WPŁYW WYBRANYCH CZYNNIKÓW NA PARAMETRY TERMICZNE ELEMENTU PÓŁPRZEWODNIKOWEGO

1. WPŁYW WYBRANYCH CZYNNIKÓW NA PARAMETRY TERMICZNE ELEMENTU PÓŁPRZEWODNIKOWEGO Krzysztof Górecki Katedra Radioelektroniki MorskiejAkademia Morska w Gdyni

2. Plan referatu • Wprowadzenie - wzajemne oddziaływania elektrotermiczne • Definicje parametrów termicznych elementu półprzewodnikowego • Metody pomiaru parametrów termicznych • Zasilanie i sposób montażu a parametry termiczne • Podsumowanie

3. mechanizm skutki wzrost temperatury wnętrza energia elektryczna ograniczenie SOA ciepło temperatura wnętrza zmiana wartości parametrów elementów oraz układów parametry elektryczne pogorszenie niezawodności elementów lub układów napięcia i prądy zaciskowe Wprowadzenie Oddziaływania elektrotermiczne

4. Wprowadzenie - chłodzenie elementu • Mechanizmy odprowadzania ciepła: - przewodnictwo gdzie l - konduktywność cieplna, - konwekcja gdzie h - współczynnik przejmowania ciepła, TS - temperatura źródła ciepła, TC - temperatura płynu chłodzącego - promieniowanie gdzie  - stała Stefana-Boltzmanna

5. przypadek statyczny • przypadek dynamiczny 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

6. Definicje parametrów termicznych • przejściowa impedancja termiczna • rezystancja termiczna • skupiony model termiczny elementu dyskretnego

7. 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

8. Metody pomiaru parametrów termicznych • metody niszczące: - optyczne (m. in. termowizyjne) - chemiczne • metody nieniszczące - elektryczne

9. Metody pomiarowe

10. Wyniki pomiarów termowizyjnych BU323A na radiatorze; uCE = 38 V, iC = 1 A Tmax = 2500C, DT = 900C

11. Wyniki pomiarów termowizyjnych BU323A na radiatorze; uCE = 41 V, iC = 0,5 A Tmax = 1370C, DT = 400C

12. Wyniki pomiarów termowizyjnych BU323A bez radiatora; uCE = 44 V, iC = 0,12 A Tmax = 1570C, DT = 100C

13. Wyniki pomiarów termowizyjnych BU323 na radiatorze; uCE = 34 V, iC = 1 A Tmax = 1600C, DT = 400C

14. Wyniki pomiarów termowizyjnych 2N3055 z radiatorem uCE = 37 V, iC = 0,9 A obudowa stalowa: Tmax = 1040C, DT = 200C obudowa aluminiowa: Tmax= 2350C, DT = 1300C

15. Wyniki pomiarów metodami elektrycznymiwpływ polaryzacji elementu

16. Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wpływ sposobu realizacji mocy

17. Wyniki pomiarów metodami elektrycznymiwpływ temperatury otoczenia

18. Wyniki pomiarów metodami elektrycznymiwpływ wielkości pól lutowniczych i długości wyprowadzeń

19. fabryczna długość wyprowadzeń wyprowadzenia o długości 5 mm Wyniki pomiarów metodami elektrycznymiwpływ wielkości pól lutowniczych i długości wyprowadzeń A - folia miedziana 38x15 mm B - folia miedziana 15x3 mm C - lita miedź 3x27x75 mm

20. Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wpływ ustawienia elementu i wyboru parametru termoczułego parametr termoczuły - napięcie uEC parametr termoczuły - napięcie uBC

21. parametr termoczuły - napięcie uEC parametr termoczuły - napięcie uBC Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wpływ ustawienia elementu i wyboru parametru termoczułego

22. Wyniki pomiarów metodami elektrycznymiZth(t) dla różnych mocowań obudowy elementu

23. Wyniki pomiarów metodami elektrycznymiwpływ podkładki izolującej

24. Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wpływ siły docisku do radiatora

25. Wyniki pomiarów metodami elektrycznymi wzajemne sprzężenia termiczne

26. Wyniki pomiarów metodami elektrycznymiwzajemne sprzężenia termiczne - radiator

27. Wyniki pomiarów metodami elektrycznymiwzajemne sprzężenia termiczne - PCB

28. 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.

29. 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.

30. 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.