НИЭТ курсач 21 вар. Курсовая работа по дисциплине "надежность изделий электронной техники" (

• Название: Курсовая работа по дисциплине "надежность изделий электронной техники" (
• Дата: 18.04.2022
• Размер: 0.66 Mb.
• Имя файла: НИЭТ курсач 21 вар.docx
• Тип: Курсовая; #482895
• страница: 5 из 5

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 Р_кр, 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 Р_H, то выражения (2.16 – 2.18) модифицируются:

, (2.19)

где P_кр – критическое давление паров воды внутри полого корпуса, которое задано как 0.95·P₀

Исходные данные для расчётов для данного варианта:

1. 
   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;
   
2. 
   парциальное давление паров воды, приводящее к отказу составляет P_кр=0.95·P₀;
   
3. 
   площадь герметизирующей оболочки, через которую молекулы воды диффундируют в корпус составляет S=5·10^-6 м²;
   
4. 
   толщина герметизирующей оболочки составляет: d=4·10^-3 м;
   
5. 
   Материал герметизирующей оболочки – Фторпласт 4, коэффициент диффузии влаги через данный материал составляет: Д_к= 8.34·10^-13 м²/с;
   
6. 
   внутренний объём корпуса, в котором растворяется влага: V=3·10^-7 м³;
   
7. 
   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: В_з= 8.2·10^-15 с; Д_з= 8.2·10^-12 м²/с; Г_з=10^-3 с²/м². При отсутствии заливки влажностные коэффициенты для воздуха равны: В_В=1.6·10^-16 с; Д_В= 2.133·10^-11 м²/с; Г_В= 7.5·10^-6 с²/м².
   

Требуется по соответствующим формулам рассчитать время безотказной работы при следующих условиях:

1. 
   отсутствие влаги внутри корпуса без полимерной заливки в начальный момент времени;
   
2. 
   внутри корпуса без полимерной заливки в начальный момент времени присутствует влага при парциальном давлении P_н= 0.5·P₀;
   
3. 
   отсутствие влаги внутри корпуса с полимерной заливкой из указанного материала в начальный момент времени;
   
4. 
   внутри корпуса с полимерной заливкой в начальный момент времени присутствует влага при парциальном давлении P_н= 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


По формуле (2.18) рассчитаем время насыщения полости корпуса влагой:

с






По формуле (2.16) рассчитаем время безотказной работы в секундах и в сутках:
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: P_н= 0.5·P₀.


с






По формуле (2.19) рассчитаем время безотказной работы в секундах и в сутках:
3. Расчёт времени безотказной работы микросхемы в корпусе с полимерной заливкой при отсутствии влаги в начальный момент времени



Время увлажнения материала оболочки будет таким же, как в предыдущем случае:

с


По формуле (2.18) рассчитаем время насыщения полости корпуса влагой, подставив в данную формулу влажностные коэффициенты для материала полимерной заливки – кремния органического эластомера:


с

с






По формуле (2.16) рассчитаем время безотказной работы в секундах и в сутках:
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: P_н= 0.5·P₀.

По формуле (2.19) рассчитаем время безотказной работы в секундах и в сутках, подставив в формулу влажностные коэффициенты для материала заливки – кремния органического эластомера:


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.

2.3.2. Расчёт влагозащиты монолитных полимерных корпусов ИС

При использовании цельных (монолитных) корпусов из полимерных материалов, постепенные отказы схем вызываются поглощением герметиризирующим материалом вла­ги и увлажнением поверхности кристалла ИС (коррозия, рост токов утечек p-n – перехо­дов и т.д.). Время, в течение которого на поверхности кристалла достигается критическая концентрация влаги, соответствующая Р_кр и наступает отказ, определяется выражением:

, (2.20)

где 1) D – коэффициент диффузии молекул воды через материал полимерного корпуса, в нашем случае – полиэтилен, D=6.4·10^-13 м²/с;

2) d – толщина монолитного пластмассового корпуса;

3) P_кр задано как 0.9·P₀.

Требуется рассчитать минимальную толщину монолитного пластмассо-вого корпуса при заданном τ*. При этом вводится ряд допущений, такие как: 1) адгезия полимера к поверхности кристалла ИС слабая; 2) Отсутствуют факторы, ускоряющие диффузию влаги через слой полимера, такие как микротрещины в пластмассовом корпусе и другие.

Из (2.20) получаем формулу для определения минимальной толщины защитного слоя полимерного материала:

(2.21)

По заданию τ*=75 суток = 6480000 секунд.


м

м


По формуле (2.21) рассчитываем минимально допустимую толщину слоя защитного диэлектрика:

Заключение

В ходе данной курсовой работы были произведены два вида расчётов:

1) Расчёты показателей надёжности изделий электронной техники при различных заданных условиях;

2) Расчёты защиты микросхем от внешних дестабилизирующих факторов: температуры и влажности.

Сначала были произведены ориентировочные расчеты норм надежности, после чего — с учетом условий эксплуатации (учтены такие факторы, как высота над уровнем моря, температура окружающей среды, влажность, механические воздействия). Далее были рассмотрены случаи с резервированием одного из блоков ИЭТ и без резервирования: расчеты показали, что средняя наработка до отказа при резервировании хотя бы одного блока значительно выше, чем без резервирования.

Следующий этап расчетов — обеспечение теплового режима работы интегральных микросхем (гибридных и полупроводниковых). При расчетах для гибридной микросхемы не были выдержаны нормы температур для навесного дискретного компонента, поэтому были выбраны иные конструктивно-технологические условия процесса сборки. Тепловой расчет для полупроводниковой микросхемы проблем не обнаружил.

Далее произвели расчеты влагозащиты микросхем для полых и монолитных корпусов. Для полого корпуса был произведен расчет времени влагозащиты микросхемы в заданном корпусе в 4 случаях конструкции корпуса и при различных начальных условиях, для монолитного корпуса была определена минимальная толщина пластмассового корпуса, которая может обеспечить безотказную работу микросхемы в течение установленного заданием времени.

Библиографический список

1. 
   Физические основы надежности интегральных схем. Под. Ред. Ю. Миллера. – М., Сов. радио, 1976.
   
2. 
   Чернышев А. Основы надежности ПН и ИМС. – М., Радио и связь, 1988.
   
3. 
   Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование. Под ред Л.А. Коледова. – М., Высшая школа, 1984.
   
4. 
   Пономарев М.Ф. Конструкции и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА. – М., Радио и связь, 1982.
   
5. 
   Курносов А.И., Юдин В.В. Технология полупроводниковых приборов и инте­гральных схем. – М., Высшая школа, 1986.
   

Приложение



Рис. 2.1. Тепловой поток от тепловыделителя при разных размерах элемента и толщин подложки: справа – малые размеры источника тепла.

1 – теплоотвод, 2 – слой компаунда, 3 - подложка, 4- элемент.


Рис. 2.3. Фрагмент ГИС: 1 – теплоотводящая шина (металл), 2 – основание корпуса (ковар), 3 – ситалловая подложка, 4 – эпоксидный клей.

Рис.2.2. Графики функций (q, r) для различных значений параметра q.




Рис. 2.4. Конструкция металлостеклянного корпуса типа «Акация».