СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕХОД-КОРПУС И ТЕПЛОВЫХ ПОСТОЯННЫХ ВРЕМЕНИ ПЕРЕХОД-КОРПУС КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ
METHOD FOR MEASURING THE JUNCTION-TO-CASE HEAT RESISTANCE AND THE JUNCTION-TO-CASE HEAT TIME CONSTANTS OF CRYSTALS OF SEMICONDUCTOR PRODUCTS INCLUDED IN AN ELECTRONIC MODULE

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров бескорпусных полупроводниковых изделий (ППИ) в составе электронных модулей и может быть использовано для контроля качества сборки электронных модулей как на этапах разработки и производства, так и на входном контроле предприятий-потребителей электронных модулей при оценке их температурных запасов.
В радиоэлектронных и электротехнических устройствах различного назначения широко применяются электронные модули с двумя бескорпусными ППИ (мощными транзисторами, диодами, монолитными интегральными схемами и др.), которые являются основными активными элементами электронного модуля, потребляют основную часть электрической мощности от источника питания; при этом мощностью, потребляемой другими элементами электронного модуля, как правило, можно пренебречь. Кристаллы ППИ в таких модулях монтируются на несущую плату, которая закрепляется, как правило, на массивном металлическом основании корпуса электронного модуля для эффективного отвода тепла. По существу, такие электронные модули представляют собой большую гибридную интегральную схему. Примерами таких модулей являются инверторы, выпрямители, транзисторные сборки, СВЧ-усилители мощности и др.
Активные ППИ обычно включаются симметрично относительно источника питания в схеме электронного модуля и имеют одинаковые значения параметров электрического режима работы при работе электронного модуля в номинальном режиме. Это в свою очередь, предполагает и равенство мощностей, потребляемых ППИ от источника питания; при работе на переменном или импульсном токе имеется в виду равенство мощностей, усредненных за период колебаний тока. Учитывая необходимость обеспечения одинаковых тепловых режимов работы ППИ, их кристаллы также обычно размещают симметрично на несущей плате модуля.
0
В большинстве практических случаев тепловой связью между активными элементами модуля можно пренебречь. Дискретная тепловая схема такого модуля в представлении Фостера показана на фиг. 1 (см., например, Сергеев В.А., Смирнов В.И., Тарасов Р.Г. Проблемы и возможности диагностики электронных модулей по тепловым характеристикам // Автоматизация процессов управления. - 2017. - №4. - С. 96-102.). В таком приближении изменение температуры активной области (рабочей поверхности) кристалла ППИ при подаче на модуль мощности P в момент времени t=0 будет описываться выражениями:
Tn-кi
Tn-кi
Tn-кi
ni
ni
0
ni
0
к
Tк-с
к-c
к-c
i
2
1
0
где τ.=RC - тепловая постоянная времени переход-корпус i-го кристалла ППИ; ΔT(t)=T(t)-T, Т(t) - температура перехода i-го кристалла ППИ; T - температура окружающей среды; T(t) - температура корпуса электронного модуля; τ = RTCT - тепловая постоянная времени корпус-среда электронного модуля; P - мощность рассеиваемая i-м ППИ, причем Р+Р=Р.
Заметим, что мощность, выделяющаяся в активных элементах электронного модуля, определяется в общем случае как разность между мощностью, потребляемой от источника питания, и мощностью, выделяющейся в нагрузке. При необходимости, мощность, потребляемую другими элементами электронного модуля, можно предварительно оценить или измерить.
Тк-с
Тn-к
Практически во всех электронных модулях (и мощных полупроводниковых приборах) в корпусном исполнении выполняется условие τ>>>τ, и ключевой задачей контроля тепловых свойств электронных модулей является определение теплового сопротивления переход-корпус и тепловой постоянной времени переход-корпус кристаллов ППИ в их составе.
В электронных модулях с возможностью независимого доступа и задания электрического режима ППИ для измерения тепловых сопротивлений переход-корпус ППИ можно использовать (в зависимости от класса ППИ) один из способов, установленных ОСТ 11 0944-96 Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы расчета, измерения и контроля теплового сопротивления. - М.: ГНПП «Пульсар», 1997.
0
01
01
И1
Tn-к
Tn-к
1
Tn-к
11
1
21
1
11
1
21
1
охл
Tк-с
02
02
И2
1
Tn-к
12
1
22
1
Наиболее близким к предлагаемому и принятым за прототип является способ измерения тепловых параметров кристаллов гальванически связанных ППИ в составе электронного модуля по патенту 2720185 РФ, состоящий в том, что на электронный модуль с двумя кристаллами ППИ, находящийся при начальной температуре T, в момент времени t подают импульс греющей мощности уровня P длительностью t≈(3÷5)τ, где τ - значение тепловой постоянной времени переход-корпус кристаллов ППИ, через интервал времени t≈τ после подачи импульса греющей мощности измеряют приращения температуры ΔT(t) и ΔT(t) активной области (поверхности) кристаллов первого и второго ППИ соответственно и ΔT(t) и ΔT(t) - в момент окончания импульса греющей мощности, после окончания первого импульса греющей мощности в течение времени t~τ электронный модуль оставляют выключенным для его охлаждения до начальной температуры, затем в момент времени t на электронный модуль подают импульс греющей мощности уровня Р длительностью t=t≈τ, измеряют приращения температуры ΔT(t) и ΔT(t) активной области (поверхности) кристаллов ППИ в момент окончания импульса греющей мощности и по результатам измерений рассчитывают тепловые параметры кристаллов ППИ по известным формулам.
01
И1
Tn-к
охл
Tк-с
Недостатком известного способа является большое время измерения, поскольку после воздействия первого импульса мощности уровня P длительностью t≈(3÷5)τ электронный модуль необходимо охлаждать до начальной температуры, при этом время охлаждения кристаллов ППИ до начальной температуры в естественных условиях должно быть в несколько (3÷5) раз больше, чем время разогрева. В известном способе время охлаждения t предлагается устанавливать порядка τ, что для электронных модулей с мощными активными элементами может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен секунд.
Техническая задача состоит в уменьшение времени измерения.
Технический результат достигается заявленным способом измерения.
01
01
И1
Tn-к
Tn-к
11
И1
21
И1
охл
И1
02
02
И2
Tn-к
12
И2
22
И2
И1
12
И2
22
И2
12
11
Способ измерения тепловых сопротивлений переход-корпус и тепловых постоянных времени переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий в составе электронного модуля, состоящий в подаче на электронный модуль с двумя бескорпусными полупроводниковыми изделиями в качестве активных элементов, находящийся при известной начальной температуре, импульса греющей мощности одного уровня и длительности, в охлаждении электронного модуля до начальной температуры, в подаче импульса греющей мощности другого уровня и длительности, в измерении приращений температуры кристаллов полупроводниковых изделий во время действия импульсов греющей мощности и в определении искомых тепловых параметров полупроводниковых изделий по результатам этих измерений, отличающийся тем, что вначале на электронный модуль в момент времени t подают импульс греющей мощности заданного уровня P длительностью t≈τ, где τ - значение тепловой постоянной времени переход-корпус кристаллов полупроводниковых изделий, измеряют приращения температуры ΔT(t) и ΔT(t) активной области (поверхности) кристалла первого и второго полупроводникового изделия соответственно по отношению к начальной температуре в момент окончания первого импульса греющей мощности, после окончания первого импульса греющей мощности в течение времени t≈(3÷5)t электронный модуль оставляют выключенным для его охлаждения до начальной температуры, затем в момент времени t на электронный модуль подают импульс греющей мощности уровня Р длительностью t≈(3÷5)τ и вновь измеряют приращения температуры ΔT(t) и ΔT(t) активной области (поверхности) кристаллов первого и второго полупроводниковых изделий соответственно через интервал времени t и ΔT(t) и ΔT(t) - в момент окончания второго импульса греющей мощности, по результатам измерений рассчитывают тепловые постоянные времени переход-корпус полупроводниковых изделий по формулам ,  и тепловые сопротивления переход-корпус - по формулам ,,  где Р=аР, , , .
И1
01
к
И1
И1
Суть изобретения поясним следующим анализом и эпюрами сигналов, приведенными на фиг. 2. Если измерить приращение температуры ППИ через интервал времени t после подачи на электронный модуль импульса мощности уровня Р, полагая, что полная мощность распределяется между двумя активными элементами электронного модуля, а изменение температуры корпуса ΔT(t) за время t пренебрежимо мало, можно составить систему уравнений:
02
И1
И2
Если после охлаждения электронного модуля до начальной температуры подать на него импульс мощность другого уровня Р и измерить приращение температуры ППИ через интервалы времени t и t после подачи греющей мощности, то получим еще четыре уравнения:
11
12
Разделив (3а) на (4а) и (3б) на (4б), получим систему уравнения для нахождения P и Р:
12
11
Откуда и Р=аР, где , , и далее тепловые сопротивления переход-корпус полупроводниковых изделий легко находятся из (4б) и (4г) по формулам ,  соответственно.
Tn-к1
Tn-к2
Разделив уравнение (3а) на (3б) и (4а) на (4б), получим систему уравнений для нахождения значений тепловых постоянных времени переход корпус τ и τ:
решение которой и дает искомые выражения:
Технический результат достигается за счет уменьшения времени охлаждения электронного модуля до начальной температуры после воздействия первого импульса греющей мощности, поскольку в предлагаемом способе первый импульс греющей мощности задается в (3÷5) меньшей длительности, чем в известном способе, соответственно уменьшится и время, необходимое для достижения начальной температуры. В реальных электронных модулях тепловая постоянная времени корпус-среда в 30÷50 раз больше тепловой постоянной времени переход-корпус и выигрыш во времени измерения может составить более 10 раз, что весьма актуально в условиях массового контроля.
1
И1
И1
Тn-к
И2
Тn-к
Tn-к
Заметим, что в предлагаемом способе, как и в прототипе, при выборе интервалов времени t и t необходимо выполнять примерные соотношения t≈τ и t ≈(3÷5)τ. При этом примерное значение τ можно оценить либо путем предварительного эксперимента, или расчетным путем.