;

площадь контакта вывода ИС с дорожкой печатной платы с учетом пайки

- S=0,45 мм2;

материал выводов - сплав 29НК с коэффициентом теплопроводности

Lв=16,7 Вт/ °С м;

коэффициент теплопроводности стеклотекстолита, из которого сделана печатная плата - Lпл=0,3 Вт/°С м;

коэффициент теплопроводности мастики - Lк=0,25 Вт/°С м; толщина печатной платы - j=0,5 мм;

Rtс-кор - 50°С/Вт.

В соответствии с приведенными выражениями вычисляются значения тепловых сопротивлений:

314

Тогда общее тепловое сопротивление корпус - посадочное место будет

равно:

для варианта крепления микросхемы за выводы пайкой:

Rt = Rtпл1 + Rtвыв + Rtc −кор = 231 ,5 + 396 + 50 = 637 ,5°С/Вт

для варианта крепления микросхемы за выводы пайкой с приклейкой корпуса к печатной плате:

Температура кристалла для данных способов монтажа будет определяться выражениями:

для варианта крепления микросхемы за выводы пайкой:

T c = T пм + R t Ptot K н = T пм + 637 ,5 Ptot K н

для варианта крепления микросхемы за выводы пайкой с приклейкой корпуса к печатной плате

Tc = Tпм + Rt Ptot K н = Tпм + 61 Ptot K н

Таким образом, при известной допустимой температуре кристалла конкретной ИС можно определить допустимый коэффициент нагрузки с учетом температуры посадочного места.

Из приведенного расчета вытекает и очень важный практический вывод: приклейка корпуса микросхемы к печатной плате снижает тепловое сопротивление не менее, чем в 10 раз.

315

11.1.3Справочник конструктора по применению изделий микроэлектроники в КА негерметичного исполнения длительного функционирования

Для обеспечения длительной работоспособности ИС решающее значение имеет тепловой режим активной области ЭРИ, определяемый температурой посадочного места, электрической нагрузкой, условиями отвода тепла.

Для кремниевых приборов по ТУ предельная температура кристалла со-

ставляет +150°С [96]. Однако, согласно результатам исследований [100], существует три температурных зоны работы ИС:

•А (приемлемая) (0 ÷ 105)°С;

•Q (сомнительная) (105 ÷ 150)°С;

•R (ограниченного пользования) >150°С.

Зона А - это зона наиболее надежной и экономически эффективной работы, рекомендуемая для обеспечения наработки 100 тысяч часов.

В стандарте Европейского Космического Агентства (ESA) [101] эта вели-

чина определена в 110°С, а в стандарте Национального Агентства Соединенных Штатов Америки по аэронавтике и освоению космического пространства

(NASA) [102] - 100°C.

В данной работе для дальнейших расчетов эта величина определена в

110°С, как было принято для КА "Sesat" [103], что на 40°C ниже максимально допустимой по ТУ на ИС.

На рис.88, 89 помещены, созданные на основе данных по конструкции печатной платы, приведенной выше, зависимости допустимого коэффициента нагрузки по мощности для ИС в корпусе 402.16-32 при различной рассеиваемой мощности и различных способах монтажа.

В одном и том же типе корпуса изготавливаются ИС с различной мощностью рассеивания, поэтому такое представление позволяет определить по одному графику возможные ограничения для конкретных различных ИС. Проведя построения и для других типов корпусов, сформируется справочник конструктора. Строго говоря, на графиках приведены зависимости тепловых возможностей корпуса ИС и применительно к конкретной ИС некоторые точки на графиках

316

могут не иметь физического смысла. Например, снижение коэффициента нагрузки для ИС серии 564 может осуществляться за счет уменьшения коэффициента разветвления по выходу и напряжения питания и не может быть ниже определенной величины. Если точка на графике имеет значение ниже, то это значит, что для данной ИС она неприменима.

Из приведенных зависимостей вытекает важный практический вывод: при приклейке корпуса 402.16-23 к печатной плате не существует ограничений по применению до температуры посадочного места +50°С при рассеиваемой мощности до 1 Вт. То есть коэффициент нагрузки по мощности может быть равен 1.

Рис. 88 Коэффициент нагрузки ИС в корпусе 402.16-23 при приклейке к печатной плате

Температура посадочного места, °С

11.2АНАЛИЗ ДОЗОВЫХ ЭФФЕКТОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ, НЕ УДОВЛЕТВОРЯЮЩИХ ТРЕБОВАНИЯМ МОДЕЛИ ВВФ

Радиационная обстановка в космическом пространстве оказывает серьезное влияние на электронное оборудование КА. Она характеризуется проходящими и захваченными магнитным полем Земли заряженными частицами способными влиять на работу электроники. Радиационная обстановка внутри КА определяется прохождением частиц через его конструктивные элементы. Основное влияние радиации проявляется в деградации, связанной с выделением энергии в полупроводниковых материалах за счет суммарной ионизации с накоплением эффектов смещений в кристалле, а также в обратимых эффектах, проявляющихся в возникновении ионизационных треков в результате взаимодействия одиночных космических лучей или протонов высоких энергий. Особый интерес для изучения влияния радиации на электронику представляет суммарное электронное и протонное облучение и зависящая от времени интенсивность высокоэнергетичных протонов и космических лучей.

Серьезную угрозу космическим полетам представляет искусственное усиление радиационных условий - высотный или космический ядерный взрыв. Он кроме прямых эффектов взрыва (нейтронное и гамма-излучение) приводит к ин-

318

жекции в магнитосферу высокоэнергетичных электронов - продуктов бетараспада осколков деления. Последующий захват электронов магнитным полем Земли может увеличить поток электронов на несколько порядков.

Прогнозирование радиационных дефектов и их снижение будет оставаться одной из главных проблем особенно для КА со сроком активного функционирования более 7-10 лет. Для электронного оборудования радиационные эффекты можно трактовать как фактор окружающей среды, подобный, например, температуре. Однако общепризнанно, что радиационные эффекты в электронике изучать гораздо труднее из-за большого разнообразия параметров, характеризующих радиационную среду (тип частиц, энергия, временная зависимость) и невозможности моделирования в наземных условиях комплекса факторов космического пространства (спектральное и временное распределение частиц различных типов, температуры и т.д.). Для создания КА необходимым критерий ра- диационно-стойкой аппаратуры. Таким упрощенным критерием может быть обеспечение непрерывной работы аппаратуры в условиях ожидаемого облучения. На практике часто трудно воспользоваться этим критерием.

Во-первых, существуют варианты многофункциональности (например, можно размещать в КА оборудование так, чтобы выполнить экранирование ра- диационно-слабой аппаратуры), которые могут определить ожидаемое облучение, так что с самого начала проектирования КА ситуацией можно управлять.

Во-вторых, часто нет законченных решений по обеспечению радиационной стойкости. Иногда необходимо приспособиться к ухудшению электрических параметров. Для этого нужно предусмотреть определенные способы обеспечения допустимой деградации.

В-третьих, - это проблема неопределенности. Например, у элементов, считающихся одинаковыми, от образца к образцу меняется радиационная чувствительность. Это наиболее важно для наиболее радиационно чувствительных ЭРИ, когда ограничены возможности по взаимному экранированию аппаратуры и «массовая» защита так же ограничена.