ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 4 · МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЗАДАЧАХ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Моделирование тепловых характеристик высокотемпературных монолитных интегральных схем с неоднородным распределением источников тепловыделения в кристалле

И.В. Фролов1, А.М. Ходаков1, В.А. Сергеев1,2, Д.В. Клейменкин3

1 УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Ульяновск, Россия
2 Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия
3 Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.4.7 УДК 621.382.029 EDN HWEGWO

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.

  • монолитная интегральная схема
  • 3D тепловая модель
  • нитрид галлия
  • арсенид галлия
  • тепловая эквивалентная схема
  • температура перегрева кристалла
Abstract (in English)

Simulation of thermal characteristics of high-temperature monolithic integrated circuits with an inhomogeneous distribution of heat sources in a crystal

A 3D thermal model of a monolithic integrated circuit (MIC) of a microwave power amplifier has been developed. This circuit is the basis for modern submodules of output power amplifiers of receiving and transmitting modules of active phased antenna arrays. The simulated MIC consists of three stages of power amplifiers, the total thermal power dissipated by the crystal is 6 W and is distributed between the amplifier stages of the MIC in the proportion 1:2:12. The active elements (transistors) of the MIC - the main discrete heat sources - are distributed non-uniformly across the MIC crystal. Computer modeling in the Comsol Multiphysics software environment has shown that with an increase in the ambient temperature from 300 to 600 K, the maximum overheating temperature of a gallium arsenide (GaAs) MIC crystal increases from 38 to 84 K, and that of a gallium nitride (GaN) MIC crystal - from 18 to 47 K. Based on the electrothermal analogy principle, according to which the sources of the released thermal power are represented by electric current sources, and the thermal resistances of the object's structural elements are represented by electrical resistances, a thermal equivalent circuit of the MIC has been developed. Satisfactory agreement (within 10%) between the results of determining the maximum overheating temperature of both GaAs and GaN MIC crystals by computer 3D modeling and by calculation using the thermal equivalent circuit has been shown. The developed models can be used in designing high-temperature integrated circuits, including those with a non-uniform arrangement of heat sources in the crystal.

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

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, Технология, 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.