Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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
• 1. Расчет надежности изделий электронной техники

1.1 Назначение (выбор) норм надежности ИЭТ

Под расчетом надежности понимают определения количественных показателей надежности по тем или иным исходным данным для последующей оценки эксплуатационных свойств ИЭТ на этапе его проектирования. Как правило, расчет надежности ИЭТ сводится к определению показателей его безотказности: вероятности безотказной работы за определенное время t или интенсивность отказов .

Если прототипа для разрабатываемого изделия не существует, то нормы надежности просто назначают, основываясь на накопленном опыте, а затем проверяют их правомерность и практическую реализуемость на основании упрощенных расчетов. При этом следует принять следующие допущения:

а) вероятность возникновения отказов в ИЭТ не зависит от времени и подчиняется экспоненциальному закону;

б) все элементы системы равнонадежны.

Исходными данными для расчета являются:

· требуемая вероятность безотказной работы ИЭТ Р_с(t)=0.9;

· среднее время работы ИЭТ (системы) t_ср=1000 ч.;

· Число плат в системе h=2 шт.;

· Размещение элементов по платам: (n₁=75, n₂=125) шт.;

· Число элементов для надёжностного расчёта N=200 шт.

При экспоненциальном законе распределения вероятность безотказной работы i-го элемента определяется:

(1.1)

где _i = _с / N - максимально допустимая интенсивность отказов i-го элемента.

Считаем, что в нашей системе все элементы обладают равной вероятностью безотказной работы в течение времени t_ср.

Найдем максимально допустимую интенсивность отказов для устройства в целом:

(1.2)

л_с=1.054Ч10--⁵ ч--¹

Далее определим максимально допустимую интенсивность отказов для каждого элемента:

(1.3)

л_i=5.268Ч10--⁷ ч--¹

Рассчитаем минимально допустимую вероятность безотказной работы для каждой платы с учетом числа элементов на данной плате:

(1.4)

где n_i -- число элементов на i-той плате.

P₁=0.961

P₂=0.936

1.2 Ориентировочная оценка надежности ИЭТ и полный расчет с учетом режимов эксплуатации

Эта оценка учитывает влияние на надежность количества и типов примененных элементов, а также особенностей эксплуатации.

Известно, что блок, для которого далее производится расчёт надёжности, состоит из элементов, приведённых в таблице 1.1, устройство работает при самолетных условиях эксплуатации: высота до 10 км над уровнем моря, температура окружающей среды - до +35?C, относительная влажность - до 70%, нагрузка - вибрация и удар, заданное время наработки - 20 часов.

Для расчёта надёжности при заданных условиях эксплуатации вводится поправочный коэффициент k_л, который определяется из таблицы.

Таким образом, интенсивность отказов при заданных условиях составляет:

(1.5)

где _jH - интенсивность отказов элементов в лабораторных условиях работы.

В свою очередь, поправочный коэффициент k, определяется тремя коэффициентами k_лi, каждый из которых определяется своей группой факторов:

(1.6)

k₁ учитывает влияние на ИЭТ механических факторов (удар, вибрации);

k₂ - климатических (температура, влажность);

k₃ - влияние пониженного атмосферного давления.

При заданных условиях, согласно табличным данным k_л1=1,65, k_л2=1, k_л3=1.25. Результирующий поправочный коэффициент: k_л=2,063.

Запишем исходные данные: количество элементов данного типа и интенсивности отказов:

Полупроводниковая ИМС

Гибридная ИМС

Транзистор НЧ кремниевый

Транзистор ВЧ кремниевый мощный

Кремниевый стабилитрон

Конденсатор электролитический А1

Импульсный трансформатор

Резистор, МЛТ-0,25

Плавкий предохранитель

Соединение пайкой

По формуле (1.5) рассчитываем интенсивности отказов для элементов каждого типа. Интенсивность отказов для всех элементов данного типа при заданных условиях равна произведению числа элементов данного типа на интенсивность отказов.

Запишем соответствующие таблицы значений:



Рассчитаем интенсивность отказов и ВБР для всей системы с учетом условий эксплуатации и нагруженности, а также других внешних факторов, такие как давление, температура, влажность. Для этого вводится поправочный коэффициент б.

Интенсивность отказов с учётом этого коэффициента для всех однотипных элементов данной системы равна:

(1.7)

Запишем таблицы значений б для каждого типа элементов данной системы и соответствующих значений :



Таблица 1.1 Данные для расчета надежности блока МЭА с учетом режима работы

№	Наименование, тип элементов	ni, шт.	jH, 10-6 ч-1	j, 10-6 ч-1	nij, 10-6 ч-1	Режимы работы	j	jjni, 10-6 ч-1
						kH	t, C
1	Полупроводниковая ИМС	100	0.02	0.04	4,126	0,8	60	1	4.126
2	Гибридная ИМС	20	0.075	0.155	3,095	0,8	60	1	3.095
3	Транзистор НЧ кремниевый	6	1	2.063	12,378	0,6	60	0,61	7,551
4	Транзистор ВЧ кремниевый мощный	8	1.7	3.507	28,056	0,7	50	0,65	18,24
5	Кремниевый стабилитрон	10	5	10.315	103,15	0,8	60	1,39	143,4
6	Конденсатор электролитический А1	18	2.1	4.332	77,979	0,6	40	0,9	70,18
7	Импульсный трансформатор	1	0.5	1.032	1,032	0,5	70	0,6	0,689
8	Резистор, МЛТ-0,25	9	0.4	0.825	7,425	0,4	40	0,51	3,788
9	Плавкий предохранитель	4	0.5	1,032	4,1	1,0	40	1	4.1
10	Соединение пайкой	2000	0.01	0.021	41	-	50	1	41

Средняя интенсивность отказов системы в целом с учётом коэффициента б для системы в целом рассчитывается по формуле:

(1.8)

(1.9)

Среднее время безотказной работы системы с учётом коэффициента б:

часов

Вероятность безотказной работы системы за время t_i с учётом б:

(1.10)

Заданное время безотказной работы t_i=20 часов, следовательно:



1.3 Оценка надежности ИЭТ при резервировании

Для данного расчёта необходимо решить следующую задачу: требуется определить и сравнить между собой показатели вероятности безотказной работы при поэлементном резервировании и без резервирования укрупнённой системы, состоящей из двух блоков, соединённых последовательно. Интенсивность отказов первого блока системы (блока питания) составляет л₁=140.5·10^-6 ч^-1. Интенсивность отказов основного блока системы рассчитана в задании 1.2 и составляет л₂=296.4·10^-6 ч^-1. t_i=20 часов.

Произведём расчёт надёжности системы в целом без резервирования.

Вероятность безотказной работы обоих блоков рассчитывается по формуле:

(1.11)

Вероятность безотказной работы для системы, состоящей из двух блоков, вычисляется как произведение ВБР 1 и 2 блока:

(1.12)

Вероятность отказа для такой системы будет вычисляться по формуле:

(1.13)

Тогда,

Оценим интенсивность отказов для всего изделия в целом без резервирования, для чего необходимо воспользоваться формулой:

(1.14)

Время средней наработки на отказ найдем из формулы:

(1.15)

часов

Расчёт надёжности ИЭТ при поэлементном резервировании

Рисунок 1.1. Структурная логическая схема поэлементного резервирования

Вероятность безотказной работы второго блока при его резервировании определяется по формуле:

 (1.16)

Следовательно, вероятность безотказной работы системы в целом при резервировании 2 блока:

Вероятность отказа при поэлементном резервировании вычисляется аналогично формуле (1.13):

Далее необходимо рассчитать интенсивность отказов резервируемой части ИЭТ, которая определяется по формуле:

(1.17)

Оценим интенсивность отказов для всего изделия в целом (при резервируемом блоке 2), для чего необходимо воспользоваться формулой, аналогичной (1.14):

Среднее время наработки на отказ рассчитывается так же, как и в (1.15):

Для наглядности сравним показатели надежности без резервирования и поэлементного резервирования:

Вывод: данные расчеты вероятностей безотказной работы за заданное время и среднего времени наработки на отказ при резервировании одного из блоков, а также без резервирования показывают, что данная система намного более надежна даже при частичном резервировании.

2. Тепловой режим и обеспечение влагозащиты микросхем

2.1 Расчет обеспечения тепловой режима гибридной ИС

Основные дестабилизирующие факторы для гибридных интегральных микросхем являются термоактивированными: теплота, выделяющаяся в процессе работы микросхем при неблагоприятных условиях, вызывает перегрев элементов и ускоряет наступление отказов. К таким факторам относятся: 1) превышение максимально допустимых значений электрических параметров полупроводниковых компонентов ИС, в результате чего может возникнуть явление теплового пробоя; 2) Нарушение температурного режима эксплуатации гибридной ИС, т.е. превышение максимально допустимой температуры окружающей среды, в результате чего может нарушиться теплоотвод. Здесь следует также добавить, что максимально допустимая температура окружающей среды определяется в основном конструкцией корпуса (площадь теплового контакта корпуса, материалы различных его частей, линейные размеры и т.д.).

Основными понятиями, используемыми при проведении тепловых расчетов, являются:

- перегрев элемента (компонента) ИС (, С): разность между температурой элемента и средней температурой поверхности корпуса;

- максимально допустимая температура элемента (компонента) ИС (Т_{max доп}): это температура, при которой обеспечиваются требования по надежности;

- удельная мощность рассеяния (Р₀, Вт / С): плотность теплового потока от элемента (компонента) ИС, кристалла или платы;

- максимально допустимая температура окружающий среды: температура среды в процессе эксплуатации (Т_{c max}), заданная ТУ;

- внутреннее тепловое сопротивление элемента (компонента) или кристалла ИС (R_{т вн}, С/Вт): тепловое сопротивление самого элемента (компонента, кристалла) и тепловое сопротивление контакта между этим элементом (компонентом) и платой (кристаллом и корпусом) с учетом теплового сопротивления клеевой прослойки.

Считается, что:

- корпус изотермален, его температура во всех точках постоянна,

- коэффициенты теплопроводности (_i) всех материалов конструкции ИС не зависят от температуры в рассматриваемом диапазоне,

- тепловыделяющие элементы ИС являются плоскими источниками тепла,

- теплопередачей через газовую среду внутри корпуса и приволочные выводы можно пренебречь.

В случае протяженного источника тепла, имеющего линейные размеры bхl (рис. 2.1,а в приложении), при l,b>>h весь тепловой поток сосредоточен под элементом ИС, плоскопараллелен и направлен к подложке:

(2.1)

где _n и _k - коэффициенты теплопроводности материала подложки и клея соответственно, Вт /м С,

h_n и h_k - толщина подложки и клеевого слоя, м,

b и l - размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой, м.

Б) При малых линейных размерах источника тепла тепловой поток становится расходящимся (рис. 2.1,б), увеличивается эффективность теплоотвода и падает тепловое сопротивление, которое рассчитывается:

(2.2)

Где (q, r) - безразмерная функция поправок, значения которой определяются графиками (рис.2.2 в приложении):

q = l / 2h

r = b / 2h

h = h_n + h_k

Расчет значения R_T или R_Тэфф по формулам (2.1-2.2) позволяет определить как перегрев элемента _э, при известной рассеиваемой мощности Р_э, так и его температуру Т_э,:

(2.3)

(2.4)

где Т_с - температура окружающей среды,

Т_к - температура корпуса (Т_к = Т_с + _к ),

_k - перегрев корпуса относительно температуры окружающий среды.

Для определения температуры навесного дискретного компонента (Т_нк) ГИС следует учитывать перегрев области p-n - перехода относительно подложки (_вн):

(2.5)

(2.6)

Расчет перегрева корпуса _k , входящего в выражения (2.4) и (2.6), проводится при известных: конструкции корпуса, мощности рассеяния помещенных в корпус кристаллов или платы, способа монтажа ИС в составе узла или блока ИЭТ, способа охлаждения.

Сначала определяют тепловое сопротивление корпуса R_к:

(2.7)

где - коэффициент теплопередачи, определяемый способом охлаждения, Вт/м² С,

S_Т - площадь теплового контакта корпуса с теплоотводом, м²,

Перегрев корпуса можно оценить:

(2.8)

где Р - суммарная мощность, рассеиваемая ИС, Вт.

Соотношение (2.4) не учитывает перегрева за счет взаимного влияния соседних тепловыделяющих элементов, то есть положения тепловых потоков всех источников тепла данной микросхемы. Этот эффект частично учтен значением _k.

Для обеспечения нормального по требованиям надежности теплового режима работы навесных компонентов и элементов ИС необходимо выполнение условий:

(2.9 а)

(2.9 б)

где Т_{с max} - максимальная температура окружающий среды в процессе эксплуатации, задаваемая ТУ на прибор,

Т_{max доп} - максимально допустимая рабочая температура элемента и компонента, оговариваемая в ТУ на компоненты или материалы пленочных элементов.

Таблица 2.1. Исходные данные для теплового расчета фрагмента ГИС:

№ вар

Подложка

Тип корпуса, размеры контакта, мм

РУ, Вт

T0 max, C

Исходные характеристики компонентов ГИС

Тип

h, мм

L, мм

B,мм

Pэ, Вт

Tmax доп, C

Rт вн, C/Вт

15

С48-3

0,6

151.14-2 15х7

0,60

50

КТ331 R1 R2

1,0 5,0 2,0

1,0 1,0 0,5

0,25 0,5 0,15

85 125 125

220 - -

Расчёт температуры транзистора VT1

Рассчитаем тепловое сопротивление транзистора (2.1); считаем, что данный элемент - протяженный источник тепла.

Зададим предварительно параметры:

м

м

м

м

При малых линейных размерах источника тепла увеличивается эффективность теплоотвода и падает тепловое сопротивление, которое рассчитывается по формуле (2.2):

Найдем (q, r):

-- тепловое сопротивление при малых линейных размерах источника тепла.

Рассчитаем тепловое сопротивление корпуса, подставив известные значения в (2.7):

где б₀=300 Вт/м² С (из условия),

Оценим перегрев корпуса (2.8):

°C

Тогда температура корпуса равняется:

Т_к = Т_с + _к=50+19.048=69.048 ?C

°C

Далее определим перегрев элемента за счет рассеиваемой мощности, используем при этом формулу (2.3):

По формуле (2.5) рассчитаем перегрев в области p-n-перехода:

По формуле (2.6) с учётом всех параметров, рассчитанных выше, найдем температуру транзистора VT1:

Как видно из расчетов, температура корпуса транзистора VT1 при заданных параметрах значительно превышает максимально допустимую норму. Посмотрим внимательно на формулу расчета навесного дискретного компонента и выявим, что наиболее всего влияет на конечный результат перегрев элемента _э, в менее значительной степени -- перегрев в области p-n-перехода _вн и температура окружающей среды Т_с. Попробуем снизить эти параметры путем изменения некоторых величин. В начальных условиях сказано, что транзистор и два резистора помещены в металлостеклянный корпус и посажены с помощью эпоксидного клея (h = 0.1мм) на теплоотводящую шину ( = 300). Зададим другие параметры: вместо эпоксидного клея будем использовать компаунд с наполнителем (SiO₂),теплопроводность которого выше, чем у эпоксидного клея в 2,5 раз, также переместим фрагмент ГИС с платы на металлический теплоотвод, что повысит б до 10⁵ Вт/м² С. Сменим материал подложки -- вместо стекла С48-3 будем использовать бериллиевую керамику (_n=210 Вт/м² С) размерами 16х10 мм (тип корпуса - «Акация»).

Повторим расчеты:

При = 10⁵ и S_Т=16Ч10Ч10^-6 м тепловое сопротивление корпуса:

Тогда перегрев корпуса будет равен:

°C

Для расчета теплового сопротивления в случае протяженного источника тепла зададим предварительные параметры:

м

м

м

м

Отсюда:

Тепловой расчет при малых линейных размерах источника тепла ((q, r) остаётся прежним):

Пересчитаем _э с новыми значениями:

Итак, найдем температуру навесного компонента с измененными параметрами:

°C

Как видим, температурный режим работы транзистора КТ 331 был значительно снижен, однако все равно не входит в заданные рамки (максимально допустимая рабочая температура элемента и компонента не должна превышать 85С). Предложения по эксплуатации данного навесного компонента находятся в выводе, на странице 16.

Расчёт температуры резистора R1

По формуле (2.1) рассчитаем тепловое сопротивление резистора R1, считая данный элемент протяжённым источником тепла:

м

м

Далее, по формуле (2.2) рассчитаем эффективное тепловое сопротивление корпуса R1. Для данного расчёта сначала необходимо определить по графику значение г_R1(q_R1,r _R1).

По графику безразмерный поправочный коэффициент приблизительно будет равняться:

°C

Далее по формуле (2.3) рассчитаем перегрев компонента за счёт рассеиваемой мощности:

По формуле (2.4) с учётом всех рассчитанных выше параметров рассчитываем температуру корпуса резистора R1:

°C

Как видно из расчётов, в данном случае получаем приемлемую температуру корпуса резистора R1.

Расчёт температуры резистора R2

По формуле (2.1) рассчитаем тепловое сопротивление резистора R2, считая данный элемент протяжённым источником тепла:

м

м

Далее, по формуле (2.2) рассчитаем эффективное тепловое сопротивление корпуса R2. Для данного расчёта сначала необходимо определить по графику значение г_R1(q_R1,r _R1).



По графику безразмерный поправочный коэффициент приблизительно будет равняться:

Далее по формуле (2.3) рассчитаем перегрев компонента за счёт рассеиваемой мощности:

?C

По формуле (2.4) с учётом всех рассчитанных выше параметров рассчитываем температуру корпуса резистора R1:

?C

Как видно из расчётов, в данном случае получаем приемлемую температуру корпуса резистора R2.

Вывод по результатам расчетов теплового режима гибридной ИС: несмотря на попытку оптимизировать параметры теплопередачи для обеспечения нормального по требованиям надежности теплового режима работы навесных компонентов, не удалось достигнуть нормального режима работы дискретного компонента. Были использованы все возможные типы корпусов, в расчетах указан наиболее удачный вариант; с конструкцией подобранного корпуса можно ознакомиться в приложении (рис.2.4), рассчитываемый фрагмент ГИС представлен на рис. 2.3.

Рекомендации к использованию данного фрагмента ГИС: эксплуатация при низких и очень низких температурах окружающей среды или, так как наибольшее влияние оказывает значение рассеиваемой мощности, желательно выбрать другой транзистор с меньшим значением таковой.

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 приповерхностном 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 (Т_э), для маломощных приборов

(2.10)

где _{кр пов} - перегрев поверхности кристалла, С

Т_кр = Т_{с max} - температура, определяемая условием эксплуатации ИС, С. Для данного варианта принимается равной 50,

_к - перегрев корпуса (см. 2.8), где Р = Р_КР.

Перегрев поверхности кристалла определяется по формуле:

(2.11)

где Р_КР - рассеиваемая мощность (потребляемая), Вт,

h_КР, S_КР - толщина и площадь кристалла ИС, м,

h_КЛ - 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	aЧb, мм	hКР, мм	Тmax доп, °С	КР, Вт/(м°С)	бКР, Вт/(м2°С)
15	0,20	10	2,0х3,0	0,30	85	100	200

Площадь кристалла S_КР определяется по формуле:

, м (2.12)

м

Из формулы (2.11) найдем перегрев поверхности кристалла. По заданию _КЛ=0, следовательно, второе слагаемое в скобках можно приравнять к нулю:

°C

Микросхема охлаждается через тонкий воздушный промежуток. Площадь окна для теплоотвода составляет:

, (2.13)

Перегрев кристалла при этом составляет составляет:

(2.14)

°C

где б_кр - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2°С)

Подставив значения полученных величин (2.10), вычислим температуру элементов полупроводниковой ИС:

°C

Рассчитанное значение не превышает максимально допустимое для данной ИС, которое составляет T_{max доп}= 85 ?C.

Вывод по результатам теплового расчета полупроводниковой микросхемы: при заданных конструктивно-технологических условиях процесса сборки 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 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=3·10^-6 м²;

4) толщина герметизирующей оболочки составляет: d=10^-3 м;

5) Материал герметизирующей оболочки - Компаунд ЭК-16Б, коэффициент диффузии влаги через данный материал составляет: Д_к= 6.4·10^-13 м²/с;

6) внутренний объём корпуса, в котором растворяется влага: V=2·10^-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 - Компаунд ПЭК-19: В_з= 7.8·10^-16 с; Д_з= 2.1·10^-12 м²/с; Г_з= 3.7·10^-4 с²/м². При отсутствии заливки влажностные коэффициенты для воздуха равны: В_В=2.08·10^-16 с; Д_В= 2.773·10^-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.

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:

По формуле (2.18) рассчитаем время насыщения полости корпуса влагой, подставив в данную формулу влажностные коэффициенты для материала полимерной заливки - компаунда ПЭК19:

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 - компаунда ПЭК19:

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 - прессматериал ЭП-63, D=6.1·10^-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 ф*. 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 ф*=75 суток = 6480000 секунд.

м

Заключение

надежность электронная защита микросхема

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 (несмотря на вновь заданные улучшенные параметры), поэтому было предложено 2 выхода: эксплуатировать данное ИЭТ в иных климатических условиях (с более низкими значениями температуры окружающей среды) или заменить предложенный навесной дискретный компонент (транзистор КТ 331) на другой, с более низким значением рассеиваемой мощности. 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.

Размещено на Allbest