XIV International PhD WorkshopOWD2012, 20–23 October 2012

XIV International PhD Workshop
OWD 2012, 20–23 October 2012
Stanowisko pomiarowe z automatyczną kontrolą warunków
brzegowych do generacji Kompaktowych Modeli Termicznych
The measurement stand with an automatic boundary conditions
control for Compact Thermal Models generation
Tomasz Torzewicz, Politechnika Łódzka (Technical University of Lodz)
ABSTRACT
This paper presents the concept and methods
of implementation of the control and measurement
stand capable of producing a variety of heat
exchange conditions between the tested electronic
system and the environment in which it is located.
Topics of research concerns a new approach for
thermal modeling electronic systems and discrete
semiconductor devices. The data necessary to
generate thermal model are obtained during the
measurement of the temperature response of the
system to power unit-step function. Measurement
stand dedicated to thermal characterization of
electronic systems described later is an extension and
integration of an existing stand, built according to
guidelines JEDEC standard JESD-51. Expanding an
existing stand is based on adding full maintenance
for Peltier Thermo-Electric Modules (TEM), so it is
possible to force a required boundary conditions, i.e.
constant temperature around tested system or
constant heat flow through the system to ambient
independently from the amount of power dissipated
in the device. A set of temperature sensors and heat
flow sensors will follow the specified parameter
(temperature or heat flux through the surface) and
provides suitably processed information to a central
processing unit for controlling power executive unit.
Term integration refers to the connection of the
system described above and the reading card for
temperature measurement from the Device Under
Test. This connection should allow for full
communication between those components in such
a way that it is possible to automatically carry out
measurements at a selected boundary conditions.
The automation of measurements is the key in this
case, since the full thermal characterization of the
system is often required to carry out some or several
series of measurements for a variety of operating
temperatures of the tested system. The device can
also be used to verify the accuracy of the thermal
model delivered by the manufacturer of the
instriment or obtained on the basis of size and
thermal properties of individual materials which the
device was built. The individual blocks of designed
equipment are described later in this paper.
STRESZCZENIE
Niniejszy referat opisuje ideę i metody realizacji
stanowiska kontrolno-pomiarowego umożliwiającego
uzyskanie różnorodnych warunków wymiany ciepła
pomiędzy badanym systemem elektronicznym a
otoczeniem w jakim się znajduje. Tematyka
prowadzonych badań dotyczy nowego podejścia do
modelowania termicznego systemów elektronicznych
oraz dyskretnych przyrządów półprzewodnikowych.
Dane niezbędne do generacji modelu termicznego są
uzyskiwane w trakcie pomiaru odpowiedzi
temperaturowej systemu na wymuszenie mocą o
stałej i znanej wartości. Zaprezentowane w dalszej
części stanowisko pomiarowe jest rozwinięciem i
połączeniem istniejących urządzeń w taki sposób,
aby możliwe było automatyczne przeprowadzanie
pomiarów przy zadanych warunkach brzegowych.
Proces automatyzacji pomiarów jest w tym
przypadku kluczowy, gdyż do pełnej charakteryzacji
termicznej często wymagane jest przeprowadzeni
kilku bądź kilkunastu serii pomiarów dla wielu
różnych temperatur pracy badanego systemu
elektronicznego. W ten sposób możliwe jest
wygenerowanie wielu modeli termicznych dla
konkretnych warunków brzegowych. Urządzenie
może być też wykorzystane do weryfikacji
poprawności modeli termicznych dostarczonych
przez producenta danego przyrządu lub uzyskanych
na podstawie wymiarów i właściwości termicznych
poszczególnych materiałów z jakich zbudowany jest
analizowany
przyrząd.
Poszczególne
bloki
urządzenia są opisane w dalszej części referatu.
153
1.
WIADOMOŚCI WSTĘPNE
Modelowanie
termiczne
systemów
elektronicznych oraz dyskretnych przyrządów
półprzewodnikowych wymaga przeprowadzenia
powtarzalnych
i
wiarygodnych
pomiarów
odpowiedzi temperaturowej badanego systemu przy
ustalonych warunkach brzegowych. Proces tworzenia
modelu na podstawie pomiaru odpowiedzi
temperaturowej jest stosunkowo złożony ze względu
na skomplikowane przekształcenia i analizę
otrzymanych danych. Wizualizacja wyników pomiaru
w postaci różnego typu wykresów znacznie ułatwia
wyznaczenie parametrów Rth, Cth budowanego
modelu, które odpowiednio oznaczają rezystancję
oraz pojemność termiczną. W Modelach
Kompaktowych (ang. Compact Thermal Models –
CTMs) parametry te mają fizyczne odzwierciedlenie i
przyjmuje się, że pojedyncza para Rth, Cth opisuje
pojedynczy komponent bardziej złożonego systemu
elektronicznego lub dyskretnego przyrządu, np.
obszar złącza P-N, warstwę izolacyjną, podłoże
mechaniczne, obudowę przyrządu. Nie istnieje
jednoznaczna definicja Modelu Kompaktowego
jednak można uznać, że jest to model z ograniczoną
liczbą komponentów, który przedstawia rzeczywisty
system z zachowaniem tylko kilku podstawowych
właściwości oryginału, tak aby użytkownik mógł
przeprowadzić interesujące go analizy i symulacje. Co
więcej, w zależności od poziomu analizy badanego
systemu może istnieć wiele modeli kompaktowych.
Mówiąc o poziomie analizy autor ma na myśli skalę
w jakiej model jest rozważany np. poziom obudowy
przyrządu dyskretnego lub przepływ ciepła w
większym systemie elektronicznym składającym się z
płytki
drukowanej,
innych
przyrządów
półprzewodnikowych i całej obudowy.
Badania prowadzone w ramach doktoratu są
ukierunkowane na generację Dynamicznych
Kompaktowych Modeli Termicznych. Modele te
stosuje się w symulacjach dla dość szerokiego
zakresu temperatur, zupełnie inaczej niż w
przypadku standardowych Kompaktowych Modeli
Termicznych. Użycie KMT jest poprawne jedynie dla
wąskiego zakresu temperatur, w którym zachowana
jest jeszcze liniowość parametrów temperaturowo
zależnych. Źródłem nieliniowości termicznej jest
zależność przewodności cieplnej, a także w dużo
mniejszym stopniu pojemności cieplnej, od
temperatury.
Przyjmując
że
temperatura
rozważanego systemu jest stała możemy także
przyjąć, że przewodność cieplna jest stała. Jednak w
przypadku
dużych
gradientów
temperatury
rozważanego systemu elektronicznego przewodność
cieplna λ może się zmieniać w dość szerokim
zakresie. Ponadto kierunek zmian i ich wartość są
inne dla czystych metali i dla stopów. Natomiast w
przypadku
materiałów
półprzewodnikowy
przewodność cieplna gwałtownie spada wraz ze
wzrostem temperatury jak to jest zilustrowane na
Rys. 1.
Rys. 1 Przewodność cieplna materiałów
półprzewodnikowych i ceramiki w funkcji temperatury
[1]
Fig. 1 Thermal conductivity for semiconductors and
ceramics [1]
Równanie 1 opisuje charakter zmian
przewodności cieplnej zilustrowanych na Rys. 1.
  0 exp   (T  T0 )
(1)
Gdzie: λ0 to wartość przewodności termicznej
w temperaturze odniesienia T0,
αλ jest współczynnikiem zależności temperaturowej
dla przewodności λ i określa jej zmianę przy
wzroście temperatury o 1K.
Równanie 2 opisuje zależność objętościowej
pojemności cieplnej cv od temperatury T.
cV  cV 0 exp  C (T  T0 )
(2)
Gdzie: cv0 to wartość pojemności cieplnej przy
temperaturze odniesienia T0, a αc określa zmianę
objętościowej pojemności cieplnej cv przy zmianie
temperatury T o 1K. Wpływ temperatury na
objętościową pojemność cieplną zilustrowany jest na
Rys. 2.
154
jednak nie zawsze daje pożądane rezultaty. Pierwsza
z metod pomiaru jest bardziej skomplikowana gdyż
na przemian trzeba podawać prąd wymuszający
wydzielanie mocy i prąd pomiarowy.
W niektórych przypadkach możliwe jest
wykonanie pomiaru podczas grzania diody. Z takim
przypadkiem mamy do czynienia w momencie
badania diody podwójnej np. CSD20030D –
podwójna dioda z węglika krzemu ze wspólną
katodą. Wtedy jedna z diod w strukturze pełni
funkcję grzałki (DDUT), a druga jest czujnikiem
temperatury (DAUX) spolaryzowanym małym prądem,
tak aby prąd ten nie powodował przyrostu
temperatury całego przyrządu. Uproszczony schemat
pomiarowy dla tego przypadku jest przedstawiony na
Rys. 3.
Rys. 2 Objętościowa pojemność cieplna w funkcji
temperatury [1]
Fig. 2 Volumetric heat capacity [1]
Stosowanie dynamicznych modeli termicznych
dla szerokiego zakresu temperatur wymaga
rozpatrywania ich jako zależnych temperaturowo.
Aby poprawnie tworzyć modele kompaktowe,
których parametry uwzględniają wpływ temperatury
należy
wykonywać
pomiary
odpowiedzi
temperaturowej badanego systemu elektronicznego
dla różnych temperatur obudowy [2], [3]. Innymi
słowy należy wykonać kilka, kilkanaście serii
pomiarów dla różnych, sprecyzowanych warunków
brzegowych. Następnie należy znaleźć zależność
pomiędzy odpowiedzią temperaturową badanego
systemu a temperaturą otoczenia i uwzględnić tę
zależność w budowanym modelu dynamicznym.
Takie modele są dokładniejsze w symulacjach, a
przez to wierniej oddają rzeczywistą strukturę
systemu elektronicznego, a co najważniejsze nadają
fizyczne znaczenie elementom Rth Cth opisującym
dany system.
2.
METODA POMIARU TEMPERATURY
BADANEGO PRZYRZĄDU
Pomiar odpowiedzi temperaturowej badanego
przyrządu np. dioda MPS (ang. Merged PIN
Schottky), odbywa się przez pomiar napięcia na
przewodzącym złączu PN. Możliwe są dwie metody
pomiaru, pierwsza podczas wymuszania wzrostu
temperatury na skutek wydzielanej w przyrządzie
mocy, druga kiedy rejestrowana jest krzywa
stygnięcia po wstępnym nagrzaniu przyrządu
wydzieloną w nim mocą o stałej i znanej wartości.
Druga metoda jest znacznie prostsza w zastosowaniu
Rys. 3 Uproszczony schemat pomiarowy do zdejmowania
charakterystyk termicznych
Fig. 3 Simplified setup for thermal characteristic
measurement
Źródło prądowe JD wymusza przepływ prądu o
znanej wartości przez jedną z diod - DDUT. Prąd ten
powoduje wzrost temperatury całego przyrządu,
zarówno diody DDUT jak i diody DAUX, przez którą
przepływa prąd z oddzielnego źródła prądowego
JAUX.
Przed pierwszym pomiarem każdego nowego
przyrządu konieczne jest przeprowadzenie kalibracji,
czyli wyznaczenie współczynnika temperaturowej
zależności napięcia spolaryzowanego w kierunku
przewodzenia złącza PN. Typowo dla przyrządów z
węglika krzemu współczynnik ten wynosi około
-1.5 mV/K. Jednak ze względu na rozrzut
parametrów technologicznych podczas produkcji
oraz zużycia przyrządu może być on wyższy lub
niższy. Dlatego każdorazowe przeprowadzenie
kalibracji jest tak istotne. Na Rys. 4 przedstawiona
jest prosta kalibracyjna uzyskana za pomocą
aproksymacji liniowej metodą najmniejszych
kwadratów. Jak widać współczynnik dopasowania R2
jest bliski jedności, czyli zależność temperaturowa
napięcia złącza jest liniowa.
155
stanowiska polegało na dodaniu pełnej obsługi
Termo-Elektrycznych Modułów Peltiera, tak aby
możliwe było wymuszenie żądanych warunków
brzegowych. A także aby można było rejestrować
temperaturę wokół badanego przyrządu, przepływ
ciepła na granicy styku radiatora i przyrządu oraz siłę
docisku radiatora. Uproszczony widok urządzenia
przedstawiony jest na Rys. 6.
Coldplate
Heat Flow Sensors
Peltier
Thermocouples
DUT
Rys. 4 Prosta kalibracyjna napięcia złącza PN w funkcji
temperatury dla CSD20030D
Fig. 4 Calibration diagram of a PN junction for
CSD20030D
Peltier
Pomiar temperatury złącza PN odbywa się w
układzie różnicowym, tj. względem masy układu
mierzone jest napięcie na anodzie i katodzie badanej
diody. Następnie oba napięcia podawane są na 12bitowy różnicowy przetwornik analogowo-cyfrowy
LTC1403. Rejestracja wyników odbywa się za
pomocą specjalnej kary pomiarowej zaprojektowanej
i wykonanej w DMCS. Karta pomiarowa widoczna
na Rys. 5 pozwala na pomiar z 25 kanałów
jednocześnie z częstotliwością 1 MHz na każdy
kanał. Dzięki temu możliwa jest rejestracja nawet
najszybszych termicznych stanów przejściowych
także w bardziej złożonych testowych układach
ASIC. Dokładniejsze informacje na temat tego
układu i samej Karty Pomiarowej można znaleźć
odpowiednio w [4] i [5]. W przypadku pomiarów
diody CSD20030D wykorzystano jedynie dwa kanały
pomiarowe.
Coldplate
Tensometer Bridge
Pressing Stamp
Rys. 6 Przekrój przez poszczególne części składowe
opisywanego urządzenia
Fig. 6 Cross - sectional view of the stand
Urządzenie to stanowi jedynie człon
wykonawczy. Sterowane jest za pomocą specjalnej
płyty pomiarowej, pokazanej na Rys. 7. Przetwarza
ona dane z przetworników pomiarowych i za
pomocą zaimplementowanego w mikrokontrolerze
Atmega164 algorytmu regulatora PID steruje
końcówką mocy do której są podłączone dwa
Ogniwa Peltiera, po jednym od dołu i od góry
badanego przyrządu. Dodatkowo na Płycie znajduje
się
wzmacniacz
pomiarowy
mostka
tensometrycznego, który jest czujnikiem w
przetworniku pomiarowy opisanym w części 3.3
niniejszego referatu.
Rys. 5 Karta pomiarowa
Fig. 5 Temperature measurement card
3. PROJEKT SYSTEMU KONTROLI WARUNKÓW
BRZEGOWYCH
Opracowane na potrzeby tego projektu
stanowisko badawcze jest rozwinięciem już
istniejącego stanowiska zbudowanego według
wytycznych standardu JEDEC JESD-51. Za jego
pomocą możliwe jest tworzenie zunifikowanych
Modeli Kompaktowych. Rozwinięcie istniejącego
156
Rys. 7 Główna płyta kontrolno - pomiarowa
Fig. 7 View of main control and measurement system
board
3.1. POMIAR TEMPERATURY WOKÓŁ
BADANEGO PRZYRZĄDU
Temperatura mierzona jest za pomocą czterech
termopar
zainstalowanych
w
miedzianych
przekładkach umieszczonych po obu stronach
Ogniw Peltiera. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwa
jest pełna kontrola pracy Ogniwa, a co za tym idzie
możliwe jest wydajne sterowanie nim, tak aby
uzyskać
wymaganą
temperaturę
jednej
z
powierzchni. Z jednej strony Ogniwo dotyka do
miedzianej płyty chłodniczej (ang. Cold Plate),
natomiast z drugiej do badanego przyrządu
elektronicznego. Miedziane przekładki mają dwie
funkcje do spełnienia. Po pierwsze spełniają rolę
powierzchni izotermicznej, tak aby w każdym
punkcie styku istniała ta sama temperatura. Drugą
funkcją tych przekładek jest mechaniczne
utrzymywanie termopar w ustalonym położeniu i
odległości od badanego przyrządu.
rolę w procesie oddawania ciepła. Wyniki badań
zarejestrowane urządzeniem T3Ster® zilustrowane
są na wykresie odpowiedzi termicznej na Rys. 9
Do pomiaru siły docisku służy zaprojektowany i
wykonany w DMCS membranowy przetwornik
tensometryczny widoczny na Rys. 10. Zainstalowany
jest zgodnie z Rys. 6. Dzięki znajomości siły z jaką
badany przyrząd dociskany jest do miedzianej
przekładki nad Ogniwem Peltiera możliwe jest
podjęcie prób ilościowego oszacowania znaczenia
tego parametru w praktycznej implementacji już na
etapie produkcji złożonego systemu elektronicznego;
określenie siły ściskającej sprężyn dociskowych
radiatora.
3.2. POMIAR PRZEPŁYWU CIEPŁA MIĘDZY
PRZYRZĄDEM A RADIATOREM
Płyta kontrolno pomiarowa umożliwia także
podłączenie czujnika przepływu ciepła (ang. Heat
Flow Sensor) pozwalającego na pomiar ilości ciepła
przepływającego z badanego przyrządu do
miedzianych przekładek zainstalowanych na
Ogniwach Peltiera. Dokładne dane na temat
Czujnika można znaleźć odwiedzając stronę
internetową producenta [8] dlatego paragraf ten nie
będzie przybliżał jego szczegółów konstrukcyjnych.
Ważne jest, że dzięki użyciu tych czujników możliwe
jest określenie jaka cześć ciepła przepływa do
dolnego radiatora, a jaka do górnego. Przedstawiony
na Rys. 8 układ stanowi pełny przetwornik (czujnik i
wzmacniacz pomiarowy), który instaluje się na
powierzchniach badanego przyrządu.
Heat
Flux
Sensor
Fig. 9 Zarejestrowana krzywa nagrzewania
Fig. 9 Recorded heating curve
Rys. 10 Przetwornik siły ściskającej
Fig. 10 Squeezing force transducer
4.
REALIZACJA PEŁNEGO SYSTEMU
KONTROLNO POMIAROWEGO
Zastosowanie opisanej Płyty KontrolnoPomiarowej wraz ze wszystkim czujnikami i
przetwornikami pozwala na uzyskanie dowolnych
warunków brzegowych. Ogólny schemat połączeń
między poszczególnymi blokami dany jest na Rys.
11. Dzięki temu systemowi możliwe jest badanie
wybranych przyrządów dyskretnych oraz systemów
elektronicznych w różnorodnych warunkach
oddawania ciepła.
Rys. 8 Ogólny widok czujnika Przepływu Ciepła wraz ze
wzmacniaczem pomiarowym
Fig. 8 General view of Heat Flux Sensor with amplifier
3.3. POMIAR SIŁY DOCISKU RADIATORA
DO BADANEGO PRZYRZĄDU
Zarówno siła docisku jak i jakość kontaktu
termicznego
(pasta
termiczna,
porowatość
powierzchni) mają wpływ na tzw. rezystancję
termiczną do radiatora. Badania przeprowadzone za
pomocą urządzenia T3Ster® pokazują, że siła
docisku radiatora do przyrządu odgrywa bardzo dużą
157
sensors
measurement & control
Temperature
& Heat Flow
Sensors x4
Literatura
User Interface
Force Sensors
ADCs
Microprocessor
& Data Memory
TEM I-V Sensors
x2
Power Supply
DACs
TEM
Symmetric
Power Drive
[1] Incropera F. P. and DeWitt D. P.: “Fundamentals of
Heat and Mass Transfer”, 4th ed. New York: Wiley,
1996.
power module x2
Power Supply
Rys. 11 Ogólny schemat połączeń opisanego Systemu
Kontrolni Warunków Brzegowych
Fig. 11 General connection diagram of described Boundry
Condition Control System
Jak zostało napisane w streszczeniu celem
prowadzonych prac jest połączenie Systemu Kontroli
Warunków Brzegowych opisanym w paragrafie 3 z
Kartą Pomiarową, o której mowa była w paragrafie
2. Dzięki takiemu połączeniu możliwe będzie
przeprowadzanie pomiarów szybko i dokładnie. Na
chwilę obecną prowadzone są prace nad ustaleniem
sposobu komunikacji między wymienionymi
urządzeniami, tak aby Karta Pomiarowa miała
możliwość sterowania w czasie rzeczywistym jeszcze
jednym blokiem mocy oznaczonym na Rys. 3 jako
źródło prądowe JDUT oraz źródłem prądu
pomiarowego JAUX. W ten sposób realne stanie się
wykonanie różnorodnych scenariuszy pomiarowych
począwszy od pomiarów impulsowych w stałej
temperaturze, przez pomiary z wymuszaniem
przepływu ciepła w badanym systemie z dołu do
góry lub odwrotnie, a także pomiary efektywności
radiatorów przy wymuszaniu stałej mocy w
przyrządzie.
5.
PODSUMOWANIE
Dzięki użyciu dedykowanego stanowiska
pomiarowego i zastosowaniu zaawansowanych
metod optymalizacji możliwe będzie szybsze i
dokładniejsze tworzenie Kompaktowych Modeli
Termicznych zarówno układów scalonych jak i
obudów, płytek drukowanych i radiatorów. Pozwoli
to na kompleksowe modelowanie termiczne
złożonych systemów elektronicznych. Dzięki tym
modelom
symulacje
elektrotermiczne
będą
dokładniejsze, a przez to będzie można w bardzie
efektywny sposób korzystać z przyrządów i
radiatorów nie zwiększając niepotrzebnie ich
gabarytów. Zagadnienie optymalizacji metod
generacji KMT nie jest poruszane w tym referacie,
aczkolwiek istniej szereg publikacji na ten temat.
[2] Rencz, M.; Farkas, G.; Poppe, A.; Szekely, V.;
Courtois, B.; “A methodology for the generation of
dynamic compact models of packages and heat sinks from
thermal transient measurements”, 28th International
IEEE Electronics Manufacturing Technology
Symposium IEMT, 16-18 July 2003, pp. 117-123
[3] Rencz M., Székely V.: “Studies on the Nonlinearity
Effects in Dynamic Compact Model Generation of
Packages”, IEEE Components, Packaging, and
Manufacturing Technology Society, VOL. 27,
NO. 1, MARCH 2004
[4] Szermer M., Kulesza Z., Janicki M., Napieralski
A.: “Design of the test ASIC for on-line temperature
monitoring and thermal structure analysis”, 15th
International
Conference Mixed Design,
MIXDES 2008, 19-21 June 2008, Poznań
[5] Janicki M., Kulesza Z., Pietrzak P., Napieralski
A.:”Multichannel System for Real Time Registration of
Electronic Circuit Temperature Response”, 17th
International
Conference Mixed Design,
MIXDES 2010, 24-26 June 2010, Wrocław
[6] Janicki M., Kulesza Z., Torzewicz, T. and
Napieralski A., “Automated stand for thermal
characterization of electronic packages”, in Proc. 27th
IEEE Semiconductor Thermal Measurement,
Modeling and Management Symp., San Jose, CA,
2011, pp. 199–202.
[7] Torzewicz T.: “Compensation system of enviromental
conditions in tensometric measurements”, MSc
dissertation, Technical University of Lodz, 2010
[8] http://www.rhopointcomponents.com/images/2
7036.pdf
Adres służbowy Autora:
mgr inż. Tomasz Torzewicz
Politechnika Łódzka
Katedra Mikroelektroniki i
Technik Informatycznych
ul. Wółczańska 221/223
90-924 Łódź
email:[email protected]
158