Способ измерения компонент теплового сопротивления мощных полупроводниковых приборов
METHOD OF MEASURING COMPONENT OF THERMAL RESISTANCE OF POWERFUL SEMICONDUCTOR INSTRUMENTS

Изобретение относится к технике измерения теплофизических параметров полупроводниковых приборов и может быть использовано для контроля их качества.
Tjx
Тепловое сопротивление R полупроводниковых приборов относительно корпуса или окружающей среды согласно стандарту JESD51-1 (IC Thermal Measurement Method - Electrical Test Method (Single Semiconductor Device) EIA/JEDEC JESD51-1 standard, 1995) определяется выражением:
j
Х
где T - температура p-n-перехода полупроводникового прибора; Т - фиксированная температура корпуса или окружающей среды; Р - мощность, рассеиваемая в полупроводниковом приборе.
j
ТЧП
изм
Температуру T p-n-перехода определяют косвенным способом по результатам измерения температурочувствительного параметра. Для мощных диодов и биполярных транзисторов в качестве температурочувствительного параметра используют прямое падение напряжения U на p-n-переходе при протекании через него малого измерительного тока I, для MOSFET-транзисторов - прямое падение напряжения исток-сток при закрытом канале транзистора или сопротивление открытого канала, для IGBT-транзисторов - прямое падение напряжения между коллектором и эмиттером при открытом канале транзистора.
Способ измерения теплового сопротивления мощных MOSFET-транзисторов определяется стандартом JESD24-3 (Thermal Impedance Measurements for Vertical Power MOSFETs (Delta Source-Drain Voltage Method). JEDEC JESD24-3 standard, 2002), для IGBT-транзисторов используют стандарт JESD24-6 (Thermal Impedance Measurements for Insulated Gate Bipolar Transistors. JEDEC JESD24-6 standard, 2002).
В обоих стандартах используют пропускание через полупроводниковый прибор импульса греющего тока и измерение температуры p-n-перехода транзистора до и после импульса греющего тока. Способ обладает невысокой точностью, поскольку на результаты измерения оказывает влияние ряд факторов, которые сложно учесть из-за их неопределенности. Так, согласно стандарту JESD24-3, длительность импульса греющего тока в зависимости от корпуса транзистора должна составлять величину от 10 до 100 мс. Предполагается, что за это время температура кристалла транзистора достигнет стационарного состояния, а температура корпуса практически не изменится. В действительности это не так и определить оптимальную длительность импульса греющего тока, при которой погрешность измерений минимальна, без проведения специальных исследований для каждого конкретного образца, невозможно.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ измерения теплового сопротивления полупроводниковых приборов, изложенный в стандарте JESD51-14 (Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow through a Single Path / JEDEC standard JESD51-14, 2010).
ТЧП
ТЧП
ТЧП
j
Суть способа, взятого в качестве прототипа, состоит в том, что на объект измерения - полупроводниковый прибор подают ступеньку греющей мощности заданной величины и в процессе разогрева периодически на короткое время отключают греющую мощность и измеряют U. Временные интервалы между измерениями U подбирают одинаковыми по логарифмической шкале времени. Это позволяет, с одной стороны, обнаруживать особенности изменения температуры p-n-перехода на начальном этапе его разогрева и в то же время ограничивает общее количество измерений U для последующей их математической обработки. Типичный вид кривой нагрева, представляющей собой зависимость температуры T p-n-перехода от времени t нагрева, представлен на фиг. 1.
На кривой нагрева отчетливо проявляются участки медленного и быстрого изменения температурного отклика, соответствующие характерным слоям конструкции полупроводникового прибора. Участок медленного изменения (полка) соответствует накоплению тепла в теплоемкости определенного слоя; участок быстрого изменения наблюдается, когда тепловой поток достигает следующего слоя. Таким образом, кривая нагрева несет в себе информацию о вкладе в общее тепловое сопротивление отдельных элементов конструкции полупроводникового прибора, по которым распространяется тепловой поток, например, p-n-переход кристалла - кристаллодержатель - корпус - радиатор - окружающая среда.
j
ТΣ
ТΣ
Для получения детальной информации о вкладе отдельных элементов конструкции полупроводникового прибора в общее тепловое сопротивление на основе измерений T(t) вычисляют кумулятивную структурную функцию, представляющую собой зависимость суммарной теплоемкости C от суммарного теплового сопротивления R, которые определяются выражениями:
j
где Р - величина рассеиваемой в полупроводниковом приборе тепловой мощности, T (t=0) - начальная температура p-n перехода.
TΣ
TΣ
Типичный вид кумулятивной структурной функции показан на фиг. 2. Дифференцирование кумулятивной структурной функции C(R) позволяет выявить участки ее резкого роста, что позволяет определить компоненты теплового сопротивления полупроводникового прибора. При этом для определения компонент теплового сопротивления требуется поддерживать температуру корпуса полупроводникового прибора или температуру окружающей среды постоянной.
Недостатком прототипа является существенная погрешность определения компонент теплового сопротивления мощных полупроводниковых приборов из-за большой рассеиваемой мощности, вызывающей существенный нагрев корпуса полупроводникового прибора.
Технический результат - повышение точности измерения компонент теплового сопротивления мощных полупроводниковых приборов.
ТЧП
j
TΣ
TΣ
ТЧП
j
j
гр
ТЧП
i
j
i
гр
j
i+1
ТΣ
ТΣ
Технический результат достигается тем, что, как и в прототипе, на мощный полупроводниковый прибор воздействуют греющей мощностью заданной величины, в процессе разогрева периодически на короткое время отключают греющую мощность и измеряют температурочувствительный параметр U, после чего на основе измерения временной зависимости температуры T(t) p-n-перехода вычисляют кумулятивную структурную функцию C(R), а затем с помощью дифференцирования кумулятивной структурной функции выявляют участки ее резкого роста и определяют компоненты теплового сопротивления мощных полупроводниковых приборов. В отличие от прототипа, в котором временные интервалы между измерениями U подбирают одинаковыми по логарифмической шкале времени, а для расчета структурной функции используют изменение температуры T(t) p-n-перехода относительно начальной температуры T(t=0) p-n-перехода, в заявляемом изобретении через мощный полупроводниковый прибор пропускают последовательность из N импульсов греющего тока заданной амплитуды I, длительность которых увеличивают по логарифмическому закону, для каждого i-го импульса тока на основе измерения температурочувствительного параметра U до начала формирования i-го импульса тока в момент времени t определяют температуру T(t) p-n-перехода, измеряют падение напряжения U на объекте во время пропускания через него импульса тока, определяют температуру T(t) p-n-перехода после окончания i-го импульса тока, затем вычисляют кумулятивную структурную функцию C(R) по формулам:
TΣ
TΣ
после чего с помощью дифференцирования кумулятивной структурной функции C(R) выявляют участки ее резкого роста и определяют компоненты теплового сопротивления мощных полупроводниковых приборов.
гр
изм
ТЧП
ТЧП
j
Сущность способа поясняет фиг. 3. На фиг. 3а показана временная зависимость тока I через мощный полупроводниковый прибор, представляющая собой последовательность импульсов греющего тока постоянной амплитуды I, длительность которых увеличивается по логарифмическому закону, в паузах между импульсами протекает измерительный ток I, создающий на p-n-переходе прямое падение напряжения U (фиг. 3б), линейно зависящее от температуры. Измерив U до начала формирования каждого i-го импульса греющего тока и после его завершения, определяют изменение температуры p-n-перехода ΔT (фиг. 3в), вызванное протеканием через объект i-го импульса:
j
j
i+1
j
i
ΔT=T(t)-T(t).
TΣ
TΣ
Затем по формулам (1) вычисляют кумулятивную структурную функцию C(R), анализ которой позволяет определить компоненты теплового сопротивления мощного полупроводникового прибора.
Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на фиг. 4. Устройство содержит источник 1 измерительного тока; формирователь 2 греющих импульсов, управляемый микроконтроллером 3; аналого-цифровой преобразователь 4, вход которого соединен с объектом измерения - мощным полупроводниковым прибором 5, а выход - с микроконтроллером 3.
гр
ТЧП
изм
ТЧП
ТЧП
j
TΣ
TΣ
Способ осуществляют следующим образом. С выхода формирователя 2 греющих импульсов через объект измерения - мощный полупроводниковый прибор 5 пропускают заданное микроконтроллером 3 количество импульсов греющего тока I, длительность которых увеличивается по логарифмическому закону. В паузах между греющими импульсами измеряют температурочувствительный параметр - прямое падение напряжения U на p-n-переходе объекта, возникающее при протекании через него измерительного тока I, сформированного источником 1. Напряжение U с помощью аналого-цифрового преобразователя 4 преобразуют в цифровой код, поступающий в микроконтроллер 3, в результате чего в памяти микроконтроллера 3 формируют массив значений {U}, который преобразуют в массив температур {T} p-n-перехода. Затем по формулам (1) вычисляют кумулятивную структурную функцию C(R), после чего проводят ее анализ и определяют компоненты теплового сопротивления мощного полупроводникового прибора.
Повышение точности измерения компонент теплового сопротивления мощных полупроводниковых приборов достигается за счет того, что в отличие от прототипа, в котором при расчете кумулятивной структурной функции используют изменение температуры p-n-перехода относительно начальной температуры корпуса полупроводникового прибора, которая из-за рассеиваемой в приборе мощности не остается постоянной, в заявленном способе изменение температуры p-n-перехода определяют после каждого импульса греющего тока, что снижает влияние нагрева корпуса прибора на точность измерения его теплового сопротивления.