Estymacja parametrów modelu termicznego elementów półprzewodnikowych

• Autorzy: Górecki K. , Zarębski J.

Warianty tytułu

EN

Parameters estimation of thermal model of semiconductor devices

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono opracowaną przez autorów metodę estymacji parametrów modelu termicznego elementów półprzewodnikowych i układów scalonych oraz program komputerowy MASTER2 realizujący tę metodę. Program MASTER2 steruje procesem pomiaru przejściowej impedancji termicznej Z(t) badanych elementów półprzewodnikowych i na podstawie uzyskanego przebiegu Z(t) wyznacza wartości parametrów skupionego modelu termicznego – rezystancji termicznej, termicznych stałych czasowych i odpowiadających im współczynników wagowych, a także wartości elementów biernych występujących w analogu elektrycznym modelu termicznego sformułowanego w postaci sieci Cauera lub Fostera. Poprawność opracowanej metody i programu zweryfikowano doświadczalnie przez porównanie zmierzonych i obliczonych przebiegów przejściowej impedancji termicznej Z(t) tranzystora mocy MOS.

EN

This paper deals with the problem of the estimation of the thermal model parameters of semiconductor devices. A new computer tool – MASTER2 for estimation of these parameters is presented. MASTER2 controlls the method of measuring the transient thermal impedance Z(t) as well as it estimates both the value of Z(t) parameters: R_th, a_i, [tau]_thi (i = 1, 2, 3,..., N) and the values of RC elements existing in the electrical analogues of a device thermal model of the form of Cauer or Foster network. The procedure of estimation of the parameters of the device thermal model is automatically realised on the authors' special algorithm implemented in MASTER2. In this algorithm, in the first place the values of the parameters: coefficients a _i, thermal time constant [tau]_thi and the thermal resistance R_th are calculated using the measured Z(t) dependence. Next, the values of RC elements in the Foster and Cauer networks are computed. The considered algorithm is valid in the case when the values of the successive thermal time constants differ from each other at least a few times. Therefore, the dependence Z(t) normalized to R_th is a intervally linear function in the lin-long scale. The value of R_th results directly from Z(t) at the ateady-state. Values of the remaining parameters are calculated by the last-square method used for approximation of any special function with Z(t) as an argument. At first the longest thermal time constant and the coefficient a₁ corresponding to them are calculated. The values of RC elements of the Foster network are calculated after analytical dependences containing the considered parameters. In turn, to calculate the values of the Cauer network, the operational thermal impedance Z(s) has to be formulated. Next, division of the values of coefficients corresponding to the highest degree of polynominals representing the numerator and the denominator of Z(s) respectively, have to be performed. The value of such division at the k-th iteration is denoted as D^k. In each iteration step, the product of the denominator value and the value of D^k is substracted from the numerator and the denominator are transformed to each other. The presented computer tool was verified experimentally by comparing the measured and calculated dependence of Z(t) of the VDMOS transistor IRF840. The very well agreement between measurements and simulations have been obtained.

Słowa kluczowe

PL

przejściowa impedancja termiczna; model termiczny; pomiary termiczne

EN

transient thermal impedance; thermal model; thermal measurements

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN SA
• Czasopismo: Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 52, z. 3
• Strony: 347--360
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Górecki K.

• Katedra Elektroniki Morskiej, Akademia Morska, ul. Morska 83, 81-225 Gdynia, Polska

autor

Zarębski J.

• Katedra Elektroniki Morskiej, Akademia Morska, ul. Morska 83, 81-225 Gdynia, Polska

Bibliografia

• 1. J. Zarębski: Modelowanie, symulacja i pomiary przebiegów elektrotermicznych w elementach półprzewodnikowych i układach elektronicznych, Prace Naukowe Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdynia, 1996.
• 2. A. Nowakowski: Badanie procesów termicznych w przyrządach półprzewodnikowych, Zesz. Nauk. Polit. Gdańskiej, Elektronika LX, nr 389, 1984.
• 3. P.E. Bagnoli, C. Casarosa, M. Ciampi, E. Dallago: Thermal Resistance Analysis by Induced Transient (TRAIT) Method for Power Electronic Devices Thermal Characterization - Part I: Fundamentals and Theory, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 13, No. 6, 1998, p. 1208.
• 4. V. Székely: Identification of RC Networks by Deconvolution: Chances and Limits, IEEE Transactions on Circuits and Systems-I, Vol. 45, No. 3, 1998, p. 244.
• 5. T. Veijola, M. Valtonen: Combined Electrical and Thermal Circuit Simulation Using APLAC. Part A: Implementation and Basic Components Models, Helsinki University of Technology, CT-25, 1995.
• 6. V. Székely: A New Evaluation Method of Thermal Transient Measurement Results, Microelectronic Journal, Vol. 28, 1997, No. 3, 1997, p. 277.
• 7. F.N. Masana: Pseudo-3D Dynamic Thermal Model for Semiconductor Packages, 7-th International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems MIXDES 2000, Gdynia, 2000, p. 357.
• 8. J. Glinianowicz, F. Christiaens, E. Beyne, Z. Staszak: Measurement Circuits for Transient Thermal Characterisation on Power Transistors and Transformers, XVII-th National Conference Circuit Theory and Electronic Networks, Wrocław - Polanica Zdrój, 1994, p. 359.
• 9. Z. Lisik: Pomiar rezystancji cieplnej bipolarnych tranzystorów mocy Darlingtona, Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, 1994, 40, z. 3, s. 369.
• 10. V. Székely, M. Rencz, B. Courtois: Thermal investigations of ICs and Microstructures, Sensors and Actuators; A Physical, Vol. A 71, No. 1-2, 1998, p. 1.
• 11. V. Székely: Thermal Testing and Control by Means of Built-in Temperature Sensors, Electronics Cooling, Vol. 4, No. 3, 1998, p. 36.
• 12. V. Székely, M. Rencz, B. Courtois: Thermal Investigations of IC's and Microstructures, Microelectronics Journal, Vol. 28, No 3, 1997, p. 205.
• 13. W. Janke, A. Jurewicz: Fast Measurements of Bipolar Transistor Thermal Resistance by D.C. Method, Workshop Microtechnology and Thermal Problems in Electronics, Zakopane, 1998, p. 34.
• 14. K. Górecki, J. Zarębski: System mikrokomputerowy do pomiaru parametrów termicznych elementów półprzewodnikowych i układów scalonych, Metrologia i Systemy Pomiarowe, Nr 4, 2001, s. 379.
• 15. F.F. Oettinger, D.L. Blackburn: Semiconductor Measurement Technology: Thermal Resistance Measurements, U. S. Department of Commerce, NIST/SP-400/86, 1990.
• 16. J. Zarębski, K. Górecki: A Method of the BIT Transient Thermal Impedance Measurement with the Double Junction Calibration, Proc. 11-th IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium (SEMI-THERM), San Jose (USA), 1995, p.80.
• 17. K. Górecki, J. Zarębski: Impulsowe metody pomiaru parametrów termicznych tranzystora Darlingtona mocy, Metrologia i Systemy Pomiarowe, t. VII, z. 3, 2000, s. 287.
• 18. W. Janke, W. Pietrenko: Model analityczny impedancji termicznej i algorytm identyfikacji jego współczynników, Raport Badawczy Nr 82/95, Katedra Elektroniki Ciała Stałego, Politechnika Gdańska, Gdańsk, 1995.
• 19. J. Zarębski, K. Górecki: Thermal Transients in Bipolar Transistors; Measurements and Simulations, Int. Conf. on Information, Systems Methods Applied to Engineering Problems, Malta 20. 1993, Vol. 2, p. 111.
• 21. J. Zarębski, K. Górecki: Badanie charakterystyk termometrycznych elementów półprzewodnikowych ze złączem p-n, Metrologia i Systemy Pomiarowe, Nr 4, 2001, s. 397.
• 22. J. Zarębski, K. Górecki: Investigations of Power MOSFETs Transient Thermal Impedance, EDPE 2005, Dubrownik, 2005, p. 84, E-05-75.