XI International PhD Workshop OWD 2009, 17 20 October 2009 Porównanie charakterystyk termicznych diod Schottky ego z węglika krzemu uzyskanych metodami grzania przerywanego oraz ciągłego w szerokim zakresie temperatur mgr inŝ. Maciej Oleksy, Politechnika Koszalińska (2004, prof. dr hab inŝ Włodzimierz Janke, Politechnika Koszalińska) Abstract In the paper, the comparison of transient thermal impedance curves obtained through different methods for SiC Schottky diodes in wide temperature range is presented. Silicon carbide is a very promising material for electronics because of wide band-gap, high value of critical electric field and very good thermal conductivity. The potential applications of SiC devices in high temperature environments seem to be especially attractive, therefore the thermal characteristics of these devices are of great importance. The first types of commercially available SiC semiconductor devices are Schottky diodes. Schottky SiC diodes are becoming more important not only because their higher ambient temperature limits (200ºC as compared to 150ºC for Si) but also because of low accumulated charge and almost zero recovery current, that doesn t grow with temperature increase. The subjects of measurements are Schottky diodes CSD06060, CSD04060 (both Cree), SDT04S60 (Infineon) all in packages TO 220. In the investigation of thermal transient characteristics transient switched heating and cooling mode were used. Presented results show that both of those methods can be used with adequate precision, regardless of ambient temperature. Streszczenie W pracy omówiono badania przejściowej impedancji termicznej diod Schottky ego z węglika krzemu, w szerokim zakresie temperatur otoczenia za pomocą metody przerywanego grzania oraz metody studzenia. Scharakteryzowano krótko parametry elektryczne węglika krzemu oraz wpływ temperatury na te parametry, które powinny decydować o przebiegu przejściowej impedancji termicznej. Omówiono sposób pomiaru, stanowisko badawcze oraz wyniki badań impedancji termicznej otrzymane za pomocą obu metod dla kilku typowych diod Schottky ego w zakresie temperatur otoczenia od 25 C do 300 C. 1. Wiadomości wstępne Diody Schottky ego są szeroko stosowane w układach impulsowego przetwarzania mocy. Główną ich zaletą, w porównaniu z diodami ze złączem p-n jest większa szybkość działania. Ograniczenia w zastosowaniach tradycyjnych diod Schottky ego opartych na krzemie wynikają ze stosunkowo małych wartości napięć dopuszczalnych dla kierunku zaporowego. Produkowane od kilku lat diody Schottky ego z węglika krzemu (SiC) umoŝliwiają pogodzenie wymagań na duŝą szybkość przełączania i duŝe napięcie dopuszczalne. Parametry fizyczne monokrystalicznych odmian węglika krzemu mają istotny wpływ na moŝliwe do uzyskania parametry elementów energoelektronicznych z tego materiału. Porównanie wybranych parametrów krzemu i węglika krzemu (odmiana 4H) przedstawiono w tabeli 1 [3],[4]. Koncentracja n i nośników w materiale samoistnym oraz krytyczne natęŝenie pola E Kr są powiązane z szerokością pasma zabronionego WG. Mniejsza wartość ni w temperaturze pokojowej oznacza Ŝe temperatura przejścia warstwy domieszkowej w stan samoistny jest wyŝsza co stwarza moŝliwość poprawnej pracy 290
struktur złączowych z SiC w wysokich temperaturach (potencjalnie nawet do 700 800 C). Tabela 1. Parametry fizyczne krzemu i węglika krzemu Table 1. Physical parameters of silicone and silicone carbide WG λ ni(300k) [ev] [W/cmK] [cm-3] Si 1.12 1 1.5 10 10 0.3 SiC (4 H) EKr [MV/cm] 3.26 4 4.5 10-8 2.0 Tabela 2. Parametry elektryczne badanych diod w jednostkach Si Table 2. Electrical parameters of investigated diodes in International System of Units CSD 04060 CSD 06060 SDT 04S60 Producent Cree Cree Infineon Większa wartość krytycznego natęŝenia pola E Kr oznacza moŝliwość uzyskiwania struktur złączowych z SiC o większych napięciach przebicia niŝ analogiczne struktury z krzemu, przy tych samych wymiarach struktury. Większe wartości konduktywności cieplnej λ oznaczają z kolei moŝliwość uzyskiwania mniejszych rezystancji termicznych elementów z SiC w porównaniu z elementami krzemowymi, co umoŝliwia pracę przy większych gęstościach mocy [5]. Diody Schottky ego (zarówno w wersji Si jak i SiC) są szybsze od diod ze złączem p-n o porównywalnych prądach dopuszczalnych, ze względu na brak efektu gromadzenia nadmiarowych nośników mniejszościowych. Oferowane obecnie do sprzedaŝy wysokonapięciowe diody Schottky ego z SiC (np. typu C2D05120 firmy CREE) mają napięcia dopuszczalne w kierunku zaporowym VRRM=1200V czyli wartości nieosiągalne dla diod Schottky ego na bazie krzemu. Realizacja diod Schottky ego z SiC umoŝliwia połączenie duŝej szybkości przełączania i duŝych napięć dopuszczalnych nie dające się uzyskać w technologii krzemowej. Stwarza to szanse na poprawę parametrów niektórych typów układów energoelektronicznych (np. przetwornic DC-DC, układów prostowniczych z aktywną korekcją PF, inwerterów, itp.) [1]. Wadą diod Schottky ego z SiC w porównaniu z ich odpowiednikami krzemowymi są większe spadki napięcia w stanie przewodzenia (np. spadek napięcia na diodzie 6TQ045 Si przy 1A wynosi ok. 0.3V, w diodzie CSD06060 SiC wynosi on 1V). Parametr Symbol Wartość Wartość Wartość Powtarzalne wsteczne napięcie szczytowe Średni prąd przewodzenia (T C =25 C) (T C =100 C) (T C =150 C) Moc maksymalna (T C =25 C) (T C =125 C) Dozwlona temperatura złącza V RRM 600 600 600 I F 7 4 P tot T J, T stg 62,5 20,8-55 do +175 10 6 83,3 27,8-55 do +175 3,8 36,5-55 do +175 Stanowisko do badań właściwości cieplnych diod składa się z dwóch głównych części: urządzenia pomiarowego MPIT [2] komputera sprzęŝonego z kartą przetworników AC/CA Schemat urządzenia pomiarowego oraz metodę pomiarową przedstawia rysunek 1. 2. Stanowisko Obiektem badań przejściowych charakterystyk termicznych były diody Schottky ego firmy Cree oraz Infineon o tych samych obudowach TO-220. Podstawowe parametry elektryczne badanych diod przedstawione zostały w tabeli 2. Rys.1. Schemat ideowy miernika MPIT Fig.1. Idea behind MPIT measurement device gdzie: IM - źródło prądu pomiarowego, IH - źródło prądu grzejnego, 291
SW - klucz półprzewodnikowy, D.U.T. Device Under Test (badany element), VF napięcie mierzone na D.U.T. W eksperymencie wykorzystaliśmy następujące tryby pomiarowe: A) tryb impulsowy z regulowanym czasem pobudzania, B) tryb rejestracji przejściowej charakterystyki chłodzenia. Metoda z przełączaną mocą grzewczą (A) polega na wydzieleniu we wnętrzu diody znanej mocy grzejnej a następnie rejestrację zmian napięcia (V F) na złączu p-n podczas krótkich przerw w nagrzewaniu przy prądzie pomiarowym (I M). W ten sposób przy załoŝeniu t on >> t off otrzymamana krzywa nagrzewania jest bardzo zbliŝona do rzeczywistej krzywej impedancji termicznej. Zaletą tej metody jest łatwość kalibracji, jej wadą zaś są duŝe wymagania odnośnie szybkości przełączania wydzielanej mocy w omawianym systemie maksymalna częstotliwość próbkowania przy uŝyciu tej metody wynosiła 100Hz (minimalny czas t off wynosi 1ms z powodu występowania stanów nieustalonych podczas przełączania szczególnie duŝych mocy grzewczych, co przy 100Hz daje nam wypenienie rzędu 90%), co nie pozwalało na pomiary szybkich charakterystyk przejściowej impedancji termicznej. Przejściowe charakterystyki chłodzenia elementów półprzewodnikowych (B) otrzymywane są w wyniku pomiarów wartości napięcia (VF) na przewodzącym złączu p-n po wyłączeniu mocy grzewczej przy prądzie pomiarowym (I M). Jest to jednak najprostszy sposób pośredniego pomiaru przejściowej charakterystyki termicznej przy bardzo szybkich zmianach temperatury wnętrza elementu. Przejściowa impedancja termiczna jest wyznaczana na podstawie pomiaru krzywej chłodzenia w sposób opisany w [2]. NatęŜenie prądu grzejnego (IH) w złączu moŝe być regulowane w przedziale 0 8.5 A, a prądu pomiarowego (IM) 0 100 ma. Pomiar napięcia na złączu p-n odbywa się w układzie róŝnicowym. Jako napięcie odniesienia wykorzystuje się napięcie na złączu diody tego samego typu, co dioda badana. Urządzenie pomiarowe jest sterowane przez dwuprocesorową (Intel 2.4GHz HT) stację roboczą wyposaŝoną w kartę pomiarową typu NI 6115 X- PCI firmy National Instruments. Posiadany osprzęt umoŝliwia pomiary z minimalnym odstępem pomiędzy próbkami rzędu 0.2µs (5MHz) [2]. Badane diody mocowano na radiatorze A4062 o długości 10cm, którego temperaturę kontrolowano termometrem HartScientific 1522 wyposaŝonego w sondę pomiarową FLUKE 5628 ( 200 C do 660 C ±0.01 C). Zostały one umieszczone w komorze temperaturowej firmy Nabertherm typu N30/85HA. Przeprowadzone pomiary odbywały się w temperaturach wnętrza komory, od 25 C do 300 C z dokładnością ±0.1 C. Prąd oraz napięcie na diodzie w trakcie grzania kontrolowano multimetrami 8 ½ cyfry firmy Agilent oraz 5 ½ Fluke. Widok wnętrza komory temperaturowej wraz z dodatkową sondą temperaturową mocowaną na radiatorze przedstawia rys.2. Rys.2. Komora temperaturowa wraz z radiatorem i elementem badanym. Fig.2. Temperature chamber along with radiator and device under test. Przed umocowaniem diod wyrównywano powierzchnię radiatora papierem ściernym o gramaturze 1000 oraz gąbką polerską. Nie stosowano past termoprzewodzących, które są przewidziane dla węŝszego zakresu temperatur. Siła docisku diody do radiatora za pomocą płytki miedzianej o grubości 5mm zwiększano stopniowo aŝ do momentu, gdy dalsze zwiększanie docisku nie zmieniało rezystancji termicznej. Zbieranie próbek w przypadku metody studzenia rozpoczynano ok 1ms przed wyłączeniem mocy grzewczej, a do obliczeń Zth wykorzystywano próbki otrzymane po zakończeniu elektrycznych stanów nieustalonych związanych z przełączeniem mocy. 3. Wyniki pomiarów Na rysunkach 3, 4 oraz 5 przedstawiono reprezentatywne przykłady pomiarów przejściowej impedancji termicznej dla diod Schottky ego wykonanych z węglika krzemu firm Cree oraz Infineon w szerokim zakresie temperatur otoczenia. Wszystkie rysunki przedstawiają zarówno przebiegi impedancji termicznej uzyskane za pomocą metody studzenia (linie czarne) jak i metody grzania przerywanego (linie szare). 292
Rys.3. Przejściowa impedancja termiczna diody CSD04060 (Cree) zmierzona metodą przerywanego grzania (krzywe szare) oraz metodą studzenia (krzywe czarne). Fig.3. Thermal transient impedance of CSD4060 (Cree) diode measured by switched heating (grey curves).and cooling method (black lines) Rys.4. Przejściowa impedancja termiczna diody CSD06060 (Cree) zmierzona metodą przerywanego grzania (krzywe szare) oraz metodą studzenia (krzywe czarne). Fig.4. Thermal transient impedance of CSD6060 (Cree) diode measured by switched heating (grey curves).and cooling method (black lines) 293
Rys.5. Przejściowa impedancja termiczna diody SDT04S60 (Infineon) zmierzona metodą przerywanego grzania (krzywe szare) oraz metodą studzenia (krzywe czarne). Fig.5. Thermal transient impedance of SDT04S60 (Infineon) diode measured by switched heating (grey curves).and cooling method (black lines) Dla wszystkich przedstawionych diod uzyskano dobrą zgodność krzywych impedancji termicznej uzyskanych za pomocą obu przedstawionych metod. Krzywe uzyskane za pomocą metody grzania przerywanego, ze względu na 90% wypełnienie krzywej mocy zostały przemnoŝone przez współczynnik korygujący równy 1.11. Na podstawie uzyskanych wyników moŝna wnioskować iŝ korzystanie z metody studzenia do wyznaczania przebiegu impedancji termicznej nie będzie obarczone duŝym błędem, niezaleŝnie od temperatury otoczenia w której znajduje się dioda. Twierdzenie to jest prawdziwe dla niewielkich nadwyŝek temperatury struktury półprzewodnikowej ponad temperaturę otoczenia (rzędu 10 ºC) w którym to przypadku efekty nieliniowości parametrów termicznych nie mają istotnego wpływu na uzyskane wyniki. We wszystkich przedstawionych przypadkach moŝemy zaobserwować podobne zaleŝności pomiędzy krzywymi impedancji termicznej wyznaczanej za pomocą róŝnych metod. Dla niskich temperatur otoczenia (T A poniŝej 100ºC) krzywe impedancji termicznej wyznaczone za pomocą metody grzania przerywanego (Z thp) na odcinku do ok. 300ms leŝą ponad krzywymi wyznaczonymi metodą studzenia (Z thc). Ich dość dokładne pokrycie następuje w okolicach T A=100 ºC. PowyŜej tej temperatury krzywe Z thp na tym samym odcinku czasu leŝą poniŝej krzywych Z thc. Zjawisko to jest spowodowane nieliniowością parametrów termicznych materiałów wchodzących w skład obudowy i samej struktury diod. 4. Wnioski Pomiary przejściowej impedancji termicznej diod Schottky ego z SiC omówione w pracy przeprowadzono w zakresie temperatur otoczenia do 300 C, znacznie szerszym niŝ dopuszczalny zakres temperatur określony przez producentów. Zaobserwowano wyraźny wpływ temperatury otoczenia na przebieg impedancji termicznej, który jednak miał niewielki wpływ na zgodność przebiegów impedancji termicznej wyznaczanej róŝnymi metodami. Pomiary wykazały, Ŝe metody grzania ciągłego oraz studzenia moŝna stosować wymiennie w zaleŝności od potrzeb. Metoda studzenia jako 294
łatwiejsza w kalibracji oraz umoŝliwiająca pobieranie próbek ze znacznie wyŝszą częstotliwością jest szczególnie atrakcyjna. Literatura 1. R. Singh, J. Richmond, SiC Power Schottky Diodes in Power Factor Correction Circuits, Cree Inc. Application Notes 2. M. Oleksy, J. Kraśniewski, Porównanie charakterystyk termicznych diod Schottky ego z Si oraz SiC w szerokim zakresie temperatur, VI Krajowa Konferencja Elektroniki 11-13 czerwca 2007 3. Basic mechanical and thermal properties of silicon, Virginia Semicond. Inc. 4. Semiconductor materials overview, Cree Inc. 5. W. Janke, Zjawiska termiczne w elementach i układach półprzewodnikowych, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1992. Adres słuŝbowy Autora: mgr inŝ. Maciej Oleksy Technical University of Koszalin ul. Śniadeckich 2 75-453 Koszalin tel. (094) 367 95 83 fax (094) 343 34 79 email: oleksy@ie.tu.koszalin.pl 295