ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 12 · МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЗАДАЧАХ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

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

1 УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Ульяновск, Россия
2 Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.12.4 УДК 621.382.029 EDN PHLVDC

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.

  • аналоговая микросхема
  • кремний
  • арсенид галлия
  • карбид кремния
  • 3D тепловая модель
  • неоднородность распределения температуры
Abstract (in English)

Nonlinear thermal model of a high-temperature analog microcircuits with a non-uniform distribution of heat sources in the crystal

A thermal model of an operational amplifier chip operating in the ambient temperature range of -60 °C to 200 °C was developed using the Comsol Multiphysics computer simulation environment. The chip's primary thermal power dissipation is generated by the output stage transistors, which are located asymmetrically near the edge of the chip. The model takes into account the nonlinear temperature dependence of the chip material's thermal conductivity and the mutual thermal influence of heat sources. The temperature distribution nonuniformity coefficient within the chip's chip was calculated for various ambient temperatures for three chip materials: silicon, silicon carbide, and gallium arsenide. It was found that the temperature distribution nonuniformity within the chip increases nonlinearly with increasing ambient temperature. The lowest nonuniformity value is achieved in a crystal made of silicon carbide, while the highest is achieved in a crystal made of gallium arsenide: at a temperature of 200 ºC, the distribution nonuniformity coefficient in a GaAs crystal is 3.3 times higher than in a 4H-SiC crystal. It is shown that accounting for the temperature dependence of the chip's current consumption (power consumption) allows for an increase in modeling accuracy of up to 10%. The developed model can be used in the design of high-temperature analog integrated circuits, including those with nonuniform heat source distribution.

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

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.