Введение к работе
Актуальность темы.
Характерной чертой современной радиоэлектроники является широкое применение в ее составе различных микроэлектронных устройств (МЭУ). Развитие современной микроэлектроники сопровождается ростом удельных тепловых нагрузок и усилениемnтемпературных воздействий. Решению вопросов, связанных с исследованиями в этой области, посвящен ряд работ, выполненных на кафедре САЛРиИС Воронежского государственного технического'университета. В частности, разрабатывались средства автоматизированного формирования тепло-физических моделей МЭУ в целом, микросборок, больших интегральных схем. В представляемой работе исследуются тепловые процессы на уровне интегральных и дискретных активных компонентов (транзисторов), которые являются основными элементами МЭУ. Причинами отказов полупроводниковых приборов может быть как общий перегрев, так и непостоянство распределения температуры но кристаллу или под-ломке, что может быть вызвано перегревом отдельных областей элементов, выделением дмоулева тепла на неоднородностях структуры, следствием чего является различное протекание процессов деграда^ ции в разных областях схемы, а также массоперенос материала. Следовательно, усиление темяературных воздействий требует детального исследования и учета тепловых процессов в активных компонентах (АК) и решения задачи обеспечения их нормального теплового режима на различных этапах проектирования МЭУ.
Комплексное решение этих задач возможно путем создания в составе подсистемы теплофизического проектирования САПР МЭУ специальных средств, . выполняющих моделирование и оптимизацию тепловых характеристик полупроводниковых АК на различных этапах разработки с целью получения допустимых перегревов. Она должна позволять еще на ранних стадиях разработки, в частности, на этапе схемотехнического проектирования, оценить тепловые режимы.элементов. Для решения этой задачи необходимо получить тепловые и математические модели АК (биполярных к полевых транзисторов), предназначенные для определения с учетом режимов работы соответствующих АК геометрических параметров и плотности теплового потока эквивалентных источников тепла.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью повышения эффективности теплофизического проектирования МЗУ, для чего требуется учитывать точное
распределение плотности потока тепла по координатам; учитывать 7' влияние электрического режима работы, то есть как зависит тепловой поток от режима АК; данные о тепловом режиме АК желательно иметь на как можно Солее ранних этапах проектирования, в частности, при схемотехническом проектировании, чтобы их можно было учесть при расчете термозависимых электрических параметров.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов получения теплофизических моделей полупроводниковых АК для использования на этапах схемотехнического и конструкторского проектирования и создание на их основе программно-методического комплекса (ПМК) формирования моделей тепловых источников в АК и моделирования тепловых характеристик АК.
Для достижения поставленной цели реаались следующие задачи:
-
Выбор методов определения тепловых потоков в АК и конфигурации эквивалентных тепловых источников;
-
Алгоритмизация процесса проведения вычислительного эксперимента и обработки результатов;
-
Синтез моделей теплоЕьи источников, учитывающих режимы работы АК;
-
Разработка тепловых моделей АК;
-
Создание алгоритмов и программных средств формирования теплофизических моделей и моделирования температурных нолей в АК на этапах схемотехнического и топологического проектирования.
Методы исследования
В работе использовались методы математического моделирования, аппарат вычислительной математики и математической физики, теории теплообмена, теории электрических цепей, теории САПР, методы структурного и объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна
Основные результаты диссертации, выносимые на защиту и имею-аде научную новизну, состоят в следующем:
1. Предложен метод повышения эффективности теплофизического проектирования МЭУ, заключающийся в оценке теплового режима устройств на этапе схемотехнического проектирования и улучшении точности моделирования температурных полей на этапе конструкторс-ко-топологического проектирования за счет применения моделей эквивалентных тепловых источников в активных компонентах, учитываю-
щих их режимы работы и соответствующие им реальные величины и распределения тепловых потоков.
-
Созданы модели эквивалентных тепловых источников в активных компонентах, отличающиеся возможностью получения геометрической конфигурации области тепловыделения и реального распределения плотности теплового потока в различных режимах работы активных компонентов.
-
Разработаны алгоритмы формирования моделей эквивалентных тепловых источников в активных компонентов на базе вычислительного эксперимента, отличающиеся учетом электрических параметров активных компонентов и размеров тепловыделяющих областей, зависящих от режима работы, при определении размеров и координатной зависимости плотности теплового потока.
-
Созданы тепловые модели активных компонентов, позволяющие повысить точность моделирования их тепловых характеристик, отличающиеся наличием в их составе эквивалентных тепловых источниках, отражающих зависимость плотности теплового потока от электрических режимов работы и координат области тепловыделения.
Практическая ценность
Используемые при разработке алгоритмического и программного обеспечения методы позволили сформировать библиотеку теплофизи-ческих моделей полупроводниковых АК, позволяющих учитывать распределение тепловых полей по структуре рассматриваемых элементов в зависимости от их электрических режимов работы.
Разработан программный комплекс формирования тепловых источников и исследования тепловых характеристик АК, позволяющий повысить эффективность схемотехнического проектирования и анализа температурных полей в процессе теплофизического проектирования (общий цикл проектирования сокращается на 10 7., точность моделирования температурных полей возрастает на 5 %, увеличивается надежность МЭУ, что приводит к росту выхода годных изделий на 7 %).
Разработанный комплекс является открытой системой, позволяющей вносить коррективы в процесс формирования моделей тепловых источников, изменяя метод проведения вычислительного эксперимента, способ обработки результатов эксперимента, вид формируемой тепловой модели.
Реализация результатов работы
Разработанный на основе подсистемы теплофизического проекти-
4 рования ПМК формирования моделей тепловых источников в полунро- 7 водниковых АК внедрен Воронежским научно-исследовательским институтом связи в ряде ОКР с годовым экономическим эффектом 67 млн. рублей б ценах 1997 года, ОАО "Ввдеофон" с годовым ожидаемым экономическим, эффектом 47 млн. рублей в ценах 1997 года, а также в учебный процесс на кафедрах САЛРиИС и КиПРА ВГТУ.
Апробация работы
Основные результаты работы обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях и семинарах: Всероссийских совещаниях-семинарах "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине", Воронея, 1995-1997 гг; Третьей Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог-Дивно-морье, 1996г; Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем", Пенза, 1997; ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения на 112 с., списка литературы (70 наименований) на 8 с., десяти приложений на 15 с., содержит 17 рисунков, 3 таблицы,
