[go: up one dir, main page]

RU2724148C1 - Method of measuring thermal resistance of transition-case of power semiconductor devices - Google Patents

Method of measuring thermal resistance of transition-case of power semiconductor devices Download PDF

Info

Publication number
RU2724148C1
RU2724148C1 RU2019134608A RU2019134608A RU2724148C1 RU 2724148 C1 RU2724148 C1 RU 2724148C1 RU 2019134608 A RU2019134608 A RU 2019134608A RU 2019134608 A RU2019134608 A RU 2019134608A RU 2724148 C1 RU2724148 C1 RU 2724148C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
value
transition
heating
heat
thermal
Prior art date
Application number
RU2019134608A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Борисович Ершов
Владимир Яковлевич Хорольский
Султан Шарифидинович Байрамалиев
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ставропольский государственный аграрный университет"
Priority to RU2019134608A priority Critical patent/RU2724148C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2724148C1 publication Critical patent/RU2724148C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26Testing of individual semiconductor devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

FIELD: control and measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to control and measurement equipment, in particular, to measurement of thermal parameters of power semiconductor devices (PSD) in housing design. Semiconductor crystal is heated by passing through it direct current of the specified amplitude I. During heating the value I and voltage drop U on the tested device are measured. Value of heating power P is calculated by expression P=IU. After time t equal to three times the thermal constant of the device design t=3τ, the heating current source is switched off. Simultaneously, a measuring current source is connected and the value of the heat-sensitive parameter is measured at the moment of heating current source disconnection, which is represented by direct voltage drop on the Ucrystal. After time t=3τat the end of the process of natural redistribution of heat accumulated by the semiconductor crystal along the structure of the device design, including the solid body of the housing of the instrument housing, the value of the heat-sensitive parameter Uis repeatedly measured. Obtained values are used to calculate the difference U-Uand determine the difference between the transition and the case temperature of the test device K⋅(U-U)=T-T, where Kis the value of the temperature coefficient of the forward voltage. Value of heat resistance transition-case Ris calculated as ratio of obtained values T-Tand power P.EFFECT: providing nondestructive control of thermal resistance of a transition-case PSD, shorter measurement time and ultimately increasing yield of articles in a process cycle of their serial production.1 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к способу измерения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов по переходной функции термочувствительного параметра и может быть использовано в технике измерения тепловых параметров силовых полупроводниковых приборов (СПП) в корпусном исполнении.The invention relates to a control and measuring technique, in particular, to a method for measuring the thermal resistance of the transition-case of power semiconductor devices by the transition function of the heat-sensitive parameter and can be used in the technique of measuring the thermal parameters of power semiconductor devices (SPP) in the housing design.

Уровень техникиState of the art

Известен способ контроля теплового режима силовых полупроводниковых приборов, включающий использование концепции переходного теплового импеданса (см. Ершов А.Б., Хорольский В.Я., Атанов И.В., Ефанов А.В. // Электротехника, №3, 2019. с. 14-19).A known method of controlling the thermal regime of power semiconductor devices, including the use of the concept of transitional thermal impedance (see Ershov A.B., Khorolsky V.Ya., Atanov I.V., Efanov A.V. // Electrical Engineering, No. 3, 2019. p. 14-19).

Недостатком данного способа контроля теплового режима силовых полупроводниковых приборов является необходимость прямого контроля величины температуры корпуса прибора.The disadvantage of this method of controlling the thermal regime of power semiconductor devices is the need for direct control of the temperature value of the housing of the device.

Известен способ измерения теплового сопротивления переход-корпус диодов, основанный на зависимости прямого напряжения диода при постоянном токе от температуры, заключающийся в том, что через контролируемый диод пропускают прямой начальный ток Iнач небольшой величины, исключающей заметный саморазогрев диода, затем подают на диод греющие импульсы прямого тока одинаковой амплитуды Im и длительности τu, измеряют рассеиваемую в диоде мощность, а в промежутках между импульсами греющего тока измеряют изменение прямого напряжения диода UТП, используемого в качестве температурочувствительного параметра (см. ГОСТ 19656. 15-84 Диоды полупроводниковые СВЧ. Способы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления).Known method for measuring the thermal resistance of a transition-body diode, based on dependence of the forward voltage of the diode at a constant current of temperature, comprising the steps of that through a controlled diode passes straight initial current I nach small quantities, excluding appreciable self-heating of the diode, is then fed to the diode heating pulse direct current of the same amplitude I m and duration τ u , the power dissipated in the diode is measured, and in the intervals between the heating current pulses, the change in the direct voltage of the TP diode U, used as a temperature-sensitive parameter, is measured (see GOST 19656. 15-84 Microwave semiconductor diodes. Methods of measuring the thermal resistance of the transition-case and pulsed thermal resistance).

Недостатком способа является низкая точность, обусловленная большой погрешностью измерения импульсного напряжения UТП(t) из-за влияния переходных тепловых и электрических процессов при переключении диода из одного режима - режима разогрева в другой - режим измерения (см., например, Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов - М: Сов. радио, 1980. С. 51).The disadvantage of this method is the low accuracy due to the large measurement error of the pulse voltage U TP (t) due to the influence of transient thermal and electrical processes when the diode switches from one mode - heating mode to another - measurement mode (see, for example, I. Vikulin ., Stafeev V.I. Physics of semiconductor devices - M: Sov. Radio, 1980.P. 51).

Известен способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов, заключающийся в подаче на контролируемый диод греющих импульсов тока, в промежутках между которыми через диод пропускают постоянный начальный ток и измеряют изменение прямого напряжения диода, в измерении греющей мощности и определении теплового сопротивления по полученным значениям, причем амплитуду греющих импульсов тока модулируют по гармоническому закону с периодом, на порядок превышающим тепловую постоянную времени переход-корпус для данного типа диодов, а изменение температурочувствительного параметра - прямого напряжения диода и греющей мощности определяют по измерениям амплитуды переменных составляющих тока и напряжения на частоте модуляции (см. патент РФ 2003128 на изобретение "Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов // В.А. Сергеев, В.В. Юдин - Бюл. 41-42, 1993 г.).A known method for determining the thermal resistance of the transition-case of semiconductor diodes, which consists in applying to the controlled diode heating current pulses, in the intervals between which a constant initial current is passed through the diode and the change in the direct voltage of the diode is measured, in measuring the heating power and determining the thermal resistance from the obtained values, moreover, the amplitude of the heating current pulses is modulated according to a harmonic law with a period that is an order of magnitude higher than the transition-case thermal constant for a given type of diode, and the change in the temperature-sensitive parameter - the direct voltage of the diode and heating power is determined by measuring the amplitudes of the alternating current components and the voltage at the modulation frequency ( see RF patent 2003128 for the invention "Method for determining the thermal resistance of the transition-case of semiconductor diodes // V.A. Sergeev, V.V. Yudin - Bull. 41-42, 1993).

Наиболее существенным недостатком указанного способа является большое время измерения, составляющее (с учетом необходимости измерения нескольких электрических величин на частоте модуляции) несколько сотен тепловых постоянных времени переход-корпус для данного типа диодов. При использовании в устройствах, реализующих способ, селективных вольтметров с узкой полосой пропускания время измерения возрастает еще в несколько раз.The most significant drawback of this method is the long measurement time, which is (taking into account the need to measure several electrical quantities at the modulation frequency) several hundred thermal transition time-case time constants for this type of diode. When used in devices that implement the method, selective voltmeters with a narrow passband, the measurement time increases by several times.

Другим существенным недостатком известного способа является сложность аппаратурной реализации, обусловленная сложностью одновременного измерения нескольких аналоговых сигналов на низкой или инфранизкой частоте.Another significant drawback of the known method is the complexity of the hardware implementation, due to the complexity of the simultaneous measurement of several analog signals at a low or infralow frequency.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый авторами за прототип является экспресс-метод измерения теплового сопротивления переход-корпус Rthjc силовых полупроводниковых приборов (СПП) в корпусном исполнении, при котором нагрев испытуемого прибора производят постоянным током до заданного (из расчета чтобы температура перехода прибора не превышала 125°С) значения температуры корпуса прибора. Далее на интервале охлаждения в момент t=3τ0 одновременно с фиксацией температуры корпуса прибора фиксируются и значения величины термочувствительного параметра, в качестве которого используется величина падения напряжения на кристалле прибора. Зафиксированную величину термочувствительного параметра переводят используя линейную зависимость температурного коэффициента прямого напряжения в соответствующую величину температуры перехода. Расчет теплового сопротивления переход-корпус (Rthjc) СПП производится по отношению разности температур перехода и корпуса СПП к величине мощности, выделяемой на приборе постоянным греющим током

Figure 00000001
(см. пат. RU №2240573, МПК G01R 31/26, опубл. 20.11.2004 г.).The closest in technical essence and the achieved positive effect and adopted by the authors for the prototype is the express method for measuring the thermal resistance of the junction-case R thjc power semiconductor devices (SPP) in the housing design , in which the test device is heated with direct current to a predetermined (based on the transition temperature of the device did not exceed 125 ° C) of the temperature of the device body. Then, in the cooling interval at the time t = 3τ 0, simultaneously with fixing the temperature of the instrument case, the values of the temperature-sensitive parameter are also fixed, which is used as the value of the voltage drop across the crystal of the device. The fixed value of the heat-sensitive parameter is converted using the linear dependence of the temperature coefficient of the forward voltage into the corresponding value of the transition temperature. The calculation of the thermal resistance of the transition-case (R thjc ) of the SPP is carried out according to the ratio of the difference between the temperatures of the transition and the case of the SPP to the amount of power allocated to the device by a constant heating current
Figure 00000001
(see Pat. RU No. 2240573, IPC G01R 31/26, published on November 20, 2004).

Данный экспресс-метод позволяет:This express method allows you to:

- кардинально уменьшить, по сравнению с нормативными способами определения параметра Rthjc, время измерения;- dramatically reduce, compared with the regulatory methods for determining the parameter R thjc , the measurement time;

- уменьшить аппаратные, энергетические и трудовые затраты при испытаниях устойчивости СПП к статическим тепловым перегрузкам.- reduce hardware, energy and labor costs when testing the stability of SPP to static thermal overloads.

Недостатками данного экспресс-метода являются:The disadvantages of this rapid method are:

- необходимость прямого контроля величины температуры корпуса прибора, а следовательно данный способ является способом разрушающего контроля и не обеспечивает возможность сплошного контроля указанного параметра;- the need for direct control of the temperature value of the housing of the device, and therefore this method is a method of destructive testing and does not provide the possibility of continuous control of the specified parameter;

- необходимость разогрева корпуса СПП до температуры <125°С, что в совокупности с необходимостью установки на основание корпуса прибора термодатчика обуславливает значительное (единицы минут) время определения искомого параметра. В тоже время, при разогреве прибора до температуры <125°С разность между температурой перехода Tj (кристалла полупроводника) и корпусом прибора Тс, определяемая статическим сопротивлением переход-корпус Rthjc и соответственно точность его определения, не увеличится по сравнению с состоянием, при котором корпус прибора еще не нагрелся до температуры значительно превышающей температуру окружающей среды.- the need to heat the housing of the SPP to a temperature of <125 ° C, which, combined with the need to install a temperature sensor on the base of the device body, causes a significant (few minutes) time to determine the desired parameter. At the same time, when the device is heated to a temperature of <125 ° C, the difference between the transition temperature T j (semiconductor crystal) and the device body T c , determined by the transition-to-case static resistance R thjc and, accordingly, the accuracy of its determination, will not increase compared to the state at which the case of the device has not yet warmed up to a temperature significantly higher than the ambient temperature.

Таким образом, тепловое сопротивление переход-корпус (Rthjc) СПП определяется как отношение разности температуры перехода (Tj) и температуры корпуса (Tc) СПП в контролируемой точке к рассеиваемой мощности

Figure 00000002
прибора в установившемся тепловом режиме, когда измеряемая температура не изменяется по отношению к окружающей среде.Thus, the thermal resistance of the transition-case (R thjc ) SPP is defined as the ratio of the difference between the transition temperature (T j ) and the temperature of the case (T c ) SPP at a controlled point to the power dissipation
Figure 00000002
instrument in steady-state thermal mode when the measured temperature does not change with respect to the environment.

Для СПП в настоящее время нормативно установлены (см. ГОСТ 24461-80. Приборы полупроводниковые силовые. Способы измерений и испытаний), [Диоды кремниевые выпрямительные на токи 10, 25, 50 и 80 А. Технические условия ТУ ИДЖК.432312.011 ТУ-ЛУ. Дата введения 30.05.2014 г.] два способа измерения теплового сопротивления переход-корпус [1 п. 2.8.4.1, п. 2.8.4.2] с нагревом прибора источником греющего постоянного тока и с нагревом окружающей среды соответственно, процедура которых предполагает измерение температуры корпуса прибора в установившемся тепловом состоянии с помощью термопары и потенциометра постоянного тока с глубиной погружения термопары в тело корпуса прибора в контрольной точке, например для силовых кремниевых диодов штыревой конструкции типа 2Д412-10, 2Д412-10Х, 2Д422-25, 2Д422-25Х, 2Д432-50, 2Д432-50Х, 2Д432-80, 2Д432-80Х (1,5±0,5) мм [2 п. 6.3.4], при этом по окончании процедуры испытаний приборы бракуются. Расчет величины теплового сопротивления Rthjc, в частности для конструкции силовых приборов с односторонним охлаждением производится по выражению:For SPP, they are currently normatively installed (see GOST 24461-80. Power semiconductor devices. Methods of measurement and testing), [Silicon rectifier diodes for currents 10, 25, 50 and 80 A. Specifications TU IDZHK.432312.011 TU-LU. Introduction date 05/30/2014] two methods for measuring the thermal resistance of the junction-case [1 p. 2.8.4.1, p. 2.8.4.2] with heating the device with a source of heating direct current and with heating the environment, respectively, the procedure for which measures the temperature of the case the device in a steady thermal state using a thermocouple and a DC potentiometer with a thermocouple immersion depth in the body of the device body at a control point, for example, for power silicon diodes of a pin design like 2D412-10, 2D412-10X, 2D422-25, 2D422-25X, 2D432- 50, 2D432-50X, 2D432-80, 2D432-80X (1.5 ± 0.5) mm [2 p. 6.3.4], and at the end of the test procedure, the devices are rejected. The calculation of the thermal resistance R thjc , in particular for the design of power devices with one-sided cooling, is performed according to the expression:

Figure 00000003
Figure 00000003

где Tj - температура перехода, косвенно определенная по величине измеренного падения напряжения на приборе в момент отключения источника греющего постоянного тока и одновременного подключения источника измерительного тока; Тс - температура корпуса прибора, измеренная с помощью термопары в момент отключения источника греющего тока; I, U - ток и падение напряжения на приборе в момент достижения установившегося теплового баланса

Figure 00000004
where T j is the transition temperature, indirectly determined by the value of the measured voltage drop across the device at the time of switching off the heating direct current source and simultaneously connecting the measuring current source; T with - the temperature of the housing of the device, measured using a thermocouple at the time of shutdown of the heating current source; I, U - current and voltage drop on the device at the moment of reaching the established heat balance
Figure 00000004

Указанные способы измерения теплового сопротивления переход-корпус СПП обладают следующими недостатками:These methods of measuring the thermal resistance of the transition-housing SPP have the following disadvantages:

1. являются способами разрушающего контроля;1. are destructive control methods;

2. предназначены для проведения выборочного контроля и не обеспечивают сплошной контроль указанного параметра;2. Designed for random control and do not provide continuous control of the specified parameter;

3. вследствие длительности достижения установившегося теплового состояния между корпусом СПП и окружающей средой данные способы требуют большого времени для определения указанного параметра;3. due to the duration of reaching a steady state of heat between the housing of the SPP and the environment, these methods require a long time to determine the specified parameter;

4. требуют существенно больших аппаратных, энергетических и трудовых затрат.4. require significantly greater hardware, energy and labor costs.

Для измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых СВЧ диодов

Figure 00000005
нормативно установлен (см. ГОСТ 19656.15-84. Диоды полупроводниковые СВЧ. Способы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления) способ ([3, п. 2 Способ измерения
Figure 00000006
с использованием зависимости прямого напряжения диода от температуры и разогревом импульсами прямого тока]) в соответствии с которым как температура корпуса прибора, так и температура его перехода определяются косвенно - по функции термочувствительного параметра, в качестве которой используется зависимость прямого падения напряжения на приборе от его температуры. При этом, приращение температуры перехода по отношению к установившейся в результате разогрева прибора импульсами прямого тока температуре корпуса испытуемого прибора обеспечивается в результате рассеивания в СВЧ диоде определенной мощности импульса прямого тока. Изменение прямого напряжения диода СВЧ под действием импульса прямого тока показано на фиг. 1, [3, Черт. 3].To measure the thermal resistance of the transition-housing of semiconductor microwave diodes
Figure 00000005
normatively installed (see GOST 19656.15-84. Microwave semiconductor diodes. Methods for measuring the thermal resistance of the transition-case and pulsed thermal resistance) method ([3, p. 2 Method of measurement
Figure 00000006
using the dependence of the direct voltage of the diode on the temperature and heating by direct current pulses]) in accordance with which both the temperature of the device case and the temperature of its transition are determined indirectly by the function of the heat-sensitive parameter, which is used as the dependence of the direct voltage drop on the device on its temperature . Moreover, the transition temperature increment with respect to the temperature of the case of the device under test, which is established as a result of heating of the device by direct current pulses, is ensured by the dissipation of a certain direct current pulse power in the microwave diode. The change in the forward voltage of the microwave diode under the action of a forward current pulse is shown in FIG. 1, [3, Damn. 3].

Период следования импульсов Т выбирают из условия:The pulse repetition period T is chosen from the condition:

Figure 00000007
Figure 00000007

где τT - тепловая постоянная времени конструкции прибора.where τ T is the thermal time constant of the design of the device.

Длительность импульсов

Figure 00000008
выбирают из условия:Impulse duration
Figure 00000008
choose from the condition:

Figure 00000009
Figure 00000009

Указанный способ измерения теплового сопротивления переход-корпус не предусматривает процедуры прямого измерения температуры корпуса СВЧ прибора, вследствие чего является способом неразрушающего контроля данного параметра. Однако, вследствие того, что измерения должны производится в состоянии теплового баланса между температурой корпуса прибора и температурой окружающей среды этот способ обладает всеми остальными недостатками вышерассмотренных нормативных способов определения теплового сопротивления переход-корпус СПП. Очень важно, что в силу рассмотренных особенностей указанная процедура определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых СВЧ диодов достаточно длительная.The indicated method for measuring the thermal resistance of the junction-case does not provide for a procedure for directly measuring the temperature of the case of a microwave device, which is why it is a method of non-destructive testing of this parameter. However, due to the fact that the measurements must be made in a state of heat balance between the temperature of the instrument housing and the ambient temperature, this method has all the other disadvantages of the above regulatory methods for determining the thermal resistance of the transition-housing SPP. It is very important that, due to the considered features, the indicated procedure for determining the thermal resistance of the transition-case of semiconductor microwave diodes is quite lengthy.

Особенностью конструкции мощных СПП в корпусном исполнении, обусловленной необходимостью обеспечения тепловой устойчивости к воздействию резких динамических токовых перегрузок, является наличие массивного основания корпуса прибора, обладающего большой теплоемкостью. Такая конструкция обеспечивает относительно быстрое поглощение энергии массивным корпусом СПП, выделяемой в кристалле полупроводника при кратковременной токовой перегрузке с дальнейшей медленной передачей избытка накопленной энергии в окружающую среду.A feature of the design of powerful SPPs in the housing design, due to the need to ensure thermal stability to the effects of sharp dynamic current overloads, is the presence of a massive base of the device body, which has a high heat capacity. This design provides relatively fast absorption of energy by the massive SPP body emitted in the semiconductor crystal during short-term current overload with further slow transfer of excess accumulated energy to the environment.

При нагреве СПП постоянным током тепловой поток от кристалла полупроводника через паянный слой распространяется к массивному корпусу силового прибора и далее в окружающее пространство. Для повышения эффективности отвода тепла от корпуса СПП в окружающее пространство, как правило, применяются радиаторы естественного воздушного охлаждения, принудительного воздушного охлаждения, системы жидкостного охлаждения и т.д. Применение систем принудительного охлаждения позволяет значительно снизить величину теплового сопротивления корпус-окружающая среда. Эффективность отвода тепла от кристалла полупроводника к корпусу СПП на практике в основном определяется качеством спая кристалла с корпусом СПП. Эвтектический сплав либо паяный слой, если они выполнены некачественно, могут оказывать значительное тепловое сопротивление распространяющемуся через физическую структуру СПП тепловому потоку. Поэтому контроль теплового сопротивления СПП является одним из наиболее эффективных способов контроля качества этой важнейшей технологической операции наряду с контролем приборов на виброустойчивость, вибропрочность и термоциклирование, а невозможность сплошного контроля этого параметра в процессе серийного производства приборов делает ущербной всю существующую систему контроля.When the SPP is heated by direct current, the heat flux from the semiconductor crystal through the soldered layer propagates to the massive body of the power device and further into the surrounding space. To increase the efficiency of heat removal from the SPP housing to the surrounding space, radiators of natural air cooling, forced air cooling, liquid cooling systems, etc. are usually used. The use of forced cooling systems can significantly reduce the value of the thermal resistance of the housing-environment. The efficiency of heat removal from the semiconductor crystal to the SPP case in practice is mainly determined by the quality of the junction of the crystal with the SPP case. A eutectic alloy or a soldered layer, if they are of poor quality, can provide significant thermal resistance to the heat flux propagating through the physical structure of the SPP. Therefore, monitoring the thermal resistance of the SPP is one of the most effective ways to control the quality of this most important technological operation, along with monitoring the devices for vibration resistance, vibration resistance and thermal cycling, and the inability to fully control this parameter in the process of mass production of devices makes the entire existing monitoring system flawed.

С достаточной для практики точностью рассматриваемые тепловые процессы описываются с помощью эквивалентных тепловых моделей из RiCi - цепочек, где Ri - тепловое сопротивление [С/Вт], Ci - теплоемкость [Дж/°С], τi=RiCi - тепловая постоянная времени i-й цепочки. Количество и схема соединения используемых цепей эквивалентной тепловой модели определяется конструкцией соответствующего типа СПП и требованиями к точности моделирования тепловых процессов. Для неуправляемых силовых ключей (силовых диодов) цепочка с тепловой постоянной времени τ0=R0C0 соответствует структуре первого паяного слоя (кристалл полупроводника - припой). Соответственно τ1=R1C1 - второго (припой - массивное медное основание корпуса прибора), τ2=R2C2 - третьего (основание корпуса прибора - охладитель (радиатор)). Для повышения эффективности отвода тепла от основания корпуса прибора к охладителю (радиатору), как правило, используется теплопроводящая паста.With sufficient accuracy for practice, the thermal processes under consideration are described using equivalent thermal models from R i C i - chains, where R i is the thermal resistance [C / W], C i is the heat capacity [J / ° C], τ i = R i C i is the thermal time constant of the i-th chain. The number and connection scheme of the used circuits of the equivalent thermal model is determined by the design of the corresponding type of SPP and the requirements for the accuracy of modeling of thermal processes. For uncontrolled power switches (power diodes), a chain with a thermal time constant τ 0 = R 0 C 0 corresponds to the structure of the first soldered layer (semiconductor crystal - solder). Accordingly, τ 1 = R 1 C 1 is the second (solder is the massive copper base of the device body), τ 2 = R 2 C 2 is the third (the base of the device body is the cooler (radiator)). To increase the efficiency of heat removal from the base of the device to the cooler (radiator), heat-conducting paste is usually used.

Скорость установления теплового равновесия определяется величинами тепловых постоянных времени RiCi - цепочек. Полное переходное тепловое сопротивление прибора

Figure 00000010
при последовательном соединении RiCi - цепочек и нагреве прибора постоянным током определяется суммой показательных функций с параметрами эквивалентной тепловой модели:The rate of establishment of thermal equilibrium is determined by the values of thermal time constants R i C i - chains. Total transient thermal resistance of the device
Figure 00000010
when R i C i - chains are connected in series and the device is heated by direct current, it is determined by the sum of exponential functions with parameters of the equivalent thermal model:

- на этапе нагрева прибора- at the stage of heating the device

Figure 00000011
Figure 00000011

- на этапе охлаждения прибора- at the stage of cooling the device

Figure 00000012
Figure 00000012

Для конструкции СПП характерно то, что величина теплоемкости кристалла полупроводника

Figure 00000013
значительно меньше теплоемкости основания корпуса прибора
Figure 00000014
Теплоемкость паяного слоя
Figure 00000015
настолько мала по сравнению с величиной теплоемкости основания корпуса прибора
Figure 00000016
что ее обычно не учитывают. Выражения (4) и (5) для переходного теплового сопротивления переход-корпус прибора Zthjc(t) в этом случае преобразуются к виду:It is characteristic for the construction of an SPP that the specific heat of a semiconductor crystal
Figure 00000013
significantly less heat capacity of the base of the device
Figure 00000014
The heat capacity of the soldered layer
Figure 00000015
so small compared to the heat capacity of the base of the device
Figure 00000016
that it’s usually not taken into account. Expressions (4) and (5) for the transitional thermal resistance of the transition-case of the device Z thjc (t) in this case are converted to:

- на этапе нагрева прибора- at the stage of heating the device

Figure 00000017
Figure 00000017

- на этапе охлаждения прибора- at the stage of cooling the device

Figure 00000018
Figure 00000018

Из выражений (6) и (7) следует, что величина статического теплового сопротивления переход-корпус СПП определяется величиной (R0+R1), т.е. практически качеством паяного соединения кристалла полупроводника с основанием корпуса прибора. Функция установления температуры перехода СПП Tj(t) при этом определяется выражением:From the expressions (6) and (7) it follows that the value of the static thermal resistance of the transition-housing SPP is determined by the value (R 0 + R 1 ), i.e. almost the quality of the soldered connection of the semiconductor crystal with the base of the device body. The function of establishing the transition temperature of the SPP T j (t) is determined by the expression:

Figure 00000019
Figure 00000019

Графически данная зависимость имеет вид показанный на фиг. 2.Graphically, this dependence has the form shown in FIG. 2.

Для экспоненциальных выражений (6) и (7) при t>3τ0 экспоненциальные члены становятся пренебрежимо малы как на этапе нагрева прибора постоянным током, так и на этапе его остывания при отключении греющего тока. На этапе нагревания прибора греющим током при t>3τ0 дальнейшее воздействие греющего тока приводит только к медленному пропорциональному возрастанию температур Tj(t) и

Figure 00000020
при этом разность между данными температурами перестает изменяться Tj(t)-Tc(t)=const, a Zthjc(t)=Rthjc. На этапе нагрева прибора температура перехода (кристалла полупроводника) прибора вначале быстро (по экспоненциальной зависимости) достигнет температуры соответствующей величине мощности, выделяемой в кристалле греющим током Р=IU, а затем медленно температура корпуса прибора будет увеличиваться до температуры кристалла полупроводника. Аналогично, на этапе остывания температура перехода (кристалла полупроводника) вначале быстро, (по экспоненциальной зависимости) достигнет температуры корпуса прибора, а затем медленно температура перехода (кристалла полупроводника) и температура основания корпуса прибора будут уменьшаться до температуры окружающей среды. При этом если корпус прибора не разогревать до температуры окружающей среды, то при отключении греющего тока по истечении времени t>3τ0 наступит устойчивое тепловое равновесие между температурами перехода, основания корпуса прибора и окружающей среды. В этом состоянии величина падения напряжения на переходе прибора (величина термочувствительного параметра) будет практически соответствовать температуре корпуса прибора и окружающей среды (фиг. 3).For exponential expressions (6) and (7) at t> 3τ 0, the exponential terms become negligible both at the stage of heating the device with direct current and at the stage of its cooling when the heating current is turned off. At the stage of heating the device with a heating current at t> 3τ 0, further exposure to the heating current leads only to a slow proportional increase in temperatures T j (t) and
Figure 00000020
the difference between these temperatures ceases to change T j (t) -T c (t) = const, and Z thjc (t) = R thjc . At the stage of heating the device, the transition temperature (semiconductor crystal) of the device first quickly (exponentially) reaches the temperature corresponding to the power released in the crystal by the heating current P = IU, and then the temperature of the device body slowly increases to the temperature of the semiconductor crystal. Similarly, at the cooling stage, the transition temperature (of the semiconductor crystal) first quickly (exponentially) reaches the temperature of the instrument case, and then the transition temperature (of the semiconductor crystal) and the base temperature of the instrument case decrease slowly to ambient temperature. Moreover, if the instrument case is not heated to ambient temperature, then when the heating current is switched off after a time t> 3τ 0, a stable thermal equilibrium will occur between the transition temperatures, the base of the device case and the environment. In this state, the magnitude of the voltage drop at the junction of the device (the value of the thermosensitive parameter) will practically correspond to the temperature of the device body and the environment (Fig. 3).

Экспоненциальный характер функций (6) и (7) выдвигают требования к продолжительности интервала воздействия

Figure 00000021
греющего тока при определении величины теплового сопротивления прибора и определяют саму теоретическую возможность определения данного параметра по динамике теплового состояния прибора как в режиме его разогрева, так и в режиме его охлаждения. Однако в режиме разогрева величина падения напряжения на приборе определяется величиной греющего тока. Это практически делает несостоятельной процедуру определения искомого значения Rthjc в данном режиме. В режиме же охлаждения прибора он не подвергается воздействию греющего тока и может быть подвержен воздействию измерительного тока, величина которого не оказывает существенного значения на изменение его температуры.The exponential nature of functions (6) and (7) makes demands on the duration of the exposure interval
Figure 00000021
heating current when determining the value of the thermal resistance of the device and determine the very theoretical possibility of determining this parameter from the dynamics of the thermal state of the device both in its heating mode and in its cooling mode. However, in the heating mode, the value of the voltage drop across the device is determined by the value of the heating current. This practically makes the procedure for determining the desired value of R thjc in this mode inconsistent . In the cooling mode of the device, it is not exposed to the heating current and may be affected by the measuring current, the value of which does not significantly affect the change in its temperature.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов (СПП) по переходной функции термочувствительного параметра, обладающего возможностью оперативного неразрушающего контроля величины Rthjc, а также имеет непосредственной целью обеспечение оперативного сплошного контроля качества выполнения технологической операции пайки кристалла полупроводника к основанию корпуса силового полупроводникового прибора в водородной печи и одновременно к обеспечению максимального сокращения времени контроля, аппаратных, энергетических и трудовых затрат.The objective of the invention is to develop a method for determining the thermal resistance of the junction-case power semiconductor devices (SPP) by the transition function of a heat-sensitive parameter with the possibility of operational non-destructive control of the value of R thjc , and also has the immediate goal of providing continuous continuous quality control of the technological operation of soldering a semiconductor crystal to the base of the power semiconductor device housing in a hydrogen furnace and at the same time to ensure the maximum reduction in control time, hardware, energy and labor costs.

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого способа сводится к обеспечению возможности неразрушающего и, таким образом, сплошного контроля величины Rthjc, и одновременно к обеспечению максимального сокращения времени контроля, аппаратных, энергетических и трудовых затрат.The technical result that can be achieved using the proposed method is to ensure the possibility of non-destructive and, thus, continuous control of the value of R thjc , and at the same time to maximize the reduction of control time, hardware, energy and labor costs.

Технический результат достигается с помощью способа определения теплового сопротивления переход-корпус СПП по переходной функции термочувствительного параметра, заключающийся в том, что полупроводниковый кристалл нагревают путем пропускания через него постоянного тока заданной амплитуды I измеряют величину греющего тока I и падение напряжения U на испытуемом приборе при прохождении греющего тока, вычисляют величину греющей мощности Р по выражению Р=IU, по истечении времени t равного утроенному значению тепловой постоянной конструкции прибора t=3τT источник греющего тока отключают, при этом в момент отключения источника греющего тока одновременно подключают источник измерительного тока и измеряют величину переходной функции термочувствительного параметра в момент отключения источника греющего тока, в качестве которого используют прямое падение напряжения на кристалле Unp1, в режиме естественного перераспределения накопленного полупроводниковым кристаллом тепла по структуре конструкции прибора включая массивное тело основания корпуса прибора по истечении времени t равного утроенному значению тепловой постоянной конструкции прибора t=3τT, затем производят повторное измерение величины переходной функции термочувствительного параметра Unp2, рассчитывают разность Unp1-Unp2, умножают полученное значение на предварительно определенную величину температурного коэффициента прямого напряжения KT, получая, таким образом, искомую разность между температурами перехода и корпуса испытуемого прибора KT⋅(Unp1-Unp2)=TJ-TC и по полученным значениям рассчитывают величину теплового сопротивления переход-корпус

Figure 00000022
силового полупроводникового прибора.The technical result is achieved using a method for determining the thermal resistance of the transition to the housing of the SPP by the transition function of the heat-sensitive parameter, namely, that the semiconductor crystal is heated by passing a constant current of a given amplitude I through it, the value of the heating current I and the voltage drop U on the tested device are measured when passing through the heating current, calculate the value of the heating power P by the expression P = IU, after a time t equal to the triple value of the thermal constant of the device design t = 3τ T, the heating current source is turned off, while at the moment the heating current source is turned off, the measuring current source is connected and the value is measured the transition function of the heat-sensitive parameter at the time of switching off the heating current source, which is used as a direct voltage drop on the crystal U np1 , in the mode of natural redistribution of heat accumulated by the semiconductor crystal over the structure and the device including the massive body of the base of the device body after a time t equal to the triple value of the thermal constant of the device design t = 3τ T , then re-measure the value of the transition function of the heat-sensitive parameter U np2 , calculate the difference U np1 -U np2 , multiply the obtained value by a predefined the value of the temperature coefficient of the direct voltage K T , thus obtaining the desired difference between the transition temperatures and the case of the device under test K T ⋅ (U np1 -U np2 ) = T J -T C and the value of the thermal transition-case resistance is calculated from the obtained values
Figure 00000022
power semiconductor device.

Таким образом, технический результат достигается посредством использования процедуры определения величины теплового сопротивления переход-корпус по динамической характеристике переходного теплового сопротивления прибора

Figure 00000023
Однако, в отличие от экспресс-метода измерения величины теплового сопротивления переход-корпус СПП в корпусном исполнении (см. патент RU №2240573) нагрев корпуса прибора постоянным греющим током производится не до фиксированного значения температуры (<125°С), а до величины практически не превышающей температуру окружающей среды (см. фиг. 4).Thus, the technical result is achieved by using the procedure for determining the value of the thermal resistance of the transition-housing according to the dynamic characteristic of the transitional thermal resistance of the device
Figure 00000023
However, unlike the express method of measuring the thermal resistance of the transition to the housing of the SPP in the housing design (see patent RU No. 2240573), the heating of the device housing with a constant heating current is not carried out to a fixed temperature (<125 ° C), but to a value practically not exceeding the ambient temperature (see Fig. 4).

В предлагаемом методе температура корпуса прибора и температура его перехода определяются косвенно - по функции термочувствительного параметра, так как это происходит при определении данного параметра при вышерассмотренном методе его определения для диодов СВЧ. Однако, получение функции термочувствительного параметра происходит не как реакция на воздействие отдельного прямоугольного импульса греющего тока в условиях воздействия последовательности таких импульсов, а как реакция на воздействие отрицательного скачка постоянного (греющего) тока с величиной сравнимой с величиной номинального тока прибора при его отключении, т.е. реакции на воздействие переходной функции. Максимальное сокращение времени измерения искомого параметра достигается за счет нагрева кристалла полупроводника не до теплового состояния, при котором температура корпуса прибора значительно превышает температуру окружающей среды, а до такой температуры корпуса прибора, при которой она практически не превышает температуру окружающей среды, т.е. до априорно существующего изначально теплового баланса между температурой корпуса прибора и температурой окружающей среды.In the proposed method, the temperature of the case of the device and the temperature of its transition are determined indirectly by the function of the heat-sensitive parameter, since this happens when determining this parameter with the above method of determining it for microwave diodes. However, obtaining the function of the heat-sensitive parameter does not occur as a reaction to the effect of a separate rectangular pulse of the heating current under the influence of a sequence of such pulses, but as a reaction to the effect of a negative jump in the constant (heating) current with a value comparable to the value of the rated current of the device when it is turned off, t. e. reactions to the effects of transient function. The maximum reduction in the time required to measure the desired parameter is achieved by heating the semiconductor crystal not to a thermal state at which the temperature of the device’s case is much higher than the ambient temperature, but to a temperature of the device’s case at which it practically does not exceed the ambient temperature, i.e. to the a priori initially existing thermal balance between the temperature of the instrument case and the ambient temperature.

Время нагрева перехода (кристалла полупроводника) определяется из условия

Figure 00000024
где
Figure 00000025
- тепловая постоянная времени конструкции прибора, зависящая от конкретного типа СПП. Данная величина для конкретного типа СПП определяется экспериментально по переходной функции термочувствительного параметра.The transition heating time (semiconductor crystal) is determined from the condition
Figure 00000024
Where
Figure 00000025
- thermal time constant of the design of the device, depending on the specific type of SPP. This value for a specific type of SPP is determined experimentally by the transition function of the heat-sensitive parameter.

Определение греющей мощности

Figure 00000026
производится в момент непосредственно предшествующий отключению греющего тока по измеренным величинам греющего тока I и падения напряжения на приборе U, обусловленного протеканием греющего тока
Figure 00000027
Determination of heating power
Figure 00000026
is made at the moment immediately preceding the shutdown of the heating current according to the measured values of the heating current I and the voltage drop on the device U, due to the flow of the heating current
Figure 00000027

Определение температур перехода в момент отключения греющего тока и в момент t=3τ производится по величине термочувствительного параметра, какой является величина падения напряжения на приборе U, обусловленная протеканием измерительного тока. Для перевода величины термочувствительного параметра в соответствующую величину температуры перехода используется линейная зависимость термочувствительного параметра от температуры перехода (фиг. 5), определяющая величину температурного коэффициента прямого напряжения при протекании постоянного тока КT.The determination of the transition temperatures at the time of switching off the heating current and at the time t = 3τ is made by the value of the thermosensitive parameter, which is the magnitude of the voltage drop across the device U, due to the flow of the measuring current. To transfer the value of the heat-sensitive parameter to the corresponding value of the transition temperature, a linear dependence of the heat-sensitive parameter on the transition temperature is used (Fig. 5), which determines the value of the temperature coefficient of the forward voltage during the flow of direct current K T.

Величина температурного коэффициента прямого напряжения на переходе КT для конкретного типа СПП практически неизменна и определяется выражением:The value of the temperature coefficient of the direct voltage at the transition K T for a particular type of SPP is practically unchanged and is determined by the expression:

Figure 00000028
Figure 00000028

Эта величина показывает изменение (уменьшение) падения напряжения на переходе прибора при увеличении его температуры на 1°С.This value shows the change (decrease) in the voltage drop at the junction of the device with an increase in its temperature by 1 ° C.

Практически для расчета величины теплового сопротивления переход-корпус Rthjc нет необходимости в расчете значений температур перехода Tj и корпуса СПП Тс. В соответствии с выражением [1] достаточно определить разность зафиксированных значений соответствующих величин термочувствительного параметра, умножение которой на величину КT даст значение Tj-Te.In practice, to calculate the value of the thermal resistance of the junction-case R thjc, there is no need to calculate the values of the transition temperatures T j and the housing of the SPP T s . In accordance with the expression [1], it is sufficient to determine the difference in the recorded values of the corresponding values of the heat-sensitive parameter, the multiplication of which by the value of K T will give the value T j -T e .

Расчет величины теплового сопротивления Rthjc, в частности для конструкции силовых приборов с односторонним охлаждением производится по выражению (1).The calculation of the thermal resistance R thjc , in particular for the design of power devices with one-sided cooling, is performed according to the expression (1).

Краткое описание чертежей и иных материаловBrief description of drawings and other materials

На фиг. 1 дан способ определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов, по переход ной функции термочувствительного параметра, изображены эпюры греющего тока и прямого падения напряжения на переходе СВЧ диода в процессе определения величины теплового сопротивления переход-корпус СВЧ диода по ГОСТ 19656.15-84.In FIG. Figure 1 gives a method for determining the thermal resistance of the transition-case of power semiconductor devices, using the transition function of the heat-sensitive parameter, shows the diagrams of the heating current and direct voltage drop at the transition of the microwave diode in the process of determining the value of the thermal resistance of the transition-case of the microwave diode according to GOST 19656.15-84.

На фиг. 2, тоже, изображены эпюры графиков зависимости температур перехода Tj (кристалла полупроводника) и корпуса СПП Тс при воздействии на прибор постоянного прямого тока в течение времени превышающем утроенное значение величины тепловой постоянной времени конструкции прибора.In FIG. 2, also, plots of the graphs of the dependence of the transition temperatures T j (semiconductor crystal) and the case of the SPP T c when exposed to direct direct current for a time exceeding the triple value of the thermal time constant of the design of the device are shown.

На фиг. 3, тоже, изображены эпюры графиков зависимости воздействующего на прибор постоянного прямого тока в течение времени превышающем утроенное значение величины тепловой постоянной времени конструкции прибора, падения напряжения на приборе, обусловленного воздействием на него измерительного тока и соответствующей зависимости температуры перехода Tj (кристалла полупроводника).In FIG. Figure 3 also shows diagrams of the plots of the dependence of the direct direct current acting on the device over a time exceeding the triple value of the thermal constant of the device design time, the voltage drop across the device due to the influence of the measuring current on it and the corresponding dependence of the transition temperature T j (semiconductor crystal).

На фиг. 4, тоже, изображена практически полученная переходная функция термочувствительного параметра для роторного диода 2Д422-25 (фирма производитель АО «Оптрон-Ставрополь») при воздействии на испытуемый прибор постоянного греющего прямого тока в течении времени равном утроенному значению величины тепловой постоянной времени конструкции прибора.In FIG. 4, also, the practically obtained transient function of the thermosensitive parameter for the 2D422-25 rotor diode (manufacturer Optron-Stavropol AO) is shown when the test device is exposed to direct heating direct current for a time equal to the triple value of the thermal time constant of the device design.

На фиг. 5, тоже, изображена практически полученная зависимость термочувствительного параметра от температуры перехода для роторного диода 2Д422-25 (фирма производитель АО «Оптрон-Ставрополь»), определяющая величину температурного коэффициента прямого напряжения при протекании постоянного тока КT.In FIG. 5, also, the practically obtained dependence of the thermosensitive parameter on the transition temperature for the 2D422-25 rotor diode (manufacturer Optron-Stavropol AO) is determined, which determines the value of the temperature coefficient of direct voltage during direct current flow K T.

На фиг. 6, тоже, изображена структурная схема устройства, выполненная на контроллере цифровой обработки сигналов, автоматически реализующего алгоритм предлагаемого метода определения величины теплового сопротивления переход-корпус СПП, лицевая панель прибора.In FIG. 6, also, a block diagram of the device is shown, performed on a digital signal processing controller that automatically implements the algorithm of the proposed method for determining the value of thermal resistance transition-housing SPP, the front panel of the device.

На фиг. 7, тоже, таблица, результаты контроля величины теплового сопротивления переход-корпус СПП для выборки из 25 приборов.In FIG. 7, also, a table, the results of monitoring the magnitude of the thermal resistance of the transition-housing SPP for a sample of 25 devices.

На фиг. 8, тоже, контроль теплового сопротивления по ужесточенным нормам.In FIG. 8, too, control of thermal resistance by tightened standards.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Техническая реализация предлагаемого способа определения величины теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов по переходной функции термочувствительного параметра в корпусном исполнении заключается в следующем:The technical implementation of the proposed method for determining the magnitude of the thermal resistance of the transition-housing power semiconductor devices by the transition function of the heat-sensitive parameter in the housing design is as follows:

На начальном этапе в программу для контроллера цифровой обработки сигналов dsPIC33EP128GP вводятся данные о типах испытуемых СПП, содержащие величины номинального греющего тока Iнагр.ном., время нагрева испытуемых приборов данным током tнагр. и величины их температурного коэффициента прямого напряжения КT.At the initial stage, data on the types of tested SPPs containing the values of the nominal heating current I loaded are entered into the program for the digital signal processing controller dsPIC33EP128GP. , heating time of the tested devices with a given current t load. and the magnitude of their temperature coefficient of direct voltage K T.

Лицевая панель прибора содержит контроллер 1 цифровой обработки сигналов dsPIC33EP128GP, кнопочную клавиатуру кнопку «Выбор» 2, LCD дисплей 3, панель индикации 4, расширитель порта контроллера 5, согласующее интерфейсное устройство 6, испытуемый силовой полупроводниковый прибор 7, контактирующее устройство 8, силовой ключ 9, согласующее интерфейсное устройство 10, источник 11 греющего тока, выходы измерительного шунта 12, масштабирующее устройство 13 контроля величины падения напряжения 13, источник 14 вторичного электропитания.The front panel of the device contains a digital signal processing controller 1 dsPIC33EP128GP, a keypad button, a Select button 2, an LCD display 3, a display panel 4, a port 5 expander, a matching interface device 6, a tested power semiconductor device 7, a contacting device 8, a power switch 9 , matching the interface device 10, the source 11 of the heating current, the outputs of the measuring shunt 12, the scaling device 13 controls the magnitude of the voltage drop 13, the source 14 of the secondary power supply.

На первом этапе измерений (см. фиг. 6) в контроллер 1 цифровой обработки сигналов dsPIC33EP128GP, с помощью кнопки «Выбор» 2 вводятся данные о типе испытуемого СПП 7. Контроль введения данной информации производится с помощью их визуализации на LCD дисплее 3 и панели индикации 4. Панель индикации 4 содержит световые индикаторы (светодиоды) (на фиг. не показаны) для каждого из предусмотренных типов испытуемых приборов, световую индикацию сопровождающую цикл измерений, индикацию об отсутствии испытуемого прибора в контактирующем устройстве и его неработоспособности «Брак прибора». Процесс выбора соответствующего типа испытуемого прибора сопровождается коротким тональным звуковым сигналом. Управление элементами индикации контроллер 1 производит через расширитель порта контроллера 5 и согласующее интерфейсное устройство 6.At the first measurement stage (see Fig. 6), the dsPIC33EP128GP digital signal processing controller 1, using the "Select" button 2, enters the data on the type of tested SPP 7. The input of this information is controlled by visualizing them on the LCD display 3 and the display panel 4. Display panel 4 contains light indicators (LEDs) (not shown in FIG.) For each of the types of devices under test, light indicators accompanying the measurement cycle, an indication of the absence of the device under test in the contacting device and its inoperability “Device marriage”. The selection process for the type of instrument under test is accompanied by a short beep. Controller 1 controls the display elements through the port expander of the controller 5 and matching interface device 6.

На втором этапе по команде оператора кнопкой «RUN» (на фиг. не показана) испытуемый СПП 7, предварительно закрепленный в контактирующем устройстве 8 с помощью силового ключа 9 через согласующее интерфейсное устройство 10 контроллером 1 цифровой обработки сигналов dsPIC33EP128GP подключается к источнику стабилизированного источника 11 греющего тока. Одновременно к входам АЦП контроллера 1 подключаются выходы измерительного шунта 12 и масштабирующего устройства (МУ) 13 контроля величины падения напряжения для измерения величин греющего тока и прямого падения напряжения на испытуемом приборе 7. В момент включения источника 11 греющего тока включается первый программный таймер.At the second stage, at the command of the operator, using the “RUN” button (not shown in Fig.), The test SPP 7, previously fixed in the contacting device 8 with the power key 9, is connected to the stabilized source 11 of the heating source 11 through the matching interface device 10 by the digital signal processing controller dsPIC33EP128GP 1 current. At the same time, the outputs of the measuring shunt 12 and the scaling device (MU) 13 for controlling the voltage drop to measure the values of the heating current and the direct voltage drop on the tested device 7 are connected to the inputs of the ADC of the controller 1. At the moment of switching on the heating current source 11, the first program timer is turned on.

На третьем этапе контролируются время нагрева испытуемого прибора tнагр., величины греющего тока Iнагр. и прямого падения напряжения на нем Unp.. По истечении установленного времени нагрева испытуемого силового полупроводникового прибора 7 греющим током величина греющего тока и падение напряжения на испытуемом приборе 7 фиксируются и заносятся в оперативную память контроллера 1 для последующего расчета величины греющей мощности (IU=Р). Далее источник 11 греющего тока отключается и одновременно включается второй программный таймер задержки контроля величины падения напряжения на испытуемом приборе 7 на время переходного процесса во входной цепи АЦП контроллера 1. Одновременно в целях повышения точности измерения величины падения напряжения в точке разрыва 1-го рода функции Uj(t) на кратную величину увеличивается частота сэмплирования сигнала. По истечении времени задержки

Figure 00000029
(единицы микросекунд) величина падения напряжения на испытуемом приборе
Figure 00000030
фиксируется и заносится в оперативную память контроллера 1. Далее контроллер 1 производит расчет величины
Figure 00000031
и заносит рассчитанную величину в оперативную память контроллера 1. Одновременно включается третий программный таймер.At the third stage, the heating time of the tested device t load is monitored . , the value of the heating current I load. and direct voltage drop on it U np. . After the set heating time of the tested power semiconductor device 7 by the heating current, the value of the heating current and the voltage drop on the tested device 7 are recorded and entered into the RAM of the controller 1 for subsequent calculation of the value of the heating power (IU = P). Next, the heating current source 11 is turned off and at the same time the second program delay timer for monitoring the voltage drop on the tested device 7 for the transient in the input circuit of the ADC of the controller 1 is turned on. At the same time, in order to increase the accuracy of measuring the voltage drop at the break point of the first kind of function U j (t) the frequency of sampling the signal increases by a multiple. After the delay time
Figure 00000029
(units of microseconds) the voltage drop across the instrument under test
Figure 00000030
fixed and entered into the RAM of controller 1. Next, controller 1 calculates the value
Figure 00000031
and enters the calculated value into the RAM of controller 1. At the same time, the third program timer starts.

На четвертом этапе контролируются момент достижения падения напряжения на испытуемом приборе 7 величины 0,368Uj(tнагр.+tзад.) и время достижения данной величины, отсчитывая ее от момента включения третьего программного таймера. Определенная таким образом величина соответствует величине тепловой постоянной времени прибора τT. Данная величина вносится в оперативную память контроллера 1. Далее производится включение четвертого программного таймера, расчет величины

Figure 00000032
помещения ее в оперативную память контроллера 1 и производится фиксация момента достижения данной величины.In the fourth stage are controlled moment of reaching the voltage drop across the test device 7 values 0,368U j (t LOAD. + T ass.) And the time to reach a given value, counting it from the moment of switching on the third software timer. The value thus determined corresponds to the value of the thermal time constant of the device τ T. This value is entered into the RAM of controller 1. Next, the fourth program timer is turned on, and the value is calculated
Figure 00000032
placing it in the RAM of controller 1 and fixing the moment it reaches this value.

На пятом этапе фиксируется величина падения напряжения на испытуемом приборе 7

Figure 00000033
в момент
Figure 00000034
Данная величина заносится в оперативную память контроллера 1.At the fifth stage, the value of the voltage drop on the tested device 7 is fixed
Figure 00000033
in the moment
Figure 00000034
This value is recorded in the RAM of the controller 1.

На шестом этапе контроллер 1 производится расчет величины теплового сопротивления переход-корпус СПП и вывод данной величины на экран LCD дисплея 3. В начале производится расчет величины греющей мощности Р по измеренным на третьем этапе величинам падения напряжения на испытуемом силовом приборе 7 U при протекании по нему греющего тока I и значению данного тока по формуле IU=Р. Затем определяется разность величин падений напряжения на испытуемом силовом приборе 7 в момент отключения источника 11 греющего тока и в момент

Figure 00000035
Полученная разность значений термочувствительного параметра умножается на соответствующую величину температурного коэффициента прямого напряжения КT. Рассчитанное таким образом значение соответствует разности температур перехода и корпуса СПП. Искомое значение величины теплового сопротивления переход-корпус Rthjc рассчитывается в соответствии с выражением (1) как отношение разности температур перехода и корпуса СПП к величине ранее определенной греющей мощности Р. Рассчитанная величина теплового сопротивления переход-корпус СПП выводится на экран LCD дисплея 3.At the sixth stage, the controller 1 calculates the value of the thermal resistance of the transition-housing of the SPP and displays this value on the LCD screen 3. At the beginning, the value of the heating power P is calculated from the values of the voltage drop measured at the third stage of the tested power device 7 U when flowing through it heating current I and the value of this current according to the formula IU = P. Then, the difference in the values of the voltage drops across the tested power device 7 is determined at the time of switching off the heating current source 11 and at the moment
Figure 00000035
The obtained difference in the values of the heat-sensitive parameter is multiplied by the corresponding value of the temperature coefficient of the forward voltage K T. The value calculated in this way corresponds to the temperature difference between the transition and the housing of the SPP. The desired value of the value of the thermal resistance of the transition to the housing R thjc is calculated in accordance with expression (1) as the ratio of the difference between the temperatures of the transition and the housing of the SPP to the value of the previously determined heating power P. The calculated value of the thermal resistance of the transition to the housing SPP is displayed on the LCD screen 3.

Ниже в таблице 1 приведены результаты контроля величины теплового сопротивления переход-корпус роторных диодов 2Д422-25 для выборки из 20 приборов предлагаемым методом, методом с нагревом прибора до фиксированного значения температуры корпуса прибора (патент RU №2240573) и результаты независимого контроля по ужесточенным нормам.Table 1 below shows the results of monitoring the thermal resistance of the transition to the case of 2D422-25 rotor diodes for a sample of 20 devices by the proposed method, by heating the device to a fixed value of the temperature of the device case (patent RU No. 2240573) and the results of independent monitoring according to tightened standards.

Приведенные результаты контроля свидетельствуют о том, что оба метода обеспечивают достаточную для практики точность определения искомого параметра. Однако, предлагаемый способ вследствие отсутствия необходимости встраивать в тело корпуса прибора термодатчик позволяет производить неразрушающий контроль указанного параметра посредством замены очередного контролируемого прибора в контактирующем устройстве и нажатием оператором кнопки «RUN». Время вывода результата контроля на экран LCD дисплея 3 не превышает единиц секунд.The above control results indicate that both methods provide sufficient practical accuracy for determining the desired parameter. However, the proposed method due to the lack of the need to integrate a thermal sensor into the body of the device body allows non-destructive testing of this parameter by replacing the next controlled device in the contacting device and pressing the RUN button by the operator. The time for displaying the control result on the LCD screen 3 does not exceed units of seconds.

Более детальный анализ предлагаемого метода позволил выявить немаловажные особенности различных подходов его технической реализации:A more detailed analysis of the proposed method made it possible to identify important features of various approaches to its technical implementation:

1) Вследствие того, что величина измерительного тока не оказывает практического влияния на нагрев полупроводникового кристалла прибора 7, подключение источника (на фиг. не показан) измерительного тока возможно производить одновременно с подключением источника 11 греющего тока. Однако, вследствие того, что в этом случае наибольшее влияние на точность определения искомого значения величины теплового сопротивления переход-корпус СПП в момент отключения источника 11 греющего тока оказывает частота сэмплирования сигнала возникает необходимость в повышении данной частоты в целях обеспечения требуемой точности.1) Due to the fact that the magnitude of the measuring current does not have a practical effect on the heating of the semiconductor crystal of the device 7, it is possible to connect the source (in Fig. Not shown) of the measuring current simultaneously with the connection of the heating current source 11. However, due to the fact that in this case the greatest influence on the accuracy of determining the desired value of the thermal resistance of the transition-housing of the SPP at the time of switching off the heating current source 11 is exerted by the sampling frequency of the signal, it becomes necessary to increase this frequency in order to ensure the required accuracy.

2) С формальной точки зрения нагрев основания корпуса СПП должен начинаться одновременно с нагревом полупроводникового кристалла прибора и происходить в отличие от нагрева кристалла полупроводника не по экспоненциальной, а по линейной зависимости. Однако практически, вследствие того, что величина тепловой емкости кристалла полупроводника настолько мала по сравнению с величиной тепловой емкости основания корпуса прибора 7, нагрев основания корпуса прибора в момент включения источника 11 греющего тока и до момента

Figure 00000036
где
Figure 00000037
- тепловая постоянная времени конструкции прибора 7 практически не успевает происходить. Датчики температуры (на фиг. не показаны) данный нагрев не регистрируют.2) From a formal point of view, heating of the base of an SPP case should begin simultaneously with heating of the semiconductor crystal of the device and, in contrast to heating a semiconductor crystal, not linearly, but exponentially. However, in practice, due to the fact that the thermal capacity of the semiconductor crystal is so small compared with the thermal capacity of the base of the device casing 7, the heating of the base of the device casing at the moment of turning on the heating current source 11 and up to
Figure 00000036
Where
Figure 00000037
- the thermal time constant of the design of the device 7 practically does not have time to occur. Temperature sensors (not shown in FIG.) Do not register this heating.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими и известными техническими решениями имеет следующие преимущества:The invention in comparison with the prototype and other and well-known technical solutions has the following advantages:

- обеспечение возможности неразрушающего и, таким образом, сплошного контроля величины Rthjc;- providing the possibility of non-destructive and, thus, continuous control of the value of R thjc ;

- обеспечение максимального сокращения времени контроля, аппаратных, энергетических и трудовых затрат.- ensuring the maximum reduction in control time, hardware, energy and labor costs.

Claims (1)

Способ определения теплового сопротивления переход-корпус СПП по переходной функции термочувствительного параметра, заключающийся в том, что полупроводниковый кристалл нагревают путем пропускания через него постоянного тока заданной амплитуды I, измеряют величину греющего тока I и падение напряжения U на испытуемом приборе при прохождении греющего тока, вычисляют величину греющей мощности Р по выражению Р=IU, по истечении времени t, равного утроенному значению тепловой постоянной конструкции прибора t=3τT, источник греющего тока отключают, отличающийся тем, что в момент отключения источника греющего тока одновременно подключают источник измерительного тока и измеряют величину переходной функции термочувствительного параметра в момент отключения источника греющего тока, в качестве которого используют прямое падение напряжения на кристалле Unp1, в режиме естественного перераспределения накопленного полупроводниковым кристаллом тепла по структуре конструкции прибора, включая массивное тело основания корпуса прибора, по истечении времени t, равного утроенному значению тепловой постоянной конструкции прибора t=3τT, затем производят повторное измерение величины переходной функции термочувствительного параметра Unp2, рассчитывают разность Unp1-Unp2, умножают полученное значение на предварительно определенную величину температурного коэффициента прямого напряжения KT, получая, таким образом, искомую разность между температурами перехода и корпуса испытуемого прибора KT⋅(Unp1-Unp2)=TJ-TC и по полученным значениям рассчитывают величину теплового сопротивления переход-корпус
Figure 00000038
силового полупроводникового прибора.
The method for determining the thermal resistance of the transition to the housing of the SPP by the transition function of the heat-sensitive parameter, namely, that the semiconductor crystal is heated by passing a constant current of a given amplitude I through it, the value of the heating current I and the voltage drop U on the test device during the passage of the heating current are measured, calculate the value of the heating power P according to the expression P = IU, after a time t equal to the triple value of the thermal constant of the device design t = 3τ T , the heating current source is turned off, characterized in that at the time the heating current source is turned off, the measuring current source is connected and the value is measured the transition function of the heat-sensitive parameter at the time of switching off the heating current source, which is used as a direct voltage drop on the crystal U np1 , in the mode of natural redistribution of heat accumulated by the semiconductor crystal over the structure of the device, including massive the body of the base of the device’s body, after a time t equal to the triple value of the thermal constant of the device’s design t = 3τ T , then re-measure the value of the transition function of the heat-sensitive parameter U np2 , calculate the difference U np1 -U np2 , multiply the obtained value by a predetermined temperature forward voltage coefficient K T , thus obtaining the desired difference between the transition temperatures and the case of the device under test K T ⋅ (U np1 -U np2 ) = T J -T C and the value of the transition-housing thermal resistance is calculated from the obtained values
Figure 00000038
power semiconductor device.
RU2019134608A 2019-10-28 2019-10-28 Method of measuring thermal resistance of transition-case of power semiconductor devices RU2724148C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019134608A RU2724148C1 (en) 2019-10-28 2019-10-28 Method of measuring thermal resistance of transition-case of power semiconductor devices

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019134608A RU2724148C1 (en) 2019-10-28 2019-10-28 Method of measuring thermal resistance of transition-case of power semiconductor devices

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2724148C1 true RU2724148C1 (en) 2020-06-22

Family

ID=71135846

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019134608A RU2724148C1 (en) 2019-10-28 2019-10-28 Method of measuring thermal resistance of transition-case of power semiconductor devices

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2724148C1 (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN114035012A (en) * 2021-10-14 2022-02-11 广州硅能照明有限公司 Junction temperature simultaneous testing system for multiple COB light sources
CN114814514A (en) * 2022-05-06 2022-07-29 扬州扬杰电子科技股份有限公司 Method for testing by using current leakage of TVS (transient voltage suppressor)
CN114883680A (en) * 2022-05-26 2022-08-09 西北工业大学 Method for measuring temperature entropy coefficient of lithium ion battery
RU2796812C1 (en) * 2022-04-18 2023-05-29 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" Method for determining parameters of a two-link thermal equivalent circuit of a semiconductor product
CN116643139A (en) * 2023-07-26 2023-08-25 广东芯聚能半导体有限公司 Bias experiment method, bias experiment device, bias experiment equipment and bias experiment medium based on current heating device
CN119064749A (en) * 2024-11-05 2024-12-03 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 High temperature characteristics testing method, device and readable storage medium for semiconductor devices
CN119780642A (en) * 2024-11-25 2025-04-08 中国船舶集团有限公司第七〇九研究所 Rapid high-temperature test method for power semiconductor

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09203668A (en) * 1995-05-13 1997-08-05 Nippon Inobu Kk Apparatus and method for measuring thermal resistance
RU2240573C1 (en) * 2003-04-22 2004-11-20 Флоренцев Станислав Николаевич Express method for measuring body transfer heat resistance of power semiconductor devices
RU2300115C1 (en) * 2006-02-02 2007-05-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева" Mode of definition of thermal resistance transition-body of power of semi-conductive devices fulfilled in a body
CN102759544A (en) * 2012-07-06 2012-10-31 东南大学 Method for testing thermal resistance of high-power silicon carbide diode
CN107490736A (en) * 2017-08-07 2017-12-19 北京工业大学 The method and device that a kind of nondestructive measurement electronic functional module internal temperature and thermal resistance are formed
KR101958485B1 (en) * 2012-10-12 2019-03-14 현대모비스 주식회사 System and Method for measuring the temperature of power semiconductor, and Storage medium thereof

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09203668A (en) * 1995-05-13 1997-08-05 Nippon Inobu Kk Apparatus and method for measuring thermal resistance
RU2240573C1 (en) * 2003-04-22 2004-11-20 Флоренцев Станислав Николаевич Express method for measuring body transfer heat resistance of power semiconductor devices
RU2300115C1 (en) * 2006-02-02 2007-05-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева" Mode of definition of thermal resistance transition-body of power of semi-conductive devices fulfilled in a body
CN102759544A (en) * 2012-07-06 2012-10-31 东南大学 Method for testing thermal resistance of high-power silicon carbide diode
KR101958485B1 (en) * 2012-10-12 2019-03-14 현대모비스 주식회사 System and Method for measuring the temperature of power semiconductor, and Storage medium thereof
CN107490736A (en) * 2017-08-07 2017-12-19 北京工业大学 The method and device that a kind of nondestructive measurement electronic functional module internal temperature and thermal resistance are formed

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN114035012A (en) * 2021-10-14 2022-02-11 广州硅能照明有限公司 Junction temperature simultaneous testing system for multiple COB light sources
RU2796812C1 (en) * 2022-04-18 2023-05-29 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" Method for determining parameters of a two-link thermal equivalent circuit of a semiconductor product
CN114814514A (en) * 2022-05-06 2022-07-29 扬州扬杰电子科技股份有限公司 Method for testing by using current leakage of TVS (transient voltage suppressor)
CN114883680A (en) * 2022-05-26 2022-08-09 西北工业大学 Method for measuring temperature entropy coefficient of lithium ion battery
CN116643139A (en) * 2023-07-26 2023-08-25 广东芯聚能半导体有限公司 Bias experiment method, bias experiment device, bias experiment equipment and bias experiment medium based on current heating device
CN116643139B (en) * 2023-07-26 2023-10-27 广东芯聚能半导体有限公司 Bias experiment method, bias experiment device, bias experiment equipment and bias experiment medium based on current heating device
CN119064749A (en) * 2024-11-05 2024-12-03 中国电气装备集团科学技术研究院有限公司 High temperature characteristics testing method, device and readable storage medium for semiconductor devices
CN119780642A (en) * 2024-11-25 2025-04-08 中国船舶集团有限公司第七〇九研究所 Rapid high-temperature test method for power semiconductor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2724148C1 (en) Method of measuring thermal resistance of transition-case of power semiconductor devices
Avenas et al. Evaluation of IGBT thermo-sensitive electrical parameters under different dissipation conditions–Comparison with infrared measurements
CN104458799A (en) Method and device for measuring transient thermal resistance of IGBT module
CN107490736B (en) A method and device for non-destructively measuring the internal temperature and thermal resistance of an electronic function module
Gifford et al. Durable heat flux sensor for extreme temperature and heat flux environments
RU2516609C2 (en) Method for determination of thermal resistance for junction field-effect transistors
Klonz et al. Measuring thermoelectric effects in thermal converters with a fast reversed dc
HU186066B (en) Method and apparatus for measuring coefficient of heat transfer
CN109211963B (en) System and method for detecting thermal resistance of heat-conducting material
CN108287300A (en) A kind of method and apparatus measuring operating insulation grid-type field-effect transistor junction temperature
RU2178893C1 (en) Process determining thermal resistance of junction-package of semiconductor diodes
RU2300115C1 (en) Mode of definition of thermal resistance transition-body of power of semi-conductive devices fulfilled in a body
JP4703850B2 (en) Temperature control of electronic devices using power following feedback action
D’Aucelli et al. Uncertainty evaluation of the Unified Method for thermo-electric module characterization
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
EP2746790A2 (en) The method and circuit for measuring own and mutual thermal resistances of a magnetic device
RU2613481C1 (en) Method of digital integrated circuits transient thermal characteristics measuring
RU2240573C1 (en) Express method for measuring body transfer heat resistance of power semiconductor devices
CN104914299A (en) Comparison heat measuring device for measuring loss of magnetic element and measurement method thereof
Li et al. Transient heat transfer due to exponentially increasing heat inputs for turbulent flow of FC-72 in small diameter tubes
CN112162223B (en) SQUID device electromagnetic parameter test method, device and computer equipment
US11313819B2 (en) Thermal analysis of semiconductor devices
CN210225754U (en) Real-time coil temperature detection device
RU2787328C1 (en) Method for measuring transition-case thermal resistance and transition-case thermal time constant of a semiconductor product
KR100356994B1 (en) Thermal conductivity detecting method for fluid and gas