СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ИМПЕДАНСА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ Российский патент 2010 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых диодов и может быть использовано на выходном и входном контроле качества изготовления полупроводниковых диодов и для оценки их температурных запасов.

Известен способ измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов, заключающийся в том, что на контролируемый диод подают импульсы греющей мощности фиксированной длительности и амплитуды, а в промежутках между импульсами измеряют изменение температурочувствительного параметра U_ТП, например прямого напряжения диода при пропускании через него малого измерительного тока (см., например, ГОСТ 19656, 18-84 Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления).

Недостатком способа является низкая точность, обусловленная большой погрешностью измерения импульсного напряжения U_ТП(t) из-за влияния переходных тепловых и электрических процессов при переключении полупроводникового диода из одного режима - режима разогрева, в другой - режим измерения (см., например, Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - М: Сов. радио, 1980. С.51).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов (см. патент РФ №2178893 на изобретение «Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов». /В.А.Сергеев, опубликовано 27.01.2002 г.), заключающийся в том, что на контролируемый диод подаются импульсы греющего тока постоянной амплитуды I_m, определяют величину импульсной греющей мощности P_m, а в промежутках между греющими импульсами тока через диод пропускают постоянный начальный ток I_нач и измеряют изменение прямого напряжения диода, по величине которого и определяют тепловое сопротивление переход-корпус диода, при этом величину, обратную скважности греющих импульсов тока Q^-1=τ_u·f_сл, где τ_u - длительность греющих импульсов тока, f_сл - частота их следования, увеличивают по линейному закону Q^-1=S_Qt с крутизной S_Q, измеряют скорость ϑ изменения прямого напряжения диода при протекании через него начального тока и определяют тепловое сопротивление переход-корпус диода по формуле:

где K_T - температурный коэффициент прямого напряжения диода при протекании через него постоянного начального тока.

Недостатками известного технического решения является большая погрешность измерения теплового сопротивления, обусловленная малой крутизной изменения средней греющей мощности, и невозможность измерения теплового импеданса полупроводникового диода на заданной частоте изменения греющей мощности.

Технический результат - повышение точности измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов.

Технический результат достигается тем, что на контролируемый полупроводниковый диод подаются греющие импульсы тока амплитудой I_m, в промежутках между греющими импульсами тока через диод пропускают постоянный начальный ток I_нач и измеряют изменение прямого напряжения на диоде, по величине которого и определяют тепловое сопротивление полупроводникового диода. Отличие состоит в том, что величину, обратную скважности греющих импульсов тока Q^-1=τ_u/T_сл=τ_u·f_сл, где τ_u - длительность греющих импульсов тока, Т_сл, f_сл - период и частота их следования соответственно, изменяют по гармоническому закону вида где - среднее значение величины обратной скважности, а - коэффициент, определяющий глубину модуляции греющей мощности, Ω - частота модуляции греющей мощности, измеряют амплитуду первой гармоники греющей мощности Р_m1(Ω) и амплитуду первой гармоники температурочувствительного параметра - прямого напряжения на р-n-переходе при протекании через него начального тока и сдвиг фазы между ними φ(Ω) на частоте модуляции греющей мощности, по измеренным значениям определяют тепловой импеданс полупроводникового диода на частоте модуляции греющей мощности по формуле:

Сущность предлагаемого решения состоит в том, что при подаче на полупроводниковый диод греющих импульсов тока амплитудой I_m средняя за период следования греющих импульсов тока мощность , рассеиваемая диодом, определяется выражением

где P_m=I_mU_m - импульсная греющая мощность, U_m - прямое напряжение диода, при протекании через него греющего импульса тока и при постоянной импульсной греющей мощности (P_m=const) средняя мощность будет изменяться по закону изменения величины обратной скважности Q^-1(t)=τ_u·f_сл. При изменении Q^-1(t) по гармоническому закону вида средняя мощность будет также изменяться по гармоническому закону вида

где - постоянная составляющая греющей мощности, - первая гармоника изменения греющей мощности на частоте Ω модуляции.

Известно, что в приближении одномерной линейной теплоэлектрической модели полупроводникового диода, представляющей m последовательно соединенных RC-цепочек, при разогреве полупроводникового диода переменной мощностью спектр температуры р-n перехода может быть представлен в виде

где P_m(ω) - спектр греющей мощности, рассеиваемой полупроводниковым диодом, - тепловой импеданс диода, R_Ti, τ_Тi - тепловое сопротивление и тепловая постоянная времени соответствующего слоя конструкции полупроводникового диода, φ(ω) - фаза теплового импеданса, равная сдвигу фаз между температурой и греющей мощностью (Сергеев В.А. Методы и средства измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем. // Электронная промышленность. - 2004. - №1. - С.45-48).

В результате через некоторое время после начала подачи греющих импульсов, превышающее три тепловых постоянных времени переход-корпус τ_Tn-к полупроводникового диода (t>3τ_Tn-к), в полупроводниковом диоде установится регулярный режим и температура T_п(t) p-n-перехода полупроводникового диода будет пульсировать относительно некоторого квазистационарного значения , изменяющегося с частотой Ω модуляции греющей мощности:

где φ сдвиг фаз между переменной составляющей греющей мощности и переменной составляющей температуры p-n-перехода, -среднее значение температуры p-n-перехода, T_m - амплитуда гармонической составляющей температуры p-n-перехода на частоте Ω модуляции греющей мощности. При выполнении условия f_слτ_Тп-к>>1 величина пульсаций температуры p-n-перехода δT_п(t) будет на несколько порядков меньше Т_m:δT_п(t)<<T_m (см., например, Давидов П.Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов. - М: Энергия, 1967 г., с.100÷116). Поскольку прямое напряжение на p-n-переходе при малом токе линейно уменьшается с увеличением температуры с известным (отрицательным) температурным коэффициентом K_T, то огибающая напряжения на p-n-переходе в паузах между греющими импульсами будет повторять (с обратным знаком) изменение переменной составляющей температуры р-n-перехода, а амплитуда огибающей с учетом (5) будет равна:

Откуда и получаем выражение (2) для теплового импеданса.

Погрешность определения теплового импеданса при известном температурном коэффициенте будет определяться погрешностью определения амплитуды гармоник и Р_m1(Ω) сдвига фаз между ними. При использовании методов цифровой фильтрации, в частности быстрого преобразования Фурье, указанные погрешности определяются числом отсчетов (то есть числом греющих импульсов тока) за период T_M=1/2πΩ модуляции греющей мощности: n=T_M/T_сл.

Возможны различные способы реализации гармонического закона изменения величины обратной скважности. Наиболее простым для аппаратной реализации является вариант широтно-импульсной модуляции греющих импульсов тока, когда частота их следования постоянна f_сл=const, а длительность меняется по закону вида: τ_uk=τ_u0(1+acosΩt). Предлагаемый вариант способа может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на фиг.1, а эпюры, поясняющие принцип работы устройства, - на фиг.2.

Устройство содержит контакты 1 для подключения контролируемого диода, источник 2 постоянного начального тока I_нач, генератор греющих импульсов тока 3, устройство управления 4, управляемые аналого-цифровые преобразователи 5 и 6 и вычислитель 7.

Способ осуществляют следующим образом. После установки диода в контактную колодку 1 через него пропускают постоянный начальный ток I_нач от источника 2. Генератор импульсов 3 по сигналу устройства управления 4 начинает вырабатывать последовательность греющих импульсов тока заданной амплитуды I_m и постоянной частоты f_сл (фиг.2а), которые подаются в контролируемый полупроводниковый диод. Моменты времени t_k=kT_сл начала k-го импульса и его длительность τ_uk=τ_u0(1+acosΩt_k) определяются управляющими импульсами U_У1 (фиг.2б) и U_У2 (фиг.2в) устройства управления. Через некоторое время, превышающее три постоянных времени переход-корпус диода, в диоде установится регулярный режим и температура р-n-перехода будет пульсировать относительно некоторого квазистационарного значения (фиг.2г), изменяющегося по гармоническому закону. Изменение прямого напряжения U_m(t) диода показаны на фиг.2д. Прямое напряжение диода подается на входы аналого-цифровых преобразователей 5 и 6. АЦП 5 преобразует в цифровой код прямое напряжение диода U_m(t) во время протекания греющих импульсов тока в моменты времени , определяемые управляющими импульсами U_У3 (фиг.2е) устройства управления 4, где Δt_om1 - некоторое фиксированное время задержки запуска первого АЦП. Цифровые отсчеты прямого напряжения диода U_m(k) передаются в оперативную память вычислителя 7, где формируется массив значений прямого напряжения диода {U_m(k)}. Второй АЦП 6 преобразует в цифровой код температурочувствительный параметр - прямое напряжение диода во время паузы между греющими импульсами тока при протекании начального тока I_нач в моменты времени , определяемые управляющими импульсами U_У4 (фиг.2ж) устройства управления, где Δt_om2 - некоторое фиксированное время задержки запуска второго АЦП. Цифровые отсчеты передаются в оперативную память вычислителя 7, где формируется массив значений температурочувствительного параметра . Для повышения точности преобразование измеряемых величин осуществляется в течение нескольких (3-5) периодов модуляции греющей мощности и получают N=(3÷5)Т_М/Т_сл цифровых отсчетов измеряемых величин. Вычислитель 7 вычисляет значения импульсной мощности для каждого k-го греющего импульса тока путем умножения U_m(t) на значение амплитуды греющих импульсов тока I_m:P_m(k)=I_m·U_m(k) и формирует массив значений импульсной мощности {P_m(k)}. По массивам данных {P_m(k)} и методом дискретного преобразования Фурье вычислитель 7 определяет амплитуду и фазу гармоник греющей мощности P_m1 и φ_P температурочувстсвительного параметра и φ_T, далее вычисляет модуль и фазу теплового импеданса полупроводникового диода по формулам:

Способ предназначен для использования на выходном и входном контроле качества полупроводниковых диодов и оценки их температурных запасов. На исследуемый диод подают импульсы греющего тока постоянной амплитуды. В промежутках между импульсами греющего тока пропускают постоянный начальный ток. Величину Q^-1, обратную скважности импульсов греющего тока, изменяют по гармоническому закону с частотой Ω. На частоте Ω измеряют амплитуду изменения греющей мощности P_m1(Ω), амплитуду температурочувствительного параметра в промежутках между импульсами греющего тока и определяют сдвиг фаз между ними. Модуль теплового импеданса диода определяют по формуле

где К_Т - температурный коэффициент прямого напряжения диода при протекании постоянного начального тока. Фаза импеданса равна сдвигу фаз между температурочувствительным параметром и первой гармоникой. Технический результат направлен на повышение точности измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов. 2 ил.

Способ измерения теплового импеданса переход-корпус полупроводниковых диодов, заключающийся в подаче на р-n переход контролируемого диода импульсов тока постоянной амплитуды I_m, в промежутках между которыми через диод пропускают постоянный начальный ток, в определении величины греющей мощности Р и измерении изменения температурочувствительного параметра прямого напряжения диода при протекании постоянного начального тока, отличающийся тем, что величину, обратную скважности греющих импульсов тока
,
где τ_u - длительность греющих импульсов тока;
f_сл - частота их следования,
изменяют по гармоническому закону с частотой Ω, измеряют амплитуду изменения греющей мощности P_m1(Ω) и амплитуду - температурочувствительного параметра на частоте Ω и сдвиг фаз между ними и определяют модуль теплового импеданса диода по формуле
,
где К_Т - температурный коэффициент прямого напряжения диода при протекании постоянного начального тока;
а фаза теплового импеданса равна сдвигу фаз между температурочувствительным параметром и первой гармоникой.