Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что функциональные возможности и физическая надежность полупроводниковых изделий (ППИ) во многом определяются температурой активной области изделий в эксплуатационных режимах. Тепловые свойства ППИ, то есть характер изменения и распределения температуры в активной области изделия при выделении в нем электрической мощности, закладываются на стадии проектирования. Однако теплоэлектрические параметры (ТП) реальных изделий определяется качеством их изготовления и имеют значительный разброс от образца к образцу. Поэтому одним из широко применяемых средств контроля качества ППИ является измерение их ТП.
Методы измерения температуры активной области ППИ с помощью ИК техники и термоиндикаторов трудоемки и практически не применимы в условиях массового производства, особенно на заключительных стадиях технологического процесса. Поэтому, с момента возникновения полупроводниковой электроники активно развиваются косвенные методы измерения ТП ППИ с преобразованием изменения температуры в электрический сигнал. Научные основы этих методов развиты в работах Н.Н. Горюнова, В.Л. Аронова, А.А. Чернышева, D. Blackburn, F. Oettinger, V. Szekely и др. В основе всех разновидностей косвенных методов измерения ТП лежит разогрев ППИ потребляемой электрической мощностью и определение изменения температуры активной области по некоторому температурочувствительному параметру (ТЧП) изделия. В промышленных условиях на выходном и входном контроле контролируются тепловые сопротивления переход-корпус и переход-среда, которые указываются в паспортах ППИ и определяют приращение температуры активной области (р-п перехода) ППИ по отношению к корпусу или к окружающей среде соответственно при заданном приращении электрической мощности. В известных косвенных методах при измерении тепловых сопротивлений используется переключение ППИ из режима нагрева заданной статической электрической мощностью в режим измерения ТЧП. При этом требуется обеспечить измерение малых изменений ТЧП на фоне больших средних значений и случайных помех за малое время, пока температура активной области не успевает заметно измениться.
Кроме того, указанные теплоэлектрические параметры не позволяют оценить вклад в теплоотвод отдельных элементов конструкции ППИ, определить температуру активной области ППИ в динамических режимах их работы. Более информативным ТП ППИ является тепловой импеданс, который можно измерить, задавая гармонический закон изменения греющей электрической мощности и измеряя отклик температуры активной области на частоте модуляции. Измерение теплового импеданса на нескольких частотах позволяет выделить вклад отдельных слоев конструкции ППИ в теплоотвод и более адекватно проводить диагностику качества изделий. Для стабилитронов, биполярных и полевых транзисторов возможно непрерывное изменение греющей мощности по гармоническому закону с одновременным измерением ТЧП. Для всех других классов ППИ возможен только переключательный режим и возникает задача изменения по гармоническому закону импульсной электрической греющей мощности, выделения и измерения сигнала ТЧП с достаточной чувствительностью и точностью.
Кроме дискретных ППИ, содержащих один источник тепла, существуют классы изделий (цифровые интегральные схемы - ЦИС, БИС, ПЛИС и др.), содержащих несколько логических элементов (ЛЭ) и функциональных узлов, являющихся связанными или независимыми источниками тепла. Тепловые свойства таких ППИ более адекватно описываются матрицей тепловых импедансов, определяющих тепловую связь ЛЭ друг с другом и корпусом. Теоретические основы моделирования тепловых свойств многоэлементных ППИ заложены в работах Петросянца O.K., Закса Д.И., Александрова А.Я. и др., однако эти идеи не были реализованы в измерительных методиках.
Цель работы - разработка и исследование новых, с улучшенными метрологическими характеристиками способов и устройств косвенного измерения теплоэлектрических параметров полупроводниковых изделий с применением импульсной модуляции электрической мощности нагрева.
Для достижения цели решались следующие основные научные задачи:
Сравнительный анализ различных вариантов импульсно модулированной по гармоническому закону электрической греющей мощности с минимизацией коэффициента гармоник для задач контроля ТП ППИ.
Разработка способа измерения ТП ППИ с применением амплитудно-импульсно модулированной (АИМ) по гармоническому закону электрической мощности, оценка чувствительности и методической погрешности способа и выбор параметров режима модуляции, минимизирующих погрешность.
Разработка способов измерения ТП ППИ с применением широтно-импульсно модулированной (ШИМ) и частотно-импульсно модулированной (ЧИМ) электрической мощности по линейному и гармоническому законам, оценка чувствительности и методической погрешности способов.
Разработка устройств, реализующих предложенные способы, и их аппро-бация на конкретных типах ППИ: полупроводниковых диодах и цифровых интегральных микросхемах и разработка методик контроля качества указанных изделий по теплоэлектрическим параметрам.
Методы исследований. При выполнении работы использовались принципы теплоэлектрической аналогии, теория радиотехнических цепей и сигналов, методы спектрального анализа, методы теории погрешностей и статистической обработки результатов измерений. Математическое моделирование и обработка экспериментальных результатов проведены с применением ПЭВМ и программ, написанных с использованием программного пакета Microsoft Math CAD.
Научная новизна работы:
Впервые показана возможность и разработаны оригинальные способы применения различных видов импульсно-модулированной (АИМ, ШИМ и ЧИМ) электрической мощности нагрева для измерения теплоэлектрических параметров полупроводниковых изделий.
Проведен анализ методических погрешностей, обусловленных переходными электрическими и тепловыми процессами при измерении ТП ППИ с использованием различных видов импульсно-модулированной электрической мощности нагрева. Показано, что
- в стандартном способе эти погрешности могут быть минимизированы путем выбора длительности измерительной паузы;
при использовании АИМ по гармоническому закону электрической мощности методические погрешности могут быть уменьшены по сравнению со стандартным способом в несколько (3-5) раз путем выбора периода следования импульсов;
при использовании ШИМ по гармоническому закону электрической мощности методическая погрешность, обусловленная электрическими переходными процессами, линейно снижается с уменьшением частоты модуляции, поскольку паразитные электрические выбросы становятся время-импульсно модулированными.
3. Проведен спектральный анализ различных видов ступенчатой электри
ческой мощности модулированная по гармоническому закону путем изменения
высоты ступеней с равномерной дискретизацией по времени с прерыванием
(стробированием) на время измерения ТЧП и показано, что
при перемещении стробирующих импульсов от середины ступеней к их краю амплитуда первой гармоники мощности практически не изменяется а коэффициент гармоник возрастает в два раза;
при любой фиксированной длительности стробирующего импульса существует оптимальное число ступеней на период модуляции при котором амплитуда первой гармоники греющей мощности максимальна.
На основе применения АИМ по гармоническому закону электрической греющей мощности впервые предложены измерительная методика и способ определения матрицы тепловых импедансов ЦИС, определяющих теплоэлектри-ческую связь между логическими элементами ЦИС.
Разработаны способы, позволяющий уменьшить влияние паразитных сопротивлений в цепи питания цифровых микросхем с ТТЛ и ТТЛШ логическими элементами при измерении теплоэлектрических параметров.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что проведенные исследования позволили разработать новые способы и устройства измерения теплоэлектрических параметров ППИ, имеющие лучшие функциональные возможности и точность по сравнению с известными.
Разработаны экспериментальные образцы измерителей тепловых импедансов диодов с применением АИМ и ШИМ греющей электрической мощности, обеспечивающие измерение теплоэлектрических характеристик диодов в широком диапазоне греющих токов и частот с меньшей погрешностью.
Предложена методика контроля качества ЦИС по матрице тепловых импедансов, характеризующих тепловую связь между логическими элементами ЦИС и качество тепловых контактов.
Разработанные средства использованы на предприятиях радиоэлектронной промышленности, а также в исследовательских учреждениях.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Результаты спектрального анализа различных видов ступенчатой электрической греющей мощности, модулированной по гармоническому закону с прерыванием (стробированием) на время измерения ТЧП.
Результаты анализа методических погрешностей, обусловленных переходными электрическими и тепловыми процессами при измерении ТП ППИ и рекомендации по выбору параметров модуляции АИМ и ШИМ электрической греющей мощности, обеспечивающих по сравнению со стандартным способом снижение (в 3-5 раз) границ методических погрешностей измерения ТЧП.
Способ, позволяющий уменьшить влияние паразитного падения напряжения на сопротивлениях внутренних шин питания ЦИС с ТТЛ и ТТЛШ логическими элементами при измерении их теплоэлектрических параметров с использованием в качестве ТЧП выходного напряжения логической единицы.
Способ и устройство измерения матрицы тепловых импедансов ЦИС с применением АИМ по гармоническому закону электрической греющей мощности и методика контроля качества ЦИС с использованием указанной матрицы.
Разработанные способы и устройства измерения теплоэлектрических параметров диодов с применением АИМ и ШИМ греющей мощности.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Республиканском научно-техническом семинаре «Электронное приборостроение» (1986, Ульяновск); Республиканской научно-технической конференции «Пути развития электронных средств и задачи высшей школы в подготовке специалистов соответствующей квалификации» (Ульяновск, 1991); Всероссийской научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства неразрушающего контроля качества промышленной продукции» (Саратов, 1991); Международной конференции по логике, информатике и науковедению КЛИН - 2007 (Ульяновск, 2007); Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск 2007); научно-технической конференции ППС УлГТУ "Вузовская наука - производству" (Ульяновск, 2009).
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в ОАО «Ульяновский механический завод», Ульяновском филиале Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН и Ульяновском государственном техническом университете.
Результаты работы использованы при выполнении проекта 2.1.2./4606 «Синтез методов и средств идентификации и измерения параметров нелинейных тепловых моделей гетеропереходных светодиодов» целевой программы Рособразова-ния РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)».
Личный вклад автора. Все основные результаты диссертационной работы получены автором лично. Внедрение результатов в практику проведено при непосредственном участии автора.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК и 10 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 136 наименований и 8 приложений. Диссертация содержит 182 стр., в том числе: 143 стр. основного текста, 13 таблиц и 66 рисунков.
