(54) Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej inteligentnego unipolarnego obwodu PL B1 G01R 31/26

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (21) Numer zgłoszenia (22) Data zgłoszenia: (13) B1 (51) IntCl7 G01R 31/26 (54) Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej inteligentnego unipolarnego obwodu scalonego mocy (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 11/99 (73) Uprawniony z patentu: Akademia Morska w Gdyni, Gdynia, PL (72) Twórcy wynalazku: Krzysztof Górecki, Klonowo, PL Janusz Zarębski, Gdańsk, PL Andrzej Napieralski, Aleksandrów Łódzki, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 08/04 (74) Pełnomocnik: Radoman Krystyna, Wyższa Szkoła Morska PL B1 (57) S posób pom iaru rezystancji term icznej inteligentnego unipolarnego obw odu scalonego m ocy, w którym w ykorzystuje się złącze p-n jako elem ent term oczuły i w yznacza się w artość rezystancji term icznej ako iloczyn odwrotności nachylenia charakterystyki term om etrycznej F oraz ilorazu zm iany napięcia na złączu p-n w stanie ustalonym UAL i w czasie kalibracji UAK przez różnicę m ocy w ydzielanych w układzie scalonym w czasie jego grzania 1 w czasie kalibracji, z n am ien n y tym, że k alib ru je się charakterystykę term om etryczną złącza p-n zaw artego w struktu - rze wyjściowego tranzystora M OS przy jednej w artości tem peratury otoczenia T A oraz przy prądzie w ym uszonym przez źródło prądu pom iarow ego (2), następnie pobudza się inteligentny unipolarny obw ód scalony m ocy (3) falą pro sto k ątn ą m ocy i m ierzy się w stanie ustalonym w artość napięcia U AH w w ęźle napięciow ym (A) przy w ysokim poziom ie m ocy oraz m ierzy się przy niskim poziom ie m ocy w artość napięcia U AL, a następnie w yznacza się wartość rezystancji term icznej R th, 2 U kład do pom iaru rezystancji term iczn ej inteligentnego unipolarnego obw odu scalonego m ocy z aw ierający źródło prądu grzejnego 1 pom iarow ego, z n a m ien n y tym, że źródło prądu g rzejnego (1) przez przełącznik (K ) jest połączone z w y jsciem inteligentnego obw odu scalonego m ocy (3) oraz z dodatnim zaciskiem źródła prądu pom iarow ego (2) 1 w ejściem w zm acniacza pom iarow ego (4), którego w yjście je s t połączone z w ejściem przetw ornika analogow o-cyfrow ego (5), a w y jście jego jest podłączone do m agistrali kom putera (6), zaś w ejścia cyfrow e inteligentnego obw odu scalonego m ocy (3) przez przełącznik (S) są podłączone do poziom u napięcia zasilania lub do poziom u masy, przy czym obw ód scalony jest usytuow any w term ostacie (7), a przełącznik (K ) oraz (S) są przełączane synchronicznie

2 Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej inteligentnego unipolarnego obwodu scalonego mocy Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób pomiaru rezystancji termicznej inteligentnego unipolarnego obwodu scalonego mocy, w którym wykorzystuje się złącze p-n jako element termoczuły i wyznacza się wartość rezystancji termicznej jako iloczyn odwrotności nachylenia charakterystyki termometrycznej F oraz ilorazu zmiany napięcia na złączu p-n w stanie ustalonym UAL i w czasie kalibracji UAK przez różnicę mocy wydzielanych w układzie scalonym w czasie jego grzania i w czasie kalibracji, znamienny tym, że kalibruje się charakterystykę termometryczną złącza p-n zawartego w strukturze wyjściowego tranzystora MOS przy jednej wartości temperatury otoczenia TA oraz przy prądzie wymuszonym przez źródło prądu pomiarowego (2), następnie pobudza się inteligentny unipolarny obwód scalony mocy (3) falą prostokątną mocy i mierzy się w stanie ustalonym wartość napięcia UAH w węźle napięciowym (A) przy wysokim poziomie mocy oraz mierzy się przy niskim poziomie mocy wartość napięcia U AL, a następnie wyznacza się wartość rezystancji termicznej Rth. 2. Układ do pomiaru rezystancji termicznej inteligentnego unipolarnego obwodu scalonego mocy zawierający źródło prądu grzejnego i pomiarowego, znamienny tym, że źródło prądu grzejnego (1) przez przełącznik (K) jest połączone z wyjściem inteligentnego obwodu scalonego mocy (3) oraz z dodatnim zaciskiem źródła prądu pomiarowego (2) i wejściem wzmacniacza pomiarowego (4), którego wyjście jest połączone z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego (5), a wyjście jego jest podłączone do magistrali komputera (6), zaś wejścia cyfrowe inteligentnego obwodu scalonego mocy (3) przez przełącznik (S) są podłączone do poziomu napięcia zasilania lub do poziomu masy, przy czym obwód scalony jest usytuowany w termostacie (7), a przełącznik (K) oraz (S) są przełączane synchronicznie. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej mające zastosowanie przy kontroli jakości elementów półprzewodnikowych wykonywanych dla przemysłu elektronicznego. Znane są z amerykańskiego opisu patentowego nr Metoda i urządzenie do pomiaru rezystancji termicznej takich elementów jak układy scalone LSI. Znana metoda polega na tym, że rezystancję termiczną określa się na podstawie pomiaru różnicy temperatur między obiema stronami układu scalonego przy przepływie przez niego strumienia ciepła o znanej wartości. Znany układ pomiarowy składa się ze źródła ciepła, źródła zimna, badanego układu, miernika różnicy temperatur oraz układu sterującego. Niedogodnością znanego rozwiązania jest złożona konstrukcja źródeł ciepła i zimna oraz wykonywanie pomiaru w nietypowych warunkach pracy układu scalonego. Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego nr Przyrząd do pomiaru temperatury, składający się z dwukońcówkowego czujnika, do którego końcówek dołączone są źródło prądu polaryzującego oraz źródło napięciowe, przy czym wydajności tych źródeł są programowane. Czujnik zawiera spolaryzowane przewodzące złącza półprzewodnikowe umożliwiające pomiar temperatury otoczenia. Niedogodnością znanego rozwiązania jest możliwość pomiaru tylko temperatury otoczenia, bez możliwości wyznaczenia temperatury wnętrza elementu półprzewodnikowego. Znana jest z amerykańskiego opisu patentowego nr Metoda pomiaru temperatury pracy przyrządów półprzewodnikowych wraz z monitorowaniem charakterystyk częstotliwościowych. Znana metoda pomiaru wykorzystuje jako parametr termoczuły małosygnałowe wzmocnienie badanego elementu.

3 Niedogodnością znanego rozwiązania jest mała powtarzalność charakterystyki termometrycznej oraz brak możliwości pomiaru rezystancji termicznej znanych układów scalonych. Znany jest z polskiego opisu patentowego nr Sposób pomiaru rezystancji termicznej monolitycznych półprzewodnikowych układów scalonych, który polega na wyznaczeniu wartości rezystancji termicznej z jej definicji po pomiarze temperatury wnętrza układu przy wykorzystaniu napięcia na diodzie podłożonej przy wydzielaniu mocy w obszarze kolektora tranzystora bipolarnego zawartego w strukturze badanego układu scalonego. Niedogodnością znanego sposobu jest możliwość zastosowania go tylko do bipolarnych układów scalonych z izolacją złączową. Znany jest z polskiego opisu patentowego nr Sposób pomiaru rezystancji termicznej tranzystorów bipolarnych polegający na pomiarze dwóch wartości napięcia bazaemiter przy dwóch wartościach napięcia kolektor-emiter i ustalonej wartości prądu kolektora oraz temperatury otoczenia, a następnie wyliczeniu wartości rezystancji termicznej według znanego wzoru. Niedogodnością znanego sposobu jest mała dokładność pomiaru spowodowana nieuwzględnieniem w metodzie wpływu rezystancji szeregowych bazy i emitera na napięcie baza-emiter. Znany jest z polskiego opisu patentowego nr Sposób pomiaru rezystancji termicznej diod półprzewodnikowych ze złączem p-n w zakresie przebicia, polegający na pomiarze napięcia na diodzie pracującej w zakresie przebicia przy dwóch wartościach temperatury otoczenia i ustalonej wartości prądu, a następnie wyliczeniu wartości rezystancji termicznej według znanego wzoru. Niedogodnością znanego sposobu jest ograniczony zakres punktów pracy diod, dla których można wykonać pomiar oraz konieczność wykonania jednego z pomiarów napięć natychmiast po przełączeniu sygnału zasilającego badaną diodę. Znany jest z polskiego opisu patentowego nr Układ do pomiaru przejściowej impedancji termicznej tranzystora bipolarnego, w którym emiter tranzystora pracującego w układzie wspólnej bazy jest połączony wyjściem źródła małego prądu oraz z wyjściem źródła prądu grzejnego poprzez przełącznik, który jest sterowany sygnałem prostokątnym gt. Tranzystor jest usytuowany w termostacie, a kolektor jest połączony z wejściem źródła napięciowego. Niedogodnością znanego układu jest ograniczenie zastosowania go tylko do tranzystorów bipolarnych pracujących w zakresie aktywnym normalnym. Znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego nr P Sposób pomiaru rezystancji termicznej scalonych układów cyfrowych TTL i CMOS polegający na wydzielaniu mocy o dwóch wartościach określonych przez dwie wartości obciążenia włączonego między wyjście bramki a zasilanie. Pomiar temperatury wnętrza jest realizowany za pośrednictwem występującej na dowolnym wejściu bramki przewodząco spolaryzowanej diody, przez którą płynie prąd o ustalonej wartości. Niedogodnością znanego sposobu jest możliwość pomiaru rezystancji termicznej tylko podstawowych bramek TTL i CMOS. Znana jest z publikacji naukowej J. Zarębskiego pt.; Modelowanie, symulacja i pomiary przebiegów elektrotermicznych w elementach półprzewodnikowych i układach elektronicznych, wydana przez Wydawnictwo Uczelniane W S M Gdynia w roku 1996, impulsowa metoda pomiaru rezystancji termicznej tranzystora bipolarnego, w której badany tranzystor jest pobudzany falą prostokątną mocy o poziomach PH i P L, a w stanie ustalonym przy mocy równej PLjest mierzona wartość napięcia UK na spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu baza-emiter. Wykorzystując wyznaczoną w czasie kalibracji przeprowadzonej przy mocy PL wartość napięcia UK oraz nachylenie charakterystyki termometrycznej F wyznacza się wartość rezystancji termicznej Rth ze wzoru:

4 Niedogodnością znanego rozwiązania jest konieczność przeprowadzenia czasochłonnej kalibracji charakterystyki termometrycznej oraz przeznaczenie znanej metody do pomiaru rezystancji termicznej tylko tranzystorów bipolarnych. Istotą wynalazku jest sposób, w którym kalibruje się charakterystykę termometryczną złącza p-n, zawartego w strukturze wyjściowego tranzystora MOS przy jednej wartości temperatury otoczenia oraz przy prądzie wymuszonym przez źródło prąciu pomiarowego, następnie pobudza się inteligentny unipolarny obwód scalony mocy falą prostokątną mocy i mierzy się w stanie ustalonym wartość napięcia UAH w węźle napięciowym A przy wysokim poziomie mocy oraz mierzy się przy niskim poziomie mocy wartość napięcia UAL, a następnie wyznacza się wartość rezystancji termicznej Rth. Korzystnym skutkiem zastosowania sposobu według wynalazku jest wyznaczenie rezystancji termicznej w typowych warunkach pracy mierzonego obwodu scalonego oraz wykorzystanie wartości temperatury wnętrza obwodu scalonego odpowiadającej temperaturze elementów wykonawczych. Istotą wynalazku jest układ, w którym źródło prądu grzejnego przez przełącznik jest połączone z wyjściem inteligentnego obwodu scalonego mocy oraz z dodatnim zaciskiem źródła prądu pomiarowego i wejściem wzmacniacza pomiarowego, którego wyjście jest połączone z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego, a jego wyjście jest podłączone do magistrali komputera, zaś wejścia cyfrowe inteligentnego obwodu scalonego przez przełącznik są podłączone do poziomu napięcia zasilania lub do poziomu masy, przy czym układ scalony jest usytuowany w termostacie, a przełączniki są przełączane synchronicznie. Korzystnym skutkiem zastosowania układu według wynalazku jest możliwość wykonania pomiaru rezystancji termicznej inteligentnego obwodu scalonego przy typowych dla niego warunkach obciążenia i zasilania. Przedmiot wynalazku wyjaśnia przykład wykonania sposobu pomiaru rezystancji termicznej inteligentnego unipolarnego obwodu scalonego realizowany w przykładowym układzie przedstawionym na rysunku w postaci schematu blokowego. Przedstawiony na rysunku układ składa się ze źródła prądu grzejnego 1, które jest połączone poprzez przełącznik K z wyjściem inteligentnego obwodu scalonego mocy z dodatnim zaciskiem źródła prądu pomiarowego 2 i wejściem wzmacniacza pomiarowego 4. Wyjście wzmacniacza 4 jest połączone z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego 5, którego wyjście jest połączone z magistralą komputera 6. Wejścia cyfrowe inteligentnego obwodu scalonego 3 są podłączone przez przełącznik S do poziomu napięcia zasilania lub do poziomu masy. Układ scalony jest usytuowany w termostacie 7, a przełączniki K i S są przełączane synchronicznie. W pierwszym etapie pomiaru, przełącznik K jako klucz zwiemy znajduje się w pozycji P 1, a przełącznik S jako klucz przełączany znajduje się w pozycji P 1, kalibruje się charakterystykę termoczułą złącza p-n zawartego w strukturze wyjściowego tranzystora MOS przy zadanej stałej temperaturze otoczenia TA1 utrzymywanej przez termostat 7 i przy prądzie wymuszonym przez źródło prądu pomiarowego 2. Układ złożony ze wzmacniacza pomiarowego 4, przetwornika analogowo-cyfrowego 5 i komputera 6 mierzy wartość napięcia U AK w węźle napięciowym A. Wartość nachylenia charakterystyki termometrycznej F określa się jako różnicę ilorazu różnicy wartości napięcia w węźle A w czasie kalibracji UAK oraz napięcia odpowiadającego szerokości przerwy energetycznej w temperaturze zera bezwzględnego U g0 przez temperaturę otoczenia T a oraz iloczyn liczby 1,5 i ilorazu stałej Boltzmana k przez ładunek elektronu q, co wyraża następujący wzór: F=[(UAK-UGO)/TA]-1,5*k/q W drugim etapie pomiaru, przy przełącznikach K i S pracujących synchronicznie, pobudza się falą prostokątną mocy inteligentny unipolarny obwód scalony mocy 3. Gdy przełączniki K i S znajdują się w pozycji P prąd ze źródła prądu grzejnego 1 wpływa do wejścia inteligentnego unipolarnego obwodu scalonego mocy 3, powodując wydzielanie w nim mocy elektrycznej i wzrost temperatury jego wnętrza. Gdy przełączniki K i S znajdują się w pozycji P 1 z wyjścia układu 3 wypływa prąd o wartości równej prądowi kalibracji zdeterminowanej

5 przez wydajność źródła prądu pomiarowego 2. W czasie przepływu prądu pomiarowego mierzy się wartość napięcia UA w węźle napięciowym A za pomocą układu złożonego ze wzmacniacza pomiarowego 4, z przetwornikiem analogowo-cyfrowym 5 oraz komputera 6. Przełączniki K i S znajdują się na przemian w pozycjach P i P 1. Drugi etap kończy się, gdy zmierzone podczas ostatniej minuty wartości napięcia U A w węźle napięciowym A odpowiadające przepływowi prądu pomiarowego nie różnią się między sobą więcej niż o błąd dyskretyzacji przetwornika analogowo-cyfrowego 5. W każdym okresie fali prostokątnej mocy czas przepływu prądu grzejnego jest około tysiąc razy dłuższy od czasu przepływu prądu pomiarowego wynoszącego od 100 do 250 μs. Zmierzona w ostatnim okresie fali prostokątnej wartość napięcia U A w stanie ustalonym, przy niskim poziomie mocy U A L i przy wysokim poziomie mocy U A H wykorzystywane są do wyznaczenia wartości rezystancji termicznej ze wzoru:

6 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł