Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов

 

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов, в частности диодов, и может быть использовано для контроля качества диодов и оценки их температурных запасов. Техническим результатом технического решения является уменьшение времени измерения и снижение аппаратурных затрат при реализации способа. Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов заключается в подаче на контролируемый диод греющих импульсов тока постоянной амплитуды I_m, в промежутках между которыми через диод пропускают постоянный начальный ток, в определении величины греющей мощности Р_m и измерении изменения температурочувствительного параметра прямого напряжения диода при протекании постоянного начального тока. При этом подачу на контролируемый диод греющих импульсов тока осуществляют таким образом, что величину, обратную скважности греющих импульсов тока Q^-1 = τ_u• f_сл, где τ_u - длительность греющих импульсов тока, а f_сл - частота их следования, увеличивают по линейному закону с постоянной крутизной S_Q, измеряют скорость ϑ изменения прямого напряжения диода при протекании через него начального тока и определяют тепловое сопротивление переход-корпус диода по формуле где К_Т - температурный коэффициент прямого напряжения диода при протекании постоянного начального тока. 2 ил.

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов и может быть использовано на входном и выходном контроле качества изготовления полупроводниковых диодов и для оценки их температурных запасов.

Известен способ измерения теплового сопротивления переход-корпус диодов, основанный на зависимости прямого напряжения диода при постоянном токе от температуры, заключающийся в том, что через контролируемый диод пропускают прямой начальный ток I_нач небольшой величины, исключающей заметный саморазогрев диода, затем подают на диод греющие импульсы прямого тока одинаковой амплитуды I_m и длительности τ_u, измеряют рассеиваемую в диоде мощность, а в промежутках между импульсами греющего тока измеряют изменение прямого напряжения диода U_ТП, используемого в качестве температурочувствительного параметра (см. ГОСТ 19656. 15-84 Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления).

Недостатком способа является низкая точность, обусловленная большой погрешностью измерения импульсного напряжения U_ТП(t) из-за влияния переходных тепловых и электрических процессов при переключении диода из одного режима - режима разогрева в другой - режим измерения (см. , например, Викулин И. М. , Стафеев В. И. Физика полупроводниковых приборов - М: Сов. радио, 1980. С. 51).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов, заключающийся в подаче на контролируемый диод греющих импульсов тока, в промежутках между которыми через диод пропускают постоянный начальный ток и измеряют изменение прямого напряжения диода, в измерении греющей мощности и определении теплового сопротивления по полученным значениям, причем амплитуду греющих импульсов тока модулируют по гармоническому закону с периодом, на порядок превышающим тепловую постоянную времени переход-корпус для данного типа диодов, а изменение температурочувствительного параметра - прямого напряжения диода и греющей мощности определяют по измерениям амплитуды переменных составляющих тока и напряжения на частоте модуляции (см. патент РФ 2003128 на изобретение "Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов// В. А. Сергеев, В. В. Юдин - Бюл. 41-42, 1993г. ).

Наиболее существенным недостатком указанного способа является большое время измерения, составляющее (с учетом необходимости измерения нескольких электрических величин на частоте модуляции) несколько сотен тепловых постоянных времени переход-корпус для данного типа диодов. При использовании в устройствах, реализующих способ, селективных вольтметров с узкой полосой пропускания время измерения возрастает еще в несколько раз.

Другим существенным недостатком известного способа является сложность аппаратурной реализации, обусловленная сложностью одновременного измерения нескольких аналоговых сигналов на низкой или инфранизкой частоте.

Технический результат - уменьшение времени измерения и снижение аппаратурных затрат при реализации способа.

Технический результат достигается тем, что на контролируемый диод подаются греющие импульсы тока постоянной амплитуды I_m, определяют величину греющей мощности Р_m, а в промежутках между греющими импульсами тока через диод пропускают постоянный начальный ток и измеряют изменение прямого напряжения диода, по величине которого и определяют тепловое сопротивление переход-корпус диода. Отличие состоит в том, что величину, обратную скважности греющих импульсов тока Q^-1 = τ_u• f_сл, где τ_u - длительность греющих импульсов тока, f_сл - частота их следования, увеличивают по линейному закону Q^-1= S_Qt с постоянной крутизной S_Q, где S_Q - постоянная крутизна, a t - измеряют скорость ϑ изменения температурочувствительного параметра - прямого напряжения диода при протекании через него начального тока и определяют тепловое сопротивление переход-корпус диода по формуле где К_Т - температурный коэффициент прямого напряжения диода при протекании через него постоянного начального тока.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что средняя мощность рассеиваемая диодом при подаче на него греющих импульсов тока постоянной амплитуды I_m, определяется выражением где Р_m= I_m•U_m - импульсная греющая мощность, U_m - прямое напряжение диода, при протекании через него греющего импульса тока, и при постоянной импульсной греющей мощности (Р_m= coпst) средняя мощность будет изменяться по закону изменения величины обратной скважности Q^-1(t). При достаточно медленном изменении величины обратной скважности по линейному закону Q^-1= S_Q•t, (2) так, чтобы Q^-1 изменялась от 0 до 1 за время, равное нескольким (n>3) тепловым постоянным времени переход-корпус τ_Tn-к данного типа диодов, и при достаточно большой частоте следования греющих импульсов тока f_сл• τ_Tn-к>> 1 тепловой режим диода можно считать установившимся через некоторое время t ≥ τ_Tn-к. Это означает, что изменение средней температуры перехода
где T_п(t) - средняя температура перехода, Т₀ - температура корпуса прибора, будет определяться изменением средней греющей мощности.

Нетрудно показать (см. , например, Афанасьев Г. Ф. , Сергеев В. А. , Тамаров П. Г. Устройство для автоматизированного контроля теплового сопротивления переход-корпус мощных биполярных транзисторов. - В межвузовском сб. научн. трудов "Автоматизация измерений" - Рязань, РРТИ, 1983, с. 86-90), что в приближении двухэлементной тепловой модели диода через некоторое время t ≥ 3τ_Tn-к после начала разогрева диода линейно возрастающей мощностью изменение средней температуры перехода может быть аппроксимировано (с погрешностью не более 5%) выражением

Величина пульсаций температуры перехода δT_n(t) при выполнении условия f_слτ_n-к≫ 1 будет на несколько порядков меньше изменения средней температуры: (см. , например, Давидов П. Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов. - М: Энергия, 1967г. , с. 100-116).

Температурочувствительный параметр U_ТП будет изменяться по закону, аналогичному (4)

где U_ТП(0) - значение температурочувствительного параметра до начала разогрева,
К_т - температурный коэффициент температурочувствительного параметра.

Измеряя через некоторое время t_ИЗМ ≥ 3τ_Tn-к после начала разогрева скорость изменения температурочувствительного параметра

искомое значение теплового сопротивления переход-корпус диода можно найти по формуле

В предлагаемом способе в качестве ТЧП используется прямое напряжение диода при протекании через него начального тока. В импульсном режиме работы диода для измерения ϑ необходимо выделить нижнюю огибающую импульсного напряжения на диоде U_Д(t) и далее измерить скорость ее изменения (спада) известными способами, например продифференцировать огибающую с помощью дифференциальной цепи.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на фиг. 1, а эпюры, поясняющие принцип работы устройства, - на фиг. 2.

Устройство содержит контактную колодку 1 для подключения контролируемого диода, источник 2 постоянного начального тока I_нач, генератор греющих импульсов тока 3, устройство управления 4, ограничитель 5, амплитудные детекторы 6 и 7, цифровые вольтметры с внешним запуском 8 и 10 и дифференцирующую цепь 9.

Устройство работает следующим образом. После установки диода в контактную колодку 1 через него пропускают постоянный начальный ток I_нач от источника 2 и подают короткие греющие импульсы тока амплитудой I_m и скважностью Q₀ с генератора греющих импульсов тока 3. Прямое напряжение диода подается на ограничитель 5 и на пиковый детектор 6. Напряжение с выхода пикового детектора 6, равное амплитудному значению прямого напряжения на диоде U_m при протекании греющих импульсов тока, поступает на измерительный вход вольтметра 8. Одновременно напряжение с диода U_д(t) подается на ограничитель 5, который срезает верхнюю часть, и это ограниченное сверху напряжение с выхода ограничителя 5 подается на вход второго пикового детектора 8, с выхода которого напряжение огибающей импульсов прямого напряжения U_ТП(t) на диоде при протекании через него начального тока I_нач подается на вход дифференцирующей цепи 9, а с выхода дифференцирующей цепи продифференцированный сигнал, пропорциональный скорости изменения огибающей U_ТП(t), подается на измерительный вход второго вольтметра с внешним запуском 10.

По сигналу "Запуск" на запускающем входе устройства управления 4 это устройство вырабатывает управляющий импульс длительностью t_ИЗМ (эпюра 2). С приходом этого импульса на управляющий вход генератора греющих импульсов тока 3 величина, обратная скважности этих импульсов Q^-1 = f_слτ_имп, начинает увеличиваться по линейному закону (эпюра 2б) с постоянной крутизной S_Q, заметим, что этот закон можно реализовать, например, путем линейного увеличения частоты следования импульсов f_сл при постоянной длительности импульсов τ_имп = const или, наоборот, путем линейного увеличения длительности импульсов τ_имп при постоянной частоте следования f_сл= const.

Средняя мощность, рассеиваемая диодом , и средняя температура перехода также начинают возрастать по линейному закону (эпюры 2в, 2г). Напряжение на диоде U_Д(t) будет иметь вид, показанный на эпюре 2д. Пиковый детектор 6 выделяет верхнюю огибающую импульсного напряжения на диоде U_m, ограничитель 5 и детектор 7 - нижнюю огибающую импульсного напряжения на диоде - являющуюся температурочувствительным параметром U_ТП(t) (эпюра 2е). Напряжение с огибающей с выхода детектора 7 подается на дифференцирующую цепь 9, с выхода которой напряжение, пропорциональное скорости изменения температурочувствительного параметра

где а - коэффициент передачи дифференцирующей цепи, подается на измерительный вход цифрового вольтметра 10. По окончании управляющего импульса вольтметры 8 и 10 срабатывают и быстро (т. е. за время t<) измеряют соответственно амплитуду U_m прямого напряжения диода при протекании греющих импульсов тока I_m и напряжение U_вых9, пропорциональное скорости изменения температурочувствительного параметра а• По результатам этих измерений определяют тепловое сопротивление переход-корпус диода по формуле

Заметим, что, устанавливая параметры элементов устройства, в частности коэффициент передачи а дифференцирующей цепи, крутизну S_Q, амплитуду греющих импульсов тока, при известном температурном коэффициенте температурочувствительного параметра К_Т, процедура измерения теплового сопротивления сводится к измерению отношения напряжений U_вых9 и U_m

где

Формула изобретения

Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов, заключающийся в подаче на контролируемый диод греющих импульсов тока постоянной амплитуды I_m, в промежутках между которыми через диод пропускают постоянный начальный ток, в определении величины греющей мощности Р_m и измерении изменения температурочувствительного параметра прямого напряжения диода при протекании постоянного начального тока, отличающийся тем, что подачу на контролируемый диод греющих импульсов тока осуществляют таким образом, что величину, обратную скважности греющих импульсов Q^-1 = τ_u• f_сл, где τ_u - длительность греющих импульсов тока, а f_сл - частота их следования, увеличивают по линейному закону с постоянной крутизной S_Q, измеряют скорость ϑ изменения прямого напряжения диода при протекании через него начального тока и определяют тепловое сопротивление переход-корпус диода по формуле

где К_Т - температурный коэффициент прямого напряжения диода при протекании постоянного начального тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2