WPŁYW MOCOWANIA ELEMENTU PÓŁPRZEWODNIKOWEGO NA JEGO PRZEJŚCIOWĄ IMPEDANCJĘ TERMICZNĄ

ELEKTRYKA 2014 Zeszyt 1 (229) Rok LX Krzysztof GÓRECKI, Janusz ZARĘBSKI Akademia Morska w Gdyni WPŁYW MOCOWANIA ELEMENTU PÓŁPRZEWODNIKOWEGO NA JEGO PRZEJŚCIOWĄ IMPEDANCJĘ TERMICZNĄ Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu sposobu mocowania elementu półprzewodnikowego na jego przejściową impedancję termiczną. Opisano zastosowaną przez autorów metodę pomiaru tego parametru oraz wyniki pomiarów czasowych przebiegów przejściowej impedancji termicznej wybranych typów tranzystorów pracujących przy różnych warunkach mocowania. Przy wykorzystaniu autorskiego programu ESTYM wyznaczono wartości parametrów modelu przejściowej impedancji termicznej i przeanalizowano wpływ sposobu mocowania na wartości tych parametrów. Badania przeprowadzono zarówno dla elementów pracujących pojedynczo, jak i dla analogowego układu scalonego oraz tranzystorów pracujących na wspólnym radiatorze. Słowa kluczowe: przejściowa impedancja termiczna, model termiczny, zjawiska termiczne, elementy półprzewodnikowe INFLUENCE OF THE MOUNTING OF A SEMICONDUCTOR DEVICE ON ITS TRANSIENT THERMAL IMPEDANCE Summary. In the paper some results of investigations of the influence of the manner of mounting semiconductor devices on its transient thermal impedance are presented. The applied by the authors the method of measurements of this parameter is described and some results of measurements of waveforms of the transient thermal impedance of selected types of transistors operating at different mounting conditions are shown. With the use of the authors program ESTYM the values of parameters of the model of the transient thermal impedance were estimated. The influence of the manner of mounting manner on the value of these parameters is analysed. Investigations were passed both for devices operating one by one, as and for the analog integrated circuit and transistors situating on the common heat-sink. Keywords: transient thermal impedance, thermal model, thermal phenomena, semiconductor devices 1. WPROWADZENIE Istotny wpływ na właściwości elementów półprzewodnikowych ma temperatura ich wnętrza [1, 2]. Wartość tej temperatury jest uzależniona od temperatury otoczenia oraz

58 K. Górecki, J. Zarębski skuteczności odprowadzania generowanego w nim ciepła [3, 4, 5]. Parametrem charakteryzującym zdolność elementu półprzewodnikowego do odprowadzania ciepła jest przejściowa impedancja termiczna Z(t). Parametr ten mierzony jest zwykle przy wykorzystaniu pośrednich impulsowych metod elektrycznych opisanych m.in. w pracach [6, 7, 8]. Na potrzeby komputerowej analizy układów elektronicznych stosowany jest opis analityczny przebiegu Z(t) za pomocą wzoru [1, 5, 9] Z( t) R th 1 N i1 t a i exp thi (1) gdzie R th oznacza rezystancję termiczną, a i to współczynniki wagowe odpowiadające poszczególnym termicznym stałym czasowym thi, natomiast N jest liczbą tych stałych czasowych. Jak wynika m.in. z wcześniejszych prac autorów [9, 10, 11], parametry opisujące przebieg Z(t) zależą m.in. od mocy wydzielanej w elemencie, temperatury otoczenia oraz wielkości radiatora. W cytowanych pracach rozpatrywane są właściwości cieplne pojedynczych elementów. Tymczasem, typową sytuacją jest jednoczesna praca wielu elementów elektronicznych umieszczonych w jednym urządzeniu i wzajemnie sprzężonych ze sobą termicznie przez wspólną obudowę, wspólną płytkę drukowaną lub wspólny radiator. W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu sposobu mocowania na przejściową impedancję termiczną dwóch elementów półprzewodnikowych: tranzystora bipolarnego średniej mocy oraz tranzystora Darlingtona mocy. Na podstawie uzyskanych wyników badań przedyskutowano wpływ mocowania tranzystora na parametry opisującego jego przejściową impedancję termiczną oraz wpływ wzajemnych sprzężeń termicznych elementów umieszczonych we wspólnej strukturze półprzewodnikowej oraz na wspólnym radiatorze na wzajemną przejściową impedancję termiczną. 2. METODA POMIARU Prezentowane w niniejszej pracy wyniki pomiarów uzyskano przy wykorzystaniu pośredniej metody elektrycznej i krzywej chłodzenia [6]. W metodzie tej parametrem termoczułym PT jest napięcie na spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu p-n, przy przepływie przez to złącze prądu o ustalonej, małej wartości. Pomiar wykonywany jest w trzech etapach. W pierwszym etapie pomiaru przez badany element płynie prąd pomiarowy o małej wartości i mierzona jest wartość parametru termoczułego PT przy temperaturze wnętrza elementu równej temperaturze otoczenia. Po ustaleniu się wartości parametru PT wyznaczane

Wpływ mocowania elementu półprzewodnikowego na jego przejściową 59 jest nachylenie F charakterystyki termometrycznej PT(T) przy wykorzystaniu kalibracji jednopunktowej [12]. W drugim etapie pomiaru Z(t) badany element pobudzany jest falą prostokątną mocy o wypełnieniu d bliskim jedności (d = 0,999), co zapewnia praktycznie pobudzenie badanego elementu uskokiem mocy. Przy wysokim poziomie wydzielanej mocy mierzone są wartości zaciskowych prądów i napięć elementu, niezbędne do określenia wartości wydzielanej w nim mocy, natomiast przy niskim poziomie mocy mierzone są wartości PT, niezbędne do wyznaczenia wartości temperatury wnętrza badanego elementu. Pomiary trwają do chwili ustalenia się wartości parametru PT. W etapie trzecim, po uzyskaniu stanu ustalonego, następuje przełączenie badanego elementu do warunków zasilania odpowiadających warunkom kalibracji charakterystyki termometrycznej i rejestrowany jest czasowy przebieg parametru termoczułego aż do uzyskania wartości temperatury wnętrza elementu równej temperaturze otoczenia. Przy pomiarze własnej przejściowej impedancji termicznej parametr termoczuły jest parametrem elementu (grzejnika), w którym wydzielana była moc w drugim etapie pomiaru, natomiast przy wyznaczaniu wzajemnej przejściowej impedancji termicznej rejestrowany jest przebieg czasowy zmian parametru termoczułego innego elementu (czujnika) sprzężonego termicznie z grzejnikiem. Na podstawie zmierzonego przebiegu czasowego PT(t) wyznaczany jest przebieg własnej lub wzajemnej przejściowej impedancji termicznej ze wzoru t PT t 0 1 PT Z ( t) F (2) P0 gdzie P 0 jest amplitudą impulsów mocy wydzielanej w grzejniku w drugim etapie pomiaru. 3. WYNIKI BADAŃ Wykorzystując metodę pomiaru Z(t) opisaną w poprzednim rozdziale zmierzono przebiegi Z(t) tranzystora BC211 pracującego przy różnych warunkach chłodzenia. Uzyskane przebiegi przedstawiono na rys. 1. Rozważano 4 sposoby mocowania badanego tranzystora: tranzystor bez radiatora (krzywa a), tranzystor umieszczony na radiatorze aluminiowym o wymiarach 25x14x9 mm (krzywa b), tranzystor umieszczony na radiatorze aluminiowym o wymiarach 100x92x9 mm (krzywa c) oraz tranzystor bez radiatora umieszczony w zamkniętym pojemniku teflonowym (krzywa d).

Z(t) [K/W] 60 K. Górecki, J. Zarębski W tabeli 1 zebrano wartości parametrów modelu przejściowej impedancji termicznej tranzystora BC211, odpowiadające warunkom mocowania tego elementu rozważanym na rys. 1. Wartości tych parametrów wyznaczono przy wykorzystaniu autorskiego programu ESTYM [9]. 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 BC211 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 t [s] d b a c Rys. 1. Zmierzone przebiegi Z(t) tranzystora BC211 przy różnych warunkach chłodzenia Fig. 1. Measured waveforms of the Z(t) of transistor BC211 at different cooling conditions Tabela 1 Wartości parametrów modelu Z th (t) tranzystora BC211 pracującego przy różnym mocowaniu Parametr Krzywa a Krzywa b Krzywa c Krzywa d R th [K/W] 168,4 60,87 23,19 194,9 a 1 0,865 0,631 0,088 0,185 th1 [s] 81,7 252,4 691,2 326 a 2 0,023 0,199 0,262 0,733 th2 [s] 61,17 2,115 3,175 79,85 a 3 0,013 0,053 0,136 0,018 th3 [s] 5,99 0,0191 0,886 0,348 a 4 0,018 0,101 0,04 0,034 th4 [ms] 313,2 2,17 500,8 10,24 a 5 0,013 0,016 0,074 0,026 th5 [ms] 136,4 1,09 63,45 1,32 a 6 0,021 0,168 0,004 th6 [ms] 9,69 8,93 0,04 a 7 0,035 0,229 th7 [ms] 1,71 1,39 a 8 0,01 0,162 th8 [ms] 0,04 0,16 Analizując uzyskane wyniki pomiarów, można łatwo zauważyć, że sposób mocowania istotnie wpływa na przebieg przejściowej impedancji termicznej. W zakresie małych wartości czasu, nieprzekraczających 2 s, przebiegi przejściowej impedancji termicznej uzyskane przy wszystkich rozważanych warunkach chłodzenia są praktycznie takie same, gdyż w tym zakresie o jej przebiegu decyduje konstrukcja obudowy elementu. Różnice między uzyskanym przebiegiem Z(t) są wyraźnie widoczne w zakresie dużych czasów. W tym zakresie widać, że sposób mocowania wpływa zarówno na wartość rezystancji termicznej, jak i na czas niezbędny do uzyskania stanu ustalonego. W rozważanym przypadku wartość

Z(t) [K/W] Wpływ mocowania elementu półprzewodnikowego na jego przejściową 61 rezystancji termicznej zmienia się nawet dziesięciokrotnie, a czas niezbędny do uzyskania stanu ustalonego nawet tysiąckrotnie. Wartości rezystancji termicznej wyznaczone za pomocą programu ESTYM przyjmują wartości z zakresu od około 23 K/W dla tranzystora umieszczonego na dużym radiatorze do prawie 195 K/W dla tranzystora umieszczonego w pojemniku teflonowym. Z kolei, dominująca termiczna stała czasowa ma najmniejszą wartość, równą około 82 s, dla tranzystora bez radiatora. Wraz ze wzrostem objętości radiatora wartość najdłuższej termicznej stałej czasowej rośnie i dla dużego radiatora osiąga ponad 690 s. Warto jednak zauważyć, że na skutek wysokiej skuteczności konwekcji, dla rozważanego systemu chłodzenia największą wartość ma współczynnik wagowy a 2 związany z termiczną stałą czasową równą 3,175 s. Na rys. 2 przedstawiono zmierzone przebiegi przejściowej impedancji termicznej w tranzystorze Darlingtona mocy umieszczonym na radiatorze wykonanym z kształtki A4129 o długości 142 mm. Tranzystor Darlintona BU323A zawiera dwa tranzystory bipolarne (wejściowy i wyjściowy), dwa rezystory oraz diodę [13]. Pomiary wykonano przy wydzielaniu w badanym elemencie mocy równej około 30 W. Przy tej wartości mocy ciepło jest generowane głównie w tranzystorze wyjściowym. Ciepło to powoduje wzrost temperatury nie tylko tranzystora wyjściowego, ale także tranzystora wejściowego oraz innych przyrządów półprzewodnikowych umieszczonych na tym samym radiatorze. Na rysunku tym krzywa Z 11 (t) reprezentuje własną przejściową impedancję termiczną tranzystora wyjściowego, charakteryzującą proces samonagrzewania w tranzystorze wyjściowym. Z kolei, krzywa Z 12 (t) reprezentuje wzajemną przejściową impedancję termiczną między tranzystorem wejściowym a wyjściowym, charakteryzującą wzajemne sprzężenia termiczne między tranzystorami zawartymi w rozważanej strukturze tranzystora Darlingtona przez wspólną strukturę półprzewodnikową. Krzywa Z M (t) oznacza wzajemną przejściową impedancję termiczną, charakteryzującą wzajemne sprzężenia termiczne między dwoma tranzystorami Darlingtona umieszczonymi na wspólnym radiatorze. 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 BU323A Z 11 (t) Z 12 (t) Z M (t) 0 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 t [s] Rys. 2. Zmierzone przebiegi własnej i wzajemnych przejściowych impedancji termicznych w tranzystorze Darlingtona Fig. 2. Measured waveforms of own and mutual transient thermal impedance in Darlington transistor

62 K. Górecki, J. Zarębski Jak można zauważyć, zgodnie z oczekiwaniami największe wartości przyjmuje własna przejściowa impedancja termiczna, a wzajemne przejściowe impedancje termiczne są tym mniejsze, im większa jest odległość między sprzężonymi elementami. W tabeli 2 zebrano, uzyskane za pomocą programu ESTYM, wartości parametrów modelu przejściowej impedancji termicznej dla krzywych przedstawionych na rys. 2. Tabela 2 Wartości parametrów modelu własnej i wzajemnych przejściowych impedancji termicznych tranzystora Darlingtona BU323A pracującego na dużym radiatorze Parametr Z 11 (t) Z 12 (t) Z M (t) R th [K/W] 3,37 2,95 1,64 a 1 0,381 0,435 0,763 th1 [s] 1609,4 1433,3 1498,8 a 2 0,121 0,082 0,237 th2 [s] 538,2 317,25 432,6 a 3 0,172 0,258 th3 [s] 14,15 9,459 a 4 0,208 0,121 th4 [s] 3,619 2,519 a 5 0,062 0,05 th5 [ S] 278,5 310,55 a 6 0,05 0,042 th6 [ S] 14,45 32,49 a 7 0,006 0,012 th7 [ S] 0,04 4,12 Uzyskane przebiegi przejściowych impedancji termicznych oraz wartości parametrów modelu Z(t) potwierdzają, że temperatura maleje wraz ze wzrostem odległości od źródła ciepła. Wartość rezystancji termicznej własnej osiąga 3,37 K/W, a wartość rezystancji termicznej wzajemnej między tranzystorami umieszczonymi na wspólnym radiatorze jest ponaddwukrotnie mniejsza. Z kolei, najdłuższa termiczna stała czasowa w opisie wszystkich przejściowych impedancji termicznych przyjmuje podobne wartości z zakresu od 1400 do 1600 s. Warto zauważyć, że na przebiegach Z 11 (t) oraz Z 12 (t) wyraźnie widać narastanie już dla czasów t > 1 ms, natomiast przebieg Z M (t) aż do czasu t równego około 20 s praktycznie przyjmuje zerową wartość. W tym ostatnim przypadku element nagrzewa się od zewnątrz, tzn. od radiatora. 4. PODSUMOWANIE Z przedstawionych danych pomiarowych wynika, że sposób mocowania elementu półprzewodnikowego wpływa w istotny sposób na przebieg jego przejściowej impedancji termicznej. Warto zwrócić uwagę na fakt, że zastosowanie radiatora powoduje istotny spadek wartości rezystancji termicznej, a utrudnienie konwekcji poprzez zamknięcie elementu

Wpływ mocowania elementu półprzewodnikowego na jego przejściową 63 w pojemniku teflonowym powoduje wzrost wartości tego parametru nawet o 15%. Wzrost rozmiarów radiatora powoduje wydłużanie czasu niezbędnego do uzyskania stanu ustalonego. Jednak przy bardzo dużych rozmiarach radiatora czas ustalania przebiegu Z(t) ulega znacznemu skróceniu, co odpowiada prawie idealnemu chłodzeniu badanego elementu. W przypadku badania tranzystora Darlingtona mocy stwierdzono istnienie znacznie silniejszych sprzężeń termicznych między elementami umieszczonymi we wspólnej obudowie niż elementami w różnych obudowach umieszczonych na wspólnym radiatorze. W rozpatrywanym w pracy przypadku różnice wartości rezystancji termicznej są niemal dwukrotne. W przypadku sprzężenia termicznego elementów umieszczonych na wspólnym radiatorze stwierdzono, że inercja termiczna jest w tym przypadku znacznie większa niż dla elementów zawartych we wspólnej strukturze półprzewodnikowej. Przeprowadzone przez autorów pomiary i obliczenia dowodzą, że wartości parametrów modelu termicznego są uzależnione od sposobu mocowania elementu, a znaczenie wzajemnych sprzężeń termicznych między elementami półprzewodnikowymi może mieć bardzo istotne znaczenie z punktu widzenia oceny ich stanu cieplnego. Dlatego w celu weryfikacji poprawności projektu systemu chłodzenia elementu półprzewodnikowego celowy jest pomiar własnej i wzajemnych przejściowych impedancji termicznych elementów wchodzących w skład rozważanego układu. PODZIĘKOWANIE Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/B/ST7/06740. BIBLIOGRAFIA 1. Zarębski J.: Modelowanie, symulacja i pomiary przebiegów elektrotermicznych w elementach półprzewodnikowych i układach elektronicznych. Prace Nauk. WSM w Gdyni, Gdynia 1996. 2. Mawby P.A., Igic P.M., Towers M.S.: Physically based compact device models for circuit modelling applications. Microelectronics Journal 2001, Vol. 32, p. 433-447. 3. Blackburn D.L.: Temperature Measurements of Semiconductor Devices A Review. 20 th IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Menagement Symposium SEMI- THERM, 2004, p. 70-80. 4. Bagnoli P.E., Casarosa C., Ciampi M., Dallago E.: Thermal Resistance Analysis by Induced Transient (TRAIT) Method for Power Electronic Devices Thermal

64 K. Górecki, J. Zarębski Characterization Part I: Fundamentals and Theory. IEEE Transactions on Power Electronics 1998, Vol. 13, No. 6, 1998, p. 1208-1219. 5. Szekely V.: A New Evaluation Method of Thermal Transient Measurement Results. Microelectronic Journal 1997, Vol. 28, No.3, 1997, p. 277-292. 6. Blackburn D.L., Oettinger F.F.: Transient Thermal Response Measurements of Power Transistors. IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrum., IECI-22, 1976, No. 2, p. 134-141. 7. Zarębski J., Górecki K.: A Method of Measuring the Transient Thermal Impedance of Monolithic Bipolar Switched Regulators. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies 2007, Vol. 30, No. 4, p. 627 631. 8. Górecki K., Zarębski J.: System mikrokomputerowy do pomiaru parametrów termicznych elementów półprzewodnikowych i układów scalonych. Metrologia i Systemy Pomiarowe 2001, t. VIII, Nr 4, s. 379-396. 9. Górecki K., Zarębski J.: Badanie wpływu wybranych czynników na parametry cieplne tranzystorów mocy MOS. Przegląd Elektrotechniczny 2009, Vol. 85, No. 4, p. 159-164. 10. Górecki K., Zarębski J.: Modeling the influence of selected factors on thermal resistance of semiconductor devices. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology 2014, Vol. 4, No. 3, p. 421-428. 11. Górecki K., Zarębski J.: Nonlinear compact thermal model of power semiconductor devices. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies 2010, Vol. 33, No. 3, p. 643-647. 12. Górecki K., Zarębski J.: Badanie charakterystyk termometrycznych elementów półprzewodnikowych ze złączem p-n. Metrologia i Systemy Pomiarowe 2001, t. VIII, Nr 4, s. 397-411. 13. Zarębski J., Górecki K.: Modelowanie tranzystora Darlingtona mocy z uwzględnieniem oddziaływań elektrotermicznych. Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji 1999, t. 45, z. 3-4, s. 455-472. Dr hab. inż. Krzysztof Górecki, prof. nzw AMG Prof. dr hab. inż. Janusz Zarębski Akademia Morska w Gdyni Katedra Elektroniki Morskiej ul. Morska 83 81-225 Gdynia e-mail: gorecki@am.gdynia.pl zarebski@am.gdynia.pl