Upload
amish
View
69
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
WPŁYW WYBRANYCH CZYNNIKÓW NA PARAMETRY TERMICZNE ELEMENTU PÓŁPRZEWODNIKOWEGO. Krzysztof Górecki Katedra Radioelektroniki Morskiej Akademia Morska w Gdyni. Plan referatu. Wprowadzenie - wzajemne oddziaływania elektrotermiczne Definicje parametrów termicznych elementu półprzewodnikowego - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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.