СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХЗВЕННОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2023 года по МПК G01N25/18 G01R31/26 G01K13/00 

Изобретение относится к технике измерения тепловых характеристик полупроводниковых изделий (ППИ) в виде полупроводниковых приборов (ППП) и интегральных схем (ИС) и может быть использовано для контроля тепловых параметров ППИ как на этапах их разработки и производства, так и на входном контроле предприятий-потребителей ППИ.

Ключевой задачей контроля тепловых свойств ППИ является определение параметров их тепловой эквивалентной схемы (см. фиг. 1, б), по которым можно рассчитать температуру активной области (p-n-перехода) ППИ в любом заданном (в том числе, динамическом) режиме работы. В приближении одномерной тепловой эквивалентной схемы ППИ задача сводится к определению набора значений тепловых сопротивлений (R_Ti) и теплоемкостей (C_Ti) или тепловых постоянных времени (τ_Ti = R_Ti·C_Ti) отдельных элементов и слоев материалов, составляющих конструкцию ППИ (фиг. 1, а). Указанные параметры могут быть определены по переходной тепловой характеристике (ПТХ) H(t) ППИ, то есть по изменению температуры Δθ_n(t) активной области прибора при его саморазогреве рассеиваемой электрической мощностью заданного уровня P_0, включаемой в момент времени t=0: .

Следует отметить, что для большинства практических приложений, в том числе для контроля качества сборки ППИ, достаточно определить параметры двухзвенной тепловой эквивалентной схемы ППИ (см. фиг. 2): тепловое сопротивление и теплоемкость переход-корпус, которые представляют собой тепловое сопротивление и теплоемкость слоев конструкции между активной областью (p-n переходом) и основанием корпуса; тепловое сопротивление корпус-среда и теплоемкость корпуса ППИ [см., например, Сергеев В.А., Ходаков А.М. Нелинейные тепловые модели полупроводниковых приборов. - Ульяновск : УлГТУ, 2012. - 159 с.].

Известен способ измерения ПТХ ППИ с p-n-переходами по кривой остывания (см. Давидов П. Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов. М.: Энергия. - 1967. - стр. 33), состоящий в том, что исследуемый ППИ разогревают электрической мощностью известного уровня до установившегося теплового режима, затем разогревающую мощность отключают, и в заданные моменты времени измеряют изменение температуры p-n-перехода по изменению температурочувствительного параметра (ТЧП), в качестве которого чаще всего используют прямое падение напряжения на p-n-переходе ППИ при малом прямом токе. Искомые тепловые параметры в этом способе определяются, фактически, графическим способом по углу наклона ПТХ, построенной в полулогарифмическом масштабе, на участках быстрого и медленного роста.

Недостатками этого способа является большое время измерения, определяемое предварительным разогревом ППИ до установившегося теплового режима и последующим охлаждением до температуры окружающей среды, а также большая погрешность измерения, обусловленная несимметричностью кривых охлаждения и нагрева ППИ из-за различия формы тепловых потоков при охлаждении и нагреве ППИ: нагрев ППП осуществляется источниками тепла на поверхности кристалла, а отвод тепла - со всех нагретых поверхностей конструкции ППИ.

Производители электронной компонентной базы (International Rectifier, Infineon, Fairchild, STMicroelectronics и др.) для измерения тепловых параметров ППИ используют способ по стандарту MIL-STD-750-3 [Test Methods For Semiconductor Devices. MIL-STD-750-3. Department of Defense.], основанный на преобразовании ПТХ. В этом способе контролируемое ППИ разогревают последовательностью импульсов греющей электрической мощности заданного уровня P₀ с изменяющейся по логарифмическому закону длительностью. После каждого импульса длительностью t_i по изменению ТЧП определяют приращение температуры перехода Δθ_ni(t_i) и вычисляют ПТХ H(t_i) как отношение приращения температуры перехода к греющей мощности P₀. Параметры тепловой эквивалентной схемы ППИ в этом способе определяют по минимумам и максимумам первой производной ПТХ, полученной путем численного дифференцирования.

Известен способ определения параметров тепловой эквивалентной схемы КМОП цифровых интегральных схем (ЦИС) по ПТХ [Сергеев В.А., Тетенькин Я.Г. Оценка адекватности тепловой модели КМОП цифровых интегральных схем по переходным тепловым характеристикам // Изв. вузов. Электроника. - 2017. -№4. - С. 350-360.]. В этом способе ЦИС непрерывно разогревается электрической мощностью путем соединения логических элементов ЦИС по схеме кольцевого генератора (КГ), в заданные моменты времени t_i после включения КГ измеряют мощность P(t_i), потребляемую ЦИС, и приращение температуры Δθ_ni(t_i) активной области ЦИС по изменению частоты КГ, используемой в качестве ТЧП. По измеренным значениям Δθ_ni(t_i) и P(t_i) вычисляют значения ПТХ в заданные моменты времени t_i. Параметры тепловой эквивалентной схемы определяют по значениям ПТХ, соответствующим нулям ее второй производной, полученной численным дифференцированием. Для определения тепловых параметров с достаточной точностью необходимо иметь не менее 8-10 значений ПТХ в каждой декаде временной шкалы, при этом значения времени t_i задаются с логарифмическим шагом.

Недостатком всех описанных выше способов является большое время измерения, определяемое большим числом отсчетов температуры в процессе разогрева контролируемого ППИ, а также большая погрешность определения тепловых параметров, обусловленная погрешностью численного дифференцирования.

Техническая задача состоит в уменьшение времени и снижении погрешности определения параметров двухзвенной тепловой эквивалентной схемы полупроводниковых изделий.

Технический результат достигается тем, что в способе определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового изделия, тепловой постоянной времени переход-корпус полупроводникового изделия, теплового сопротивления корпус-среда полупроводникового изделия и тепловой постоянной времени корпус-среда полупроводникового изделия, в котором полупроводниковое изделие разогревают постоянной электрической греющей мощностью заданного уровня P₀, в заданные моменты времени t_i в процессе разогрева измеряют приращения температуры Δθ_ni(t_i) активной области полупроводникового изделия, причем приращения температуры измеряют в моменты времени t_1≈τ_Тп-к/2, t₂=2t₁, t₃₌3t₁, t₄≈τ_Тк-с и t₅₌2t₄, а значения теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового изделия, тепловой постоянной времени переход-корпус полупроводникового изделия, теплового сопротивления корпус-среда полупроводникового изделия и тепловой постоянной времени корпус-среда полупроводникового изделия находят по формулам:

где , - тепловое сопротивление и тепловая постоянная времени переход-корпус полупроводникового изделия, а - тепловое сопротивление и тепловая постоянная времени корпус-среда полупроводникового изделия.

Сущность изобретения состоит в следующем. В приближении двухзвенной тепловой эквивалентной схемы ППИ изменение температуры активной области (перехода) ППИ после подачи на него в момент времени t=0 импульса греющей мощности будет описываться следующим выражением:

где - тепловая постоянная времени переход-корпус ППИ, - температура перехода ППИ, θ₀ - температура окружающей среды, - тепловая постоянная времени корпус-среда ППИ.

Для заданных моментов времени t_1≈τ_п-к/2, t₂=2t₁, t₃₌3t₁, t₄≈τ_к-с, t₅₌2t₄ с учетом того, что для большинства конструкций современных ППИ выполняется условие τ_п-к<<τ_к-с, можно записать

В выражениях (4)-(8) для упрощения громоздких формул введены обозначения и .

Умножая обе части выражения (4) на 2 и 3, и, вычитая из полученных выражений выражения (5) и (6), соответственно, получим два уравнения для нахождения значений параметра a и теплового сопротивления

После деления (10) на (9) нетрудно получить выражение для a:

откуда легко вычисляется значение

при этом значение легко находится, например, из (9):

Если первое слагаемое в правой части выражений (7) и (8) перенести в левую часть, и разделить преобразованное выражение (8) на преобразованное выражение (7), то получим следующее выражение для параметра b:

Уточненное значение τ_к-с определяем по формуле

а значение соответственно, можно легко выразить из (5)

Технический результат - сокращение времени измерения - достигается за счет того, что в предлагаемом способе необходимо провести всего 5 измерений приращения температуры ППИ в процессе разогрева, при этом не требуется достижения стационарного теплового режима ППИ. А снижение погрешности определения параметров достигается тем, что значения искомых тепловых параметров находятся по результатам измерения из простых арифметических формул.

Заметим, что в предлагаемом способе не требуется выполнения точных равенств t_1≈τ_Тп-к/2 и t₄≈τ_Тк-с, достаточно примерного равенства. При этом значения тепловых постоянных времени для конкретного типа ППИ можно примерно оценить из предварительных измерений или из паспортных данных ППИ, представляемых предприятием-производителем. Разумеется, способ не применим к ППИ, для которых условие τ_п-к<<τ_к-с не выполняется.

Изобретение относится к технике измерения тепловых характеристик полупроводниковых изделий (ППИ) в виде полупроводниковых приборов (ППП) и интегральных схем (ИС) и может быть использовано для контроля тепловых параметров ППИ как на этапах их разработки и производства, так и на входном контроле предприятий-потребителей ППИ. Заявлен способ определения параметров двухзвенной тепловой эквивалентной схемы полупроводникового изделия, в котором полупроводниковое изделие разогревают постоянной электрической греющей мощностью заданного уровня P₀. В заданные моменты времени t_i в процессе разогрева измеряют приращения температуры Δθ_ni(t_i) активной области полупроводникового изделия. С целью уменьшения времени и снижения погрешности определения искомых параметров приращения температуры измеряют в моменты времени t_1≈τ_Тп-к/2, t₂=2t₁, t₃₌3t₁, t₄≈τ_Тк-с и t₅₌2t₄, а значения параметров двухзвенной тепловой эквивалентной схемы находят по формулам

где

, , – тепловое сопротивление, тепловая постоянная времени и теплоемкость переход-корпус, а , , – тепловое сопротивление, тепловая постоянная времени и теплоемкость корпус-среда полупроводникового изделия, соответственно. Технический результат - уменьшение времени и снижение погрешности определения параметров двухзвенной тепловой эквивалентной схемы полупроводниковых изделий. 2 ил.

Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового изделия, тепловой постоянной времени переход-корпус полупроводникового изделия, теплового сопротивления корпус-среда полупроводникового изделия и тепловой постоянной времени корпус-среда полупроводникового изделия, в котором полупроводниковое изделие разогревают постоянной электрической греющей мощностью заданного уровня P₀, в заданные моменты времени t_i в процессе разогрева измеряют приращения температуры Δθ_ni(t_i) активной области полупроводникового изделия, причем приращения температуры измеряют в моменты времени t_1≈τ_Тп-к/2, t₂=2t₁, t₃₌3t₁, t₄≈τ_Тк-с и t₅₌2t₄, а значения теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового изделия, тепловой постоянной времени переход-корпус полупроводникового изделия, теплового сопротивления корпус-среда полупроводникового изделия и тепловой постоянной времени корпус-среда полупроводникового изделия находят по формулам:

где

- тепловое сопротивление и тепловая постоянная времени переход-корпус полупроводникового изделия, а - тепловое сопротивление и тепловая постоянная времени корпус-среда полупроводникового изделия.