ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №4

УДК: 621.382.029

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
СХЕМ С НЕОДНОРОДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ИСТОЧНИКОВ
ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В КРИСТАЛЛЕ

И.В. Фролов ¹, А.М. Ходаков ¹, В.А. Сергеев ^1,2, Д.В. Клейменкин ³

¹ Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники
им. В.А. Котельникова Российской академии наук
432071, Ульяновск, ул. Гончарова, 48/2

² Ульяновский государственный технический университет,
432027, г. Ульяновск, ул. Северный венец, д. 32

³ Донской государственный технический университет
344000, Ростов-на-Дону, площадь Гагарина, 1

Статья поступила в редакцию 13 января 2025 г.

Аннотация. Разработана 3D тепловая модель монолитной интегральной схемы (МИС) СВЧ усилителя мощности, которая является основой современных субмодулей выходных усилителей мощности приемо-передающих модулей активных фазированных антенных решеток. Моделируемая МИС состоит из трех каскадов усилителей мощности, общая рассеиваемая кристаллом тепловая мощность составляет 6 Вт и распределена между усилительными каскадами МИС в пропорции 1:2:12. Активные элементы (транзисторы) МИС – основные дискретные источники тепла – распределены неоднородно по кристаллу МИС. Путем компьютерного моделирования в программной среде Comsol Multiphysics показано, что при увеличении температуры окружающей среды от 300 до 600 К максимальная температура перегрева кристалла МИС из арсенида галлия (GaAs) увеличивается от 38 до 84 К, а кристалла МИС из нитрида галлия (GaN) – от 18 до 47 К. На основе принципа электротепловой аналогии, согласно которой источники выделяемой тепловой мощности представляются источниками электрического тока, а тепловые сопротивления элементов конструкции объекта ‒ электрическими сопротивлениями, разработана тепловая эквивалентная схема МИС. Показано удовлетворительное соответствие (в пределах 10 %) результатов определения максимальной температуры перегрева как GaAs, так и GaN кристаллов МИС путем компьютерного 3D моделирования и путем расчета по тепловой эквивалентной схеме. Разработанные модели могут быть использованы при проектировании высокотемпературных интегральных микросхем, в том числе, с неоднородным расположением источников тепла в кристалле.

Ключевые слова: монолитная интегральная схема, 3D тепловая модель, нитрид галлия, арсенид галлия, тепловая эквивалентная схема, температура перегрева кристалла.

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, info@ulireran.ru

Литература

1. Sharma R.C. et al. Gallium arsenide and gallium nitride semiconductors for power and optoelectronics devices applications //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2023. – V. 2426. – №. 1. – С. 012008. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2426/1/012008

2. 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

3. Беспалов В., Егоркин В., Журавлев М. Нитрид галлия: новый подход для эффективного преобразования электроэнергии // Электроника: Наука, Техноло-гия, Бизнес. – 2022. – № 3. – С. 150–157. https://doi.org/10.22184/1992-4178.2022.214.3.150.157

4. Коколов А.А., Черкашин М.В. Построение и характеристики СВЧ-монолитных усилителей мощности на основе полупроводниковых материалов GaAs и GaN // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. – 2011. – №. 2-2 (24). – С. 17-23.

5. Боднарь Д. Металлические и композитные теплопроводящие материалы для мощных полупроводниковых корпусов //Компоненты и технологии. – 2014. – №. 12 (161). – С. 155-160.

6. Kadum M.E., Imran A.A., Aljabair S. Heat transfer in electronic systems printed circuit board: A review // Engineering and Technology Journal. – 2022. – V. 40. – №. 01. – P. 99-108. http://doi.org/10.30684/etj.v40i1.2113

7. Uvarov B.M., Zin’kovskii Y.F. Electrothermal models of structural elements of radioelectronic device //Radioelectronics and Communications Systems. – 2015. – V. 58. – №. 11. – P. 506-514. https://doi.org/10.3103/S0735272715110047

8. Сергеев В.А., Тарасов Р.Г., Ходаков А.М. Расчет и измерение тепловых параметров монолитных интегральных схем СВЧ-усилителей в составе выходных усилителей мощности X-диапазона //Журнал радиоэлектроники. – 2019. – №. 9. – С. 9-9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.9.1

9. Ходаков А.М. и др. Термодеформационная модель субмодуля выходного усилителя мощности Х-диапазона // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. – 2021. – Т. 13. – №. 1. – С. 13-18. DOI: https://doi.org/10.17725/rensit.2021.13.013

10. Металлокерамические и керамические корпуса для полупроводниковых приборов и монолитных интегральных схем СВЧ [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://m-projects.ru/news/375/. Дата обращения 23.12.2024.

11. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. – М.: Наука, 1964. – 487 с.

12. NSM Archive – Physical Properties of Semiconductors [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond\index.html. Дата обращения 23.12.2024.

13. Xu Y., Hopkins D.C. Misconception of thermal spreading angle and misapplication to IGBT power modules // 2014 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition-APEC 2014. – IEEE, 2014. – P. 545-551. https://doi.org/10.1109/APEC.2014.6803362

14. Захаров, А.Л.; Асвадурова, Е.И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: метод эквивалентов. – М.: Радио и связь, 1983.

Для цитирования:

Фролов И.В., Ходаков А.М., Сергеев В.А., Клейменкин Д.В. Моделирование тепловых характеристик высокотемпературных монолитных интегральных схем с неоднородным распределением источников тепловыделения в кристалле. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – №. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.4.7