Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ»
Институт нано- и микросистемной техники
РЕФЕРАТ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ: «МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ
НАДЁЖНОСТИ»
НА ТЕМУ: «НАДЁЖНОСТЬ КОРПУСОВ ИС»
Выполнил:
ст. гр. КТ-31
Котов А.Д.
Проверил:
Доцент института
НМСТ Горшкова Н.М.
Москва 2023
СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЙ ......................................................... 3
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................ 4
1 Корпус как компонент ИС ............................................................................................. 5
1.1 Роль корпуса в ИС ....................................................................................................... 5
1.2 Преимущества и недостатки корпусирования ИС ................................................... 5
2 Классификация корпусов ИС ........................................................................................ 5
2.1 Отечественная и иностранная системы классификации корпусов ИС .................. 5
2.2 Классификация корпусов ИС по JEDEC ................................................................... 6
2.3 Отечественная классификация корпусов ИС ........................................................... 9
3 Расчёт надёжности корпусов ИС ................................................................................ 11
3.1 Структурная схема исследования отказов ИС ....................................................... 11
3.2 Интенсивность отказов и «ванна отказов» ............................................................. 12
3.3 Расчёт интенсивности отказов цифровых и аналоговых ИС по стандарту MILHDBR-217F, влияние интенсивности отказа корпуса ................................................. 13
3.4 Расчёт базовой интенсивности отказов корпусов ИС до 240 выводов по стандарту
MIL-HDBK-217F.............................................................................................................. 14
3.5 Расчёт базовой интенсивности отказов корпусов ИС по стандарту FIDES guide
2009 Edition A................................................................................................................... 14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................ 15
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................. 16
2
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЙ
ИС – интегральная схема.
Корпус микросхемы – это герметичная конструкция, предназначенная для защиты
кристалла микросхемы от внешних воздействий, электрического соединения
внутренних компонентов с внешними цепями, а также для удобства монтажа
микросхемы в электронную схему.
Герметизация – это процесс изоляции кристалла от внешних воздействий.
Постоянная Больцмана – физическая постоянная, определяющая связь между
температурой и энергией.
Интенсивность отказов — отношение числа отказавших объектов в единицу
времени к среднему числу объектов, исправно работающих в данный отрезок
времени при условии, что отказавшие объекты не восстанавливаются и не
заменяются исправными.
3
ВВЕДЕНИЕ
Электроника в наши дни – это одна из самых динамичных областей
современной техники. Современный этап развития электронной техники и
различных
её
компонентов
предъявляет
повышенные
требования
к
её
быстродействию, функциональности и надёжности. Во многих современных
электронных устройствах имеются интегральные микросхемы. Часть интегральных
микросхем выполняется в корпусированном виде. Надёжность корпуса как части
интегральной схемы – это одна из составляющих надёжности всей ИС, и поэтому
разработке и конструированию корпусов необходимо уделять должное внимание.
Необходимы точные методы для измерения показателей надёжности корпусов
интегральных схем и самих ИС.
4
1 Корпус как компонент ИС
1.1 Роль корпуса в ИС
Корпус ИС – это герметичная конструкция, предназначенная для защиты
кристалла микросхемы от внешних воздействий, электрического соединения
внутренних компонентов с внешними цепями, а также для удобства монтажа
микросхемы
в
электронную
схему.
Содержит
собственно
корпус
из
диэлектрического материала (пластмасса, реже керамика), набор проводников для
электрического соединения кристалла с внешними цепями посредством выводов,
маркировку.
Существует множество вариантов корпусов микросхем, различающихся по
количеству выводов микросхемы, методу монтажа, условиям эксплуатации. Для
упрощения
технологии
монтажа
производители
микросхем
стараются
унифицировать корпуса, разрабатывая международные стандарты.
1.2 Преимущества и недостатки корпусирования ИС
ИМС выпускаются в двух конструктивных вариантах –
корпусном и
бескорпусном.
Преимущества корпусирования:
 Возможность обеспечить защиту кристалла интегральной схемы от сильных
внешних механический воздействий.
 Обеспечение высоких возможностей монтажа на платы.
 Обеспечение высокой ремонтопригодности готового изделия.
 Огромное количество различных форм и размеров под различные технические
и технологические требования.
Недостатки корпусирования:
 Корпусированные решения уступают бескорпусным по массогабаритным
характеристикам.
 Хуже герметизация
2 Классификация корпусов ИС
2.1 Отечественная и иностранная системы классификации корпусов
интегральных схем
Существует несколько систем классификации корпусов интегральных схем.
5
Иностранная классификация корпусов ИС: JEDEC (Joint Electron Devices
Engineering Council или Сообщество (Комитет) Инженеров, специализирующихся в
области
электронных
полупроводниковой
устройств)
продукции
–
комитет
при
Electronic
инженерной
Industries
стандартизации
Alliance
(EIA),
промышленной ассоциации, представляющей все отрасли электронной индустрии.
JEDEC основан в 1958 году для осуществления взаимодействия между EIA и
NEMA (приостановила свою деятельность в 1979 году) с целью разработки
стандартов для полупроводниковых приборов [8].
Отечественная классификация корпусов ИС: была разработана ещё в СССР
60-70-х годах XX века. Разделяет корпуса всего на 8 типов и множество подтипов.
Классификация проводится на основе формы корпуса, направленности, формы и
количества внешних выводов, расположения выводов относительно корпуса. Сейчас
это ГОСТ Р 54844-201.
2.2 Классификация корпусов ИС по JEDEC
Рисунок 1 – Корпус типа DIP
DIP (Dual In-line Package, также DIL) - тип корпуса микросхем, микросборок
и некоторых других электронных компонентов для монтажа в отверстия печатной
платы. Имеет прямоугольную форму с двумя рядами выводов по длинным сторонам.
Может быть выполнен из пластика (PDIP) или керамики (CDIP). Обычно в
обозначении также указывается число выводов.
Рисунок 2 – Корпус типа SOIC
SOIC или просто SO (small-outline integrated circuit), а также SOP (SmallOutline Package) корпус микросхем, предназначенный для поверхностного монтажа,
6
занимающий на печатной плате на 30-50% меньше площади чем аналогичный
корпус DIP, а также имеющий на 50-70% меньшую толщину. Обычно в обозначении
также указывается число выводов.
Рисунок 3 – Корпус типа SIP
SIP (Single In-line Package) – плоский корпус для вертикального монтажа в
отверстия печатной платы, с одним рядом выводов по длинной стороне. Обычно в
обозначении также указывается число выводов.
Рисунок 4 – Корпус типа QFP
QFP (Quad Flat Package) — плоский корпус с четырьмя рядами контактов.
Представляет собой квадратный корпус с расположенными по краям контактами.
Существуют также другие варианты: TQFP (Thin QFP) — с малой высотой корпуса,
LQFP (Low-profile QFP) и многие другие.
Рисунок 5 – Корпус типа LCC
LCC (Leadless Chip Carrier) представляет собой низкопрофильный квадратный
керамический корпус с расположенными на его нижней части контактами,
предназначенный для поверхностного монтажа.
7
Рисунок 6 – Корпус типа PLCC
PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) и СLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier)
представляют собой квадратный корпус с расположенными по краям контактами,
предназначенный для установки в специальную панель (часто называемую
«кроваткой»).
Рисунок 7 – Корпус типа TSOP
TSOP (Thin Small-Outline Package) тонкий малогабаритный корпус,
разновидность SOP корпуса микросхем. Часто применяется в области DRAM,
особенно для упаковки низковольтных микросхем из-за их малого объёма и
большого количества штырьков.
Рисунок 8 – Корпус типа SSOP
SSOP (Shrink small-outline package) (уменьшенный малогабаритный корпус)
разновидность SOP корпуса микросхем, предназначенного для поверхностного
монтажа. Выводы расположены по двум длинным сторонам корпуса.
8
Рисунок 9 – корпус типа ZIP
ZIP (Zigzag-In-line Package) - плоский корпус для вертикального монтажа в
отверстия
печатной
платы
со
штырьковыми
выводами,
расположенными
зигзагообразно.
2.3 Отечественная классификация корпусов ИС
Рисунок 10 – Отечественная классификация корпусов ИС по ГОСТ Р 54844201
9
Рисунок 11 – Отечественная классификация корпусов ИС по ГОСТ Р 54844201 (продолжение)
Рисунок 12 – Виды корпусов ИС по ГОСТ Р 54844-201 [7]
10
а) Подтип 14
б) Подтип 21
в) Подтип 31
г) Подтип 41
д) Подтип 51
3 Расчёт надёжности корпусов ИС
3.1 Структурная схема исследования отказов ИС
Рисунок 13 – Структурная схема исследования отказов ИС
Исследование отказов проводится в два этапа: первичный и вторичный анализ
отказов. В задачи первичного анализа входят:
– установление признаков отказа ИМС (установление различий параметров
работоспособной и отказавшей ИМС);
– определение вида отказа ИМС;
– локализация места отказа;
11
– определение вида отказа элемента ИМС;
– установление причин отказа, т.е. событий, предшествовавших отказу;
– разработка рекомендаций по определению выявленных причин отказа.
Вторичный анализ отказов проявляется:
– в выявлении и уточнении причин и механизмов отказа ИМС;
–
в
установлении
закономерностей
их
возникновения
с
помощью
статистических, физических и физико-химических методов [2].
3.2 Интенсивность отказов и «ванна» отказов
Интенсивность отказов — отношение числа отказавших объектов в единицу
времени к среднему числу объектов, исправно работающих в данный отрезок
времени при условии, что отказавшие объекты не восстанавливаются и не
заменяются исправными [3].
f(t) – скорость отказов – количество изделий, отказавших к моменту времени
t t в единицу времени;
P(t) – количество изделий, не отказавших к моменту времени t;
∆𝑡
n(t) – число отказавших образцов в интервале времени от 𝑡 − ( ) до 𝑡 + ∆𝑡/2;
2
∆𝑡 – интервал времени;
Nср – среднее число исправно работающих образцов в интервале ∆𝑡;
Nср = ((Ni+Ni+1)/2
Где Ni – число исправно работающих образцов в начале интервала ∆𝑡;
Ni+1 – число исправно работающих образцов в конце интервала ∆𝑡.
Размерность интенсивности отказов обратна времени, обычно измеряется в
1/час [6].
12
Рисунок 14 – график типичной зависимости интенсивности отказов от
времени («ванна» отказов)
На графике типичной зависимости интенсивности отказов от времени
выделены 3 периода:
 Первый – период приработки и отказов некачественных изделий.
 Второй – период нормальной эксплуатации.
 Третий – период старения.
3.3 Расчёт интенсивности отказов цифровых и аналоговых ИС по стандарту
MIL-HDBR-217F, влияние интенсивности отказа корпуса
λкр – интенсивность отказа кристалла, зависящая от сложности ИС;
λкорп – интенсивность отказа корпуса;
Кпр – проверочный коэффициент;
Кt – температурный коэффициент.
13
Ea – энергия активации;
k – постоянная Больцмана;
Tj –температура кристалла ИС при эксплуатации.
В данном методе расчёта интенсивности отказов ИС интенсивность отказов
корпуса (одна из характеристик надёжности корпуса) является одной из переменных
[4].
3.4 Расчёт базовой интенсивности отказов корпусов ИС до 240 выводов по
стандарту MIL-HDBK-217F
Np – количество выводов корпуса (N ≤ 240) [4].
Данная методика позволяет напрямую рассчитать надёжность корпусов с
большим (до 240) количеством выводов. Как следует из прямой линейной
зависимости, чем больше выводов, тем больше интенсивность отказов и,
соответственно, меньше надёжность корпуса [4].
3.5 Расчёт базовой интенсивности отказов корпусов ИС по стандарту FIDES
guide 2009 Edition A
Np – количество выводов (64 ≤ N ≤ 256);
А, B – постоянные коэффициенты модели.
Данная
методика
позволяет
рассчитывать
надёжность
корпусов
с
количеством выводов от 64 до 256 и с учётом специальных постоянных
коэффициентов А и B, зависящих от конкретной модели [5].
14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном реферате были изучены вопросы расчёта надёжности корпусов
интегральных схем и влияющие на этот показатель параметры. Также были
рассмотрены функции, выполняемые корпусами как компонентами интегральных
микросхем. Кроме того, были описаны достоинства и недостатки корпусного
исполнения ИС в сравнении с бескорпусным вариантом, а также виды корпусов по
отечественной и зарубежной (JEDEC) системой классификации корпусов ИС.
Таким образом, надёжность корпусов ИС значительно влияет на показатель
надёжности всего электронного изделия, следовательно, необходимы точные
инструменты для оценки соответствующих параметров.
15
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.В. Соловьёв, А.В. Селецкий «Проблемы разработки перспективных микро- и
наноэлектронных систем» // IX Всероссийская научно-техническая конференция.
2020.
2. Готра, З.Ю. Контроль качества и надежность микросхем: учебник для техникумов
/ З. Ю. Готра, И. М. Николаев / М.: Радио и связь, 1989. С. 168.
3. Половко А. М. Основы теории надежности / М.: Наука, 1964. С. 446.
4. MIL-HDBK-217F: Reliability prediction of electronic equipment. (Notice 2) /
Department of defense – 28 February 1995. С. 150.
5. FIDES guide 2009 Edition A Reliability Methodology for Electronic Systems,
September 2010. С. 465.
6. ГОСТ 27.002-89.
7. ГОСТ Р 54844-201.
8. JEDEC Manual of Organization and Procedure JM21-L / JEDEC Solid State
Technology Association. §8.2. 2006.
16