В статье произведен сравнительный анализ вариантов определения теплового сопротивления микросхем. Сравнению подверглись два предложенных способа и метод, описанный в ОСТ 11 0944–96. В результате моделирования в среде Synopsys TCAD выбран оптимальный.
Ключевые слова: тепловое сопротивления, кристалл, нагревательный импульс, погрешность.
Тепловое сопротивление радиоэлектронных элементов в стационарном режиме является одной из основных характеристик печатного узла, по величине этого сопротивления можно определить правильность компоновки и верность выбора условий применения. Определения фактической температуры элементов позволяет сделать вывод об их надежности.
Основным руководящим документом, по которому определяется тепловое сопротивление, является ОСТ 11 0944–96. Изложенные в нем методики общие и не охватывают весь спектр решаемых задач при этом обладают сильной избыточностью.
С целью оптимизации методику в статье описаны два способа измерения:
— маломощные токовые импульсы не подаются на контролируемую микросхему
— использование постоянного измерительного электрического тока в замет измерительных импульсов.
Принцип измерения теплового сопротивления по предложенным принципам схож:
- Нагревают прибор до максимальной рабочей температуры, значение которой приведено в ТУ. После этого задают малое приращение 2–4 ºC.
После повышения температуры производят выдержку при данном режиме, добиваясь достижения температурного баланса исследуемого изделия.
- Запитывают микросхему импульсом для ее нагрева, при этом определяют мощность этого импульса путем контроля фактического значения тока и напряжения.
- После этого подается измерительный импульс с контролем его амплитудного значения напряжения. При этом производится контроль температуры корпуса.
- Производят дополнительный нагрев корпуса за счет внешнего устройства (термокамеры). Одновременно подают контрольный импульс (1 способ) или постоянный измерительный ток (2 способ). При этом создают условия возврата температуры корпуса к исходному значению.
- Производят замер текущей температуры корпуса.
- По результатам замеров определяют тепловую мощность по стандартной методике ОСТ 11 0944–96.
Для определения теплового сопротивления применяют p-n переходы с высокой термочувствительностью. Данные диоды обладают высоким тепловым рассеиванием.
На рисунках 1 и 2 приведены развертки по времени напряжения и тока при двух вариантах измерения.
Рис. 1. Способ 1
По сравнению с методикой ОСТ 11 0944–96 — здесь присутствуют маломощные импульсы, для подогрева элементов.
Рис. 2. Способ 2
По отношению к методике ОСТ 11 0944–96 — заменен измерительный набор импульсов на малый постоянный измерительный ток.
Для описанных выше способов проводилось моделирование.
Исходными параметрами для моделирования являются
В транзисторах можно использовать для измерение температуры прямое напряжение канала коллектор-база.
Базовая температура составляет T К1 = 130–10= 120 °C.
Размах стартового мощного нагревающего импульса греющего тока I = 100 мА. Длительность t = 5 с.
Размах второго измерительного импульса I = 1 мА. Длительность t = 10 мкс (для варианта 1).
Амплитуда импульсов измерительного тока I = 1 мА. Для второго варианта установившееся значение постоянного измерительного тока I = 1 мА.
Временное расхождение фронтов нагревательного и измерительного импульсов 2 мкс.
Временной отрезок между двумя греющими импульсами (высоко- и маломощным) 10 с.
Анализ двух вариантов измерения теплового сопротивления проводился в среде САПР Synopsys TCAD.
На рисунке 3 представлен результаты моделирования двух способов оценки. Способ определения температурной характеристики кристалла микросхемы описан в ОСТ 11 0944–96.
Рис. 3. Результаты моделирования 1 и 2 способов ОСТ 11 0944–96
Анализируя представленный график можно сделать вывод, что погрешность измерения напряжения относительно способа, описанного в ОСТ 110944–96, при использовании 1 способа составляет 200 мВ. При использовании второго аналогичная погрешность не превышает 50 мВ. По полученным результатам моделирования варианта 1 и варианта 2 было определено тепловое сопротивление переход-корпус микросхемы 124КТ1. В сводной таблицы приведены экспериментальные данные двух способов измерения и данные полученные при определения теплового сопротивления по ОСТ 110944–96.
Таблица 1
Относительная погрешность измерения пеплового сопротивления приведена в таблице 2.
Таблица 2
С точки зрения минимума погрешности и простоте реализации, метода определения теплового сопротивления является способ 2. Следовательно необходимости в плавном нагреве за счет нагревательных импульсов нет, достаточно подавать тарированный постоянный ток. Это значительно упрощает и удешевляет процесс определения теплового сопротивления.
Литература:
1. Беспалов Н. Н. Моделирование прямых ВАХ p-n-перехода коллектор- база транзисторов микросхемы КТ101. / Н. Н. Беспалов, Ю. В. Горячкин, К. Ю. Панькин // XLVI Огаревские чтения: материалы научной конференции: в 3 ч. Ч. 1: Технические науки. — Саранск: Мордов. гос. ун-т, 2018. — С. 248–254.
2. Беспалов Н. Н. Моделирование и исследование параметров прямых вольт-амперных характеристик диодных структур микросхемы КТ101/ Н. Н. Беспалов, Ю. В. Горячкин, К. Ю. Панькин // Научно технический вестник Поволжья. — 2018. — Вып. 5. — С. 109–112.
