RU2796812C1 - Method for determining parameters of a two-link thermal equivalent circuit of a semiconductor product - Google Patents
Method for determining parameters of a two-link thermal equivalent circuit of a semiconductor product Download PDFInfo
- Publication number
- RU2796812C1 RU2796812C1 RU2022110296A RU2022110296A RU2796812C1 RU 2796812 C1 RU2796812 C1 RU 2796812C1 RU 2022110296 A RU2022110296 A RU 2022110296A RU 2022110296 A RU2022110296 A RU 2022110296A RU 2796812 C1 RU2796812 C1 RU 2796812C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thermal
- semiconductor product
- parameters
- equivalent circuit
- semiconductor
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технике измерения тепловых характеристик полупроводниковых изделий (ППИ) в виде полупроводниковых приборов (ППП) и интегральных схем (ИС) и может быть использовано для контроля тепловых параметров ППИ как на этапах их разработки и производства, так и на входном контроле предприятий-потребителей ППИ.The invention relates to a technique for measuring the thermal characteristics of semiconductor products (SPS) in the form of semiconductor devices (SDS) and integrated circuits (ICs) and can be used to control the thermal parameters of SPS both at the stages of their development and production, and at the input control of consumer enterprises PPI.
Ключевой задачей контроля тепловых свойств ППИ является определение параметров их тепловой эквивалентной схемы (см. фиг. 1, б), по которым можно рассчитать температуру активной области (p-n-перехода) ППИ в любом заданном (в том числе, динамическом) режиме работы. В приближении одномерной тепловой эквивалентной схемы ППИ задача сводится к определению набора значений тепловых сопротивлений (R Ti ) и теплоемкостей (C Ti ) или тепловых постоянных времени (τ Ti = R Ti ·C Ti ) отдельных элементов и слоев материалов, составляющих конструкцию ППИ (фиг. 1, а). Указанные параметры могут быть определены по переходной тепловой характеристике (ПТХ) H(t) ППИ, то есть по изменению температуры Δθ n (t) активной области прибора при его саморазогреве рассеиваемой электрической мощностью заданного уровня P 0, включаемой в момент времени t=0: .The key task of controlling the thermal properties of SPSs is to determine the parameters of their thermal equivalent circuit (see Fig. 1b), which can be used to calculate the temperature of the active region ( pn junction) of SPSs in any given (including dynamic) mode of operation. In the approximation of a one-dimensional thermal equivalent circuit of the SPS, the problem is reduced to determining a set of values of thermal resistances ( R Ti ) and heat capacities ( C Ti ) or thermal time constants ( τ Ti = R Ti · C Ti ) of individual elements and layers of materials that make up the SPS structure (Fig. .1a). These parameters can be determined by the transient thermal characteristic (TTH) H ( t ) TRP, that is, by the change in temperature Δ θ n ( t ) of the active region of the device during its self-heating by the dissipated electric power of a given level P 0, switched on at the time t = 0 : .
Следует отметить, что для большинства практических приложений, в том числе для контроля качества сборки ППИ, достаточно определить параметры двухзвенной тепловой эквивалентной схемы ППИ (см. фиг. 2): тепловое сопротивление и теплоемкость переход-корпус, которые представляют собой тепловое сопротивление и теплоемкость слоев конструкции между активной областью (p-n переходом) и основанием корпуса; тепловое сопротивление корпус-среда и теплоемкость корпуса ППИ [см., например, Сергеев В.А., Ходаков А.М. Нелинейные тепловые модели полупроводниковых приборов. - Ульяновск : УлГТУ, 2012. - 159 с.].It should be noted that for most practical applications, including for quality control of the SPS assembly, it is sufficient to determine the parameters of the two-link thermal equivalent SPS circuit (see Fig. 2): thermal resistance and heat capacity junction-case, which represent the thermal resistance and heat capacity of the structural layers between the active region (pn transition) and the base of the body; thermal resistance case-environment and heat capacity PPI corps [see, for example, Sergeev V.A., Khodakov A.M. Nonlinear thermal models of semiconductor devices. - Ulyanovsk: UlGTU, 2012. - 159 p.].
Известен способ измерения ПТХ ППИ с p-n-переходами по кривой остывания (см. Давидов П. Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов. М.: Энергия. - 1967. - стр. 33), состоящий в том, что исследуемый ППИ разогревают электрической мощностью известного уровня до установившегося теплового режима, затем разогревающую мощность отключают, и в заданные моменты времени измеряют изменение температуры p-n-перехода по изменению температурочувствительного параметра (ТЧП), в качестве которого чаще всего используют прямое падение напряжения на p-n-переходе ППИ при малом прямом токе. Искомые тепловые параметры в этом способе определяются, фактически, графическим способом по углу наклона ПТХ, построенной в полулогарифмическом масштабе, на участках быстрого и медленного роста.A known method of measuring PTH PPI with pn -junctions along the cooling curve (see Davidov P. D. Analysis and calculation of thermal conditions of semiconductor devices. M .: Energiya. - 1967. - p. 33), consisting in the fact that the studied PPI is heated electric power of a known level to a steady thermal regime, then the heating power is turned off, and at given times the change in the temperature of the pn -junction is measured by the change in the temperature-sensitive parameter (TCP), which is most often used as a direct voltage drop across the pn -junction PPI with a small direct current. The desired thermal parameters in this method are determined, in fact, graphically by the angle of inclination of the HST, built on a semi-logarithmic scale, in areas of fast and slow growth.
Недостатками этого способа является большое время измерения, определяемое предварительным разогревом ППИ до установившегося теплового режима и последующим охлаждением до температуры окружающей среды, а также большая погрешность измерения, обусловленная несимметричностью кривых охлаждения и нагрева ППИ из-за различия формы тепловых потоков при охлаждении и нагреве ППИ: нагрев ППП осуществляется источниками тепла на поверхности кристалла, а отвод тепла - со всех нагретых поверхностей конструкции ППИ.The disadvantages of this method are the long measurement time, determined by the preliminary heating of the PPI to a steady thermal regime and subsequent cooling to ambient temperature, as well as the large measurement error due to the asymmetry of the cooling and heating curves of the PPI due to the difference in the shape of heat flows during cooling and heating of the PPI: heating of the SPP is carried out by heat sources on the surface of the crystal, and heat is removed from all heated surfaces of the SPS structure.
Производители электронной компонентной базы (International Rectifier, Infineon, Fairchild, STMicroelectronics и др.) для измерения тепловых параметров ППИ используют способ по стандарту MIL-STD-750-3 [Test Methods For Semiconductor Devices. MIL-STD-750-3. Department of Defense.], основанный на преобразовании ПТХ. В этом способе контролируемое ППИ разогревают последовательностью импульсов греющей электрической мощности заданного уровня P 0 с изменяющейся по логарифмическому закону длительностью. После каждого импульса длительностью t i по изменению ТЧП определяют приращение температуры перехода Δθ ni (t i ) и вычисляют ПТХ H(t i ) как отношение приращения температуры перехода к греющей мощности P 0 . Параметры тепловой эквивалентной схемы ППИ в этом способе определяют по минимумам и максимумам первой производной ПТХ, полученной путем численного дифференцирования.Electronic component manufacturers (International Rectifier, Infineon, Fairchild, STMicroelectronics, etc.) use the MIL-STD-750-3 [Test Methods For Semiconductor Devices. MIL-STD-750-3. Department of Defense.] based on PTH conversion. In this method, a controlled PPI is heated by a sequence of pulses of heating electric power of a given levelP 0 with logarithmic-changing duration. After each pulse durationt i by changing the FST, the increment of the transition temperature Δ is determinedθ ni (t i ) And calculate PTHH(t i ) as ratio of junction temperature increment to heating powerP 0 . The parameters of the thermal equivalent circuit of the PPI in this method are determined by the minima and maxima of the first derivative of the PTH, obtained by numerical differentiation.
Известен способ определения параметров тепловой эквивалентной схемы КМОП цифровых интегральных схем (ЦИС) по ПТХ [Сергеев В.А., Тетенькин Я.Г. Оценка адекватности тепловой модели КМОП цифровых интегральных схем по переходным тепловым характеристикам // Изв. вузов. Электроника. - 2017. -№4. - С. 350-360.]. В этом способе ЦИС непрерывно разогревается электрической мощностью путем соединения логических элементов ЦИС по схеме кольцевого генератора (КГ), в заданные моменты времени t i после включения КГ измеряют мощность P(t i ), потребляемую ЦИС, и приращение температуры Δθ ni (t i ) активной области ЦИС по изменению частоты КГ, используемой в качестве ТЧП. По измеренным значениям Δθ ni (t i ) и P(t i ) вычисляют значения ПТХ в заданные моменты времени t i . Параметры тепловой эквивалентной схемы определяют по значениям ПТХ, соответствующим нулям ее второй производной, полученной численным дифференцированием. Для определения тепловых параметров с достаточной точностью необходимо иметь не менее 8-10 значений ПТХ в каждой декаде временной шкалы, при этом значения времени t i задаются с логарифмическим шагом.There is a method for determining the parameters of the thermal equivalent circuit CMOS digital integrated circuits (CIS) according to PTH [Sergeev V.A., Tetenkin Ya.G. Assessment of the adequacy of the thermal model of CMOS digital integrated circuits by transient thermal characteristics. Izv. universities. Electronics. - 2017. -№4. - S. 350-360.]. In this method, the CIS is continuously warmed up by electrical power by connecting the logic elements of the CIS according to the ring oscillator (CG) scheme, at specified times t i after turning on the CG, the power P ( t i ) consumed by the CIS, and the temperature increment Δ θ ni ( t i ) the active region of the CIS by changing the frequency of the CG used as the ST. The measured values of Δ θ ni ( t i ) and P ( t i ) calculate the values of PTH at given times t i . The parameters of the thermal equivalent circuit are determined by the values of the PTH corresponding to the zeros of its second derivative obtained by numerical differentiation. To determine the thermal parameters with sufficient accuracy, it is necessary to have at least 8-10 HTC values in each decade of the time scale, while the time values t i are set with a logarithmic step.
Недостатком всех описанных выше способов является большое время измерения, определяемое большим числом отсчетов температуры в процессе разогрева контролируемого ППИ, а также большая погрешность определения тепловых параметров, обусловленная погрешностью численного дифференцирования.The disadvantage of all the methods described above is the long measurement time, determined by a large number of temperature readings in the process of heating the controlled PPI, as well as a large error in determining the thermal parameters due to the error in numerical differentiation.
Техническая задача состоит в уменьшение времени и снижении погрешности определения параметров двухзвенной тепловой эквивалентной схемы полупроводниковых изделий.The technical problem is to reduce the time and reduce the error in determining the parameters of a two-link thermal equivalent circuit of semiconductor products.
Технический результат достигается тем, что в способе определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового изделия, тепловой постоянной времени переход-корпус полупроводникового изделия, теплового сопротивления корпус-среда полупроводникового изделия и тепловой постоянной времени корпус-среда полупроводникового изделия, в котором полупроводниковое изделие разогревают постоянной электрической греющей мощностью заданного уровня P 0, в заданные моменты времени t i в процессе разогрева измеряют приращения температуры Δθ ni (t i ) активной области полупроводникового изделия, причем приращения температуры измеряют в моменты времени t 1≈ τ Тп-к/2, t 2=2t 1, t 3=3t 1, t 4≈τ Тк-с и t 5=2t 4, а значения теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового изделия, тепловой постоянной времени переход-корпус полупроводникового изделия, теплового сопротивления корпус-среда полупроводникового изделия и тепловой постоянной времени корпус-среда полупроводникового изделия находят по формулам:The technical result is achieved by the fact that in the method for determining the thermal resistance of the junction-case of a semiconductor product, the thermal time constant of the junction-case of a semiconductor product, the thermal resistance of the body-environment of the semiconductor product and the thermal time constant of the body-environment of the semiconductor product, in which the semiconductor product is heated by a constant electrical heating power of a given levelP 0, at given timest i during the heating process, temperature increments Δθ ni (t i ) of the active region of the semiconductor product, and the temperature increments measured at timest 1≈ τ Tp-k/2,t 2=2t 1,t 3=3t 1,t 4≈τ Tk-s Andt 5=2t 4, and the values of the thermal resistance of the junction-case of the semiconductor product, the thermal time constant of the junction-case of the semiconductor product, the thermal resistance of the body-environment of the semiconductor product, and the thermal time constant of the body-environment of the semiconductor product are found by the formulas:
где , - тепловое сопротивление и тепловая постоянная времени переход-корпус полупроводникового изделия, а - тепловое сопротивление и тепловая постоянная времени корпус-среда полупроводникового изделия. Where , - thermal resistance and thermal time constant of the junction-case of a semiconductor product, and - thermal resistance and thermal time constant of the body-environment of the semiconductor product.
Сущность изобретения состоит в следующем. В приближении двухзвенной тепловой эквивалентной схемы ППИ изменение температуры активной области (перехода) ППИ после подачи на него в момент времени t=0 импульса греющей мощности будет описываться следующим выражением: The essence of the invention is as follows. In the approximation of a two-link thermal equivalent circuit PPI, the change in temperature the active region (transition) of the SPS after applying a heating power pulse to it at the time t = 0 will be described by the following expression:
где - тепловая постоянная времени переход-корпус ППИ, - температура перехода ППИ, θ 0 - температура окружающей среды, - тепловая постоянная времени корпус-среда ППИ. Where - thermal time constant of the transition-body PPI, - PPI transition temperature, θ 0 - ambient temperature, - thermal time constant of the case-environment PPI.
Для заданных моментов времени t 1≈ τ п-к /2, t 2=2t 1, t 3=3t 1, t 4≈τ к-с, t 5=2t 4 с учетом того, что для большинства конструкций современных ППИ выполняется условие τ п-к <<τ к-с, можно записатьFor given times t 1≈ τ p-to /2, t 2 \u003d 2 t 1 , t 3= 3 t 1 , t 4 ≈ τ k-s , t 5= 2 t 4 taking into account the fact that for most designs modern PPI the condition τ p-k << τ k-s is fulfilled, we can write
В выражениях (4)-(8) для упрощения громоздких формул введены обозначения и .In expressions (4)-(8), to simplify cumbersome formulas, the notation And .
Умножая обе части выражения (4) на 2 и 3, и, вычитая из полученных выражений выражения (5) и (6), соответственно, получим два уравнения для нахождения значений параметра a и теплового сопротивления Multiplying both parts of expression (4) by 2 and 3, and subtracting expressions (5) and (6) from the obtained expressions, respectively, we obtain two equations for finding the values of the parameter a and thermal resistance
После деления (10) на (9) нетрудно получить выражение для a: After dividing (10) by (9), it is not difficult to obtain an expression for a :
откуда легко вычисляется значение from where the value is easily calculated
при этом значение легко находится, например, из (9):while the value is easily found, for example, from (9):
Если первое слагаемое в правой части выражений (7) и (8) перенести в левую часть, и разделить преобразованное выражение (8) на преобразованное выражение (7), то получим следующее выражение для параметра b:If the first term on the right side of expressions (7) and (8) is transferred to the left side, and the transformed expression (8) is divided by the transformed expression (7), then we obtain the following expression for the parameter b :
Уточненное значение τ к-с определяем по формулеThe specified value of τ k-s is determined by the formula
а значение соответственно, можно легко выразить из (5) and the value respectively, can be easily expressed from (5)
Технический результат - сокращение времени измерения - достигается за счет того, что в предлагаемом способе необходимо провести всего 5 измерений приращения температуры ППИ в процессе разогрева, при этом не требуется достижения стационарного теплового режима ППИ. А снижение погрешности определения параметров достигается тем, что значения искомых тепловых параметров находятся по результатам измерения из простых арифметических формул.The technical result - reduction of the measurement time - is achieved due to the fact that in the proposed method it is necessary to carry out only 5 measurements of the PPI temperature increment during the heating process, while it is not required to achieve a stationary thermal regime of the PPI. And the decrease in the error in determining the parameters is achieved by the fact that the values of the desired thermal parameters are found from the measurement results from simple arithmetic formulas.
Заметим, что в предлагаемом способе не требуется выполнения точных равенств t 1≈ τ Тп-к/2 и t 4≈τ Тк-с, достаточно примерного равенства. При этом значения тепловых постоянных времени для конкретного типа ППИ можно примерно оценить из предварительных измерений или из паспортных данных ППИ, представляемых предприятием-производителем. Разумеется, способ не применим к ППИ, для которых условие τ п-к<<τ к-с не выполняется.Note that the proposed method does not require the exact equalities t 1≈ τ Tp-k /2 and t 4 ≈ τ Tk-s , an approximate equality is sufficient. At the same time, the values of thermal time constants for a particular type of PPI can be approximately estimated from preliminary measurements or from passport data of the PPI provided by the manufacturer. Of course, the method is not applicable to PPI, for which the condition τ p-c << τ c-c is not met.
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2796812C1 true RU2796812C1 (en) | 2023-05-29 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2178893C1 (en) * | 2001-03-13 | 2002-01-27 | Ульяновский государственный технический университет | Process determining thermal resistance of junction-package of semiconductor diodes |
| US20150003492A1 (en) * | 2013-06-27 | 2015-01-01 | Fuji Electric Co., Ltd. | Thermal resistance measuring method and thermal resistance measuring device |
| CN104465316A (en) * | 2013-09-20 | 2015-03-25 | 罗伯特·博世有限公司 | A method for determining a thermal impedance of a semiconductor device |
| RU2572794C1 (en) * | 2014-11-05 | 2016-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Method to measure thermal junction-to-case resistance of high-capacity mis transistors |
| US20200018711A1 (en) * | 2018-07-13 | 2020-01-16 | Technische Hochschule Ingolstadt | Thermal analysis of semiconductor devices |
| RU2720185C1 (en) * | 2019-08-02 | 2020-04-27 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Method for measuring thermal resistance of transition-housing and thermal constants of transition-housing of crystals of semiconductor articles in an electronic module |
| RU2724148C1 (en) * | 2019-10-28 | 2020-06-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет" | Method of measuring thermal resistance of transition-case of power semiconductor devices |
| RU2764674C1 (en) * | 2020-11-25 | 2022-01-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | 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 |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2178893C1 (en) * | 2001-03-13 | 2002-01-27 | Ульяновский государственный технический университет | Process determining thermal resistance of junction-package of semiconductor diodes |
| US20150003492A1 (en) * | 2013-06-27 | 2015-01-01 | Fuji Electric Co., Ltd. | Thermal resistance measuring method and thermal resistance measuring device |
| CN104465316A (en) * | 2013-09-20 | 2015-03-25 | 罗伯特·博世有限公司 | A method for determining a thermal impedance of a semiconductor device |
| RU2572794C1 (en) * | 2014-11-05 | 2016-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Method to measure thermal junction-to-case resistance of high-capacity mis transistors |
| US20200018711A1 (en) * | 2018-07-13 | 2020-01-16 | Technische Hochschule Ingolstadt | Thermal analysis of semiconductor devices |
| RU2720185C1 (en) * | 2019-08-02 | 2020-04-27 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Method for measuring thermal resistance of transition-housing and thermal constants of transition-housing of crystals of semiconductor articles in an electronic module |
| RU2724148C1 (en) * | 2019-10-28 | 2020-06-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет" | Method of measuring thermal resistance of transition-case of power semiconductor devices |
| RU2764674C1 (en) * | 2020-11-25 | 2022-01-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | 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 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TW201432409A (en) | Method and system for measuring the resistance of a resistive structure | |
| CN106443400A (en) | Electric-heat-aging junction temperature calculation model establishing method of IGBT module | |
| Smirnov et al. | Modulation method for measuring thermal impedance components of semiconductor devices | |
| Starzak et al. | Behavioral approach to SiC MPS diode electrothermal model generation | |
| RU2724148C1 (en) | Method of measuring thermal resistance of transition-case of power semiconductor devices | |
| Li et al. | A turn-off delay time measurement and junction temperature estimation method for IGBT | |
| US11423203B2 (en) | System and method for modeling thermal circuits | |
| RU2796812C1 (en) | Method for determining parameters of a two-link thermal equivalent circuit of a semiconductor product | |
| TWI467165B (en) | Measurement method, measurement apparatus, and computer program product | |
| RU2463618C1 (en) | Method for determining thermal impedance of cmos digital integrated microcircuits | |
| CN103674308A (en) | Precise and adjustable cold junction temperature compensation instrument for thermocouples | |
| CN104076265B (en) | A kind of method and apparatus of quick measurement semiconductor devices electrical parameter temperature varying coefficient | |
| RU2685769C1 (en) | Method of determination of transient thermal resistance of crystal-housing and thermal resistance of crystal-housing in the state of heat equilibrium of transistors with field control | |
| CN107576422A (en) | A kind of method of on-line measurement bipolar transistor device junction temperature | |
| RU2613481C1 (en) | Method of digital integrated circuits transient thermal characteristics measuring | |
| CN108303628B (en) | A method for driving a semiconductor device with a rectangular wave signal for junction temperature testing | |
| CN112526425B (en) | Thermal resistance measuring instrument calibration method and device based on thermal resistance standard component | |
| CN119199443B (en) | Method for setting relation between conduction voltage drop and junction temperature of power device in high-current switch state | |
| CN114414975A (en) | Silicon carbide MOSFET junction temperature on-line measuring method and system | |
| RU2787328C1 (en) | Method for measuring transition-case thermal resistance and transition-case thermal time constant of a semiconductor product | |
| RU2504793C1 (en) | Method for determination of heat-transfer resistance for digital cmos integrated circuits | |
| JP2019015564A (en) | Thermal resistance measuring device and thermal resistance measuring method | |
| CN204102398U (en) | For the experimental box of the volt-ampere characteristic and resistance-temperature characteristic of studying thermistor | |
| MD392Y (en) | Method for measuring the impedance components | |
| RU2766066C1 (en) | Method for measuring the transient response of digital integrated microchips |