Способ автоматизированного контроля тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов
METHOD FOR AUTOMATED MONITORING OF THERMAL RESISTANCES OF SEMICONDUCTOR DEVICES

Способ относится к технике контроля полупроводниковых приборов (ПП) и может быть использован для автоматизированного контроля теплового сопротивления различных диодов, транзисторов, импульсных преобразователей и других полупроводниковых устройств, имеющих с своей структуре p-n переходы.
Задачей способа является сокращение времени контроля теплового сопротивления полупроводниковых приборов и обеспечение возможности определять тепловое сопротивление диодов на обычном (не приспособленном для этого) тестере, что обеспечивает проведение сплошного контроля выпускаемой продукции и исключает попадание в эксплуатацию полупроводниковых приборов с тепловым сопротивлением, не соответствующим техническим требованиям.
Технический результат достигается тем, что используется свойство экспоненты быстро изменяться на начальном участке и особенность переходной тепловой характеристики (ПТХ) полупроводникового прибора, аппроксимируемой двумя экспонентами. Полупроводниковые приборы имеют в своей конструкции обычно небольшой нагревающийся кристалл и более массивный корпус.
Известен способ измерения теплового сопротивления [1] (ГОСТ24461-80), заключающийся в определении зависимости температурочувствительного параметра диода от температуры и определении на втором этапе разности температур кристалла и корпуса. Тепловое сопротивление переход-корпус определяется как отношение разности температур между переходом и корпусом к мощности нагрева при установившемся номинальном режиме.
F
T
J
В качестве температурочувствительного параметра рекомендуется использовать прямое напряжение u для диодов или напряжение в открытом состоянии u для тиристоров и симметричных тиристоров. Температура кристалла T определяется по градуировочной характеристике прибора. Градуируется полупроводниковый прибор в термостате при протекании измерительного тока, не влияющего на тепловое равновесие.
Недостатком данного способа являются большие временные и энергетические затраты, что не позволяет его использование в серийном производстве.
thjc
thjc
thjc
heati
hc
heati
heat
heati
(n)
(n)
(n)
Известен «способ определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении» [2]. Определение R производят в три этапа испытания и измерения информативных параметров, и этапа определения Z и R В процессе нагрева в моменты времени t n-ого интервала измерения запоминаются значения u(t) и i(t), и вычисляется средняя мощность потерь по формуле:
с
hc
c
После достижения Т=90°С нагрев прекращается. В процессе остывания измеряются u(t) и T(t), и вычисляется ТКН:
3
Дополнительно вычисляется производная ТКН по времени (dTKH(t)/dt). В момент термодинамического равновесия t, когда dTKH(t)/dt=0, величина ТКН принимает истинное значение. Оно запоминается и используется для дальнейшего расчета.
Далее по полученной информации в процессе испытания рассчитывается временная характеристика динамического теплового сопротивления переход-корпус:
hc
heat
c
heat
(n)
n)
где u(t) и T(t) - значение термочувствительного параметра и температуры корпуса силового ПП в конце n-го периода измерения в процессе нагревания.
thjc
В полученной характеристике, находится максимальное значение, которое и принимается за величину R.
hc
thja
По измеренной характеристике u(t) определяется переходное тепловое сопротивление переход-среда Z:
Недостатками данного способа являются высокая трудоемкость, сложность реализации и длительный процесс измерения.
J
J
J
Известен способ, рекомендуемый международным стандартом EIA/JEDEC JESD51-1 standard [3], заключающийся в нагревании полупроводникового прибора ступенькой (импульсом) греющей мощности и измерении температуры p-n-перехода T(t) в процессе нагрева объекта до достижения стационарного состояния. Для измерения T(t) греющая мощность периодически отключается на короткое время (на несколько единиц или десятков микросекунд) и измеряется термочувствительный параметр - падение напряжения на p-n-переходе при малом прямом токе. По переходной тепловой характеристике (ПТХ) T(t) определяют компоненты теплового сопротивления, соответствующие отдельным слоям структуры или конструкции объекта. Информация о тепловых параметрах объекта получается за один временной скан, не превышающий обычно по длительности от несколько сотен секунд до тысячи и более при общем количестве отсчетов температуры не более 2000 (200 отсчетов на декаду). Погрешность измерения ПТХ обусловлена погрешностью квантования аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и влиянием переходных тепловых и электрических процессов при переключении полупроводникового прибора из режима разогрева в режим измерения. На основе стандарта [3] разработаны известный зарубежный тестер T3Ster [4] и его китайский аналог TRA-200 НЕО -200.
Известен «способ определения теплового импеданса полупроводниковых диодов [5], в котором через объект пропускают последовательность греющих импульсов тока с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), осуществляемой по гармоническому закону, и измеряют температуры перехода в паузах между импульсами по изменению напряжения на p-n-переходе при малом измерительном токе. На основе вычисления амплитуд и фаз основных гармоник греющей мощности и температуры p-n-перехода определяется модуль теплового импеданса и сдвиг фаз между температурой p-n-перехода и греющей мощностью. Параметры тепловой цепи определяются по зависимости модуля теплового импеданса от частоты модуляции греющей мощности. Данный способ реализован в измерителе теплового импеданса полупроводниковых приборов RthMeter [6]. Этот способ несколько точнее предыдущего, но более длительный.
0
п
к
к
0
п
к
1
1
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является экспресс-метод [7], заключающийся в том, что полупроводниковый кристалл нагревают путем пропускания через него постоянного тока I, заданной амплитуды, измеряют в процессе нагревания значение его температурочувствительного параметра, в качестве которого используют прямое падение напряжения на кристалле U, отличающийся тем, что на интервале нагревания дополнительно измеряют температуру основания корпуса Т прибора в выбранной точке, запоминают эти значения, получая их зависимости от времени t, прекращают нагрев полупроводникового кристалла при достижении температуры Т заданного значения и в режиме естественного охлаждения при подаче на кристалл коротких измерительных импульсов тока с амплитудой I и скважностью, не влияющих на тепловое равновесие прибора, измеряют и запоминают значения температурочувствительного параметра и температуры основания корпуса, получая зависимости U(t) и Т(t) уже на интервале охлаждения, при этом длительность интервала охлаждения выбирают из условия безусловного выполнения t>>3τ, где τ - наибольшая тепловая постоянная конструкции прибора, определяют момент динамического равновесия t, на интервале нагрева и по полученным зависимостям вычисляют тепловое сопротивление переход-корпус в данной точке t.
В рассмотренном экспресс-методе определение теплового сопротивления осуществляется по сложному алгоритму за время порядка ста секунд, однако поскольку измерения выполняются не при номинальном режиме, а мощность излучения зависит в четвертой степени от температуры, то достоверность результатов таких измерений вызывает сомнения. Кроме того, длительность измерений в сотню секунд достаточно велика, что ограничит применение этого экспресс-метода в серийном производстве.
изм
изм
Предлагается способ для автоматизированного контроля теплового сопротивления полупроводниковых приборов в серийном производстве, использующий особенность их переходной тепловой характеристики (ПТХ), аппроксимируемой двумя экспонентами, и свойство экспоненты быстро изменяться на начальном участке, отличающийся тем, что для одного диода из партии диодов, подлежащих контролю, выбранного в качестве эталонного, определяют известными методами тепловое сопротивление и переходную тепловую характеристику (ПТХ), аппроксимируют ее двумя экспонентами, определяют меньшую тепловую постоянную времени, характеризующую начальный участок ПТХ, и рассчитывают время дальнейших измерений, равное половине меньшей тепловой постоянной времени t=τ/2, затем эталонный диод устанавливают на тестер, включают номинальный ток на время равное половине постоянной времени t=τ/2, потом отключают этот ток и измеряют прямое напряжение на ПП при малом измерительном токе и сохраняют в памяти тестера эти значения. Остальные ПП данной партии контролируются на этом тестере при тех же условиях. Каждый ПП устанавливают на тестер, включают номинальный ток на время равное половине постоянной времени τ, потом отключают этот ток и измеряют прямое напряжение на ПП при малом измерительном токе. За названное время кристалл ПП достаточно нагреется, тепловой поток от кристалла к корпусу организуется и, если к этому времени прямое напряжение на p-n переходе испытуемого ПП станет равным аналогичному напряжению эталонного ПП, то при дальнейшем увеличении времени нагрева кристалл и корпус испытуемого ПП нагрелись бы до тех же температур, что имел эталонный, так как условия изготовления, нагрева и охлаждения аналогичны. Это позволяет присвоить испытуемому ПП такое значение теплового сопротивления, какое имел эталонный ПП.
Преимущество предлагаемого способа перед известными заключается в значительном сокращении времени контроля теплового сопротивления, что позволяет организовать стопроцентный контроль теплового сопротивления ПП. После выполнения подготовительных операций время контроля каждого ПП составляет несколько секунд, а время контроля теплового сопротивления известными способами на известных тестерах, например, T3Ster или RthMeter составляет сотни и даже более тысячи секунд.
Другое не менее важное преимущество предлагаемого способа заключается в возможности контроля теплового сопротивления диодов на практически любом тестере, контролирующем электрические параметры, поскольку необходимо только задавать греющий и измерительный токи на определенное время и измерять прямое напряжение на диоде.
F
F
изм
F
F
Для реализации предлагаемого способа сначала определяют для эталонного ПП зависимость температурочувствительного параметра (прямое напряжение u(T) на p-n переходе при малом измерительном токе) от температуры Т в соответствии с [1]. Затем определяется переходная тепловая характеристика u(t) аналогично [3]. После аппроксимации полученной переходной тепловой характеристики (ПТХ) двумя экспонентами, определяют меньшую постоянную времени τ на начальном участке ПТХ и время последующих измерений t=τ/2. Потом определяют тепловое сопротивление эталонного ПП любым способом, например, в соответствии с [1]. Нагревают до установившегося теплового режима, отключают греющий ток и измеряют напряжение u при заданном измерительном токе, определяют температуру кристалла, пользуясь зависимостью u(T), измеряют температуру корпуса, например, термопарой, и рассчитывают тепловое сопротивление эталонного полупроводникового прибора в соответствии с [1].
F
F
Перед контролем параметров остальных ПП данной партии устанавливают на тестер эталонный ПП, измеряют прямое напряжение u на p-n переходе до и после нагрева его в течении времени, равном τ/2, номинальным током. Эти цифры сохраняют в памяти тестера. Остальные ПП контролируются на этом тестере при тех же условиях и, если измеренное у них напряжение u отличается от эталонного в пределах допуска, то им присваивается значение теплового сопротивление эталонного ПП.
Литература
1. ГОСТ 24461-80. Приборы полупроводниковые силовые. Методы измерений и испытаний.
2. Патент РФ 2300115, МПК G01R 31/26. Способ определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении / Н.Н. Беспалов (RU), М.В. Ильин (RU). опубл. 27.05.2007, Бюл. №15.
3.IС Thermal Measurement Method - Electrical Test Method (Single Semiconductor Device) EIA/JEDEC JESD51-1 standard. - URL: http://www.jedec.org/download/search/jesd51-1.pdf.
4. T3Ster - Thermal Transient Tester. - URL: www.mentor.com/micred.
5. Патент РФ №2402783, МПК G01R 31/26. Способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов / В.А. Сергеев, В.И. Смирнов, В.В. Юдин и др. // - Опубл. 2010. - Бюл. №30.
6. Измеритель теплового сопротивления светодиодов и светодиодных модулей. URL: http://www.yseelectro.ru/rus/catalog/category38/category42/izmeritel.shtml.
7. Патент РФ. №2240573 МПК: G0131. Экспресс-метод измерения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении, Флоренцев С.Н., Гарцбейн В.М., Иванов С.В., Романовская Л.В., опубл. 20.11.2004 г.