ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2026, № 4 · ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Исследование неоднородности тепловых параметров высокотемпературной интегральной микросхемы

И.В. Фролов1, В.А. Сергеев1, Д.В. Клейменкин2, П.С. Будяков3

1 УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Ульяновск, Россия
2 Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия
3 ООО «ИнноЦентр ВАО», Москва, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2026.4.5 УДК 621.382.029 EDN WIBQIU

Аннотация

Исследованы тепловые характеристики коммерчески доступной высокотемпературной микросхемы AD8229HDZ, представляющей собой высокоточный инструментальный усилитель, работающий в температурном диапазоне от -40°C до +210°C. Для измерения тепловых характеристик в качестве элементов-источников тепла использовались встроенные защитные диоды, включенные параллельно каждому выводу микросхемы относительно выводов питания положительной и отрицательной полярности. По результатам измерений модуля теплового импеданса идентифицированы и определены значения четырех компонент теплового сопротивления, соответствующих отдельным слоям конструкции микросхемы: кристаллу, слою припоя, посадочной керамической площадке и корпусу. Определено, что значения теплового сопротивлению слоя кристалл-припой, измеренные по симметрично расположенным защитным диодам, различаются в пределах 3-4 %. По результатам измерения температурных зависимостей теплового сопротивления перехода кристалл-слой припоя в диапазоне температур от 25 °С до 150 °С выявлено различие в крутизне увеличения теплового сопротивления с ростом температуры у симметрично расположенных защитных диодов по инвертирующему и неинвертирующему входам усилителя. Показано, что при температуре корпуса микросхемы, равной 200 °С, разница тепловых сопротивлений достигает 2 К/Вт, что может являться причиной возникновения разбаланса токов в дифференциальном каскаде и появлению дополнительных искажений сигнала.

  • высокотемпературная интегральная микросхема
  • тепловые характеристики
  • измерение
  • оценка неоднородности
Abstract (in English)

Investigation of the heterogeneity of thermal parameters of a high-temperature integrated microcircuit

The thermal characteristics of a commercially available high-temperature AD8229HDZ microcircuit, which is a high-precision instrument amplifier operating in the temperature range from -40°C to +210 °C. To measure the thermal characteristics, built-in protective diodes were used as heat source elements, connected in parallel to each pin of the microcircuit relative to the power supply pins of positive and negative polarity. Based on the results of measurements of the thermal impedance module, the values of four components of thermal resistance corresponding to the individual layers of the microcircuit design were identified and determined: the crystal, the solder layer, the ceramic landing pad and the housing. It is determined that the values of the thermal resistance of the crystal-solder layer, measured by symmetrically arranged protective diodes, vary within 3-4 %. Based on the results of measuring the temperature dependences of the thermal resistance of the crystal-solder layer junction in the temperature range from 25 °C to 150 °C, a difference in the steepness of the increase in thermal resistance with increasing temperature was revealed for symmetrically arranged protective diodes at the inverting and non-inverting inputs of the amplifier. It is shown that at a microcircuit body temperature of 200 °C, the difference in thermal resistances reaches 2 K/W, which may cause an imbalance of currents in the differential cascade and the appearance of additional signal distortions.

Для цитирования

Фролов И.В., Сергеев В.А., Клейменкин Д.В., Будяков П.С. Исследование неоднородности тепловых параметров высокотемпературной интегральной микросхемы // Журнал радиоэлектроники. – 2026. – № 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.4.5

Литература

  1. 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
  2. Pradhan D. K. et al. Materials for high-temperature digital electronics // Nature Reviews Materials. - 2024. - V. 9. - № 11. - P. 790-807. https://doi.org/10.1038/s41578-024-00731-9
  3. Xiao Y. et al. Review of high-temperature power electronics converters //IEEE Transactions on Power Electronics. - 2022. - V. 37. - № 12. - P. 14831-14849. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-7135.2023.02.001
  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. 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
  6. AD8229HDZ Datasheet (PDF) - Analog Devices [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/422568/AD/AD8229HDZ.html (дата обращения: 26.02.2026).
  7. Передатчик тока, работающий при экстремально высоких температурах [Электронный ресурс]. - http://elcomdesign.ru/uncategorized/peredatchik-toka-rabotayushhij-pri-ekstremalno-vysokih-temperaturah/#respond (дата обращения: 26.02.2026).
  8. 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.
  9. Эннс В. И., Кобзев Ю. М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем: краткий справочник разработчика. - Горячая линия-Телеком, 2005.
  10. Сергеев В. А., Фролов И. В. Оценка погрешности определения параметров линей-ных тепловых цепей полупроводниковых приборов по частотным зависимостям теплового импеданса // Измерительная техника. - 2016. - №8. - С. 41-45. https://doi.org/10.1007/s11018-016-1056-4
  11. Сергеев В. А., Тетенькин Я.Г. Оценка адекватности линейных тепловых моделей цифровых интегральных схем // Известия вузов. Электроника. - 2017. - №4. - С. 350-360. https://doi.org/10.214151/1561-5405-2017-22-4-350-360
  12. Smirnov V.I., Sergeev V.A. & Gavrikov A.A. Measurement of the Thermal Impedance of Light-Emitting Diodes and Light-Emitting Diode Matrices. Measurement Techniques. - 2017. - Vol.60. - P.46-51. https://doi.org/10.1007/s11018-017-1157-8
  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. 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
  15. Захаров, А.Л.; Асвадурова, Е.И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: метод эквивалентов. - М.: Радио и связь, 1983.
  16. Сергеев В. А., Куликов А. А. Искажения тепловой природы в дифференциальных транзисторных каскадах // Вестник Ульяновского государственного технического университета. - 2008. - №. 4 (44). - С. 55-57.