PL187668B1

PL187668B1 - Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej inteligentnego unipolarnego obwodu scalonego mocy

Info

Publication number: PL187668B1
Application number: PL98329954A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Górecki; Janusz Zarębski; Andrzej Napieralski
Original assignee: Akademia Morska W Gdyni
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2004-08-31
Also published as: PL329954A1

Abstract

1 Sposób pomiaru rezystancji termicznej inteligentnego uni57) polarnego obwodu scalonego mocy, w którym wykorzystuje się złącze p-n jako element termoczuły i wyznacza się wartość rezystancji termicznej |ako 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 1 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 Ual, a następnie wyznacza się wartość rezystancji termicznej Rt, 2 Układ do pomiaru rezystancji termicznej inteligentnego unipolarnego obwodu scalonego mocy zawierający źródło prądu grzejnego 1 pomiarowego, znamienny tym, że źródło prądu grzejnego (1) przez przełącznik (K) jest połączone z wyjsciem inteligentnego obwodu scalonego mocy (3) oraz z dodatnim zaciskiem źródła prądu pomiarowego (2) 1 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

Description

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 4 840 495 „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 5 781 075 „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 5 027 064 „Metoda pomiaru temperatury pracy przyrządów półprzewodnikowych wraz z monitorowaniem charakterystyk częstotliwościowych”. Znana metoda pomiaru wykorzystuje jako parametr termoczuły małosygnałowe wzmocnienie badanego elementu.

187 668

Niedogodnością znanego rozwiązania jest mała powtarzalność charakterystyki termometrycznej oraz brak możliwości pomiaru rezystancji termicznej znanych układów scalonych.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 120 091 „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 132 113 „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 173 206 „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 173 831 „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 277168 „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 P_H i Pl, a w stanie ustalonym przy mocy równej Pl jest 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:

187 668

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 prądu pomiarowego, następnie pobudza się inteligentny unipolarny obwód scalony mocy falą prostokątną mocy i mierzy się w stanie ustalonym wartość napięcia Ujh 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 P1, a przełącznik S jako klucz przełączany znajduje się w pozycji P1, kalibruje się charakterystykę termoczułą złącza p-n zawartego w strukturze wyjściowego tranzystora MOS przy zadanej stałej temperaturze otoczenia Tai 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 Uak 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 U₂₀ przez temperaturę otoczenia T_a oraz iloczyn liczby 1,5 i ilorazu stałej Boltzmana k przez ładunek elektronu q, co wyraża następujący wzór:

F₌ ^LJkk-O_bo j k t_a 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 P1 z wyjścia układu 3 wypływa prąd o wartości równej prądowi kalibracji zdeterminowanej

187 668 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 P1. Drugi etap kończy się, gdy zmierzone podczas ostatniej minuty wartości napięcia Ua 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 ps. Zmierzona w ostatnim okresie fali prostokątnej wartość napięcia Ua w stanie ustalonym, przy niskim poziomie mocy Ual i przy wysokim poziomie mocy Uah wykorzystywane są do wyznaczenia wartości rezystancji termicznej ze wzoru:

r _Ual Uąk_· F~i

187 668

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł

Claims

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 Ual, 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.