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:

1. 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.

2. Запитывают микросхему импульсом для ее нагрева, при этом определяют мощность этого импульса путем контроля фактического значения тока и напряжения.
3. После этого подается измерительный импульс с контролем его амплитудного значения напряжения. При этом производится контроль температуры корпуса.
4. 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.
5. Производят замер текущей температуры корпуса.
6. 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.