Wersja elektroniczna artykułu

ELEKTRYKA
Zeszyt 1 (229)
2014
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
K. Górecki, J. Zarębski
58
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]
N

 t
Z (t )  Rth  1   ai  exp 
  thi
 i 1



(1)
gdzie Rth oznacza rezystancję termiczną, ai 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
PT t   PT t  0  1
F
(2)
P0
gdzie P0 jest amplitudą impulsów mocy wydzielanej w grzejniku w drugim etapie pomiaru.
Z (t ) 
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).
K. Górecki, J. Zarębski
60
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
d
BC211
a
Z(t) [K/W]
160
140
120
100
80
b
60
40
c
20
0
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
t [s]
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 Zth(t) tranzystora BC211 pracującego przy różnym mocowaniu
Parametr
Rth [K/W]
a1
th1 [s]
a2
th2 [s]
a3
th3 [s]
a4
th4 [ms]
a5
th5 [ms]
a6
th6 [ms]
a7
th7 [ms]
a8
th8 [ms]
Krzywa a
168,4
0,865
81,7
0,023
61,17
0,013
5,99
0,018
313,2
0,013
136,4
0,021
9,69
0,035
1,71
0,01
0,04
Krzywa b
60,87
0,631
252,4
0,199
2,115
0,053
0,0191
0,101
2,17
0,016
1,09
Krzywa c
23,19
0,088
691,2
0,262
3,175
0,136
0,886
0,04
500,8
0,074
63,45
0,168
8,93
0,229
1,39
0,162
0,16
Krzywa d
194,9
0,185
326
0,733
79,85
0,018
0,348
0,034
10,24
0,026
1,32
0,004
0,04
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
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 a2 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 Z11(t) reprezentuje własną przejściową impedancję termiczną tranzystora
wyjściowego, charakteryzującą proces samonagrzewania w tranzystorze wyjściowym.
Z kolei, krzywa Z12(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 ZM(t) oznacza wzajemną przejściową
impedancję termiczną, charakteryzującą wzajemne sprzężenia termiczne między dwoma
tranzystorami Darlingtona umieszczonymi na wspólnym radiatorze.
3,5
3
Z11(t)
BU323A
Z12(t)
Z(t) [K/W]
2,5
2
ZM(t)
1,5
1
0,5
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
K. Górecki, J. Zarębski
62
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
Rth [K/W]
a1
th1 [s]
a2
th2 [s]
a3
th3 [s]
a4
th4 [s]
a5
th5 [ S]
a6
th6 [ S]
a7
th7 [ S]
Z11(t)
3,37
0,381
1609,4
0,121
538,2
0,172
14,15
0,208
3,619
0,062
278,5
0,05
14,45
0,006
0,04
Z12(t)
2,95
0,435
1433,3
0,082
317,25
0,258
9,459
0,121
2,519
0,05
310,55
0,042
32,49
0,012
4,12
ZM(t)
1,64
0,763
1498,8
0,237
432,6
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 Z11(t) oraz Z12(t) wyraźnie widać narastanie już
dla czasów t > 1 ms, natomiast przebieg ZM(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.
2.
3.
4.
Zarębski J.: Modelowanie, symulacja i pomiary przebiegów elektrotermicznych w elementach półprzewodnikowych i układach elektronicznych. Prace Nauk. WSM w Gdyni,
Gdynia 1996.
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.
Blackburn D.L.: Temperature Measurements of Semiconductor Devices – A Review. 20th
IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Menagement Symposium SEMITHERM, 2004, p. 70-80.
Bagnoli P.E., Casarosa C., Ciampi M., Dallago E.: Thermal Resistance Analysis by
Induced Transient (TRAIT) Method for Power Electronic Devices Thermal
K. Górecki, J. Zarębski
64
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Characterization – Part I: Fundamentals and Theory. „IEEE Transactions on Power
Electronics” 1998, Vol. 13, No. 6, 1998, p. 1208-1219.
Szekely V.: A New Evaluation Method of Thermal Transient Measurement Results.
„Microelectronic Journal” 1997, Vol. 28, No.3, 1997, p. 277-292.
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.
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.
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.
Górecki K., Zarębski J.: Badanie wpływu wybranych czynników na parametry cieplne
tranzystorów mocy MOS. „Przegląd Elektrotechniczny” 2009, Vol. 85, No. 4, p. 159164.
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.
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.
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.
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: [email protected]
[email protected]