PODSTAWY MIKROELEKTRONIKI:  wykład 13 cz. 2


Streszczenie - c.d.

Wroc

Wpływ temperatury pracy układów scalonych na ich niezawodność


Ze wszystkich znanych rodzajów układów scalonych układy CMOS są najbardziej oszczędne, jeśli chodzi o pobór mocy. Jest to zresztą jedna z przyczyn, dla których wyparły one niemal całkowicie inne rodzaje układów. Przed 40 laty, gdy cyfrowe układy CMOS były nowością, ich częstotliwości pracy nie przekraczały pojedynczych MHz, liczba elementów w układzie nie przekraczała kilku tysięcy, a analogowych układów CMOS nie było w ogóle, ilość ciepła wydzielająca się w pracujących układach była znikoma. W miarę rozwoju technologii wzrastała częstotliwość pracy układów oraz gęstość upakowania elementów, i problem odprowadzania wydzielającego się ciepła stawał się coraz poważniejszy.

Pracujący układ scalony musi być chłodzony w taki sposób, aby nie została przekroczona jego maksymalna dopuszczalna temperatura pracy. Temperatura ta jest określona na takim poziomie, aby zapewnić układowi wymaganą trwałość i niezawodność. Krótkotrwałe i niewielkie przekroczenie dopuszczalnej temperatury zwykle nie powoduje natychmiastowego uszkodzenia, natomiast jeśli przekroczenie jest duże i długotrwałe lub często się powtarza, czas bezawaryjnej pracy układu ulega znacznemu skróceniu.

Zjawiskami, które najczęściej wywołują uszkodzenia pracujących układów, są:
Uszkodzenia (upływności, korozja) mogą też być powodowane przedostawaniem się zanieczyszczeń i wilgoci przez nieszczelne obudowy układów.

Wszystkie te mechanizmy powstawania uszkodzeń nasilają się przy wzroście temperatury, przy czym zależności od temperatury są bardzo silne. Zależność częstości występowania uszkodzeń od temperatury ma charakter wykładniczy.

Maksymalne dopuszczalne temperatury pracy wynoszą od 75oC do 180oC. Najniższe są dopuszczalne temperatury pracy układów montowanych w obudowach z tworzywa sztucznego. Obudowy te nie są zbyt szczelne, a współczynniki rozszerzalności cieplnej tworzyw różnią się znacznie od rozszerzalności metali i półprzewodnika, co powoduje naprężenia mechaniczne przy zmianach temperatury i przyczynia się do wzrostu częstości uszkodzeń. Wyższe dopuszczalne temperatury pracy mają układy w obudowach ceramicznych. Wysoka maksymalna temperatura pracy musi być brana pod uwagę już w czasie projektowania układu. Przykładowo, im wyższa temperatura pracy, tym mniejsza dopuszczalna gęstość prądu w ścieżkach połączeń, a więc ścieżki muszą mieć odpowiednio większe szerokości.

W przypadku cyfrowych układów CMOS maksymalna dopuszczalna temperatura pracy może także być ograniczona z powodu spadku szybkości działania układu przy wzroście temperatury. Wzrost temperatury bramek CMOS powoduje wydłużenie ich czasów propagacji sygnału (ponieważ ze wzrostem temperatury maleją wartości prądów drenu tranzystorów). A więc w wyższej temperaturze układ działa wolniej. Zatem po przekroczeniu pewnej temperatury układ może przestać spełniać wymagania na parametry elektryczne (np. maksymalną częstotliwość zegara), i będzie działał wadliwie mimo tego, iż nie będzie fizycznie uszkodzony.

Chłodzenie układów scalonych


Zajmiemy się teraz sposobami chłodzenia układów scalonych. Ciało, którego temperatura jest wyższa od temperatury otoczenia, oddaje energię cieplną do otoczenia przez przewodnictwo cieplne oraz przez promieniowanie (podczerwień). W przypadku układów scalonych przewodnictwo cieplne jest głównym mechanizmem oddawania ciepła.

Jeśli strumień ciepła płynie od źródła, w którym wydziela się moc P, do odbiornika o temperaturze T0, to temperatura źródła T1 wynika z prostego równania

wzorW13-2  (W13-2)

w którym RT jest rezystancją termiczną między źródłem, a odbiornikiem. Rezystancja termiczna dana jest zależnością analogiczną do rezystancji elektrycznej - jeśli przepływ ciepła następuje przez prostopadłościan o długości między źródłem ciepła, a odbiornikiem wynoszącej L, oraz polu przekroju S, to rezystancja termiczna tego prostopadłościanu wynosi

wzorW13-3  (W13-3)

gdzie przew. cieplna jest przewodnością cieplną materiału, z którego wykonany jest prostopadłościan. Przewodność cieplna krzemu wynosi około 150 W/(m*K). Przewodność cieplna metali stosowanych w mikroelektronice jest większa, np. dla miedzi, która jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła, przewodność cieplna wynosi około 400 W/(m*K), dla aluminium - około 240 W/(m*K).

Rezystancja termiczna jest wielkością podlegającą podobnym regułom, jak rezystancja elektryczna. Jeśli na przykład strumień ciepła przepływa kolejno przez kilka ośrodków charakteryzujących się określonymi rezystancjami termicznymi (czyli z punktu widzenia transportu ciepła "połączonymi szeregowo"), to wypadkowa rezystancja termiczna jest sumą rezystancji termicznych tych ośrodków. Jeśli przepływ ciepła odbywa się dwiema równoległymi, niezależnymi drogami (np. płytka z układem scalonym jest chłodzona z obu stron), to wypadkową rezystancję termiczną oblicza się tak samo, jak dla rezystancji elektrycznej dwóch rezystorów połączonych równolegle. Wygodnie jest więc posługiwać się schematami zastępczymi transportu ciepła analogicznymi do schematów elektrycznych.

Rysunek poniżej pokazuje układ scalony wraz metalową podstawką, do której jest umocowany wewnątrz obudowy, zewnętrznym radiatorem, oraz zastępczy schemat cieplny.


Chlodzenie ukladu

Chłodzenie układu scalonego: układ na radiatorze oraz zastępczy schemat cieplny

Płytka z układem ma na powierzchni temperaturę Tj. Płytka ta jest przylutowana lutem złotym do metalowej podstawki. Rezystancja termiczna między powierzchnią płytki, a warstwą lutu wynosi Ru, rezystancja termiczna warstwy lutu - Rl, rezystancja termiczna między warstwą lutu, a powierzchnią podstawki dostępną na zewnątrz obudowy - Rm. Pomiędzy tą powierzchnią, a powierzchnią radiatora znajduje się warstwa pasty termicznej. Jej zadaniem jest poprawa przewodzenia ciepła między metalową podstawką, a radiatorem. Rezystancja termiczna warstwy pasty wynosi Rp. Wreszcie Rr jest rezystancją termiczną charakteryzującą wymianę ciepła między radiatorem, a otoczeniem, którym jest zazwyczaj powietrze. Temperatura otoczenia wynosi Ta. Jeżeli w układzie wydziela się moc P, to temperatura powierzchni układu Tj wynosi

wzor W13-4  (W13-4)

Suma rezystancji Ru+Rl+Rm zależy od szczegółów konstrukcji układu i obudowy: wymiarów i grubości płytki półprzewodnikowej, grubości warstwy lutu, materiału i grubości podstawki, na której umocowany jest układ. Na te szczegóły ma wpływ konstruktor i producent układu. Suma tych rezystancji jest podawana przez producenta układu jako rezystancja termiczna układ - obudowa (oznaczana często symbolem Rthjc). Użytkownik układu decyduje o rezystancjach Rp i Rr, ale trzeba pamiętać, że nawet gdyby rezystancje te były równe zeru, to całkowita rezystancja nie będzie nigdy mniejsza, niż Rthjc=Ru+Rl+Rm. Zatem jeśli maksymalna dopuszczalna temperatura układu wynosi Tjmax, a temperatura otoczenia Ta, to maksymalna moc, jaka może się bezpiecznie wydzielać w układzie, przy jakimkolwiek sposobie chłodzenia układu, bez względu na rodzaj i wielkość radiatora, nie będzie mogła być większa, niż Pmax=(Tjmax-Ta)/Rthjc. Typowa wartość rezystancji Rthjc może wahać się w granicach od ułamka do kilku oC/W. Rezystancje zewnętrzne Rp i Rr mogą się zmieniać w bardzo szerokich granicach. Jeśli stosujemy (jak to zwykle ma miejsce) gotowe radiatory, to w danych technicznych producenta znajdziemy wartości rezystancji termicznej Rr dla różnych warunków chłodzenia. Wartości te zależą od sposobu wymuszania obiegu powietrza (naturalny ruch powietrza lub chłodzenie wymuszone dmuchawą), orientacji radiatora (żeberka w pionie ułatwiają naturalny ruch ku górze ogrzanego powietrza) itp. Radiatory barwione na kolor czarny mają nieco mniejszą rezystancję termiczną, ponieważ pewna część energii cieplnej jest wypromieniowywana w postaci podczerwieni.

Producenci układów scalonych oprócz rezystancji Rthjc podają jeszcze drugą wartość rezystancji oznaczaną często Rthja. Jest to rezystancja termiczna między powierzchnią układu, a otoczeniem, gdy obudowa układu nie jest umieszczona na żadnym radiatorze.  Rezystancja Rthja jest wielokrotnie większa od Rthjc. Odprowadzanie ciepła w takim przypadku odbywa się przez bezpośrednią wymianę ciepła między obudową układu, a otaczającym powietrzem. Część ciepła odpływa też poprzez wyprowadzenia układu do płytki drukowanej.

Dla układów wydzielających niewielką moc, dla których chłodzenie przy użyciu radiatora nie jest przewidziane, podawana jest tylko rezystancja Rthja. Ma ona wysoką wartość, rzędu kilkuset oC/W, co oznacza, że maksymalna moc, jaka może się wydzielać w układzie w typowych warunkach, jest poniżej 1W.


Wroc W13-3


sem. 14Z