WPŁYW WYBRANYCH CZYNNIKÓW NA PARAMETRY TERMICZNE

ELEMENTU PÓŁPRZEWODNIKOWEGO

Krzysztof Górecki

Katedra Radioelektroniki MorskiejAkademia Morska w Gdyni

Plan referatu

Wprowadzenie - wzajemne oddziaływania elektrotermiczne Definicje parametrów termicznych elementu

półprzewodnikowego Metody pomiaru parametrów termicznych Zasilanie i sposób montażu a parametry termiczne Podsumowanie

Wprowadzenie Oddziaływania elektrotermiczne

mechanizm skutki

temperatura wnętrza

parametry elektryczne

napięcia i prądy zaciskowe

ciepło

energia elektryczna

zmiana wartości parametrów

ograniczenie SOA

wzrost temperatury wnętrza

elementów oraz układów

pogorszenie niezawodności elementów lub układów

Wprowadzenie - chłodzenie elementu Mechanizmy odprowadzania ciepła:

- przewodnictwo

gdzie - konduktywność cieplna,

- konwekcja

gdzie h - współczynnik przejmowania ciepła, TS - temperatura źródła ciepła, TC - temperatura płynu chłodzącego

- promieniowanie

gdzie - stała Stefana-Boltzmanna

CSk TThF

44OSr TTF

TgradFp

Wprowadzenie - chłodzenie elementu Wyznaczenie temperatury wnętrza elementu na podstawie modelu

mikroskopowego wymaga sformułowania i rozwiązania układu czasowo-przestrzennych równań różniczkowych cząstkowych dla poszczególnych komponentów elementu oraz określenia warunków brzegowych i początkowych - konieczne dokładne dane technologiczne niedostępne dla użytkownika

skupiony model termiczny elementu dyskretnego

przypadek statyczny

przypadek dynamiczny

pRTT thaj

t

aj dxxpxtZTtT0

'

Definicje parametrów termicznych

H

jjth p

tTtTtZ

0

przejściowa impedancja termiczna

rezystancja termiczna

skupiony model termiczny elementu dyskretnego

tZR tht

th lim

p(t)

Tj Rthj-c Rthc-r Rthr-a

Cthj Cthc CthrTa

Informacje katalogowe

Przejściowa impedancja termiczna - unormowane czasowe przebiegi Zth(t), odpowiadające pobudzeniu ciągiem impulsów prostokątnych o różnym wypełnieniu wartość liczbowa Rthj-a (dla elementów małej mocy) lub Rthj-c (dla elementów dużej mocy) zwykle nie są określone warunki pomiaru w praktyce wyznaczenie tych parametrów wymaga przeprowadzenia pomiaru

Metody pomiaru parametrów termicznych

metody niszczące:

- optyczne (m. in. termowizyjne)

- chemiczne metody nieniszczące

- elektryczne

Metody pomiarowe

Metody termowizyjne Metody elektryczne pomiary natężenia promieniowania

podczerwonego

metoda niszcząca pomiar rozkładu przestrzennego

temperatury w elemencie bardzo silny wpływ emisyjności na

wynik pomiaru pomiary temperatury powierzchni

struktury

pomiar wartości parametruelektrycznego, którego wartość zależyod temperatury

metoda nieniszcząca pomiar uśrednionej temperatury

struktury konieczność kalibracji charakterystyki

termometrycznej najpopularniejszy parametr termoczuły

- napięcie na złączu p-nspolaryzowanym przewodząco

problem doboru wartości prądupomiarowego

Wyniki pomiarów termowizyjnych

BU323A na radiatorze; uCE = 38 V, iC = 1 ATmax = 2500C, T = 900C

Wyniki pomiarów termowizyjnych

BU323A na radiatorze; uCE = 41 V, iC = 0,5 ATmax = 1370C, T = 400C

Wyniki pomiarów termowizyjnych

BU323A bez radiatora; uCE = 44 V, iC = 0,12 ATmax = 1570C, T = 100C

Wyniki pomiarów termowizyjnych

BU323 na radiatorze; uCE = 34 V, iC = 1 ATmax = 1600C, T = 400C

Wyniki pomiarów termowizyjnych

2N3055 z radiatorem uCE = 37 V, iC = 0,9 A

obudowa stalowa: Tmax = 1040C, T = 200C

obudowa aluminiowa: Tmax= 2350C, T = 1300C

Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wpływ polaryzacji elementu

120

130

140

150

160

170

180

190

200

0 0,5 1 1,5 2

p [W]

Rth

[K

/W]

1N4749

Przebicie

Przewodzenie

Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wpływ sposobu realizacji mocy

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

iC [A]

Rth

j-a [

K/W

]

tranzystor bipolarnyp = 20 W

Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wpływ temperatury otoczenia

100

150

200

250

300

350

400

450

300 320 340 360 380 400 420 440 460

Ta [K]

Rth

j-a [

K/W

]

BC 107

iC = 40 mA

uCE = 5 V

tranzystor bez radiatora

tranzystor na radiatorze

Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wpływ wielkości pól lutowniczych i długości wyprowadzeń

350

400

450

500

550

10 20 30 40 50 60

l [mm]

Rth

j-a [

K/W

]

BAVP 17

i = 100 mATa = 300 K

S = 14 mm2

S = 2000 mm2

Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wpływ wielkości pól lutowniczych i długości wyprowadzeń

fabryczna długość wyprowadzeń wyprowadzenia o długości 5 mm

A - folia miedziana 38x15 mmB - folia miedziana 15x3 mmC - lita miedź 3x27x75 mm

80

100

120

140

160

180

200

220

0 100 200 300 400 500 600

i [mA]

Rth

[K

/W]

A

B

C

ZPY 56

Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wpływ ustawienia elementu i wyboru parametru termoczułego

parametr termoczuły - napięcie uEC

parametr termoczuły - napięcie uBC

20

24

28

32

36

40

1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

p [W]

Rth

[K

/W]

pionowo

poziomo

BU323A bez radiatora

Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wpływ ustawienia elementu i wyboru parametru termoczułego

parametr termoczuły - napięcie uEC

parametr termoczuły - napięcie uBC

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

7,5

3 8 13 18 23 28 33

p [W]

Rth

[K

/W]

pionowo

poziomo

BU323A na radiatorze

Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi Zth(t) dla różnych mocowań obudowy elementu

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

t [s]

Zth

(t)

[K/W

]

BC211

tranzystor bez radiatoratranzystor z małym radiatoremtranzystor z dużym radiatoremtranzystor w pojemniku teflonowym

Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wpływ podkładki izolującej

0

2

4

6

8

10

12

14

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

t [s]

Zth

(t)

[K/W

]

BD285 na radiatorze

bez warstwy pośredniejze smarem silikonowymz podkładką mikowąz podkładką ceramiczną

Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wpływ siły docisku do radiatora

10

12

14

16

18

20

22

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

p [N/mm2]

Rth

j-a [

K/W

]

BD 285

iC = 230 mA

uCE = 35 V

Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wzajemne sprzężenia termiczne

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

t [s]

Z(t

) [K

/W]

BU323A na radiatorze

tranzystor wyjściowytranzystor wejściowyradiator

Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wzajemne sprzężenia termiczne - radiator

2811

14

9

T1 T2

radiator (Al)

BC 107

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1,00E-04 1,00E-03 1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03

t [s]

Zth

(t)

[K/W

]BC107 Z11

Z12

p1 = uCE1.iC1 = 340 mW

Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wzajemne sprzężenia termiczne - PCB

T1 T2

PCB

Cu – szerokość 5 mm

1

50

1

BC 107 BC 107

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1,00E-04 1,00E-03 1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03

t [s]

Zth

(t)

[K/W

]

BC107 Z11

Z12

p1 = uCE1.iC1 = 200 mW

Podsumowanie

Parametry termiczne są silną funkcją punktu pracy i sposobu mocowania metody elektryczne umożliwiają ocenę wpływu wybranych czynników

elektrycznych i środowiskowych na parametry termiczne układu wtypowych warunkach jego pracy

metody termowizyjne umożliwiają ocenę rozkładu temperatury wewnątrzelementu, ale wymagają nieobudowanych struktur półprzewodnikowych

optymalizując warunki chłodzenia należy wziąć pod uwagę wpływ mocywydzielanych w innych elementach układu scalonego, umieszczonych nawspólnym radiatorze lub na wspólnej płytce drukowanej

można stosować różne podkładki ceramiczne, zdając sobie sprawę z faktu,że powodują one wzrost rezystancji termicznej

funkcję radiatora dla elementów małej mocy może spełniać pole lutownicze,którego wielkość wpływa także na warunki chłodzenia.

Więcej wyników badań w publikacjach zespołu

Zarębski J., Górecki K.: Pomiar rezystancji termicznej elementów półprzewodnikowych z wykorzystaniem systemu mikrokomputerowego. Sympozjum "Podstawowe Problemy Energoelektroniki i Elektromechaniki" PPE V, Ustroń 1993, s. 463.

Zarębski J., Górecki K.: Mikrokomputerowy system pomiarowy do wyznaczania rezystancji termicznej tranzystora bipolarnego. Pomiary, Automatyka, Kontrola, Nr 9, 1993, s. 209.

Zarębski J., Górecki K.: Thermal Transients in Bipolar Transistors; Measurements and Simulations. Int. Conf. on Information, Systems Methods Applied to Engineering Problems, Malta 1993, V. 2, p. 111.

Zarębski J., Górecki K.: A Method of the BJT Transient Thermal Impedance Measurement with the Double Junction Calibration. Proc. 11-th IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium (SEMI-THERM), San Jose (USA) 1995, p.80.

Zarębski J., Górecki K., Stepowicz W.J.: Wpływ sposobu zamocowania tranzystora na jego rezystancję termiczną, VI Konferencja Naukowa “Technologia Elektronowa” ELTE’97, Krynica 1997, t. 1., s. 708.

Górecki K., Zarębski J., Stepowicz W.J.: Problems of the Thermal Resistance Measurements of the Power Darlington Transistor, 4th International Workshop Mixed Design of Integrated Circuits and Systems MIXDES’97, Poznań 1997, p. 271.

Stepowicz W.J., Zarębski J., Górecki K.: Thermal Performance of the Selected Monolitic and Hybrid Circuits, Proceedings of the 20-th ISHM Poland, Jurata Sept. 15-18, 1996, International Society for Hybrid Microelectronics Poland Chapter, Wrocław 1997, p. 263.

Zarębski J., Górecki K.: Problem kalibracji charakterystyk termometrycznych przy pomiarze rezystancji termicznej tranzystora Darlingtona mocy metodą Rubina, Krajowy Kongres Metrologii KKM’98, Gdańsk 1998, t. 3, s. 434.

Więcej wyników badań w publikacjach zespołu (c.d.)

Górecki K., Zarębski J., Stepowicz W.J.: Influence of Mounting on the Thermal Resistance of Selected Microcircuits, Proceedings of the 21-th ISHM Poland, Ustroń October 5-8, 1997, International Society for Hybrid Microelectronics Poland Chapter, Wrocław 1998, p. 149.

Napieralski A., Zarębski J., Górecki K., Furmańczyk M.: Pomiar rezystancji i przejściowej impedancji termicznej inteligentnego układu scalonego MOS mocy. Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni Nr 34, Gdynia 1998, s. 42.

Zarębski J., Górecki K.: Problem doboru wartości prądu pomiarowego przy wyznaczaniu rezystancji termicznej tranzystora Darlingtona mocy metodą Rubina. Metrologia i Systemy Pomiarowe, t. 6, z. 3, 1999, s. 205.

Zarębski J., Górecki K.: Dwupunktowa metoda pomiaru rezystancji termicznej tranzystora Darlingtona mocy. Metrologia i Systemy Pomiarowe, t. 6, z. 4, 1999, s.431.

Zarębski J., Górecki K.: Application of the Impulse-Switched Method to Measure the Thermal Resistance of Semiconductor Devices. XII Polish National ConferenceApplication of Microprocessors in Automatic Control and Measurements, Warszawa, 2000, p. 121.

Stepowicz W.J., Zarębski J., Górecki K.: Wpływ wybranych czynników na rezystancję termiczną elementów półprzewodnikowych. IX Sympozjum “Podstawowe Problemy Energoelektroniki i Elektromechaniki” PPEE’2000, Wisła, 2000, s. 54.

Górecki K., Zarębski J.: Pomiary rozkładu temperatury na powierzchni struktury tranzystorów Darlingtona mocy. Elektronizacja, Not-Sigma, Warszawa, nr 12, 2000, s. 13.

Górecki K., Zarębski J.: Problem jednopunktowej kalibracji charakterystyk termometrycznych rzeczywistego złącza p-n. Krajowy Kongres Metrologii KKM 2001, Warszawa, 2001, t. 1, s. 99.