Рубрики
Оборудование

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2 Юрий Непочатов В истинной работе приведены результаты расчетов и исследовательских работ массивных

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2 Юрий Непочатов

В истинной работе приведены результаты расчетов и исследовательских работ массивных главных транзисторных сборок, составляющих базу силовых модулей, выполненных с внедрением СИТ с модулируемой проводимостью канала. Произведен расчет термического сопротивления и допустимой наибольшей рассеиваемой мощности проектируемых устройств. Сравниваются расчетные и экспериментальные данные.

Продолжение. Начало в №2/2010

Расчеты термических сопротивлений кристаллов и транзисторных сборок, входящих в состав узлов силовых модулей

Расчет термического сопротивления участка структура-кристалл первого варианта конструктивного выполнения транзистора КП 926

Данная структура формируется на кристалле размером 0,55×0,56 см и состоит из 14 рядов в среднем по 270 истоков в каждом (рис. 1). Ширина истока а = 12,4 мкм, длина b = 250 мкм.

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

Рис. 1. Габаритные размеры и топология кристалла СИТ-транзистора КП 926

Расчет термического сопротивления RТ произведем в три шага.

  1. Потому что размеры истоков схожи, считаем источники тепла эквивалентными (рис. 2). Шаг меж источниками h = 16,4 мкм. Скрещение термических потоков от источников по оси x произойдет на глубине, определяемой из выражения: l1´ = h/2tgα.

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

Рис. 2. Сечения термического эквивалента по осям x, y поперечной структуры кристалла шириной L СИТ-транзистора КП 926: a — ширина истоковой области; b — длина истоковой области; h — шаг структуры по оси х; Н — шаг структуры по оси у

По формулам (28, 29) [23] определяем l1 = 4,87 мкм, l2 = 98,14 мкм. Расчет RТ на этом шаге производим по формулам (18–21) [23] по специально разработанной компьютерной программке для расчета RТ. Беря во внимание, что коэффициент теплопроводимости кремния λSi = 1,06 Вт/см·°С, получим термическое сопротивление одной истоковой области на глубине (0, l1´) равным RТ´ (0, l1´) = 0,1467 °С/Вт.

Используя аналогию с электронным сопротивлением, рассчитаем термическое сопротивление слоя RТ(0, l1´) кристалла как цепочку, состоящую из параллельно соединенных термических сопротивлений истоковых областей RТ(0, l1´) = 0,0388 °С/Вт.

  1. Определим размеры вновь образовавшихся источников тепла после скрещения термических эквивалентов истоковыхобластей а1 = n·h, где n — количество истоков в сечении по оси x, h — шаг истоков по оси x; тогда а1 = 4428 мкм.

Длину образовавшихся источников b1 определим по формуле (22) — b1 = 252,71мкм. Шаг меж истоками по оси y примем равным H1 = 330 мкм (рис. 2). Скрещение термических потоков по оси y произойдет на глубине l2 = 108,05 мкм. По формулам (28, 29) [23] определяем l1 = 99,1 мкм, l2 = 1736,47 мкм. Потому что l1 l2, расчет производим по формулам (18–21) [23]. В этом случае принимаем за а = b = 252,71 мкм; b = а1 = 4428 мкм. Используя программку расчета, определяем RТ 1-го из образовавшихся источников — RТ(l1´, l2´) = 0,784 °С/Вт и термическое сопротивление слоя (l1´, l2´): RТ слоя(l1´, l2´) — 0,056 °С/Вт.

  1. Потому что толщина кристалла L = 300 мкм, то l3´ = L–(l1´–l2) = 186,58 мкм.

Ширина а образовавшегося источника тепла составит 4479,72 мкм, длина b = 4620 мкм. По формулам (28, 29) [23] определяем l1 = 1756,75 мкм. Потому что l3´Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

Расчет термического сопротивления участка структура-кристалл второго варианта конструктивного выполнения транзистора КП 926, состоящего из 2-ух симметричных частей

Данная структура формируется на кристалле размером 0,56×0,56 см и состоит из 2-ух симметричных частей (рис. 3).

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

Рис. 3. Габаритные размеры и топология кристалла СИТ-транзистора КП 926, состоящего из 2-ух частей

Ширина истоковой области a = 5 мкм, длина b = 144 мкм. Довольно найти термическое сопротивление одной части, в какой имеется 2900 источников тепла. Расчет произведем аналогично методике, изложенной выше. Шаг меж истоками у кристалла СИТ-транзистора КП 926, состоящего из 2-ух частей, по оси x составляет 15 мкм (рис. 4), тогда расчетное значение термического сопротивления всего кристалла шириной 300 мкм составит: RТ(0, L) = 0,1578 °С/Вт.

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

Рис. 4. Сечения термического эквивалента по осям x,y поперечной структуры кристалла шириной L у СИТ-транзистора КП 926 с 2-мя частями

Расчет термического сопротивления транзисторных сборок

Расчет термического сопротивления первого варианта конструктивного выполнения транзисторной сборки ТС-1 силового модуля

Определим размеры источника тепла, образовавшегося в итоге термического взаимодействия истоков а = 4573,76 мкм, b = 4714,04 мкм. Этот источник будет начальным при расчете транзисторных сборок. Результирующее термическое сопротивление равно:

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

где N – количество слоев и прокладок.

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

Рис. 5. Сечения термического эквивалента транзисторной сборки ТС-1 силового модуля с основанием, выполненным из сплава МД40Н: 1 — кристалл СИТ-транзистора; 2 — пластинка из молибдена; 3 — пластинка из меди; 4 — пластинка из керамики «поликор»; 5 — пластинка из свинца; 6 — пластинка из сплава МД40Н

На рис. 5 видно, что тут 5 слоев, соединенных меж собой припоем, т. е. будет 10 слагаемых. Потому что размеры источника тепла больше, чем толщина каждого раздельно взятого слоя, растекание термического потока происходит только под углом β. Используя программку расчета, термическое сопротивление каждого слоя определим по формуле (30) [23]. Расчетное значение термического сопротивления транзисторной сборки ТС-1 силового модуля с основанием, выполненным из сплава МД40Н, составит RТ = 0,9985 °С/Вт.

В случае, когда в качестве материала десятого слоя употребляется дюралевый сплав Д16АТ (рис. 6) со последующими значениями характеристик λ10 = 0,5 Вт/см °С, l10 = 0,3 см, происходит скрещение термических потоков на глубине l´ = 0,5α /tgβ = 0,4762 см, и термическое сопротивление транзисторной сборки с одним кристаллом равно RТ = 0,9438 °С/Вт.

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

Рис. 6. Сечения термического эквивалента транзисторной сборки ТС-1 силового модуля с основанием, выполненным из сплава Д16АТ: 1 — кристалл СИТ-транзистора; 2 — пластинка из молибдена; 3 — пластинка из меди; 4 — пластинка из керамики «поликор»; 5 — пластинка из свинца; 6 — пластинка из сплава Д16АТ

Расчет термического сопротивления второго варианта конструктивного выполнения транзисторной сборки ТС-2 силового модуля с 2-мя кристаллами

Определим размеры источников тепла а = 2248,72 мкм, b = 4942,41 мкм. Два таких источника находится на деньке кристалла на расстоянии от середины r´ = r–mL = 308,4 мкм.

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

Рис. 7. Сечения термического эквивалента транзисторной сборки ТС-2 силового модуля с основанием, выполненным из сплава МД40Н: 1 — кристалл СИТ-транзистора; 2 — пластинка из молибдена; 3 — пластинка из меди; 4 — пластинка из керамики «поликор»; 5 — пластинка из свинца; 6 — пластинка из сплава МД40Н

Потому что транзисторная сборка состоит из 2-ух кристаллов, то на исходном шаге имеем четыре источника тепла (рис. 7). Просчитаем термическое сопротивление сборки RТ с 2-мя кристаллами аналогично методике, изложенной выше. В итоге расчета получим, что термическое сопротивление транзисторной сборки с 2-мя кристаллами и с основанием, выполненным из сплава МД40Н, равно RТ = 0,9143 °С/Вт.

В случае, когда основание делается из дюралевого сплава ДI6АТ с коэффициентом теплопроводимости λ10 = 0,5 Вт/см °С и шириной l10 = 0,3 см, скрещение термических потоков происходит на глубине l´ =0,5α/tgβ = 0,35 см. Потому что термические потоки слились в один, то термическое сопротивление транзисторной сборки равно RТ = 0,8705 °С/Вт (рис. 8).

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

Рис. 8. Сечения термического эквивалента транзисторной сборки ТС-2 силового модуля с основанием, выполненным из сплава Д16АТ: 1 — кристалл СИТ-транзистора; 2 — пластинка из молибдена; 3 — пластинка из меди; 4 — пластинка из керамики «поликор»; 5 — пластинка из свинца; 6 — пластинка из сплава Д16АТ

В обобщенном виде результаты расчетов термических сопротивлений разных вариантов транзисторных сборок представлены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты расчетов термических сопротивлений

Вариант конструкции
транзисторной сборки Материал основания Термическое сопротивление
транзисторной сборки, °С/Вт ТС-1 МД40Н 0,9985 Д16АТ 0,9438 ТС-2 МД40Н 0,9143 Д16АТ 0,8705

Расчет наибольшей рассеиваемой мощности

Очень допустимая температура на кремниевой структуре транзистора составляет +150 °С, как следует, на данной структуре можно рассеять постоянную мощность:

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

где Ррасс — рассеиваемая мощность, Тк — температура корпуса, Rт — термическое сопротивление.

Расчетные значения наибольшей рассеиваемой мощности разных вариантов конструктивного выполнения транзисторных сборок при Тк = 50 °С показаны в табл. 2.

Таблица 2. Расчетные значения наибольшей рассеиваемой мощности

Вариант конструкции
транзисторной сборки Материал основания Рассеиваемая мощность (Ррасс), Вт ТС-1 МД40Н 100,2 Д16АТ 105,9 ТС-2 МД40Н 109,4 Д16АТ 114,9

Экспериментальное определение термического сопротивления

Из всех способов измерения температуры кристалла [19] и оценки на этой базе величины Rт предпочтителен электрофизический способ (способ термочувствительного параметра), что обосновано его преимуществами: простотой реализации, возможностью измерения температуры структуры полупроводникового прибора без конкретного доступа к ней, возможностью измерения более перегретых участков (большим геометрическим разрешением) [20]. Но потому что характеристики СИТ-транзисторов еще не стопроцентно исследованы и отсутствуют описания суровых теоретических и практических разработок по измерению Rт СИТ-транзисторов электрофизическим способом, потому измерение термического сопротивления исследуемых транзисторных сборок проводилось с внедрением термоиндикаторов плавления. С помощью их можно стремительно получить информацию о термическом режиме объекта, но термоиндикаторам присуща инерционность, не считая того, их нужно наносить на исследуемый объект. Нанесенный на исследуемую поверхность термоиндикатор при достижении строго определенной температуры в итоге плавления 1-го либо нескольких компонент, входящих в его состав и имеющих заданную температуру плавления, изменяет собственный цвет. Относительная погрешность термоиндикаторов плавления находится в границах 0,5–1,5%.

Измерения выполнялись последующим образом. Транзисторная сборка силового модуля устанавливалась в колодку, имеющую водяное остывание, и подключалась к установке электротермотренировки. Конкретно на кристаллы наносился термоиндикатор плавления ТП-130 (температура цветового перехода 133 °С). Задавалось определенное напряжение стока Uc и плавненько уменьшалось напряжение на затворе Uз (при всем этом рос ток стока Ic) до расплавления термоиндикатора плавления. В этот момент фиксировались мощность (IcUc) и температура теплоотвода (То). Термическое сопротивление определялось в согласовании с формулой:

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

где Р — рассеиваемая мощность, То — температура теплоотвода, Ти — температура цветового перехода термоиндикатора плавления, Rт — термическое сопротивление.

Измерение термического сопротивления транзисторной сборки TC-1

В табл. 3 приведены результаты экспериментального измерения термического сопротивления транзисторной сборки ТС-1 с основанием, сделанным из медно-молибденового псевдосплава МД40Н.

Таблица 3. Результаты экспериментального измерения термического сопротивления транзисторной сборки ТС-1 с основанием, сделанным из медно-молибденового псевдосплава МД40Н

Uc, В Ic, А Ррасс, Вт То, °С Ти–То, °С Rт эксп, °С/Вт Rт расч, °С/Вт 92 1,2 110,4 17 116 1,05 0,998 91 1,3 117,0 17 116 0,98 95 1,2 114,0 17 116 1,02 85 1,3 110,5 18 115 1,04 81 1,4 113,4 18 115 1,01 93 1,2 111,6 17 116 1,04 79 1,5 118,5 19 114 0,96

В табл. 4 представлены результаты экспериментального измерения термического сопротивления транзисторной сборки ТС-1 с основанием из дюралевого сплава марки Д16АТ.

Таблица 4. Результаты экспериментального измерения термического сопротивления транзисторной сборки ТС-1 с основанием из дюралевого сплава марки Д16АТ

Uc, В Ic, А Ррасс, Вт То, °С Ти–То, °С Rт эксп, °С/Вт Rт расч, °С/Вт 93 1,3 120, 9 18 115 0,95 0,944 89 1,4 115,7 19 114 0,92 101 1,2 121,2 19 114 0,94 98 1,2 117,6 18 115 0,98 86 1,4 120,4 18 115 0,95 84 1,3 109,2 19 114 1,04 73 1,6 116,8 19 114 0,98 77 1,5 115,5 18 115 0,99

Измерение термического сопротивления транзисторной сборки ТС-2

В табл. 5 представлены результаты экспериментального измерения термического сопротивления транзисторной сборки ТС-2 с основанием, сделанным из медно-молибденового псевдосплава марки МД40Н.

Таблица 5. Результаты экспериментального измерения термического сопротивления транзисторной сборки ТС-2 с основанием, сделанным из медно-молибденового псевдосплава марки МД-40Н

Uc, В Ic, А Ррасс, Вт То, °С Ти–То, °С Rт эксп, °С/Вт Rт расч, °С/Вт 82 1,5 123,0 18 115 0,93 0,914 78 1,6 124,8 19 114 0,91 89 1,4 124,6 18 115 0,92 97 1,3 126,1 19 114 0,90 93 1,4 130,2 19 114 0,88 109 1,1 119,9 20 113 0,94

В табл. 6 представлены результаты экспериментального измерения термического сопротивления транзисторной сборки TС-2 с основанием, сделанным из дюралевого сплава марки Д16АТ.

Таблица 6. Результаты экспериментального измерения термического сопротивления транзисторной сборки TС-2 с основанием, сделанным из дюралевого сплава марки Д16АТ

Uc, В Ic, А Ррасс, Вт То, °С Ти–То, °С Rт эксп, °С/Вт Rт расч, °С/Вт 87 1,5 130,5 18 115 0,88 0,870 75 1,7 127,5 18 115 0,90 91 1,4 127,4 19 114 0,89 102 1,3 132,6 20 113 0,85 93 1,4 130,2 20 113 0,87 79 1,6 126,4 18 115 0,91

Экспериментально определенное термическое сопротивление несколько больше расчетных значений. Это разъясняется тем, что наличие огромного количества технологических слоев увеличивает возможность образования «термических пробок» [21].

Вычислим среднее значение приобретенных экспериментальных измерений:

Термический расчет СИТ-транзисторов и узлов силовых модулей с их применением. Часть 2

где n — количество проведенных измерений.

Среднее значение термического сопротивления (Rт эксп) для транзисторной сборки TС-1 с основанием из МД40Н составило 0,505 °С/Вт, с основанием из Д16АТ — 0,485 °С/Вт. Для транзисторной сборки ТС-2 с основанием из МД40Н среднее значение термического сопротивления (Rт эксп) составило 0,913 °С/Вт, с основанием из Д16АТ — 0,883 °С/Вт.

Выводы

  • Описанная методика расчета применима для вычисления термических сопротивлений в установившемся термическом режиме работы силового модуля с применимой для инженерных расчетов точностью.
  • Приведенная методика позволяет высчитать значения термических сопротивлений для всех конструкционных частей узла силового модуля: конкретно кристалла транзистора, также слоев, входящих в состав конструкции и расположенных на пути распространения термического потока до поверхности радиатора.
  • Методика термического расчета позволяет аналитическим способом найти наибольшие значения рассеиваемой мощности транзисторных сборок при данной очень допустимой температуре на кремниевой структуре кристалла и температуре теплоотводящей пластинки (корпуса), контактирующей с радиатором.
  • При помощи описанного термического расчета может быть найти температурный градиент, возникающий меж р-n-переходом кристалла и основанием всего мультислойного узла (транзисторной сборки), улучшить в процессе разработки силового модуля размеры и топологию кристалла, метод его крепления, формы и размеры частей конструкции, также используемые теплопроводящие материалы.