ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №4

УДК: 621.3.049.77

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ интегральных микросхем

И.В. Фролов¹, А.В. Бугакова², О.В. Дворников³, Д.В. Клейменкин²

¹ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН,
Ульяновский филиал432071, Ульяновск, ул. Гончарова, 48/2

²Донской государственный технический университет
344000, Ростов-на-Дону, площадь Гагарина, 1

³Минский научно-исследовательский приборостроительный институт»
220113, Минск, ул. Я. Коласа, 73

Статья поступила в редакцию 15 марта 2024 г.

Аннотация. Исследованы проблемы конструктивно-технологических решений высокотемпературных аналоговых микросхем. На основании обзора публикаций, посвященных проблемам проектирования изделий высокотемпературной электроники показано, что наиболее изученными и используемыми в серийном производстве материалами для изготовления кристаллов, работающих в диапазоне температур до 300-350 ºС и в ряде случаев до 500 ºС, являются карбид кремния политипов 4H-SiC и 6H-SiC. Использование нитрида галлия GaN в качестве материала для кристаллов позволяет расширить температурный диапазон работы полупроводниковых приборов до 600 ºС. Указанные материалы имеют большую ширину запрещенной зоны, высокую скорость насыщения носителей заряда и низкую концентрацию собственных носителей заряда. Одним из основных факторов, сдерживающих темпы роста производства изделий высокотемпературной электроники, является сложность корпусирования. Показано, что особое внимание исследователей в настоящее время уделяется выбору материалов корпуса, материалов для крепления кристаллов и материалов проводников, соединяющих контактную площадку кристаллов с траверсами корпуса, согласованию коэффициента теплового расширения кристалла, материала для крепления кристалла и посадочного места корпуса, на котором размещают кристалл.

Ключевые слова: высокотемпературная электроника, интегральные микросхемы, проектирование, материалы.

Финансирование: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-79-10069, https://rscf.ru/project/23-79-10069/.

Автор для переписки: Фролов Илья Владимирович, ilya-frolov88@mail.ru

Литература

1. Скупов А. Технологические материалы для высокотемпературных микросхем // Вектор высоких технологий. – 2017. – №6 (35).

2. Wei R. et al. Thermal conductivity of 4H-SiC single crystals //Journal of Applied Physics. – 2013. – V. 113. – №. 5. https://doi.org/10.1063/1.4790134

3. Qian X., Jiang P., Yang R. Anisotropic thermal conductivity of 4H and 6H silicon carbide measured using time-domain thermoreflectance // Materials Today Physics. – 2017. – V. 3. – P. 70-75. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2017.12.005

4. Lien W. C. et al. 4H-SiC N-channel JFET for operation in high-temperature environments //IEEE Journal of the Electron Devices Society. – 2014. – V. 2. – №. 6. – P. 164-167. https://doi.org/10.1109/JEDS.2014.2355132

5. Neudeck P. G., Spry D. J., Chen L. Y. Experimental and theoretical study of 4H-SiC JFET threshold voltage body bias effect from 25° C to 500° C // Materials Science Forum. – Trans Tech Publications Ltd, 2016. – V. 858. – P. 903-907. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.858.903

6. Alexandrov P. et al. Analog and logic high temperature integrated circuits based on SiC JFETs // Additional Papers and Presentations. – 2014. – V. 2014. – №. HITEC. – P. 000061-000065. https://doi.org/10.4071/HITEC-TP12

7. Elgabra H., Siddiqui A., Singh S. 4H-SiC bipolar SRAM cell for high temperature applications // Extended Abstracts of the 2016 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tsukuba. – 2016. – P. 1013-1014. https://doi.org/10.7567/SSDM.2016.PS-14-18L

8. Elgabra H., Siddiqui A., Singh S. Simulation of conventional bipolar logic technologies in 4H-SiC for harsh environment applications //Japanese Journal of Applied Physics. – 2016. – V. 55. – №. 4S. – С. 04ER08. https://doi.org/10.7567/JJAP.55.04ER08

9. Xiaoyan T. et al. 4H-SiC integrated circuits for high-temperature applications //Journal of Crystal Growth. – 2023. – V. 605. – P. 127060. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2022.127060

10. Чаплыгин Ю. А. и др. Исследование электрических характеристик КМОП-КНИ-структур с проектными нормами 0.5 мкм для высокотемпературной электроники // Проблемы разработки перспективных микро-и наноэлектронных систем (МЭС). – 2016. – №. 4. – С. 10-15.

11. High Temperature SOI CMOS Technology (H035) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ims.fraunhofer.de/en/Business_Units_ and_Core_Competencies/High-Temperature-Electronics/Technologies/HT-SOI-CMOS.html (дата обращения: 07.08.2024).

12. Grella K. et al. High temperature characterization up to 450 C of MOSFETs and basic circuits realized in a silicon-on-insulator (SOI) CMOS technology //Journal of microelectronics and electronic packaging. – 2013. – V. 10. – №. 2. – P. 67-72. https://doi.org/10.4071/imaps.374

13. Huque M. A. et al. Silicon-on-insulator based high-temperature electronics for automotive applications //2008 IEEE international symposium on industrial electronics. – IEEE, 2008. – P. 2538-2543. https://doi.org/10.1109/ISIE.2008.4677170

14. Лебедев А. А., Челноков В. Е. Широкозонные полупроводники для силовой электроники //Физика и техника полупроводников. – 1999. – Т. 33. – №. 9. – С. 1096-1099.

15. Shibata H. et al. High thermal conductivity of gallium nitride (GaN) crystals grown by HVPE process //Materials Transactions. – 2007. – V. 48. – №. 10. – P. 2782-2786. https://doi.org/10.2320/matertrans.MRP2007109

16. Hassan A. et al. Circuit techniques in GaN technology for high-temperature environments // Electronics. – 2021. – V. 11. – №. 1. – P. 42. https://doi.org/10.3390/electronics11010042

17. Hassan A. et al. Towards GaN500-based high temperature ICs: Characterization and modeling up to 600° C // 2020 18th IEEE International New Circuits
and Systems Conference (NEWCAS). – IEEE, 2020. – P. 275-278. https://doi.org/10.1109/NEWCAS49341.2020.9159796

18. Li S. et al. High‐temperature electrical performances and physics‐based analysis of p‐GaN HEMT device //IET Power Electronics. – 2020. – V. 13. – №. 3. – P. 420-425. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2019.0510

19. Hassan A., Savaria Y., Sawan M. Electronics and packaging intended for emerging harsh environment applications: A review //IEEE transactions on very large scale integration (VLSI) systems. – 2018. – V. 26. – №. 10. – P. 2085-2098. https://doi.org/10.1109/TVLSI.2018.2834499

20. Watson J., Castro G. A review of high-temperature electronics technology and applications //Journal of Materials Science: Materials in Electronics. – 2015. – V. 26. – P. 9226-9235. https://doi.org/10.1007/s10854-015-3459-4

21. Salem J. M., Ha D. S. A high temperature active GaN-HEMT downconversion mixer for downhole communications //2016 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). – IEEE, 2016. – P. 946-949. https://doi.org/10.1109/ISCAS.2016.7527398

22. Neudeck P. G. et al. Extreme temperature 6H‐SiC JFET integrated circuit technology //physica status solidi (a). – 2009. – V. 206. – №. 10. – P. 2329-2345. https://doi.org/10.1002/pssa.200925188

23. Neudeck P. G. et al. Stable Electrical Operation of 6H–SiC JFETs and ICs for Thousands of Hours at 500 °C // IEEE Electron Device Letters. – 2008. – V. 29. – №. 5. – P. 456-459. https://doi.org/10.1109/LED.2008.919787

24. Chen L. Y. et al. Packaging of High Temperature SiC Based Electronics // NASA, USA. – 2015.

Для цитирования:

Фролов И.В., Бугакова А.В., Дворников О.В., Клейменкин Д.В. Конструктивно-технологические особенности высокотемпературных интегральных микросхем. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.4.8