СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕХОД-КОРПУС И ТЕПЛОВОЙ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ ПЕРЕХОД-КОРПУС ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИЗДЕЛИЯ
METHOD FOR MEASURING TRANSITION-CASE THERMAL RESISTANCE AND TRANSITION-CASE THERMAL TIME CONSTANT OF A SEMICONDUCTOR PRODUCT

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров 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.
p-n
R
C
R
C
H
t
θ
t
P
t
Ti
Ti
Ti
Ti
Ti
n
0,
Ключевой задачей контроля тепловых свойств ППИ является определение параметров их тепловой эквивалентной схемы (см. фиг. 1, б), по которым можно рассчитать температуру активной области (-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 () и теплоемкостей () или тепловых постоянных времени  (τ = ·) отдельных элементов и слоев материалов, составляющих конструкцию ППИ (фиг. 1, а). Указанные параметры могут быть определены по переходной тепловой характеристике (ПТХ) () ППИ, то есть по изменению температуры Δ() активной области прибора при его саморазогреве рассеиваемой электрической мощностью заданного уровня включаемой в момент времени =0: .
P
t
θ
t
H
t
P
0
i
ni
i
i
0
Производители электронной компонентной базы (International Rectifier, Infineon, 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.] или способ по стандарту JESD51-14 standard [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  JESD51-14 standard], основанные на преобразовании ПТХ. В этих способах контролируемое ППИ разогревают последовательностью импульсов греющей электрической мощности заданного уровня  с изменяющейся по логарифмическому закону длительностью. После каждого импульса длительностью  по изменению ТЧП определяют приращение температуры перехода Δ() и вычисляют ПТХ () как отношение приращения температуры переходак греющей мощности . Параметры тепловой эквивалентной схемы ППИ в этом способе определяют по минимумам и максимумам первой производной ПТХ, полученной путем численного дифференцирования.
Недостатком указанных 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.
p-n
Для большинства практических приложений, в том числе для контроля качества сборки ППИ, ключевой задачей контроля тепловых свойств ППИ является определение параметров первого звена 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 (-переходом)  и основанием корпуса [cм., например, Сергеев В.А., Ходаков А.М. Нелинейные тепловые модели полупроводниковых приборов. – Ульяновск : УлГТУ, 2012. – 159 с.]. Параметры второго звена тепловой эквивалентной схемы ППИ:тепловое сопротивление корпус-среда и теплоемкость  корпуса ППИ характеризуют эффективность отвода тепла от корпуса ППИ и от внутренней конструкции и от качества сборки ППИ не зависят.
R
T
п-к
Методы измерения теплового сопротивления  полупроводниковых изделий подробно изложены в стандарте ОСТ 11 0944-96 [ОСТ 11 0944-96. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы расчета, измерения и контроля теплового сопротивления. – М. : ГУП НПП Пульсар, 1997. – 110 с.].
R
p-n
p-n
I
t
T
P
U
θ
θ
U
p-n
I
T
п-к
гр
и
сл
гр
гр
п
п
изм
изм
Наиболее близким к предлагаемому и выбранным за прототип является способ измерения  для полупроводниковых диодов (метод 6.1 в ОСТ11 0944-96), применимый для всех классов ППИ, содержащих -переходы, состоящий в том, что через -переход контролируемого ППИ пропускают импульсы греющего тока с заданными амплитудой , длительностью  и периодом следования , а для определения греющей ППИ мощности  измеряют падение напряжения  на нем во время протекания греющего тока. Приращение температуры перехода Δ по окончании импульса греющего тока определяют по изменению какого-либо ТЧП, линейно зависящего от температуры  перехода. Обычно в качестве ТЧП используют падение напряжения  на -переходе при пропускании через него малого измерительного прямого тока  и тепловое сопротивление  переход-корпус определяют по формуле
,                                          (1)
P
= I
·U
θ
U
p-n
U
гр
гр
гр
п
изм0
изм1,
з
где  – уровень греющей мощности, а приращение Δ температуры перехода в кельвинах определяют по разности значений напряжения на -переходе ППИ при протекании измерительного тока до подачи импульса греющего тока и напряжения измеренного с задержкой τ после окончания греющего импульса:
,                                            (2)
p-n
а ТКН – температурный коэффициент прямого напряжения на -переходе при заданном измерительном прямом токе, определяемый по известным методикам.
з
сл
и
и
Тп-к
з
Временные зависимости токов и напряжений на ППИ при измерении показаны на фиг. 3. Временная задержка τ измерения ТЧП после каждого греющего импульса необходима для завершения переходных электрических процессов, возникающих при переключении ППИ из режима нагрева в режим измерения ТЧП. В ОСТ 11 0944-96 установлены следующие значения параметров режима измерения: T/t ≥ 3, t = (3-5)τ, τ=10 мкс. Важным требованием данного способа является также то, что температура корпуса ППИ в процессе измерения должна оставаться постоянной.
Тп-к
Тп-к
Недостатком этого способа являются большая (до 25%) относительная погрешность измерения, обусловленная погрешностями измерения импульсных напряжений, большой неопределенностью в выборе длительности импульсов греющей мощности (от 3 до 5 τ), значительной неопределенностью самого значения τ и не учитываемым изменением температуры корпуса ППИ в процессе измерения. Для поддержания в процессе измерения температуры корпуса ППИ постоянной (и то только с некоторой погрешностью) необходимо применение достаточно сложных систем охлаждения теплоотвода (так называемых холодных плат), что сильно ограничивает применение способа в условиях массового контроля.
R
Тп-к
Известен также 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) по приращению температуры перехода диода в результате рассеивания в диоде импульсной СВЧ-мощности. При реализации способа для конкретного диода определяют ТКН при заданном прямом токе, размещают диод в диодной камере, задают через диод прямой ток, подают на диод импульсы СВЧ-мощности длительностью  с периодом следования, удовлетворяющим условию , где  время тепловой релаксации диода, проводят согласование диода, после каждого импульса мощности измеряют изменение прямого напряжения на диоде за время действия импульса СВЧ-мощности, и тепловое сопротивление определяют по формуле
,                                               (3)
Р
К
г
Р
где  - импульсная мощность генератора СВЧ-мощности;  -  коэффициент потерь в диодной камере, определенный известным методом.
Недостатками этого способа являются также большая относительная погрешность (до 25%) измерения, обусловленная погрешностями измерения импульсного напряжения и коэффициента потерь, а также большой неопределенностью в выборе длительности импульсов греющей мощности в диапазоне от 3  до 5 значений  и значительной неопределенностью самого значения .
Техническая задача состоит в расширении функциональных возможностей способа и в снижении погрешности измерения теплового сопротивления переход-корпус и тепловой постоянной времени переход-корпус полупроводникового изделия.
P
t
θ
θ
t
t
t
t
t
0
и
п
n
и
и
и
1≈
2
1
Технический результат достигается тем, что в способе измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового изделия, в котором на полупроводниковое изделие подают импульс электрической греющей мощности заданного уровня  длительностью , и по изменению какого-либо температурочувствительного параметра, линейно зависящего от  с известным температурным коэффициентом, измеряют приращения температуры Δ() активной области полупроводникового изделия после окончания импульса греющей мощности, отличие состоит в том, что длительность  импульса греющей мощности устанавливают равным 3, где  - приблизительное (оценочное) значение тепловой постоянной времени переход-корпус полупроводникового изделия, дополнительно измеряют приращения температуры перехода в моменты времени  и=2, а значение теплового сопротивления переход-корпус и уточненное (измеренное) значение тепловой постоянной времени переход-корпус находят по формулам
; ;                                  (4)
где .
t
P
0
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 =0 импульса греющей мощности  будет описываться  следующим выражением:
,              (5)
θ
0
где ,  - температура окружающей среды (начальная температура перехода),  -  тепловая постоянная времени корпус-среда ППИ.
t
t
t
t
t
t
1≈
п-к
2
1
3
и
1
п-к
к-с
Для заданных моментов времениτ,=2, ==3с учетом того, что для большинства современных ППИ выполняется условие τ<<τ, можно записать
;       (6)
;    (7)
;     (8)
В выражениях (6)-(8) для упрощения громоздких формул введено обозначение .
a
Умножая обе части выражения (6) на 2 и 3, и, вычитая из полученных выражений выражения (7) и (8), соответственно, получим два уравнения для нахождения значений параметра  и теплового сопротивления :
(9)
(10)
a
После деления (10) на (9) нетрудно получить выражение для :
,                                            (11)
Т
п-к
откуда легко вычисляется уточненное (измеренное) значение τ:
,                                               (12)
при этом значение  легко находится, например, из (9):
.                                          (13)
Технический результат  -  снижение погрешности  -  достигается за счет того, что в предлагаемом способе исключается неопределенность задания длительности импульса греющей мощности, значения искомых тепловых параметров находятся по результатам трех измерения из простых арифметических формул, при этом появляется дополнительная функциональная возможность определения уточненного значения тепловой постоянной времени переход-корпус ППИ.
При реализации способа в зависимости от вида контролируемого полупроводникового изделия и используемого при измерениях  температурочувствительного параметра ТЧП может измеряться либо непосредственно в процессе нагрева изделия поглощаемой мощностью (как, например, в способе по патенту РФ № 2676246), либо в короткие интервалы времени (см. фиг. 4), в течение которых греющая мощность отключается и задается режим измерения ТЧП (как, например, в способе по патенту РФ № 2766066).
t
1≈
Тп-к
п-к
к-с
Важной особенностью и преимуществом предлагаемого способа является то, что при его реализации не требуется выполнения точного равенства τ, достаточно лишь примерного равенства. При этом оценочное (примерное) значение тепловой постоянной времени переход-корпус для конкретного типа ППИ можно примерно найти из предварительных измерений или из паспортных данных ППИ, представляемых предприятием-производителем. При этом надо иметь в виду, что предлагаемый способ, как и известные способы,  не применим к ППИ, для которых условие τ<<τ не выполняется.