Як було зазначено вище, на практиці необхідно знатьчісленние значення як мінімум двох типів теплових опорів, Які ви

зараховуються з використань наступних виразів:

Рис. 6.5. Залежність нормованого теплового опору від швидкості повітряного потоку для корпусу DIP 16

Рис. 6.6. Залежність теплового опору від площі кристала для корпусу DIP 16: від матеріалу крісталлодержателя (а); для двох способів монтажу (пайка на друковану плату або пристрій контактування УКФ) (б) Для визначення чисельного значення величини теплового опору необхідно знати температуру кристала, корпуса і навколишнього середовища, а також потужність, яку розсіює силова мікросхема або напівпровідниковий прилад і яка визначається з найпростішого співвідношення:

де U – напруга живлення; I – струм споживання.

Зазвичай температура середовища Т визначається термометром. Складніше визначити температуру корпусу Г ор або кристала Гр.

Температуру корпусу визначають за допомогою термопари, для чого безпосередньо під кристалом в тілі корпусу просвердлюють неглибоке отвір і вставляють туди термопару на теплопроводящей пасті.

Температуру кристала визначають з використанням внутрішніх датчиків. Такими датчиками є p-η переходи (діоди), які є елементної базою будь-якого напівпровідникового приладу. Напруга на діоді, включеного в прямому напрямку, залежить від температури (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Залежність £ /д від температури

Воно падає на 1,5-2,2 мВ при підвищенні температури на 1 ° С. Однак для кожного діода температурна залежність своя, тому перед визначенням температури на кристалі за допомогою діода останній треба відкалібрувати, тобто зняти залежність UR від Т ° С при заданому струмі /д. Значення струму /д вибирається таким, щоб не нагрівати сильно кристал, тобто набагато меншим, ніж власний струм споживання мікросхеми (<1 мА).

Причому для різних приладів однієї і тієї ж мікросхеми ця залежність може відрізнятися. Для більш точного визначення температури кристала необхідно калібрувати кожен прилад.

Після калібрування на ІМС подають електричний режим, витримують в ньому час, достатній для встановлення теплової рівноваги (зазвичай до 20 хв.), І визначають температуру кристала відповідно до калібруванням діода, температуру корпусу визначають термопарою.

Більш точний результат можна отримати, якщо при вимірюванні температури не перемикайте мікросхему з робочого режиму в режим визначення напруги на діод – датчику, а вимірювання проводити паралельно. Однак температура кристала не однаково: по всій його поверхні – на кристалі є елементи, нагріті більше за інших, при цьому різниця температур може досягати кілька десятків градусів.

Більш точні результати дозволяє отримувати тепловізійний метод. Принцип дії тепловізора аналогічний приладу нічного бачення – він фіксує інфрачервоне випромінювання і додатково до приладу нічного бачення градуюються випромінювання по температурі, тобто є приладом, що вимірює температуру.

Нижче представлені експериментальні результати досліджень теплових опорів потужних МОП транзисторів, посаджених на радіатор. Транзистори були зібрані в металлостеклянном корпусі ТО-254. Оскільки розподіл теплових полів досліджувалися при великій потужності розсіювання в кілька десятків ват, транзистори були посаджені із теплопровідною берилієвої пасти на радіатори, прикручені гвинтом. Для вирівнювання випромінювальної здатності різних елементів збірки (кристал, корпус, висновки) проведено чорніння приладів за допомогою сажі. Контроль теплових полів проводився після досягнення квазірівноважного стану (протягом 1-2 хв. істотної зміни розподілу теплових полів не відбувається). Виміри проводилися з використанням тепловізійної системи Agema 880. Камера системи дозволяє бачити розподіл температури по всьому приладу, тому надається можливість визначення температури кожного окремого елемента конструкції.

На рис. 6.9 (див. Кол. Вклейку) представлена ​​отримана термограмма розподілу температури, а в табл. 6.1 – результати статистичної обробки цієї термограмми.

Рис. 6.9. Термограмма розподілу температур на МОП-транзисторі, включеному з радіатором

Таблиця 6.1. Результати статистичної обробки термограмми

Параметр

Режим включення Vg = 10 В; Vd = 3,82 В; /d = 19 А; Р = 72,58 Вт

Температури, ° С

Максимальна

Середня

Температура кристала, T1 (AR1)

122

115

Температура крісталлодержателя, T2 (AR3 + AR4)

96,1

82

Температура основи корпусу, виміряна у гвинта кріплення, ТЗ

70,5

68

Максимальна температура дроту істоковий петель разварки, Т4 (SP1)

139

Максимальна температура виведення стік безпосередньо у корпусу, Т5

97,1

Максимальна температура виведення витік безпосередньо у корпусу, Т5

96,1

Температура радіатора поблизу корпусу, Т7

59,1

57,5

Слід звернути увагу, що максимальну зареєстровану температуру мають дроту істоковий петель разварки (приблизно на 20 ° С вище, ніж максимальна температура кристала). Це може говорити про необхідність збільшення діаметра використовуваної при розварювання дроту.

Однак для розрахунку теплових опорів в загальному випадку використовуються тільки деякі з наведених параметрів.

На основі наведених вище результатів вимірювань зробимо розрахунок теплових опорів, використовуючи такі вирази:

Аналогічні експериментальні дослідження були проведені для випадку використання потужних МОП транзисторів без радіатора в металевому корпусі ТО-3, оскільки конструктор силового пристрою не завжди має можливість передбачити місце для радіатора. На рис. 6.10 представлена ​​термограмма розподілу температур для такого МОП транзистора без радіатора, а в табл. 6.3 представлені основні результати статистичної обробки параметрів цієї термограмми.

Рис. 6.10. Термограмма розподілу температур на МОП-транзисторі, включеному без радіатора

Таблиця 6.3. Результати статистичної обробки термограмми

Параметр

Режим включення Vd = 3,0 В; U = 2,5 А; Р = 7,5 Вт

Температури, ° С

Максимальна

Середня

Температура кристала, T1 (AR1)

149

135

Температура крісталлодержателя, корпуси Т2 (SP1, SP2, SP3)

105

105

В результаті аналогічних розрахунків з виразів (6.8, 6.10) були отримані наступні чисельні значення теплових опорів: Rj = 5,87 ° С / Вт; * RKp-cp=17,2’C/BT.

Для інженерів-технологів і конструкторів виробів силової електроніки, більш глибоко спеціалізуються в питаннях технології корпуеірованія потужних силових приладів, корисно ознайомитися з циклом робіт [115-140], в яких викладені результати теоретичних і експериментальних досліджень потужних характеристик різних типів корпусів, методи та способи монтажу кристалів на підставу, особливості складання силових приладів з безсвинцевою припойними композицією (винятково важлива з точки зору екологічної безпеки проблема), особливості організації процесів автоматизації в складальному виробництві, методи підвищення стійкості потужних транзисторів до термоударів при поверхневому монтажі, методи аналізу теплових процесів в силових приладах за допомогою динамічних імпеданс-спектрометрів.

Джерело: Білоус О.І., Єфименко С.А., Турцевич А.С., Напівпровідникова силова електроніка, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. кол. вкл.