СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕХОД-КОРПУС И ТЕПЛОВЫХ ПОСТОЯННЫХ ВРЕМЕНИ ПЕРЕХОД-КОРПУС КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ Российский патент 2022 года по МПК G01N25/00 

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров 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 бескорпусными ППИ (мощными транзисторами, диодами, монолитными интегральными схемами и др.), которые являются основными активными элементами электронного модуля, потребляют основную часть электрической мощности от источника питания; при этом мощностью, потребляемой другими элементами электронного модуля, как правило, можно пренебречь. Кристаллы ППИ в таких модулях монтируются на несущую плату, которая закрепляется, как правило, 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, СВЧ-усилители мощности и др.

Активные ППИ обычно 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 мощностей, потребляемых ППИ от источника питания; 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 также обычно размещают симметрично на несущей плате модуля.

В большинстве практических случаев 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., 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 P₀ в момент времени t=0 будет описываться выражениями:

где τ_Tn-кi.=R_Tn-кiC_Tn-кi - тепловая постоянная времени переход-корпус i-го кристалла ППИ; ΔT_ni(t)=T_ni(t)-T₀, Т_ni(t) - температура перехода i-го кристалла ППИ; T₀ - температура окружающей среды; T_к(t) - температура корпуса электронного модуля; τ_Tк-с = RT_к-cCT_к-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. При необходимости, мощность, потребляемую другими элементами электронного модуля, можно предварительно оценить или измерить.

Практически во всех электронных модулях (и мощных полупроводниковых приборах) в корпусном исполнении выполняется условие τ_Тк-с>>>τ_Тn-к, 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 ППИ 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.

Наиболее близким к предлагаемому и принятым за прототип является способ измерения тепловых параметров кристаллов гальванически связанных ППИ в составе электронного модуля по патенту 2720185 РФ, состоящий в том, что на электронный модуль с двумя кристаллами ППИ, находящийся при начальной температуре T₀, в момент времени t₀₁ подают импульс греющей мощности уровня P₀₁ длительностью t_И1≈(3÷5)τ_Tn-к, где τ_Tn-к - значение тепловой постоянной времени переход-корпус кристаллов ППИ, через интервал времени t₁≈τ_Tn-к после подачи импульса греющей мощности измеряют приращения температуры ΔT₁₁(t₁) и ΔT₂₁(t₁) активной области (поверхности) кристаллов первого и второго ППИ соответственно и ΔT₁₁(t₁) и ΔT₂₁(t₁) - в момент окончания импульса греющей мощности, после окончания первого импульса греющей мощности в течение времени t_охл~τ_Tк-с электронный модуль оставляют выключенным для его охлаждения до начальной температуры, затем в момент времени t₀₂ на электронный модуль подают импульс греющей мощности уровня Р₀₂ длительностью t_И2=t₁≈τ_Tn-к, измеряют приращения температуры ΔT₁₂(t₁) и ΔT₂₂(t₁) активной области (поверхности) кристаллов ППИ в момент окончания импульса греющей мощности и по результатам измерений рассчитывают тепловые параметры кристаллов ППИ по известным формулам.

Недостатком известного способа является большое время измерения, поскольку после воздействия первого импульса мощности уровня P₀₁ длительностью t_И1≈(3÷5)τ_Tn-к электронный модуль необходимо охлаждать до начальной температуры, при этом время охлаждения кристаллов ППИ до начальной температуры в естественных условиях должно быть в несколько (3÷5) раз больше, чем время разогрева. В известном способе время охлаждения t_охл предлагается устанавливать порядка τ_Tк-с, что для электронных модулей с мощными активными элементами может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен секунд.

Техническая задача состоит в уменьшение времени измерения.

Технический результат достигается заявленным способом измерения.

Способ измерения тепловых сопротивлений переход-корпус и тепловых постоянных времени переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий в составе электронного модуля, состоящий в подаче на электронный модуль с двумя бескорпусными полупроводниковыми изделиями в качестве активных элементов, находящийся при известной начальной температуре, импульса греющей мощности одного уровня и длительности, в охлаждении электронного модуля до начальной температуры, в подаче импульса греющей мощности другого уровня и длительности, в измерении приращений температуры кристаллов полупроводниковых изделий во время действия импульсов греющей мощности и в определении искомых тепловых параметров полупроводниковых изделий по результатам этих измерений, отличающийся тем, что вначале на электронный модуль в момент времени t₀₁ подают импульс греющей мощности заданного уровня P₀₁ длительностью t_И1≈τ_Tn-к, где τ_Tn-к - значение тепловой постоянной времени переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий, измеряют приращения температуры ΔT₁₁(t_И1) и ΔT₂₁(t_И1) активной области (поверхности) кристалла первого и второго полупроводникового изделия соответственно по отношению к начальной температуре в момент окончания первого импульса греющей мощности, после окончания первого импульса греющей мощности в течение времени t_охл≈(3÷5)t_И1 электронный модуль оставляют выключенным для его охлаждения до начальной температуры, затем в момент времени t₀₂ на электронный модуль подают импульс греющей мощности уровня Р₀₂ длительностью t_И2≈(3÷5)τ_Tn-к и вновь измеряют приращения температуры ΔT₁₂(t_И2) и ΔT₂₂(t_И2) активной области (поверхности) кристаллов первого и второго полупроводниковых изделий соответственно через интервал времени t_И1 и ΔT₁₂(t_И2) и ΔT₂₂(t_И2) - в момент окончания второго импульса греющей мощности, по результатам измерений рассчитывают тепловые постоянные времени переход-корпус полупроводниковых изделий по формулам , и тепловые сопротивления переход-корпус - по формулам ,, где Р₁₂=аР₁₁, , , .

Суть изобретения поясним следующим анализом и эпюрами сигналов, приведенными на фиг. 2. Если измерить приращение температуры ППИ через интервал времени t_И1 после подачи на электронный модуль импульса мощности уровня Р₀₁, полагая, что полная мощность распределяется между двумя активными элементами электронного модуля, а изменение температуры корпуса ΔT_к(t_И1) за время t_И1 пренебрежимо мало, можно составить систему уравнений:

Если после охлаждения электронного модуля до начальной температуры подать на него импульс мощность другого уровня Р₀₂ и измерить приращение температуры ППИ через интервалы времени t_И1 и t_И2 после подачи греющей мощности, то получим еще четыре уравнения:

Разделив (3а) на (4а) и (3б) на (4б), получим систему уравнения для нахождения P₁₁ и Р₁₂:

Откуда и Р₁₂=аР₁₁, где , , и далее тепловые сопротивления переход-корпус полупроводниковых изделий легко находятся из (4б) и (4г) по формулам , соответственно.

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

решение которой и дает искомые выражения:

Технический результат достигается за счет уменьшения времени охлаждения электронного модуля до начальной температуры после воздействия первого импульса греющей мощности, поскольку в предлагаемом способе первый импульс греющей мощности задается в (3÷5) меньшей длительности, чем в известном способе, соответственно уменьшится и время, необходимое для достижения начальной температуры. В реальных электронных модулях тепловая постоянная времени корпус-среда в 30÷50 раз больше тепловой постоянной времени переход-корпус и выигрыш во времени измерения может составить более 10 раз, что весьма актуально в условиях массового контроля.

Заметим, что в предлагаемом способе, как и в прототипе, при выборе интервалов времени t₁ и t_И1 необходимо выполнять примерные соотношения t_И1≈τ_Тn-к и t_И2 ≈(3÷5)τ_Тn-к. При этом примерное значение τ_Tn-к можно оценить либо путем предварительного эксперимента, или расчетным путем.

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров электронных модулей с бескорпусными полупроводниковыми изделиями (ППИ) и может быть использовано для контроля качества сборки электронных модулей с двумя кристаллами бескорпусных ППИ 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 бескорпусными полупроводниковыми изделиями в качестве активных элементов, находящийся при начальной температуре Т₀, в момент времени t₀₁ подают импульс греющей мощности заданного уровня Р₀₁ длительностью t_И1≈τ_Tn-к, где τ_Tn-к - примерное значение тепловой постоянной времени переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий, измеряют приращения температуры ΔT₁₁(t_И1) и ΔT₂₁(t_И1) активной области (поверхности) кристалла первого и второго полупроводниковых изделий соответственно по отношению к начальной температуре в момент окончания первого импульса греющей мощности, после окончания первого импульса греющей мощности электронный модуль охлаждают до начальной температуры, затем в момент времени t₀₂ на него подают второй импульс греющей мощности уровня P₀₂ длительностью t_И2≈(3÷5)τ_Tn-к и вновь измеряют приращения температуры ΔT₁₂(t_И1) и ΔT₂₂(t_И1) кристаллов первого и второго полупроводниковых изделий соответственно через интервал времени t_И1 и ΔT₁₂(t_И2) и ΔT₂₂(t_И2) - в момент окончания второго импульса греющей мощности, тепловые постоянные времени переход-корпус полупроводниковых изделий рассчитывают по формулам

, ,

а тепловые сопротивления переход-корпус по формулам

, ,

где Р₁₂=аР₁₁, , , . 2 ил.

Способ измерения тепловых сопротивлений переход-корпус и тепловых постоянных времени переход-корпус кристаллов с двумя бескорпусными полупроводниковыми изделиями в качестве активных элементов, при котором на электронный модуль подают импульс греющей мощности одного уровня и длительности, охлаждают электронный модуль до начальной температуры, далее подают импульс греющей мощности другого уровня и длительности, измеряют приращения температуры активной области (поверхности) кристаллов полупроводниковых изделий, отличающийся тем, что в начале на электронный модуль подают первый импульс греющей мощности P₀₁ длительностью t_И1≈t_Tn-к, где t_Tn-к - примерное значение тепловой постоянной времени переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий, измеряют приращения температуры ∆T₁₁(t_И1) и ∆T₂₁(t_И1) активной области (поверхности) кристалла первого и второго полупроводниковых изделий соответственно по отношению к начальной температуре, после окончания первого импульса греющей мощности в течение времени t_охл≈(3-5)t_И1 электронный модуль оставляют выключенным для его охлаждения до начальной температуры, затем в момент времени t₀₂ на электронный модуль подают импульс греющей мощности уровня Р₀₂ длительностью t_И2≈(3-5)t_Tn-к и через интервал времени t_И1 измеряют приращения температуры ∆Т₁₂(t_И1) и ∆T₂₂(t_И1) активной области (поверхности) кристаллов первого и второго полупроводниковых изделий и ∆Т₁₂(t_И2) и ∆T₂₂(t_И2) - в момент окончания второго импульса греющей мощности, по результатам измерений рассчитывают тепловые постоянные времени переход-корпус t_Tn-k1 и t_Tn-k2 и тепловые сопротивления переход-корпус R_T1 и R_T2 первого и второго полупроводниковых изделий по формулам

,,

, ,

где , , . Р₁₂=аР_11.