- •Курсовая работа по дисциплине "надежность изделий электронной техники"
- •Содержание
- •1. Расчет надежности изделий электронной техники
- •1.1. Назначение (выбор) норм надежности иэт
- •1.2. Ориентировочная оценка надежности иэт и полный расчет с учетом режимов эксплуатации
- •1.3. Оценка надежности иэт при резервировании.
- •2. Тепловой режим и обеспечение влагозащиты микросхем
- •2.1.Расчет обеспечения тепловой режима гибридной ис
- •2.2. Тепловой расчет полупроводниковых микросхем
- •2.3 Расчёт влагозащиты микросхем
- •2.3.1. Оценка влагостойкости полых корпусов
- •2.3.2. Расчёт влагозащиты монолитных полимерных корпусов ис
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Приложение
2.2. Тепловой расчет полупроводниковых микросхем
Кристалл полупроводниковой ИС можно рассматривать как единый тепловыделяющий элемент и считать, что суммарная мощность источников тепла в нем равномерно распределена в приповехностном слое. Такое допущение возможно благодаря высокому коэффициенту теплопроводности кремния (80 – 130 Вт/(м °С)), малым размерам элементов и небольшим расстоянием между элементами. Разброс температур по поверхности кристалла маломощных полупроводниковых микросхем составляет не более одного градуса. Конструктивно наиболее часто используют два варианта размещения кристаллов полупроводниковых микросхем в корпусе: 1) непосредственно на основании корпуса эвтектической пайкой и 2) с помощью припоя (клея).
Температура элементов полупроводниковых ИС (Тэ), для маломощных приборов
(2.10)
где кр пов – перегрев поверхности кристалла, С
Ткр = Тс max – температура, определяемая условием эксплуатации ИС, С. Для данного варианта принимается равной 60,
к – перегрев корпуса (см. 2.8), где Р = РКР.
Перегрев поверхности кристалла определяется по формуле:
(2.11)
где РКР – рассеиваемая мощность (потребляемая), Вт,
hКР, SКР – толщина и площадь кристалла ИС, м,
hКЛ – толщина слоя клея (припоя), м,
КР, КЛ – коэффициенты теплопроводности кристалла (кремния) и клея (припоя), Вт/(м°С),
Таблица 2.2. Исходные данные для теплового расчета ПП микросхем:
№ вар |
РКР, Вт |
D, мм |
a×b, мм |
hКР, мм |
Тmax доп, °С |
КР, Вт/(м°С) |
αКР, Вт/(м2°С) |
24 |
0,20 |
15 |
2,0х2,0 |
0,25 |
85 |
80 |
300 |
Площадь кристалла SКР определяется по формуле:
, (2.12)
Из формулы (2.11) найдем перегрев поверхности кристалла, подставив все известные значения. По заданию КЛ=0,3 Вт/(м°С), hКЛ=0,1 мм:
°C
Микросхема охлаждается через тонкий воздушный промежуток. Площадь окна для теплоотвода составляет:
, (2.13)
Перегрев кристалла при этом составляет составляет:
(2.14)
где αкр – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2°С)
°C
°C
Рассчитанное значение превышает максимально допустимое для данной ИС, которое составляет Tmax доп= 85 ˚C. Так как кр пов +к=20.595 °С, топология кристалла ИС требует переработки. Чтобы улучшить эффективность теплоотвода, увеличим линейные размеры кристалла. Пусть
м
м
°C
Таким образом, температура элементов полупроводниковой ИС:
°C
Вывод по результатам теплового расчета полупроводниковой микросхемы: при измененной топологии кристалла ИС обеспечивается нормальный тепловой режим работы ППИС.
2.3 Расчёт влагозащиты микросхем
2.3.1. Оценка влагостойкости полых корпусов
При использовании в технологии сборки ИС герметизирующих полимерных органических материалов (пластмассовые и металлополимерные корпуса) возникает необходимость предусмотреть защиту кристаллов от влаги.
Скорость процесса поглощения влаги материалом определяет коэффициент диффузии молекул воды для данного материала Д (м2/с); количество влаги, которое может поглотить полимер в данных климатических условиях определяет коэффициент растворимости Г (с2/м2); а способность материала пропускать влагу – коэффициент влагопроницаемос-ти В (с). Последний коэффициент характеризует процесс выравнивания концентраций влаги в двух различных объемах, разделенных мембраной из герметизирующего материала и содержащих различную концентрацию влаги в начальный момент времени. Эти коэффициенты взаимосвязаны:
(2.15)
Влагозащита полых корпусов оценивается временем , за которое давление паров воды внутри корпуса достигнет некоторого критического значения Ркр, при котором наступает отказ. При этом общее время влагозащиты:
, (2.16)
где 0 – время увлажнения материала оболочки, 1 – время натекания влаги во внутренний объем корпуса.
, (2.17)
где d – толщина оболочки, м,
Из (2.17) следует, что насыщение материала герметика влагой осуществляется только путем молекулярной диффузии, обычно 0 следует учитывать при d > 0.1мм.
(2.18)
Если внутри полого корпуса уже имеется воздух, который обладает определенной влажностью с парциальным давлением РH, то выражения (2.16 – 2.18) модифицируются:
, (2.19)
где Pкр – критическое давление паров воды внутри полого корпуса, которое задано как 0.95·P0
Исходные данные для расчётов для данного варианта:
-
условия эксплуатации: температура и влажность при данном расчёте напрямую не учитываются. Данные факторы учитывается косвенно через парциальное давление паров воды в воздухе P0, которое составляет 1 Па;
-
парциальное давление паров воды, приводящее к отказу составляет Pкр=0.95·P0;
-
площадь герметизирующей оболочки, через которую молекулы воды диффундируют в корпус составляет S=4·10-6 м2;
-
толщина герметизирующей оболочки составляет: d=3·10-3 м;
-
Материал герметизирующей оболочки – Фторпласт 4, коэффициент диффузии влаги через данный материал составляет: Дк= 8.34·10-13 м2/с;
-
внутренний объём корпуса, в котором растворяется влага: V=10-7 м3;
-
Влажностные коэффициенты В, Г, Д. Влажностные коэффициенты принимают значения, соответствующее материалу заливки объёма или значения, соответствующие воздуху при отсутствии заливки. В нашем случае, при наличии заливки, материал – Кремний органический эластомер: Вз=8.2·10-15 с; Дз=8.2·10-12 м2/с; Гз=10-3 с2/м2. При отсутствии заливки влажностные коэффициенты для воздуха равны: ВВ=1.6·10-16 с; ДВ= 2.133·10-11 м2/с; ГВ= 7.5·10-6 с2/м2.
Требуется по соответствующим формулам рассчитать время безотказной работы при следующих условиях:
-
отсутствие влаги внутри корпуса без полимерной заливки в начальный момент времени;
-
внутри корпуса без полимерной заливки в начальный момент времени присутствует влага при парциальном давлении Pн= 0.5·P0;
-
отсутствие влаги внутри корпуса с полимерной заливкой из указанного материала в начальный момент времени;
-
внутри корпуса с полимерной заливкой в начальный момент времени присутствует влага при парциальном давлении Pн= 0.5·P0;
1. Расчёт времени безотказной работы микросхемы в корпусе без полимерной заливки при отсутствии влаги в начальный момент времени
По формуле (2.17) рассчитаем время увлажнения материала оболочки:
с
с
с
2. Расчёт времени безотказной работы микросхемы в корпусе без полимерной заливки при наличии влаги в начальный момент времени
Парциальное давление влаги внутри корпуса в начальный момент времени составляет: Pн= 0.5·P0.
с
3. Расчёт времени безотказной работы микросхемы в корпусе с полимерной заливкой при отсутствии влаги в начальный момент времени
с
с
с
4. Расчёт времени безотказной работы микросхемы в корпусе с полимерной заливкой при наличии влаги в начальный момент времени
Парциальное давление влаги внутри корпуса в начальный момент времени составляет: Pн= 0.5·P0.
с
Выводы по данным расчетов влагозащиты полых корпусов: для защиты кристаллов микросхем в полых корпусах от влаги следует применять полимерную заливку, однако при её применении в большей степени возникает проблема теплоотвода, так как любые полимерные материалы имеют очень низкую теплопроводность. Поэтому здесь стоит сложная задача: защитить кристалл и от перегрева, и от влаги.