ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №12

УДК: 621.382.029

НЕЛИНЕЙНАЯ ТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ
АНАЛОГОВОЙ МИКРОСХЕМЫ С НЕОДНОРОДНЫМ
РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА в кристалле

И.В. Фролов¹, А.М. Ходаков¹, В.А. Сергеев¹, Д.В. Клейменкин²

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

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

Статья поступила в редакцию 1 декабря 2025 г.

Аннотация. В среде компьютерного моделирования Comsol Multiphysics разработана тепловая модель микросхемы операционного усилителя, работающей в диапазоне температур окружающей среды от −60 °С до 200 °С. Основная рассеиваемая микросхемой тепловая мощность выделяется транзисторами выходного каскада, расположенными несимметрично вблизи края кристалла. Модель учитывает нелинейную температурную зависимость коэффициента теплопроводности материала кристалла и взаимное тепловое влияние источников тепла. Выполнен расчет коэффициента неоднородности распределения температуры в кристалле микросхемы при различных значениях температуры окружающей среды для трех материалов кристалла микросхемы: кремния, карбида кремния и арсенида галлия. Установлено, что с ростом температуры окружающей среды неоднородность распределения температуры в кристалле возрастает нелинейно. Наименьшее значение неоднородности достигается в кристалле, изготовленном из карбида кремния, а наибольшая – в кристалле, изготовленном из арсенида галлия: при температуре 200 ºC коэффициент неоднородности распределения в кристалле из GaAs в 3,3 раза выше, чем в кристалле из 4H-SiC. Показано, что учет температурной зависимости тока потребления микросхемы (потребляемой мощности) позволяет повысить точность моделирования до 10 %. Разработанная модель может быть использована при проектировании высокотемпературных аналоговых интегральных микросхем, в том числе с неоднородным распределением источников тепла.

Ключевые слова: аналоговая микросхема, кремний, арсенид галлия, карбид кремния, 3D тепловая модель, неоднородность распределения температуры.

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. Jancke R. et al. Modeling and simulation of electro-thermal interaction effects in electronic circuits //Proc. 1st Conf. on multiphysics simulation: Advanced methods for industrial engineering. – 2010. – V. 1. – № 1. – P. 1-11.

2. Baccar S. et al. A behavioral and temperature measurements-based modeling of an operational amplifier using VHDL-AMS //2010 17th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems. – IEEE, 2010. – P. 343-346. https://doi.org/10.1109/ICECS.2010.5724523

3. Rahman A. et al. High-temperature SiC CMOS comparator and op-amp for protection circuits in voltage regulators and switch-mode converters //IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. – 2016. – Т. 4. – №. 3. – С. 935-945. https://doi.org/10.1109/JESTPE.2016.2584599

4. Rahman A. et al. High temperature data converters in silicon carbide CMOS //IEEE Transactions on Electron Devices. – 2017. – V. 64. – № 4. – P. 1426- 1432. https://doi.org/1432.10.1109/TED.2017.2665520

5. Baccar S. et al. Analog to digital converters for high temperature applications: The modeling approach issue //2010 IEEE Instrumentation & Measurement Technology Conference Proceedings. – IEEE, 2010. – P. 550-554. https://doi.org/10.1109/IMTC.2010.5488109

6. Savidis I., Vaisband B., Friedman E. G. Experimental analysis of thermal coupling in 3-D integrated circuits //IEEE transactions on very large scale integration (VLSI) systems. – 2014. – V. 23. – № 10. – P. 2077-2089. https://doi.org/10.1109/TVLSI.2014.2357441

7. 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

8. Taghikhani P. et al. Temperature-dependent characterization of power amplifiers using an efficient electrothermal analysis technique //IEEE transactions on microwave theory and techniques. – 2021. – V. 70. – № 2. – P. 1349-1360. https://doi.org/10.1109/TMTT.2021.3134664

9. Сергеев В. А., Ходаков А. М. Нелинейные тепловые модели полупроводниковых приборов. – Ульяновск: УлГТУ, 2012. – 160 с.

10. 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. – P. 012008. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2426/1/012008

11. NSM Archive – Physical Properties of Semiconductors [электронный ресурс]. – URL: http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond\index.html (дата обращения 24.11.2025).

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

13. AD8229 datasheet [электронный ресурс]. – URL: https://www.analog.com/en/index.html (дата обращения 24.11.2025).

14. Galloway J., Bornoff R. Theta-JC Measurements: Steady-State Compared to Transient Methods // Electronics Cooling. – Fall 2024. – P. 24-29.

Для цитирования:

Фролов И.В., Ходаков А.М., Сергеев В.А., Клейменкин Д.В. Нелинейная тепловая модель высокотемпературной аналоговой микросхемы с неоднородным распределением источников тепла в кристалле. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – №. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.12.4