Измерение тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых приборов

March 9, 2015 by admin Комментировать »

Как было отмечено выше, на практике необходимо знатьчисленные значения как минимум двух типов тепловых сопротивлений, которые вы

числяются с использований следующих выражений:

Рис. 6.5. Зависимость нормированного теплового сопротивления от скорости воздушного потока для корпуса DIP 16

Рис. 6.6. Зависимость теплового сопротивления от площади кристалла для корпуса DIP 16: от материала кристаллодержателя (а); для двух способов монтажа (пайка на печатную плату или устройство контактирования УКФ) (б)Для определения численного значения величины теплового сопротивления необходимо знать температуру кристалла, корпуса и окружающей среды, а также мощность, которую рассеивает силовая микросхема или полупроводниковый прибор и которая определяется из простейшего соотношения:

где U — напряжение питания; I — ток потребления.

Обычно температура среды Т определяется термометром. Сложнее определить температуру корпуса Г ор или кристалла Гр.

Температуру корпуса определяют с помощью термопары, для чего непосредственно под кристаллом в теле корпуса просверливают неглубокое отверстие и вставляют туда термопару на теплопроводящей пасте.

Температуру кристалла определяют с использованием внутренних датчиков. Такими датчиками являются p-η переходы (диоды), которые являются элементной базой любого полупроводникового прибора. Напряжение на диоде, включенного в прямом направлении, зависит от температуры (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Зависимость £/д от температуры

Оно падает на 1,5-2,2 мВ при повышении температуры на 1 °С. Однако для каждого диода температурная зависимость своя, поэтому перед определением температуры на кристалле при помощи диода последний надо откалибровать, т.е. снять зависимость UR от Т°С при заданном токе /д. Значение тока /д выбирается таким, чтобы не нагревать сильно кристалл, т.е. гораздо меньшим, чем собственный ток потребления микросхемы (< 1 мА).

Причем для разных приборов одной и той же микросхемы эта зависимость может различаться. Для более точного определения температуры кристалла необходимо калибровать каждый прибор.

После калибровки на ИМС подают электрический режим, выдерживают в нем время, достаточное для установления теплового равновесия (обычно до 20 мин.), и определяют температуру кристалла в соответствии с калибровкой диода, температуру корпуса определяют термопарой.

Более точный результат можно получить, если при измерении температуры не переключать микросхему из рабочего режима в режим определения напряжения на диоде – датчике, а измерения проводить параллельно. Однако температура кристалла не одинаковая: по всей его поверхности — на кристалле имеются элементы, нагретые больше других, при этом разница температур может достигать несколько десятков градусов.

Более точные результаты позволяет получать тепловизионный метод. Принцип действия тепловизора аналогичен прибору ночного видения — он фиксирует инфракрасное излучение и дополнительно к прибору ночного видения градуирует излучение по температуре, т.е. является прибором, измеряющим температуру.

Ниже представлены экспериментальные результаты исследований тепловых сопротивлений мощных МОП транзисторов, посаженных на радиатор. Транзисторы были собраны в металлостеклянном корпусе ТО-254. Поскольку распределение тепловых полей исследовались при большой мощности рассеивания в несколько десятков ватт, транзисторы были посажены с использованием теплопроводящей бериллиевой пасты на радиаторы, прикрученные винтом. Для выравнивания излучательной способности различных элементов сборки (кристалл, корпус, выводы) проведено чернение приборов при помощи сажи. Контроль тепловых полей проводился после достижения квазиравновесного состояния (в течение 1—2 мин. существенного изменения распределения тепловых полей не происходит). Измерения проводились с использованием тепловизионной системы Agema 880. Камера системы позволяет видеть распределение температуры по всему прибору, поэтому предоставляется возможность определения температуры каждого отдельного элемента конструкции.

На рис. 6.9 (см. цв. вклейку) представлена полученная термограмма распределения температуры, а в табл. 6.1 — результаты статистической обработки этой термограммы.

Рис. 6.9. Термограмма распределения температур на МОП-транзисторе, включенном с радиатором

Таблица 6.1. Результаты статистической обработки термограммы

Параметр

Режим включения Vg = 10 В; Vd = 3,82 В; /d = 19 А; Р= 72,58 Вт

Температуры, °С

Максимальная

Средняя

Температура кристалла, T1(AR1)

122

115

Температура кристаллодержателя, T2(AR3 + AR4)

96,1

82

Температура основания корпуса, измеренная у винта крепления, ТЗ

70,5

68

Максимальная температура проволоки истоковых петель разварки, Т4 (SP1)

139

Максимальная температура вывода сток непосредственно у корпуса, Т5

97,1

Максимальная температура вывода исток непосредственно у корпуса, Т5

96,1

Температура радиатора вблизи корпуса, Т7

59,1

57,5

Следует обратить внимание, что максимальную зарегистрированную температуру имеют проволоки истоковых петель разварки (примерно на 20 °С выше, чем максимальная температура кристалла). Это может говорить о необходимости увеличения диаметра используемой при разварке проволоки.

Однако для расчета тепловых сопротивлений в общем случае используются только некоторые из приведенных параметров.

На основе приведенных выше результатов измерений произведем расчет тепловых сопротивлений, используя следующие выражения:

Аналогичные экспериментальные исследования были проведены для случая использования мощных МОП транзисторов без радиатора в металлическом корпусе ТО-3, поскольку конструктор силового устройства не всегда имеет возможность предусмотреть место для радиатора. На рис. 6.10 представлена термограмма распределения температур для такого МОП транзистора без радиатора, а в табл. 6.3 представлены основные результаты статистической обработки параметров этой термограммы.

Рис. 6.10. Термограмма распределения температур на МОП-транзисторе, включенном без радиатора

Таблица 6.3. Результаты статистической обработки термограммы

Параметр

Режим включения Vd = 3,0 В; U = 2,5 А; Р= 7,5 Вт

Температуры, °С

Максимальная

Средняя

Температура кристалла, T1(AR1)

149

135

Температура кристаллодержателя, корпуса Т2 (SP1, SP2, SP3)

105

105

В результате аналогичных расчетов из выражений (6.8, 6.10) были получены следующие численные значения тепловых сопротивлений: Rj = 5,87 °С/Вт; *rKp-cp=17,2’C/BT.

Для инженеров-технологов и конструкторов изделий силовой электроники, более глубоко специализирующихся в вопросах технологии корпуеирования мощных силовых приборов, полезно ознакомиться с циклом работ [115—140], в которых изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований мощностных характеристик различных типов корпусов, методы и способы монтажа кристаллов на основание, особенности сборки силовых приборов с бессвинцовой припойной композицией (исключительно важная с точки зрения экологической безопасности проблема), особенности организации процессов автоматизации в сборочном производстве, методы повышения устойчивости мощных транзисторов к термоударам при поверхностном монтаже, методы анализа тепловых процессов в силовых приборах при помощи динамических импеданс-спектрометров.

Источник: Белоус А.И., Ефименко С.А., Турцевич А.С., Полупроводниковая силовая электроника, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. цв. вкл.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты