СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ПЕРЕХОД-КОРПУС И ТЕПЛОВЫХ ПОСТОЯННЫХ ВРЕМЕНИ ПЕРЕХОД-КОРПУС КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ Российский патент 2020 года по МПК G01R31/28 G01R31/26 G01N25/18 G01K13/00 

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров кристаллов бескорпусных полупроводниковых изделий (ППИ) в составе электронных модулей и может быть использовано для контроля качества сборки электронных модулей как на этапах разработки и производства, так и на входном контроле предприятий-потребителей электронных модулей при оценке их температурных запасов.

В радиоэлектронных и электротехнических устройствах различного назначения широко применяются электронные модули с двумя активными элементами - бескорпусными ППИ (мощными транзисторами, диодами, монолитными интегральными схемами и др.), которые рассеивают основную часть электрической мощности от источника питания; а мощностью, потребляемой другими элементами электронного модуля, можно пренебречь. Кристаллы ППИ в таких модулях монтируются на монтажную плату, которая закрепляется на массивном металлическом основании корпуса электронного модуля для эффективного отвода тепла. По существу такие электронные модули представляют собой большую гибридную интегральную схему. Примерами таких модулей являются инверторы, выпрямители, транзисторные сборки, модули СВЧ-усилителей мощности и др.

Активные ППИ зачастую включаются симметрично относительно источника питания в схеме электронного модуля и имеют одинаковые значения параметров электрического режима работы при работе электронного модуля в номинальном режиме. Это, в свою очередь, предполагает и равенство рассеиваемых ППИ мощностей; при работе на переменном или импульсном токе имеется в виду равенство мощностей, усредненных за период колебаний тока. Учитывая необходимость обеспечения одинаковых тепловых режимов работы ППИ, их кристаллы обычно размещают симметрично на несущей плате модуля.

Во многих практических случаях тепловой связью между активными элементами модуля можно пренебречь. Дискретная тепловая схема такого модуля в представлении Фостера показана на фиг. 1 (см. например, Сергеев В.А. Анализ тепловых режимов мощных светодиодов в составе светодиодных излучателей // Известия вузов. Электроника. - 2013. - №1. - С. 85-87; Сергеев В.А., Смирнов В.И., Тарасов Р.Г. Проблемы и возможности диагностики электронных модулей по тепловым характеристикам // Автоматизация процессов управления. - 2017. -№4. - С. 96-102.). В таком приближении изменение температуры активной области (рабочей поверхности) кристалла ППИ при подаче на модуль мощности Р₀ в момент времени t=0 будет описываться выражениями:

где - тепловая постоянная времени переход-корпус i-го кристалла ППИ; - температура перехода i-го кристалла ППИ; Т₀ - температура окружающей среды; Т_к(t)- температура корпуса электронного модуля; τ_Тк-с=R_Тк-сС_Тк-c - тепловая постоянная времени корпус-среда электронного модуля; P_i - мощность рассеиваемая i-м ППИ, причем Р₂+Р₁=Р₀.

Заметим, что мощность, выделяющаяся в активных элементах электронного модуля, определяется в общем случае как разность между мощностью, потребляемой от источника питания, и мощностью, выделяющейся в нагрузке.

Практически во всех электронных модулях (и мощных полупроводниковых приборах) в корпусном исполнении выполняется условие , и ключевой задачей контроля тепловых свойств электронных модулей является определение теплового сопротивления переход-корпус и тепловой постоянной времени переход-корпус кристаллов ППИ в их составе.

В электронных модулях с возможностью независимого доступа и задания электрического режима каждого ППИ по отдельности для измерения тепловых сопротивлений переход-корпус ППИ можно использовать (в зависимости от класса ППИ) один из способов, установленных ОСТ 11 0944-96 Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы расчета, измерения и контроля теплового сопротивления. - М.: ГНПП «Пульсар», 1997.

Известен способ измерения тепловых сопротивлений переход-корпус кристаллов ППИ в составе электронных модулей (см. Laurent Dupont, Yvan Avenas, and Pierre-Olivier Jeannin Comparison of Junction Temperature Evaluations in a Power IGBT Module Using an IR Camera and Three Thermosensitive Electrical Parameters /IEEE Transaction on Industrial Applications. - 2013. - Vol. 49, №4. - 1599-1608), состоящий в измерении тока, потребляемого каждым ППИ в отдельности при заданном напряжении питания ППИ, вычислении электрической мощности P_i, рассеиваемой каждым ППИ в отдельности, в измерении температуры корпуса Т_К с помощью термодатчика, размещенного в определенной точке корпуса, в измерении температуры и активной области (поверхности кристаллов) ППИ в состоянии теплового равновесия либо по изменению электрического температурочувствительного параметра, либо по тепловому излучению кристаллов и в определении тепловых сопротивлений переход-корпус ППИ по формуле

где i - номер ППИ.

Недостатками известного способа является большое время измерения и невозможность измерения тепловой постоянной времени переход-корпус и теплового сопротивления переход-корпус кристаллов гальванически связанных ППИ в составе электронного модуля.

Известен способ измерения теплового сопротивления переход-корпус СВЧ-диодов (см. ГОСТ 19656.15-84 Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления), заключающийся в определении приращения температуры перехода диода в результате рассеивания в диоде заданной импульсной СВЧ-мощности. При реализации способа для заданного типа диодов или конкретного диода определяют температурный коэффициент прямого напряжения (ТКН) при заданном прямом токе, устанавливают диод в диодную камеру, задают через диод прямой ток, подают на диод импульсы СВЧ-мощности длительностью τ_и=(3-5)τ_Т с периодом следования, удовлетворяющим условию Т-τ_и≥3τ_Т, где τ_Т - время тепловой релаксации СВЧ-диода, проводят согласование диода, измеряют изменение прямого падения напряжения ΔU_пр на диоде за время действия импульса СВЧ-мощности, и тепловое сопротивление R_Тп-к определяют по формуле

где Р_г - импульсная мощность генератора СВЧ-мощности; К_Р - коэффициент потерь в диодной камере, определенный известным методом.

Недостатками указанного способа являются большая относительная погрешность (до 25%) измерения, обусловленная погрешностями измерения импульсного напряжения и коэффициента потерь, а также невозможность измерять тепловые сопротивления переход-корпус и тепловые постоянные времени переход-корпус гальванически связанных (например, параллельно соединенных) СВЧ-диодов.

Технический результат состоит в снижении погрешности и в обеспечении возможности измерения тепловых параметров кристаллов гальванически связанных полупроводниковых изделий в составе электронного модуля при невозможности раздельного измерения мощности, потребляемой каждым полупроводниковым изделием в отдельности, и, как следствие, в повышении достоверности контроля качества сборки электронных модулей.

Технический результат достигается тем, что на электронный модуль с двумя активными элементами в виде бескорпусных полупроводниковых изделий, находящийся при начальной температуре T₀, в момент времени t₀₁ подают импульс греющей мощности заданного уровня Р₀₁ длительностью , где - примерное значение тепловой постоянной времени переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий, измеряют приращения температуры ΔT₁₁(t₁) и ΔT₂₁(t₁) активной области (поверхности) кристаллов полупроводниковых изделий через интервал времени после подачи импульса греющей мощности и приращения ΔT₁₁(t_И1) и ΔT₂₁(t_И1) - в момент окончания импульса греющей мощности в течение времени t_охл~τ_Тк-с электронный модуль оставляют в выключенном состоянии с целью его охлаждения до начальной температуры, затем в момент времени t₀₂ на него подают импульс греющей мощности уровня Р₀₂ длительностью и измеряют приращение температуры ΔT₁₂(t₁) и ΔT₂₂(t₁) активной области (поверхности) кристаллов полупроводниковых изделий в момент окончания импульса греющей мощности то есть через тот же интервал времени t₁, после подачи импульса греющей мощности, по результатам измерений рассчитывают тепловые сопротивления переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий по формулам где и точные значения тепловых постоянных времени переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий - по формулам

Суть изобретения поясним следующим анализом и эпюрами сигналов, приведенными на фиг. 2. Если измерить приращение температуры ППИ через интервалы времени t₁ и t_И1 удовлетворяющие условиям и , то, считая изменение температуры корпуса ΔТ_к(t_И1) за время t_И1 пренебрежимо малым, можно составить систему уравнений:

Если после охлаждения электронного модуля до исходной температуры на него подать на электронный модуль импульс мощности уровня Р₀₂ длительностью и измерить приращение температуры ППИ в момент окончания импульса, то получим еще два уравнения:

Разделив (3а) на (4а) и (3б) на (4б), получим систему уравнения для нахождения Р₁₁ и Р₁₂:

Откуда где

Значения тепловых сопротивлений переход-корпус ППИ находятся из уравнений (3б) и (3г)

Разделив уравнение (3а) на (3б) и (4а) на (4б) соответственно, получим систему уравнений для нахождения значений тепловых постоянных времени переход корпус τ_Тп-к1 и τ_Тп-к2:

решение которой и дает искомые выражения:

В отличие от известного способа в предлагаемом способе не требуется измерять мощность, потребляемую каждым полупроводниковым изделием в отдельности, задается только полная мощность, потребляемая электронным модулем от источника питания. Для реализации способа необходима возможность изменения полной рассеиваемой электронным модулем мощности. Это практически всегда возможно в определенном диапазоне путем, например, изменения напряжения питания модуля либо путем изменения параметров модуляции импульсной мощности.

Погрешность измерения обусловлена принятыми допущениями, что изменением температуры корпуса, которое не учитывается при расчете тепловых параметров, можно пренебречь. В реальных электронных модулях тепловая постоянная времени корпус-среда в 30-50 раз больше тепловой постоянной времени переход-корпус (см. например, описание изобретения к патенту №2240573 РФ) и погрешность, обусловленная изменением температуры корпуса, не превышает 7-10%. Заметим, что в предлагаемом способе при выборе интервалов времени t₁ и t_И1 необходимо выполнять примерные соотношения , а выполнения точных соотношений не требуется. При этом примерное значение можно оценить либо путем предварительного эксперимента или расчетным путем.

Универсальным для всех вариантов электронных модулей является измерение температуры кристаллов ППИ в предлагаемом способе с помощью инфракрасной камеры или ИК-радиометра. Заметим, что в этом случае не требуется знать точное значение коэффициента излучательной способности поверхности кристаллов ППИ, поскольку все искомые параметры определяются только отношениями приращений температур, и коэффициенты излучательной способности будут сокращаться.

В тех случаях, когда возможно подключение к выводам активных элементов модуля, температуру ППИ можно измерять по изменению какого-либо температурочувствительного параметра.

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров кристаллов бескорпусных полупроводниковых изделий в составе электронных модулей и может быть использовано для контроля качества сборки электронных модулей как на этапах разработки и производства электронных модулей, так и на входном контроле предприятий-потребителей электронных модулей при оценке их температурных запасов. Сущность изобретения заключается в том, что на электронный модуль с двумя активными элементами в виде бескорпусных полупроводниковых изделий, находящийся при начальной температуре T_0. В момент времени t₀₁ подают импульс греющей мощности заданного уровня P₀₁ длительностью t_И1≈(3÷5)τ_Тп-к, где τ_Тп-к - примерное значение тепловой постоянной времени переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий. Измеряют приращения температуры ΔT₁₁(t₁) и ΔT₂₁(t₁) активной области (поверхности) кристаллов полупроводниковых изделий через интервал времени t₁≈τ_Тп-к после подачи импульса греющей мощности и приращения ΔT₁₁(t_И1) и ΔT₂₁(t_И1). В момент окончания импульса греющей мощности в течение времени t_охл~τ_Тк-с электронный модуль оставляют в выключенном состоянии с целью его охлаждения до начальной температуры, затем в момент времени t₀₂ на него подают импульс греющей мощности уровня Р₀₂ длительностью t_И2=t₁≈τ_Tп-к. Измеряют приращение температуры ΔT₁₂(t₁) и ΔT₂₂(t₁) активной области (поверхности) кристаллов полупроводниковых изделий в момент окончания импульса греющей мощности, то есть через тот же интервал времени t₁ после подачи импульса греющей мощности. По результатам измерений рассчитывают тепловые сопротивления переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий по формулам где и точные значения тепловых постоянных времени переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий - по формулам

Технический результат - снижение погрешности и обеспечение возможности измерения тепловых параметров кристаллов гальванически связанных полупроводниковых изделий в составе электронного модуля при невозможности раздельного измерения мощности, потребляемой каждым полупроводниковым изделием в отдельности и, как следствие, повышение достоверности контроля качества сборки электронных модулей. 2 ил.

Способ измерения тепловых сопротивлений переход-корпус и тепловых постоянных времени переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий в составе электронного модуля, заключающийся в измерении приращения температуры перехода (поверхности) кристалла полупроводникового изделия за время действия импульса греющей мощности заданного уровня и длительности, отличающийся тем, что на электронный модуль с двумя активными элементами T₀, в момент времени t₀₁ подают импульс греющей мощности заданного уровня Р₀₁ длительностью t_И1≈(3÷5)τ_Tn-к, где τ_Tn-к - примерное значение тепловой постоянной времени переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий, измеряют приращения температуры ΔT₁₁(t₁) и ΔT₂₁(t₁) активной области (поверхности) кристаллов полупроводниковых изделий через интервал времени t₁≈τ_Tn-к после подачи импульса греющей мощности и приращения ΔT₁₁(t_И1) и ΔT₂₁(t_И1), в момент окончания импульса греющей мощности в течение времени t_охл~τ_Тк-с электронный модуль оставляют в выключенном состоянии с целью его охлаждения до начальной температуры, затем в момент времени t₀₂ на него подают импульс греющей мощности уровня P₀₂ длительностью t_И2=t₁≈τ_Tn-к и измеряют приращение температуры ΔT₁₂(t₁) и ΔT₂₂(t₁) активной области (поверхности) кристаллов полупроводниковых изделий в момент окончания импульса греющей мощности, то есть через тот же интервал времени t₁ после подачи импульса греющей мощности, по результатам измерений рассчитывают тепловые сопротивления переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий по формулам где и точные значения тепловых постоянных времени переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий - по формулам