УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕХОД-КОРПУС ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА
DEVICE FOR MEASUREMENT OF HEAT RESISTANCE TRANSITION-HOUSING OF SEMI-CONDUCTOR DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов после изготовления, а также для неразрушающего входного контроля при производстве радиоэлектронной аппаратуры.
Известно устройство для измерения теплового сопротивления переход-корпус (см. ГОСТ 19656.15-84. Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления. Черт.4 стр.5), содержащее импульсный генератор тока, источник постоянного тока, подключающее устройство с диодом, измеритель мощности, измеритель изменения прямого напряжения. В указанном устройстве через диод задают прямой ток. На диод подают импульсы прямого тока и измеряют рассеиваемую на диоде мощность. После окончания импульса прямого тока измеряют изменения прямого напряжения. По формуле 2 стр.6 вычисляют тепловое сопротивление переход-корпус.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения теплового сопротивления. Точность зависит от мощности, рассеиваемой на исследуемом диоде. Чтобы получить высокую точность, необходимо подавать мощность, близкую к максимальной, рассеиваемой на данном типе диода. Но при таком режиме высока вероятность, что исследуемый прибор выйдет из строя. Поскольку перед измерением неизвестно его тепловое сопротивление. Если подавать небольшую мощность, то и изменение прямого напряжения на исследуемом диоде будет небольшим. А это приведет к уменьшению точности измерения теплового сопротивления переход-корпус.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем (см. патент Российской федерации №2174692. Устройство для измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем, опубл. 2001.10.10). Известное устройство содержит контактную колодку с клеммами для подключения выводов контролируемой цифровой интегральной микросхемы, источник питания, соединенный с клеммами для подключения выводов питания контролируемой цифровой интегральной микросхемы, генератор переключающих импульсов с линейно возрастающей частотой следования, выход которого соединен с клеммами для подключения выводов, являющихся входами контролируемой цифровой интегральной микросхемы, и устройство управления, представляющее собой ждущий мультивибратор, два устройства сравнения, источник двух опорных напряжений, временной селектор, реверсивный счетчик и индикатор, при этом один выход источника опорных напряжений соединен с одним из входов первого устройства сравнения, а второй его выход - соответственно с одним из входов второго устройства сравнения, другие входы обоих устройств сравнения соединены с клеммой для подключения выхода того логического элемента микросхемы, логическое состояние которого не изменяется, выходы обоих устройств сравнения соединены с входом устройства управления, выход устройства управления соединен с одним из входов временного селектора, второй вход которого соединен с выходом генератора переключающих импульсов, выход временного селектора соединен со счетным входом реверсивного счетчика, управляющий вход которого соединен с выходами устройств сравнения, выходы реверсивного счетчика соединены с входами индикатора. Принцип работы известного устройства состоит в том, что при линейном законе изменения греющей мощности соответствующей модуляцией частоты переключающих импульсов и измерении скорости изменения температурочувствительного параметра температура микросхем структуры металл - окисел - полупроводник (МОП) и комплементарные металл - окисел - полупроводник (КМОП) будут изменятся по закону, близкому к линейному.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, поскольку, чтобы получить высокую точность измерения теплового сопротивления, необходимо подавать на исследуемый полупроводниковый прибор мощность, близкую к максимальной. При этом есть опасность выхода из строя полупроводникового прибора. В результате сильного внутреннего разогрева полупроводникового прибора может возникнуть лавинный эффект, сопровождающийся тепловым пробоем.
Известное устройство не обладает универсальностью так, как может использоваться для измерения теплового сопротивления переход-корпус только МОП и КМОП микросхем. Для полупроводниковых приборов, таких как диоды, транзисторы, температура кристалла не связана линейной зависимостью с частотой питающих импульсов.
Технический результат - повышение точности и универсальности измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового прибора, а также уменьшения опасности выхода из строя контролируемого полупроводникового прибора.
Технический результат в устройстве для измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового прибора, содержащем контактную колодку с клеммами для подключения контролируемого полупроводникового прибора, два устройства сравнения, источник опорных напряжений, селектор, генератор тактовых импульсов, источник питания, счетчик, вход которого подключен к выходу селектора, один из входов которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выходы источника опорных напряжений подключены соответственно к входам устройств сравнения, другие входы устройств сравнения соединены между собой, достигается тем, что введены нагреватель, вентилятор, термометр, сосуд с диэлектрической жидкостью, усилитель, переключатель, вольтметр, источник тока, выход которого подключен к входу усилителя и контактной колодке с клеммами для подключения контролируемого полупроводникового прибора, а выход усилителя подключен к третьему контакту переключателя, первый контакт которого подключен к вольтметру, второй контакт переключателя подключен к соединенным входам устройств сравнения, а выходы устройств сравнения подключены к входам селектора соответственно, термометр, вентилятор и нагреватель погружены в сосуд с диэлектрической жидкостью, входы вентилятора и нагревателя соединены между собой и подключены к источнику питания.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для измерения теплового сопротивления переход-корпус с подключенным контролируемым полупроводниковым прибором. На фиг.2 представлена временная диаграмма работы устройства. На фиг.3, 4 представлены эквивалентные тепловые схемы. Устройство содержит: контактную колодку 1 для подключения контролируемого полупроводникового прибора, источник тока 2, выход которого подключен к входу усилителя 3 и контактной колодке 1 для подключения контролируемого полупроводникового прибора, переключатель 4, первый контакт которого подключен к вольтметру 5, второй контакт переключателя 4 подключен к соединенным между собой входам устройств сравнения 6 и 7, третий контакт переключателя 4 подключен к выходу усилителя 3, источник опорных напряжений 8, выходы которого подключены к другим входам устройств сравнения 6 и 7, селектор 9, один из входов которого подключен к генератору тактовых импульсов 10, выход селектора 9 подключен к входу счетчика 11, два других входа селектора 9 подключены к выходам устройств сравнения 6 и 7, нагреватель 12, вход которого подключен к входу вентилятора 13 и выходу источника питания 14, термометр 15, сосуд 16 с диэлектрической жидкостью 17.
В качестве контролируемого полупроводникового прибора может быть использован транзистор типа КТ819ГМ. В качестве выходного напряжения контролируемого полупроводникового прибора использовалось прямое падение напряжения на эммитерном переходе. Источник тока 2 может быть выполнен по схеме (см. А.Г.Алексенко и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. Стр.218, рис.6.6а). Усилитель 3 - может быть использована микросхема типа КР140УД17. Переключатель 4 может быть использован типа МТ-3. Вольтметр 5 - может быть использован прибор типа В7-21А. Устройства сравнения 6 и 7 - может быть использована микросхема КР597СА3. Источник опорного напряжения 8 - могут быть использованы две микросхемы типа КР142ЕН1А с регулировкой выходного напряжения. Селектор 9 может быть собран на микросхемах КР561ТМ2 и КР561ЛА7. Генератор тактовых импульсов 10 может быть выполнен по схеме генератора (см. ОСТ 11 340-79. Микросхемы интегральные полупроводниковые. Серия 564. Руководство по применению, черт. 280). Счетчик 11 может быть выполнен на микросхемах КР561ИЕ11. В качестве нагревателя 12 могут быть использованы проволочные резисторы типа ПЭВ-20. В качестве вентилятора 13 может быть использован двигатель постоянного тока типа ДПМ. Источник питания 14 - может быть использован блок питания типа Б5-7 с выходным током 3А. Термометр 15 - может быть использован лабораторный стеклянный термометр от 0 до 100°С по ГОСТ 16590-71. В качестве сосуда 16 может быть использован стакан из термостойкого стекла объемом 600 мл. В качестве диэлектрической жидкости 17 могут быть использованы полиметилсилоксановые жидкости марки ПМС по ГОСТ 13032-77 с изм. 1-3 (также см. Кремнийорганические продукты, выпускаемые в СССР, каталог-справочник. М.: Химия. 1970, с.52). Жидкости ПМС, в зависимости от вязкости, имеют различную температуру кипения. Например, жидкость ПМС-5 имеет температуру кипения 115°С. ПМС-6 - температура кипения 130°С. ПМС-3,0р - температура кипения 85°С. Таким образом, можно использовать жидкость, температура кипения которой близка максимально допустимой рабочей температуре исследуемого прибора. Кроме того, жидкости типа ПМС обладают высокими диэлектрическими свойствами и химически инертны даже при температуре кипения.
Устройство работает следующим образом. Устройство имеет два режима работы. Первый режим - калибровка, определения графика зависимости выходного напряжения контролируемого полупроводникового прибора от температуры. Второй режим - измерения теплового сопротивления переход-корпус контролируемого полупроводникового прибора. В первом режиме переключатель 4 устанавливается в положение, когда замкнуты контакты 1 и 3, выход контролируемого полупроводникового прибора через контактную колодку 1 подключается к входу усилителя 3, выход которого подключен к вольтметру 4, одновременно контактная колодка 1 подключена к источнику тока 2, который задает небольшой ток через контролируемый полупроводниковый прибор. Контактную колодку 1 с контролируемым полупроводниковым прибором погружают в сосуд 16 с диэлектрической жидкостью 17, которая имеет температуру окружающей среды. Тип диэлектрической жидкости подобран так, что температура кипения жидкости равна максимально допустимой рабочей температуре для данного контролируемого полупроводникового прибора. После включения источника питания 14 нагреватель 12 начинает нагрев диэлектрической жидкости 17. Вентилятор 13 осуществляет перемешивание диэлектрической жидкости 17. В процессе нагрева диэлектрической жидкости 17 одновременно снимают показания термометра 15 и вольтметра 5. После нагрева диэлектрической жидкости 17 до температуры кипения строят график зависимости выходного напряжения контролируемого полупроводникового прибора от температуры. На основе графика определяют напряжения Uc и Uк, которым соответствуют температура окружающей среды Тс и температуры кипения Тк диэлектрической жидкости 17. Режим калибровки завершен. Режим измерения теплового сопротивления. Переключатель 4 переключается в положение, когда замкнуты контакты 2 и 3. Контактная колодка 1 с подключенным контролируемым полупроводниковым прибором вынимается из сосуда 16 с диэлектрической жидкостью 17 и охлаждается до температуры окружающей среды. Источник питания 14 включен. Диэлектрическая жидкость 17 находится при температуре кипения и перемешивается вентилятором 13. На выходах источника опорных напряжений 8 устанавливаются напряжения U1 и U2 так, что U1<Uc и U2>Uк. Контактную колодку 1 с контролируемым полупроводниковым прибором быстро опускают в сосуд 16 с диэлектрической жидкостью 17, которая находится при температуре кипения. В результате быстрого нагрева контролируемого полупроводникового прибора напряжение на его выходе и соответственно на выходе усилителя 3 начинает падать, поскольку p-n переход имеет отрицательную зависимость прямого напряжения от температуры. График изменения напряжения на выходе усилителя 3 показан на фиг.2. Как только напряжение на выходе усилителя 3 сравнивается с напряжением U1, происходит переключение устройства сравнения 6, передний фронт импульса переключает селектор 9 и разрешает доступ импульсов генератора тактовых импульсов 10 на счетчик 11, который начинает счет импульсов. По мере нагрева контролируемого полупроводникового прибора до температуры кипения диэлектрической жидкости 17 напряжение на выходе контролируемого полупроводникового прибора и соответственно на выходе усилителя 3 падает до напряжения U2, происходит переключение устройства сравнения 7. Передний фронт импульса устройства сравнения 7 переключает селектор 9 и запрещает доступ импульсов генератора тактовых импульсов 10. Счетчик 11 останавливается. Цифрой код на выходе счетчика 11 будет показывать значение временного интервала t2-t1, за которое происходило нагревание контролируемого полупроводникового прибора. Как показано в Гайбейн В.М., Иванов С.В. и др. Экспресс-метод определения теплового сопротивления силовых модулей. - Электротехника №12, 2000 г. Стр.17, рис.9, эквивалентная тепловая схема любого полупроводникового прибора может быть представлена в виде последовательно соединенных RC цепей, где R - тепловое сопротивление, С - теплоемкость материала. Исходя из этой тепловой модели полное тепловое сопротивление полупроводникового прибора равно сумме тепловых сопротивлений переход-корпус и корпус -окружающая среда. Но, как показано в Федоренко Ю.С., Закс Д.И., Долматов Т.В. Условия однозначного определения тепловых параметров микросхем // Электронная техника. Сер.8. - 1974. - Т.28. - №10. - С.106-108, при нахождении прибора в перемешивающейся диэлектрической жидкости тепловое сопротивление корпус - окружающая среда будет минимально и им можно пренебречь. Поэтому тепловая схема упрощается, и будет иметь вид фиг.3, где R0, С0 - тепловое сопротивление и теплоемкость кристалла полупроводникового прибора. R1, C1 - тепловое сопротивление и теплоемкость припоя или теплопроводящего клея, с помощью которого кристалл крепится к корпусу полупроводникового прибора. R2, С2 - тепловое сопротивление и теплоемкость корпуса полупроводникового прибора. Выражение для температуры кристалла полупроводникового прибора в некоторый момент времени можно записать аналогично выражению для RC цепи фильтра нижних частот на скачок напряжения (см. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982. - 512 с., ил. рис.2.3а, формула 2.5). В нашем случае скачок напряжения заменяет скачок температуры, электрическое сопротивление заменяется на тепловое сопротивление, электрическая емкость заменяется на теплоемкость. Выражение будет иметь следующий вид:
Где Tpn - перегрев кристалла полупроводникового прибора за время Δt,
Tк - температура кипения диэлектрической жидкости,
Ri - тепловые сопротивления,
R0 - тепловое сопротивление кристалла полупроводникового прибора,
R1 - тепловое сопротивление припоя или теплопроводящего клея,
R2 - тепловое сопротивление корпуса полупроводникового прибора,
Ci - теплоемкости,
С0 - теплоемкость кристалла полупроводникового прибора,
С1 - теплоемкость припоя или теплопроводящего клея,
С2 - теплоемкость корпуса полупроводникового прибора,
Δt - время нагрева полупроводникового прибора.
Для корпусных полупроводниковых приборов теплоемкость корпуса полупроводникового прибора намного больше теплоемкости кристалла, поскольку размеры и масса корпуса значительно больше размеров и массы кристалла полупроводника. То же самое можно сказать о припое или теплопроводящем клее. Толщина этого материала равна нескольким десяткам микрометров. Поэтому выполняется следующее соотношение: С0, С1<<С2. Например, для транзистора КТ819ГМ вес корпуса равен 20 грамм, вес кристалла равен 0,05 грамм, вес корпуса в 400 раз больше веса кристалла полупроводника. Эквивалентная схема с учетом соотношения теплоемкостей примет вид, показанный на фиг.4. Формула для определения перегрева примет следующий вид:
где Т2-T1 - перегрев кристалла полупроводникового прибора за время Δt,
R=(R0+R1+R2) - тепловое сопротивление переход-корпус,
С - теплоемкость корпуса полупроводникового прибора,
Δt=(t2-t1) - время нагрева полупроводникового прибора (показания счетчика 11).
Температуры T1 и T2 определяют по зависимости, построенной в результате калибровки, и соответствуют напряжениям U1 и U2.
Δt - время нагрева прибора, показания счетчика 11. Величину С можно определить, поскольку известна масса и материал, из которого изготовлен корпус полупроводникового прибора. Отсюда можно вывести выражение для определения теплового сопротивления, поскольку известны все составляющие формулы,
Например, Тс=20°С, Тк=125°С, выбираем T1=25°С, T2=120°С, тогда тепловое сопротивление равно
Заявляемое устройство позволяет увеличить точность измерения теплового сопротивления переход-корпус, поскольку обеспечивается максимальный перепад температур для контролируемого полупроводникового прибора, а чем больше перепад температуры, тем выше точность измерения. При измерении теплового сопротивления переход-корпус контролируемый полупроводниковый прибор находится в перемешивающейся диэлектрической жидкости, поэтому тепловое сопротивление корпус полупроводникового прибора - среда будет иметь минимальное значение, а это также увеличивает точность измерения. При этом уменьшается вероятность выхода из строя контролируемого полупроводникового прибора, поскольку через него в момент измерения протекает небольшой измерительный ток. Это уменьшает вероятность возникновения лавинного теплового пробоя, который часто возникает при подаче на контролируемый полупроводниковый прибор большой мощности или тока при методах измерений, используемых в аналоге и прототипе. Заявляемое устройство обладает универсальностью, поскольку позволяет измерять тепловое сопротивление переход-корпус для любых типов полупроводниковых приборов в отличие от прототипа, который измеряет тепловое сопротивление переход-корпус только МОП и КМОП микросхем.