Метод и средство экспресс-контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Верижников, Сергей Владимирович

• Верижников, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Верижников, Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Тепловые параметры и тепловые модели полупроводниковых приборов'(ПП).

1.2 Особенности конструкции силовых полупроводниковых модулей (СПМ).

1.3 Методы измерения температуры корпуса ПП.

1.3.1 Контактные методы.

1.3.2 Бесконтактные методы.

1.4 Методы измерения температуры /?-и-перехода.

1.4.1 Прямые методы.

1.4.2 Косвенные методы.

1.5 Методы измерения и контроля тепловых сопротивлений ПП.

1.6 Средства контроля тепловых параметров ПП, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью.

1.7 Постановка задач исследования.

1.8 Выводы.

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ СПМ.

2.1 Алгоритм разрабатываемого метода.

2.2 Особенности тепловых процессов в многоэлементных СПМ.

2.3 Особенности измерения тепловых сопротивлений СПМ на синусоидальном токе.

2.4 Метод определения параметров теплоэлектрической модели СПМ.

2.5 Способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров силовых элементов СПМ.

2.6 Выводы.

3 РАЗРАБОТКА СРЕДСТВА ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ СПМ.

3.1 Стенд измерения и контроля тепловых сопротивлений ТТР.

3.2 Выбор температурочувствительного параметра.

3.3 Методика измерения переходного теплового сопротивления.

3.4 Выбор теплоэлектрической модели ТТР.

3.5 Программное обеспечение стенда.

3.5.1 Основная программа.

3.5.2 База данных.

3.6 Метрологические характеристики экспресс-метода и средства контроля.

3.6.1 Погрешность измерения рассеиваемой мощности.

3.6.2 Погрешность измерения напряжения на переходе на измерительном токе.

3.6.3 Погрешность измерения температуры корпуса ТТР.

3.6.4 Оценка доверительных интервалов для ТКН тиристоров и теплового сопротивления основания.

3.6.5 Погрешность, обусловленная зависимостью теплопроводности материалов ТТР от температуры.

3.7 Выводы.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1 Исследование способа измерения температурных коэффициентов ТЧП.

4.2 Исследование метода определения параметров теплоэлектрической модели СПМ.

4.3 Исследование экспресс-метода измерения тепловых сопротивлений ТТР.

4.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и средство экспресс-контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей»

Современный уровень развития силовой электроники характеризуется широким распространением силовых полупроводниковых модулей (СПМ), включающих в себя дискретные полупроводниковые элементы и схемы управления. Основные тенденции их развития — увеличение рассеиваемой мощности и миниатюризация. Вследствие этого даже незначительные дефекты в конструкции СПМ могут вызвать недопустимое увеличение теплового сопротивления и выход модуля из строя. Таким образом, необходимым становится стопроцентный контроль тепловых сопротивлений силовых модулей при их производстве.

Контроль тепловых сопротивлений СПМ классическими методами [15, 16] занимает много времени и может стать ограничивающим фактором в технологическом процессе их производства. Решение данной проблемы путем увеличения количества контрольно-измерительного оборудования неэффективно по причине его энергозатратности и сложности. Это приводит к необходимости использования экспресс-методов при контроле тепловых сопротивлений СПМ.

Вопросам экспресс-контроля тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов (ПП) посвящено достаточно большое число работ [9, 10, 20, 21]. Большинство разработанных методов требуют предварительного сбора статистической информации о характеристиках температурочувствительного параметра (ТЧП) силовых элементов 1111 и достижения теплового равновесия между корпусом прибора и полупроводниковым кристаллом. Сбор статистической информации о характеристиках ТЧП прибора требует большого числа измерений, которые, в настоящее время, производятся с использованием термостатов, занимают много времени и с трудом поддаются автоматизации. Данная проблема усугубляется еще и тем, что большинством предприятий выпускается широкая номенклатура СПМ с различными типами силовых элементов.

Необходимость достижения теплового равновесия кристалл-корпус применительно к СПМ приведет к длительному времени контроля, так как большинство модулей, в настоящее время, обладают высокой теплоемкостью за счет использования в качестве основания массивной базовой платы. Этого недостатка лишен метод «эталонной тепловой модели» [21], заключающийся в разделении теплоэлектрической модели (ТЭМ) полупроводникового прибора на две составляющие - модели внутренних слоев, на которые приходится основное тепловое сопротивление, и модели основания, имеющего небольшое и достаточно стабильное тепловое сопротивление. Зная параметры модели основания, можно измерить полное тепловое сопротивление прибора за относительно небольшое время, необходимое для установления теплового равновесия внутренних слоев прибора. Данный метод включает определение параметров ТЭМ ПП - задача, которая требует разработки эффективного численного метода решения. Кроме того, для повышения точности контроля по данному методу желательно также собрать статистическую информацию о параметрах тепловой модели ПП.

Таким образом, возникает необходимость в ускорении и автоматизации сбора статистической информации о характеристиках температурочувстви-тельных параметров силовых элементов СПМ и параметрах теплоэлектрической модели СПМ.

Одной из тенденций развития силовых полупроводниковых модулей является их миниатюризация, что увеличивает взаимное тепловое влияние отдельных силовых элементов в модуле друг на друга. Это может вызвать погрешности при измерении тепловых сопротивлений многоэлементных СПМ на постоянном токе.

В настоящее время все большее распространение получают компьютеризированные измерительные комплексы, позволяющие в значительной степени автоматизировать процессы измерения и контроля на производстве, накапливать информацию о результатах измерений и производить ее статистический анализ. Такие комплексы не только упрощают работу оператора, но и позволяют оценивать качество и стабильность технологического процесса.

В связи с этим является актуальным создание автоматизированного комплекса для экспресс-контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей на базе ПЭВМ.

Объект исследования — тепловые сопротивления силовых полупроводниковых модулей.

Предмет исследования - методы и средства измерения и контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей.

Цель диссертационной работы - повышение скорости и достоверности контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей.

Основные задачи исследования:

- анализ существующих методов и средств контроля тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов;

- исследование особенностей измерения тепловых сопротивлений многоэлементных силовых полупроводниковых модулей;

- разработка способа экспресс-измерения характеристик температуро-чувствительных параметров силовых элементов СПМ;

- разработка метода определения параметров теплоэлектрической модели СПМ;

- разработка средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ;

- экспериментальное исследование работы средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ и проверка адекватности разработанных теоретических положений.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач в работе использовались методы математического и теплоэлектрического моделирования, математического анализа, математической статистики, цифровой обработки сигналов и численные методы. Математическое моделирование и обработка данных проводились в программных пакетах MathCad 2000, Excel, а также с использованием оригинальных программ, разработанных в среде C++Builder 6.

Экспериментальные исследования проведены на разработанном программно-аппаратном комплексе контроля тепловых сопротивлений СПМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Разработан новый способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров полупроводниковых приборов, основанный на саморазогреве прибора, позволяющий сократить время измерения.

2 На основе теплоэлектрического моделирования предложена методика компенсации погрешности измерения тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов на синусоидальном токе, вызванной колебаниями температуры полупроводникового кристалла.

3 Разработан метод определения параметров теплоэлектрической модели полупроводниковых приборов, основанный на численной аппроксимации переходного теплового сопротивления прибора по методу наименьших квадратов, отличающийся усовершенствованным методом оптимизации.

Практическая ценность работы заключается в том, что использование разработанного метода и теоретических положений в автоматизированном программно-аппаратном комплексе экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ позволило сократить время контроля и повысить качество выпускаемой продукции.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Основные теоретические и практические результаты работы были реализованы в программно-аппаратном комплексе экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ - стенде измерения и контроля тепловых сопротивлений (ИКТС) твердотельных реле, внедренном в производство на предприятии ЗАО «Протон-импульс», г. Орел. Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на 3-х международных конференциях:

- международной научно-технической конференции «ПРИБОРОСТРОЕНИЕ 2005», Украина, Винница-Ялта, 14-17 сентября 2005 г.

- XXVII Российской школе по проблемам науки и технологий, Россия, г. Миасс, 26 - 28 июня 2007 г.

- V Международной научно-практической интернет-конференции "ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ - XXI ВЕК", Россия, г. Орел, 1 апреля - 30 июня 2007 г.

По материалам диссертационной.работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов научных исследований. Подана заявка на изобретение «Способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении» (заявка №2006145698, приоритет от 21.12.06). Получено решение о выдаче патента.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1 Способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров полупроводниковых приборов.

2 Методика компенсации погрешности измерения тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов на синусоидальном токе.

3 Метод определения параметров теплоэлектрической модели полупроводниковых приборов.

4 Структура средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей, с автоматизацией процесса измерения.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Верижников, Сергей Владимирович

Основные результаты диссертационной работы:

1 Проведен анализ существующих методов и средств контроля тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов, показавший, что основными препятствиями их эффективного использования для контроля тепловых сопротивлений СПМ является необходимость предварительной калибровки ТЧП и достижения теплового равновесия между силовым элементом и корпусом прибора. Для устранения указанных недостатков предложена схема экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ на основе автоматизированного сбора статистической информации о характеристиках температурочувствительного параметра силовых элементов и параметрах теплоэлектри-ческой модели СПМ.

2 Исследование особенностей протекания тепловых процессов в многоэлементных СПМ показало, что использование постоянного тока для измерения тепловых сопротивлений данных модулей приводит к погрешности, связанной с различным режимом нагрузки силовых элементов модуля при измерении и реальной работе. Экспериментальная оценка показала, что данная погрешность достигает 6,5 % для ряда ТТР. Это приводит к необходимости измерения тепловых сопротивлений данных модулей на переменном токе.

3 Разработан способ измерения температурных коэффициентов темпе-ратурочувствительных параметров полупроводниковых приборов без термо-статирования на основе саморазогрева прибора, позволяющий в несколько раз сократить время измерения. Так в ходе экспериментальных исследований время измерения ТКН тиристоров ТТР было сокращено с 30 до 10 минут. На данный способ подана заявка на изобретение и получено решение о выдаче патента.

4 На основе теплоэлектрического моделирования предложена методика компенсации погрешностей измерения тепловых сопротивлений ПП на синусоидальном токе, связанных с колебаниями температуры кристалла.

5 Разработан численный метод определения параметров теплоэлектрической модели ПП, основанный на аппроксимации по методу наименьших квадратов переходного теплового сопротивления прибора, позволивший сократить вычислительные затраты метода за счет использования усовершенствованного метода оптимизации.

6 Разработано средство автоматизированного контроля тепловых сопротивлений СПМ - программно-аппаратный комплекс контроля тепловых сопротивлений твердотельных реле, реализующий предложенный экспресс-метод и основные теоретические положения диссертационной работы, внедренный в производство на предприятии ЗАО «Протон-импульс», г. Орел. Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

7 Проведено экспериментальное исследование способа измерения температурных коэффициентов ТЧП ПП при измерении ТКН тиристоров, показавшее достаточно высокую его точность. В ходе эксперимента погрешность измерений не превысила 1,5 %, тогда.как разброс ТКН тиристоров ТТР (как и большинства других ТЧП ПП) между однотипными приборами превышает 7 %. Это позволяет заключить, что точность способа не будет ограничивать точность экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ.

8 Проведено экспериментальное исследование разработанного средства контроля — стенда ИКТС, подтвердившее адекватность и работоспособность предложенного метода и теоретических положений. Стенд позволяет производить измерение и контроль тепловых сопротивлений ТТР в течение 5 секунд. В ходе экспериментов погрешность измерений не превысила 11 %, что является хорошим показателем для подобных измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Верижников, Сергей Владимирович, 2008 год

1. ГОСТ 16022-83. Реле электрические. Термины и определения. — М.: Изд-во стандартов, 1985.

2. Малащенко А. Реле — определение и классификация // Электронные компоненты. 2004. - № 9. - С. 1-7.

3. Производители и поставщики реле на российском рынке // Электронные компоненты. 2003. - № 7. - С. 50-56.

4. Абрамов Н.Г. Основные параметры и особенности применения твердотельных реле ЗАО «Протон-импульс» // Компоненты и технологии — 2005. — № 6 — С. 16-24.

5. Андрей Г. Реле механическое или твердотельное: как сделать правильный выбор? // Электронные компоненты. 2004. - № 9. - С. 44-46.

6. ГОСТ 25529-82. Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров. -М.: Изд-во стандартов, 1987.

7. ГОСТ 20332-84. Тиристоры. Термины, определения и буквенные обозначения параметров. — М.: Изд-во стандартов, 1987.

8. ГОСТ 30617-98. Модули полупроводниковые силовые. Общие технические условия. -М.: Изд-во стандартов, 1998.

9. Рабинерсон А.А., Ашкинази Г.А. Режимы нагрузки силовых полупроводниковых приборов. — М.: «Энергия», 1976. — 296 с. — ил.

10. Сергеев В.А. Контроль качества мощных транзисторов по теплофи-зическим параметрам / Ульян, гос. техн. ун-т. Ульяновск: УлГТУ, 2000. -253 с.

11. Обеспечение тепловых режимов изделий электронной техники / А.А Чернышев, В.И. Иванов, А.И. Аксенов, Д.Н. Глушкова. М.: Энергия, 1980. -216 с.

12. Измерения электрических и неэлектрических величин: Учеб. Пособие для вузов / Н.Н. Евтихиев, Я.Л. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугоров; Под общ. ред. Н.П. Евстихиева. М.: Энергоатомиздат, 1990. -352 с.

13. Анохин M.H. Исследование и разработка аппаратно-программных средств для систем управления микроклиматом : Дис. . канд. техн. наук. — Орел,-2003.- 188 с.

14. Геращенко О.А., Гордов А.Н., Jlax В.И., Стадпык Б.И., Ярышев Н. А. Температурные измерения / Справочник, Акадения Наук Украинской ССР. Киев: «Наукова думка», 1984. - 495 с.

15. ГОСТ 19656.15-84. Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления. -М.: Изд-во стандартов, 1987.

16. ГОСТ 24461-80. Приборы полупроводниковые силовые. Методы измерений и испытаний. — М.: Изд-во стандартов, 1982.

17. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. — М.: Сов.радио, 1969.-560 с.

18. Фогельсон И.Б. Транзисторные термодатчики. М.: Сов.радио, 1972.- 129 с.

19. Гордов А.Н., Жагулло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. — М.: Энергоатомиздат, 1992. 304 с.

20. Лаппе Р., Фишер Ф. Измерения в энергетической электронике: Пер. с нем. — М.: Энергоатомиздат, 1986. 232 е.: ил.

21. Перельман Б.Л., Сидоров В.Г Методы испытаний и оборудование для контроля качества полупроводниковых приборов. — М.: Высшая школа, 1979.-215 с.

22. Reich В. Continuous thermal resistance measurements. — «Semicond. Products», 1962, XI, p. 192-194.

23. Аппаратура и методы контроля параметров силовых полупроводниковых вентилей / В.М. Бардин, А.Г. Моисеев, Ж.Г. Сурочан, О.Г. Чебовский. -М.: Энергия, 1971.- 184 с.

24. Belzer H.J., Kubitzki G. Verfaren zur Bestimmung und zur Schnellerk-ennung des thermischen Innenwiderstandes bei jeweils typengleichen Halbleiter-bauelementen. BRD-Patent Nr. 2044225.

25. Кудрявцев JI.Д. Курс математического анализа. — М.: Дрофа, 2006.351 с.

26. Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники // Материалы восьмой международной научно-технической конференции. Часть 1. Дивноморское, Россия, 14 19 сентября 2002 г.

27. Безикович Я.С. Приближенные вычисления. М.: Гостехиздат, 1949.-463 с.

28. Лямец Л.Л. Аппроксимация нелинейных характеристик экспоненциальными полиномами // Вторая военно-научная конференция В А ПВО СВ РФ. Ч. 2. Смоленск: СВА ПВО СВ РФ, 1995. - С. 146-150.

29. Васильев Ф.П. Методы оптимизации. — М.: Факториал Пресс, 2002. 823 с.

30. ГОСТ 18986.17-73 Стабилитроны полупроводниковые. Метод измерения температурного коэффициента напряжения стабилизации. -М.: Изд-во стандартов, 1973.

31. Попов В.П. Основы теории цепей. М.: Высшая школа, 1985.496 с.

32. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры: пер. с англ. М.: Сов. радио, 1980.-224 е.: ил.

33. Гольденберг Л.М. Цифровая обработка сигналов: учеб. пособие для вузов. 2-е изд. / Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. - М.: Радио и связь, 1990. - 256 е.: ил.

34. Архангельский А .Я. Программирование в C++Builder 6. М.: «Издательство БИНОМ», 2003. - 1152 е.: ил.

35. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование: с примерами приложений на С++. М.: Бином, 1998. - 560 е., ил.

36. Пол А. Объектно-ориентированное программирование на С++/ Пер.с англ.-2-е изд. М.: БИНОМ, 1999. - 461 е.: ил.

37. Хоменко А.Д., Ададуров С.Е. Работа с базами данных в C++Builder.- СПб.: БХВ-Петербург, 2006. 496 е.: ил.

38. Кулаков М. В., Макаров Б. И. Измерение температуры поверхности твердых тел. М.: «Энергия». - 1970. - 148 с.

39. Олейник Б.М. Приборы и методы температурных измерений: Учеб. пос. -М.: Издательство стандартов, 1987. 296 с.

40. Юревич И.Е. Теория автоматического управления: учебник, изд. 2. — JL: Энергия, 1969. 376 с.

41. Шишкин И.Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством.- М.: Изд-во стандартов, 1991. 492 с.

42. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. М.: Высшая школа, 1989. - 389 с.

43. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов. М.: Физмат-гиз, 1956.-356 с.

44. Чиркин B.C. Теплопроводность промышленных материалов. М.: Машгиз, 1962.-248 с.

45. Определение тепловых режимов изделий электронной техники / А.А. Чернышев, В.И. Иванов, А.И. Аксенов, Д.Н. Глушкова . М.: Энергия, 1980.-216 е.: ил.