Методы и устройства измерения теплоэлектрических параметров полупроводниковых изделий с применением импульсной модуляции электрической мощности

Юдин, Виктор Васильевич

Приборы и методы измерения по видам измерений

автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Методы и устройства измерения теплоэлектрических параметров полупроводниковых изделий с применением импульсной модуляции электрической мощности

кандидата технических наук: Юдин, Виктор Васильевич
город: Ульяновск
год: 2009
специальность ВАК РФ: 05.11.01

Диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам на тему «Методы и устройства измерения теплоэлектрических параметров полупроводниковых изделий с применением импульсной модуляции электрической мощности»

Автореферат диссертации по теме "Методы и устройства измерения теплоэлектрических параметров полупроводниковых изделий с применением импульсной модуляции электрической мощности"

ЮДИН Виктор Васильевич

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ

Специальность: 05.11.01 - Приборы и методы измерения

(электрические измерения)

1 о ДЕК 2009

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ульяновск - 2009

003488533

Работа выполнена на кафедре «Радиотехника, опто- и наноэлектроника» Ульяновского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент Сергеев Вячеслав Андреевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Кувшинов Алексей Алексеевич

доктор физико-математических наук, профессор Самохвалов Михаил Константинович

Ведущая организация - ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения»

Защита диссертации состоится 23 декабря 2009 года в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д212.277.01 при Ульяновском государственном техническом университете по адресу: 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32, ауд. 211.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета.

Автореферат разослан 21 ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических паук,

профессор

В.И. Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 теплоотаод 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 мощно-

сти, 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:

1. Сравнительный анализ различных вариантов импульсно модулированной по гармоническому закону электрической греющей мощности с минимизацией коэффициента гармоник для задач контроля ТП ППИ.

2. 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.

3. 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.

4. Разработка устройств, реализующих предложенные способы, и их ап-пробация на конкретных типах ППИ: полупроводниковых диодах и цифровых интегральных микросхемах и разработка методик контроля качества указанных изделий по теплоэлеюрическим 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 MathCAD.

Научная новизна работы:

1. 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.

2. 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 электрической 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 «пробирующих 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.

4. 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.

5. 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.

1. 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.

2. Предложена методика контроля качества ЦИС по матрице тепловых импедансов, характеризующих тепловую связь между логическими элементами ЦИС и качество тепловых контактов.

3. Разработанные средства использованы на предприятиях радиоэлектронной промышленности, а также в исследовательских учреждениях.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты спектрального анализа различных видов ступенчатой электрической греющей мощности, модулированной по гармоническому закону с прерыванием (стробированием) на время измерения ТЧП.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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 Рособра-зования 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 27 работ, в том числе 1 статья в издании из перечня ВАК и 9 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: 163 стр. основного текста, 13 таблиц и 66 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

RT}

RD,

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследования, сформулирована цель работы и задачи, которые необходимо решить.

В первой главе рассмотрены одномерные и распределенные теплоэлек-трические модели (ТЭМ) полупроводниковых изделий, проведен анализ и определены недостатки и ограничения существующих косвенных методов и средств измерения теплоэлектрических параметров ПЛИ, определены направления совершенствования указанных методов и средств путем применения различных видов модуляции импульсной греющей мощности.

Конструкция большинства классов ПЛИ представляет собой плоскослоистую систему, содержащую кристалл, клеящий состав или эвтектику, теплоотвод и корпус. В задачах контроля тепловых свойств ПЛИ их тепловые эквивалентные схемы представляют в виде последовательно включенных ЯС цепочек. В линейной одномерной модели температура перехода 0„(О определяется только законом изменения полной рассеиваемой мощности Дг) и выражается интегралом Дюамеля:

в(0 = в0 + \н(1-?)-Р(.0<1?, (1)

Г/

¡Н

Тп

Си

Рис. 1. Одномерная тепловая схема полупроводникового изделия

где #(/ - /') функции отклика температуры на 8-подобный импульс мощности в момент времени t' . Для ТЭМ, изображенной на рис. 1:

1=1 TTi

t-h

(2)

>Сц

C2J

-CZh

*22 С33

где тТ1 = /?пСг,- тепловая постоянная времени /-го слоя. Интегральное тепловое сопротивление и теплоемкость 1-го слоя толщиной й\, теплопроводностью Я,, плотностью у, и удельной теплоемкостью суу при

однородном по площади слоя тепловом потоке выражаются формулами:

/ЛД.,

где 5площадь теплового потока в г-ом слое.

Для ППИ, содержащих несколько источников тепла , в работах Петро-сянца К.О. Архангельского А.Я., Закса Д.И. и др. развиты распределенные тепловые модели, включающие теплоемкости слоя полупроводника между тепловым полюсом и основанием части кристалла Сщ и теплоемкости Стц, разде-

Рис. 2. Распределенная тепловая схема изделия с многоэлементной структурой

(3)

ляющие май иу-ьт элементы ЦИС (рис. 2.) Для нахождения температуры /'-ого элемента Тп1 в такой модели необходимо решить систему уравнений вида

дв„ в..~вп

д1

Я,

П]

а/

сп+-

йг,

(4)

при заданных начальных условиях. И наоборот, параметры тепловой модели могут быть найдены по результатам измерения температуры /-ого элемента ЦИС при заданном законе измерения мощности, выделяющейся в /-ом элементе.

Более информативным для целей контроля качества ПЛИ является полное тепловое сопротивление или тепловой импеданс, определяемый для одномерной

тепловой модели ПЛИ по формуле ¿Т{а) = у£1Я.Т11(1[ + ]сотТ^. Измерить тепловой

1-1

импеданс можно, задавая гармонический закон изменения греющей мощности и измеряя отклик температуры активной области на частоте модуляции мощности.

Рассмотрены общие принципы и известные способы управления потребляемой электрической мощностью, изменяющейся по заданному закону, для различных классов ПЛИ. Проанализированы возможности применения различных видов модуляции импульсной электрической мощности нагрева и способы выделения полезного сигнала ТЧП. Определены реализуемые виды модуляции для детального исследования в разрабатываемых способах.

Во второй главе проведен спектральный анализ различных видов им-пульсно модулированной электрической греющей мощности, а также получены оценки методических погрешностей, возникающих при измерении ТП с использованием имульсно-модулированной электрической греющей мощности.

Рассмотрены погрешности гармонической аппроксимации ступенчатой электрической мощности с равномерной дискретизацией по времени и равномерным квантованием по уровню (рис. 3 а, б). Показано, что наименьший коэффициент гармоник имеет греющая мощность с равномерной дискретизацией.

""Я

*гр~Тц/ 2п "А I

£-'

л=7

а)

уровень мантоеаиим уровень шкалы

йр~2/п- шаг (етутть) квантования

п-7

'»(■; 'я

Ти'2'

б)

Рис. 3. Ступенчатое изменение амплитуды импульсов греющей мощности а) с равномерной дискретизацией, б) с квантованием по уровню

Одним из путей повышения чувствительности измерения ТП является увеличение амплитуды первой гармоники импульсно модулированной электрической мощности и уменьшении амплитуд высших гармоник, начиная со второй.

Рассмотрены варианты ступенчатой мощности с модуляцией высоты ступеней по гармоническому закону. Уменьшение амплитуд высших гармоник спектра ступенчатой мощности осуществлялось двумя способами:

- изменением высоты ступеней при равномерной дискретизации по времени;

- изменением д лительности ступеней при равномерном квантовании по уровню.

В случае прерывания режима нагрева на время измерения напряжения

ТЧП ступенчатая электрическая мощность становиться амплитудно-импульсно модулированной по гармоническому закону. На основе анализа спектров АИМ электрической мощности с различным положением стробирующих импульсов показано, что наименьший коэффициент гармоник АИМ достигается при расположении стробирующих импульсов посредине ступени.

Далее рассмотрены погрешности, возникающие при измерении ТЧП. Последовательность преобразований физических величин при измерении тепло-электрических параметров ППИ показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема преобразования физических величин при косвенном измерении теплоэлектрических параметров ППИ

В переключательном режиме ППИ переключается из греющего режима, в котором изделие рассеивает известную мощность Ргр,

в измерительный режим, в течение которого измеряется изменение напряжения ТЧП Д игп. На изделие подается один или несколько импульсов греющей мощности с заданной амплитудой Ргр, длительностью х,„,

периодом Та и длительностью измеритель-

1 Гпи

ной паузы т^, при этом, очевидно,

пах

44---

«Г

(рис. 5). Изменение ТЧП связано с приращением А9„ температуры контролируемой области изделия в результате саморазогрева относительно начальной температуры, как правило, линейной зависимостью: Аитп=ип{в11)-ит{в0)=КтАв„ и тепловое сопротивление переход-корпус изделия определяется по формуле:

АО. Ш,

Рис. 5. Эпюры напряжений при измерении ТП стандартным методом

^тп-, - -

КГРгр

(5)

где Кт- температурный коэффициент ТЧП, определяемый по известным методикам, строго говоря, для каждого изделия индивидуально; в качестве ТЧП чаще всего используется прямое падение напряжения на одном из р-п переходов изделия при протекании через него малого измерительного тока.

Задача измерения состоит в нахождении значения изменения ТЧП сразу после выключения мощности, поскольку контролируемая область изделия с течением времени будет остывать по закону ~ехр(-1/тт)и изменение ТЧП будет уменьшаться: Штп (/)« Аи^ехр^ ?/гг), где тт- тепловая постоянная времени переход-корпус изделия а Ди™- максимальное значение изменения ТЧП сразу после выключения мощности (рис. 5 в). Однако, сразу после выключения мощности в результате переходных электрических процессов на вершине импульса ТЧП появляются выбросы (рис. 5 б) также убывающие с течением времени по экспоненциальному закону и.,л (0 к и^ехр(- «/тэл), где - амплитуда выброса электрической природы, а гЛ7 - постоянная времени релаксации электрических процессов (рис. 5 г). Эти регулярные процессы приводят к появлению систематических погрешностей при измерении напряжения ТЧП. Для снижения этих погрешностей длительность измерительной паузы должна быть достаточно большой, чтобы электрические переходные процессы успели закончиться, и как можно короче, чтобы температура контролируемой области изделия не успевала заметно измениться: гэл «г^«^; более корректных рекомендаций по выбору в литературе не приводится. В работе получены оценки методических погрешностей измерения ТЧП, обусловленные переходными электрическими и тепловыми процессами.

В стандартном способе границы составляющих неисключенной систематической погрешности в линейном приближении определяются как дифференциалы функций и,л{ти]м) и &ит(О, которые можно выразить через величины относительного разброса величин , тэл и тт: »/у |/,м=|Дга?|я/тЭл); 1'т = 1Агг1/?Д гДе ^ад"» Ьл. ?г> средние выборочные значения, а |АЬл|,„> |Дтг|„ модули максимальных отклонений значений

величин IIм , Гдд, тт. Согласно правила суммирования общая граница неисключенной систематической погрешности определяется формулой

( \2

'ад

Т ;

, (6)

где£, = 1изм /тэл, а к - коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью, в частности, при Р=0,95 ¿=1,1. Из анализа (6) следует, что при некотором значении тт

^ тп эл % )

достигает минимума

= МТЭЛ (7)

Величина М при Т1,т~1,м и определяется отношением (гг/гЭ7) и

значительно превышает 1.

При АИМ греющей мощности длительность ггр и период Та следования импульсов мощности постоянны, а их амплитуда изменяется в соответствии со значениями функции модуляции p(t) = sin(QMt) в тактовые моменты времени tk в середине импульсов греющей мощности: tk= {к-1 )Та + т!р/2,т.е. при кТа < t < кТа + тгр

P(t)=P.{l + mfpt(tM)), (9)

а при кТи + тгр < t < (к + 1)Та, соответственно, P(t)« 0; QM - круговая частота модуляции, nip - коэффициент модуляции. Амплитудно-модулированную импульсную последовательность (9) можно представить в виде ряда Фурье:

(10)

РлиМ(0 = (1 + тРр('))-^ 1 + 21 " 'со*(шЛ + <р.) .

Тс \ % П0}аТгр

Этот ряд содержит постоянную составляющую (Р0ггр/Г„) и низкочастотную составляющую греющей мощности на частоте модуляции с амплитудой:

(П)

Ряд Фурье (10) содержит бесконечное число гармоник частоты следования псоа = 2жж/Та п = 1,2,3..., каждая из которых модулирована по амплитуде по закону р{0. Чтобы соседние участки спектра не перекрывались частоту следования импульсов последовательности необходимо выбирать из условия о>а > 20и.

Спектр температуры определяется спектром греющей мощности и тепловым импедансом ¿т(со) изделия:

Ав(й)) = г(а)Р(ы)> (12)

где ¿Т(а>) = ^Кп{1+ Кп и г„ =КТ1СТ1 тепловое сопротивление и тепло-

вая постоянная времени соответствующего слоя конструкции изделия. При выполнении условия 2щ1с « « 2щ-', где тГм - тепловая постоянная времени корпус-среда, очевидно \2(£3М\ = ЯТпчс.

Поскольку ТЧП практически мгновенно реагирует на изменение температуры, то спектр ТЧП совпадает со спектром температуры. Полезный информативный сигнал представляет собой импульсную последовательность с длительностью импульсов хюм и периодом следования Т^ (рис. 5в), а гармоника греющей мощности на частоте модуляции является полезным сигналом, модулирующим амплитуду импульсов ТЧП. С учетом (8) для первой гармоники ТЧП запишем

AUTni=AU™mpTf^

J __

~ 2хт

(13)

где для расчета гармоники ТЧП на частоте модуляции принято среднее значение амплитуды импульса ТЧП за время измерительной паузы: Штл * AU™ [l + ехр{- xJt т)]/2 * AU™(l - тиш/2тт), a AU™ = KTRT„_K ■ Рс.

Гармоника ТЧП на частоте модуляции может быть выделена и измерена известными способами аналоговой или цифровой фильтрации.

Поскольку с увеличением vip модулирующий ТЧП сигнал растет и AUT!U возрастает, а с уменьшением гш - уменьшается, то существует такая длительность измерительной паузы (при Г„ = const), при которой амплитуда первой гармоники ТЧП, а значит и чувствительность метода, будут максимальными. Учитывая, что zlp = Та из (113) нетрудно получить, что амплитуда полезного сигнала будет максимальна при xuw «(f„/2): Д£/^7 и Кт • КТп-кР<>тгН •

Анализ показал, что, если амплитуда электрического выброса не зависит от амплитуды греющей мощности, то на частоте модуляции паразитной электрической составляющей не будет. Если же амплитуда электрического выброса иJf зависит от амплитуды греющей мощности линейно, то на частоте модуляции появится дополнительная паразитная составляющая с амплитудой .

Если рассмотреть только неисключенную систематическую погрешность, обусловленную электрическим выбросом, то относительную погрешность измерения амплитуды ТЧП на частоте модуляции, используя введенные выше обозначения, можно оценить величиной

217""" т

X - ЭЛ ЭЛ - И а\

°лии — ДТГ1Ш1 т W> ИТ)

аиТП 1сл

Из сравнения полученной погрешности с минимальной границей погрешности в стандартном способе следует, что выигрыш в точности будет достигаться при выполнении условия

Т„>

A U"™* ,аитп У

Ъ, (15)

кЩ,

Это условие легко выполняется для большинства классов полупроводниковых изделий так как обычно и"" < Ди^, чиЩ,т, М»Зн-8 и (15) приближенно можно записать в виде Та>гт(М. Поскольку максимальная чувствительность способа достигается при тгр = х1Ш1=Та12, то из (15) определяются все временные параметры амплитудно-модулированной импульсной греющий мощности.

При использовании ШИМ греющей мощности по гармоническому закону чувствительность преобразования определяется видом спектра и при девиации длительности близкой к периоду следования импульсов мощности чувствительность практически равна чувствительности стандартного метода. При этом виде модуляции паразитные электрические выбросы становятся время-импульсно модулированными и амплитуда паразитной гармоники на частоте модуляции линейно уменьшается с уменьшением частоты модуляции.

Показано, что при измерении тепловых сопротивлений ППИ с использованием ШИМ электрической греющей мощности по линейному закону измеряется средняя скорость изменения ТЧП и минимальная погрешность измерения тепло-

вого сопротивления, обусловленная пульсацией температуры относительно среднего значения, достигается в конце импульсной последовательности.

В третьей главе исследуются способы и устройства измерения тепловых импедансов полупроводниковых диодов при амплитудно-импульсной и широт-но-импульсной модуляции греющей мощности.

Измеритель теплового импеданса полупроводниковых диодов, с использованием АИМ электрической мощности, разработан на основе технических решений, защищенных патентами РФ №2003128 и №2087919. На рис. 6 показана структурная схема устройства, а на рис. 7 - эпюра напряжений на исследуемом диоде. Устройство содержит источник начального тока 1, источник 2 греющего тока, изменяющегося по гармоническому закону, коммутаторы 51, Б2, вЗ, генератор управляющих импульсов 3, токосъсмный резистор й, усилитель-ограничитель, вольтметр действующего значения 5, осциллограф 6, инвертирующий усилитель-ограничитель 7, детектор 8 и селективный вольтметр 9 для измерения ТЧП.

ЙЮЙ

ц»

От

д и

ПППППпппппп

Рис. 6. Структурная схема устройства дая Рис. 7. Эпюры токов и напряжений

измерения теплового сопротивления диодов на контролируемом диоде

Источник постоянного тока задает малый прямой ток через диод. Разогрев диода осуществляется импульсами тока, длительностью г^, периодом ТеАи амплитудой, модулированной по гармоническому закону с частотой модуляции Ои«2я/Тсу. 1гр = 10 + где 10 -постоянная составляющая греющего

тока, 1т -амплитуда переменной составляющей греющего тока. Огибающая напряжения на диоде во время действия греющих импульсов тока описывается выражением игр ~ио+ и^пО^. Средняя за период Тм греющая мощность

Р(1) = Ра содержит постоянную составляющую Р0-1оиог^/Те/1 и пе-

ременную составляющую, определяемую среднеквадратическими значениями переменных составляющих импульсного тока и напряжения:

В качестве ТЧП в измерителе используется прямое падение напряжения на диоде при постоянном измерительном токе. При условии тт,_с » Тм » тп_к, где хт,_с и i>„ , - тепловые постоянные времени корпус-среда и переход-корпус соответственно, амплитуда переменной составляющей нижней огибающей импульсного напряжения на диоде пропорциональна модулю теплового импеданса диода на частоте модуляции:

UTm=KTfm=KT\ZT\Pm, (16)

где Кт - температурный коэффициент прямого падения напряжения на диоде.

Устройство экспериментально апробировано на нескольких типах диодов и в составе установки УИТЭП-4 использовано на одном из предприятий г. Ульяновска для входного контроля качества СВЧ переключательных диодов.

Недостатком устройств измерения тепловых импедансов ППИ с АИМ электрической мощности является, то что для определения амплитуды квазигармонической греющей мощности необходимо изменять четыре параметра: постоянные и переменные токи и напряжения. Этого недостатка лишен способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов, основанный на разогреве диода последовательностью импульсов греющего тока с ШИМ модуляцией их длительности по гармоническому закону.

Структурная схема устройства, реализующего способ, показана на рис. 8. Работой прибора управляет микроконтроллер (МК) ATmega 128. Формирователь греющих импульсов генерирует импульсы греющего тока длительности ти которых изменяется по гармоническому закону:

r^=rJl + acos(Q-tt)), (17)

где г„0-средняя длительность импульсов; а- коэффициент, определяющий глубину модуляции греющей мощности; Q- циклическая частота модуляции tk - kTa - момент времени начала к -го греющего импульса тока в последовательности. Период следования Та импульсов и амплитудное значение 1„ греющего тока на диоде поддерживаются постоянными. Средняя за период следования мощность P(t) будет изменяться по закону изменения длительности греющих импульсов, то есть по гармоническому закону

Щ = PmQ-'(t) = P„Q-'(1+а ■ sinQin= PmQ'0' +Pm,sinQi, (18)

где PmQ0' - постоянная составляющая греющей мощности, Р„,=а■ PmQ'0l - основная гармоника изменения греющей мощности на частоте Q модуляции.

АЦП измеряет ТЧП - напряжение на диоде при малом измерительном токе Uflfk) - через заданное время задержки после окончания каждого к-го греющего импульса тока. Поскольку падение напряжения на диоде при заданном греющем токе имеет разброс от образца к образцу и довольно сильно зависит от средней температуры перехода, то для повышения точности измерения АЦП по заданному алгоритму измеряет напряжение UJk) на диоде в середине греющих импульсов и мгновенная греющая мощность при протекании через к-го греющего импульса тока по формуле Pm(k) = IJJ„(k). Процесс измерения заканчивается формированием массивов значений импульсной мощности {Р„(к)} и

ТЧП 'рд(к)\. Далее методом быстрого преобразования Фурье вычисляются амплитуды и фазы первых гармоник греющей мощности Рт, и (рР, а также ТЧП 0™ и фт. Это позволяет определить модуль и фазу теплового импеданса полупроводникового диода по формулам:

ктРп1{ОУ

<? = <Рт-<Рг-

(19а) (196)

Управление величиной греющего тока

Управление/данные * „ ЖК-индикатор

Кнопки управления

ЮСР

гар.

Я3-232

/ \

Рис. 8. Структурная схема устройства измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов

Амплитудно- и фазо-частотные характеристики тепловых импедансов нескольких типов диодов, измеренные с помощью разработанных устройств хорошо описываются в рамках одномерной теплоэлектрической модели.

Микроконтроллерное устройство (рис. 8) без изменения структурной схемы может быть запрограммировано на реализацию способа измерения теплового сопротивления переход-корпус КТл_к диодов. Способ состоит в том, что на диод подается последовательность импульсов греющего тока постоянной амплитуды

1Д (рис. 9 б), в промежутках между импульсами подается малый измерительный ток а величину обратную скважности = Т!р/ТС1 импульсов изменяют по линейному закону: где - крутизна зависимости О;

ад»

ад>)

Рис. 9: Эпюры напряжений и токов при измерении теплового сопротивления диодов с ШИМ по линейному закону греющей мощностью

'(/), т,р н Гц ■ длительность и период следования импульсов греющего тока соответственно. По линейному закону будет изменяться и средняя за период мощность P(t) = 1дид() ', рассеиваемая в кристалле (рис. 9в). При Тс, « тг„„, где тт„-к - тепловая постоянная времени переход-корпус диода, температура перехода 0„(0 будет пульсировать, постепенно нарастая (рис. 9г). Через время t>3xu^ тепловой режим диода станет регулярным и средняя температура р-п-перехода и огибающая Uni (0 напряжения на диоде при малом прямом токе будут изменяться по линейному закону. Измеряя скорость 3 = dUm/dt изменения огибающей Um (/), тепловое сопротивление переход-корпус диода определяют по формуле:

= „ , Т1 с . (20)

где Кт -температурный коэффициент напряжения при измерительном токе. Влияние переходных электрических процессов в этом способе слабее, поскольку измеряется не абсолютное значение температуры перехода, а скорость ее изменения.

При исследовании зависимости &Т„.К(1Д) красных AlInGaP/GaAs гетеропере-ходных светоизлучаюших диодов (СИД) типа TLCR5800 частота следования греющих импульсов была равна 4 кГц, а их д лительность изменялась от 10 мкс до 158 мкс с шагом 4 мкс, коэффициент Kj устанавливался равным 1,0 мВ/К. На выборке объемом N=43 штук среднее значение Rn„ при токе 50 мА составило 100,6 К/Вт, СКО измерения - <тйг = 16,4 К/Вт, СКО среднего значения - ст^ =2,5 К/Вт. У всех СИД в диапазоне токов 50 -И 10 мА RT„.K заметно растет с ростом полного тока, что объясняется, по нашему мнению, увеличением неоднородности токораспре-деления в диодной структуре.

Корреляция между значениями тепловых сопротивлений, измеренными на выборке светоизлучающих диодов (СИД) типа АЛ307А в количестве 30 штук с помощью устройств с АИМ и ШИМ модуляцией мощности по гармоническому закону, составила 93%.

В четвертой главе исследованы способы и устройства измерения ТП цифровых интегральных микросхем с применением различных видов импульс-но-модулированной электрической мощности

В качестве ТЧП наряду с напряжением на защитном диоде для ТТЛ и ТТЛШ ЦИС широко используется напряжение логической единицы U'^. Напряжение U'^ линейно увеличивается с ростом температуры. При этом возникает влияние нежелательной электрической составляющей на напряжение ТЧП в виде паразитного падения напряжения на общем сопротивлении контролируемых ЛЭ, используемых в качестве источника тепла и датчика температуры.

Для исключения влияния сопротивления шины питания разработан способ нагрева ЛЭ, используемого в качестве источника тепла, от независимого источника питания, предварительно установив на выходе ЛЭ низкий логический уровень U°mx.

Второй разработанный способ уменьшения влияния электрической составляющей на величину напряжения ТЧП заключается в инвертировании электротепловых переходных процессов при нагреве ЛЭ последовательностью импуль-

сов нагрева тгр = Тсп/2. Первая гармоника напряжения ТЧП для определения теплового сопротивления вычисляется из спектра инвертированного электротеплового переходного процесса.

На рис. 10 показана структурная схема устройства измерения матрицы тепловых импедансов ЦИС на основе ТТЛ и ТТЛШ логики, характеризующих тепловую взаимную связь между отдельными ЛЭ и их тепловую связь с теплоотво-дом. В составе контролируемой ЦИС 1 условно показаны только два ЛЭ. Блок 3 устанавливает все ЛЭ ЦИС в состояние с логической единицей на выходе.

Рис. 10. Структурная схема измерителя матрицы тепловых импедансов ЦИС

Изменение греющей мощности разогреваемого ЛЭ ЦИС осуществляется устройством управления 5 путем периодического ступенчатого изменения тока нагрузки по с периодом Тм=тс„=1/£2, где п - количество ступенек за период, тст - длительность ступени (рис. 11). Величина тока нагрузки выбирается так, чтобы высота каждой т-ой ступеньки мощности на половине длительности тсга/2 совпадала с аппроксимирующей гармонической функцией и была равна рт=Р0[1+со5(2тстт/Ти)] при 0<т<п, где т=0,1,2,3,...п. В этом случае при п > 8 коэффициент гармоник не превышает 0,02.

Рис. 11. Эпюры напряжений и осциллограммы сигналов при измерении матрицы тепловых импедансов ЦИС

Для выделения и измерения переменной составляющей греющей мощности ЛЭ предназначены резисторы Ю и Я и измеритель мощности 4. Для исключения влияния сопротивлении токоведущих шин при измерении изменения ТЧП синтезатор 5 формирует вблизи середины длительности каждой ступени короткие

стробирующие импульсы длительностью тшр« тт, на время действия которых нафев прекращается. Огабающая От импульсного напряжения на выходе ЛЭ изменяется по гармоническому закону, повторяя изменение температуры ЛЭ (рис.11). Коммутатором выходы всех ЛЭ, включая разогреваемый, поочередно подключаются ко входу измерителя 6, который фильтрует импульсное напряжение и измеряет амплитуду 0т на выходе ЛЭ. Для построения МТИ измерения повторяют, разогревая поочередно все ЛЭ.

Время измерения 0ТП одного ЛЭ определяется временем установления сигнала на выходе фильтра при выделении огибающей ТЧП: tycm «, где А/Ф1Г! полоса фильтра. При использовании в устройстве одного фильтра время контроля одной ЦИС, содержащей N элементов, будет равно И2 . Используя N фильтров и проводя измерение ТЧП всех ЛЭ параллельно, время измерения можно сократить в N раз. Другой модификацией предлагаемого способа может быть измерение параметров МТИ между группами ЛЭ, при этом порядок группирования определяется топологией ЦИС.

Экспериментальная апробация способа и устройства проводилась на выборке ЦИС типа К155ИР13 (сдвиговый регистр) в количестве 30 шт. На рис. 12 а) показаны фрагменты топологии кристалла ЦИС: ЦИС содержит 8 ЛЭ по числу разрядов регистра, по 4 ЛЭ вдоль краев кристалла. Основными тепловыделяющими элементами выходного каскада ЛЭ (рис. 12 6) являются транзистор УТ, диод VI) и сопротивление Я в цепи коллектора транзистора УТ. Температурный коэффициент напряжения логической единицы измерялся стандартным методом с погрешностью не более 5% и для данной выборки изменялся в диапазоне 2,(^-2,7 мВ/К.

Рис. 12. Топология контролируемой ЦИС (а) и схема выходного каскада ЛЭ (б)

Частота изменения мощности выбиралась равной 10 Гц. В этом случае инерционностью тепловых процессов можно пренебречь и рассматривать только матрицу тепловых сопротивлений (МТС). Переменная составляющая мощности составляла 25 мВт. Погрешность определения температуры соста-

вила 4%. Суммарная погрешность определения ЯГу составила по нашим оценкам не более 8%. По результатам измерения составлялось по 8 уравнений (2) для каждого из восьми узлов тепловой эквивалентной схемы. Далее системы уравнений решались известными методами с использованием стандартных компьютерных программ.

В результате вычислений получено, что матрица тепловых сопротивлений ЦИС не является симметричной то есть Я^фЯт^- Это различие объясняется тем, что ЛЭ является пространственно распределенным объектом, в котором расположение источников тепла не совпадает с расположением датчика температуры, и в общем случае расстояние от центра источников тепла г'-го ЛЭ до центра датчика температуры у'-го ЛЭ не равно расстоянию от центра источников тепла у-го ЛЭ до центра датчика /-го ЛЭ. Величина этого различия определяется размерами ЛЭ и их взаимной пространственной ориентацией.

Для оценки качества ЦИС по результатам измерения параметров МТС на представительной установочной выборке ЦИС стандартными методами определяют средние арифметические значения Ят^ и их среднеквадратические отклонения (СКО)с^ . Эти значения принимают в качестве опорных при контроле технологического процесса. Отклонение выборочных средних значений и их СКО от опорных, превышающее заданный уровень, свидетельствует о нарушениях технологического процесса.

При индивидуальном выходном или входном контроле качества ЦИС отклонение любого из параметров МТС контролируемой ЦИС от среднего значения более чем на утроенную величину СКО свидетельствует о наличии аномалии в структуре или конструкции контролируемой ЦИС. В частности контроль качества монтажа кристалла на теплоотводящей пластине можно осуществлять по величине значений тепловых сопротивлений Ящ на главной диагонали МТС. Разброс тепловых сопротивлений Ящ у некоторых ЛЭ ЦИС в рассматриваемой выборке достигает 25%.

У ЦИС с пониженными средними значениями тепловых сопротивлений на главной диагонали была сошлифована часть корпуса до поверхности кристаллов и контролировалось положение кристалла. У всех образцов наблюдались дефекты монтажа в виде перекоса кристалла относительно теплоотводящей пластины (рис. 13). Изменение тепловых сопротивлений при перекосах объясняется неравномерностью толщины эвтектики Аи-ве, используемой для соединения кристалла с теплоотводящей пластиной.

Интенсивность теплоотвода можно оценить по амплитудно-частотным характеристикам теплового импеданса (рис. 14). Проводя измерения модуля и фазы теплового импеданса на нескольких частотах, нетрудно рассчитать параметры тепловой схемы ЦИС. Описанный способ и уст-

Рис. 13. Рентгеновский снимок дефектной ЦИС

ройство косвенного измерения параметров , матрицы тепловых импедансов позволяют более адекватно по сравнению со стандартными средствами оценить тепловые свойства ЦИС.

Для КМОП микросхем разработан способ и устройство с применением ЧИМ модулированной мощности. Для МОП и КМОП микросхем это единственный способ модуляции греющей мощности.

На выборке ЦИС с ТТЛ логикой типа К1ЭЗЛАЗ в количестве 17 штук исследовано связь величины теплового сопротивления с величиной обратного напряжения пробоя входных диодов ЦИС при воздейст- Рис. 14. Частотные зависимыми ТЧП вии коротких импульсов напряжения. Ко- при измерении тепловой связи между эффициент корреляции между длительно- различными логическими элементами

стью импульса и напряжением пробоя составил -0,748 и является значимым с вероятностью 0,95. Такая связь свидетельствует о теплоэлектрическом механизме пробоя ЦИС короткими импульсами напряжения.

В заключении представлены основные результаты работы.

1. Показана возможность применения различных видов (АИМ, ШИМ, ЧИМ) импульсно-модулированной электрической мощности нагрева для измерения теплоэлектрических параметров ППИ.

2. Показано, что ступенчатая мощность с равномерной дискретизацией по времени имеет в 2 раза меньший коэффициент гармоник, чем ступенчатая мощность с равномерным квантованием по уровню. При перемещении строби-рующих 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.

3. Впервые для стандартного метода определена длительность измерительной паузы, при которой методические погрешности, обусловленные переходными тепловыми и электрическими процессами будут минимальны. При АИМ по гармоническому закону электрической мощности нагрева указанная погрешность измерения ТЧП может быть уменьшена в несколько (3-5) раз путем выбора периода следования импульсов. При ШИМ по гармоническому закону греющей мощности методическая погрешность измерения ТЧП может быть еще снижена, поскольку паразитные электрические выбросы становятся время-импульсно модулированными и их вклад в погрешность измерения ТЧП линейно уменьшается с уменьшением частоты модуляции.

4. Разработаны оригинальные способы и устройства измерения теплового сопротивления полупроводниковых диодов с применением АИМ и ШИМ греющей мощности. Показана возможность применения теплового импеданса для контроля качества полупроводниковых изделий.

5. Разработаны способы и устройства измерения теплоэлектрических параметров ЦИС, уменьшающие паразитное влияние падения напряжения на сопротивления внутренних шин цепи питания ЦИС при использовании в качестве ТЧП выходного напряжения логической единицы.

6. Разработаны измерительная методика и устройство измерения матрицы тепловых импедансов ЦИС с ТТЛ и ТТЛШ логикой с применением АИМ модуляции греющей мощности и предложена методика контроля качества ЦИС по параметрам матрицы тепловых импедансов. Контроль качества технологического процесса производства ЦИС осуществляется по отклонению выборочных средних значений параметров МТИ и их СКО от опорных значений, предварительно определенных на установочной выборке. Разбраковка ЦИС осуществляется по отклонению значений параметров МТИ от выборочных средних более, чем на утроенную величину опорного значения СКО.

7. Для МОП и КМОП микросхем разработаны оригинальные способ и устройство с применением ЧИМ модулированной мощности по гармоническому и линейным законам.

Список основных работ по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Микропроцессорный измеритель теплового сопротивления полупроводниковых диодов / В.А. Сергеев, В.И. Смирнов, А.А. Гавриков, В.В. Юдин // Известия вузов. Электроника. - 2009. - № 4 (78). - С. 84-86.

2. А. с. 1310754 СССР, МКИ4 G 01R 31/28. Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / В.А. Сергеев, Г.Ф. Афанасьев, Б.Н. Романов, В.В. Юдин. - №912623/24-21; заявл.17.06.85; опубл. 15.05.87, Бюл. № 18.

3. А. с. 1383233 СССР, МКИ G 01 R 31/28. Устройство для измерения пороговых напряжений цифровых интегральных микросхем / В.А. Сергеев, В.В. Юдин. -№ 3969970/24-21; заявл. 24.09.85; опубл. 15.05.88, Бюл. №11.

4. А. с. 1613978 СССР, МКИ G 01 R 31/28. Способ измерения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем и устройство для его осуществления / В .А. Сергеев, В.В. Юдин, Н.Н. Горюнов. - № 4336240/24-21; заявл. 30.11.87; опубл. 15.12.90, Бюл. № 46.

5. А. с. 1529941 СССР, МКИ G 01 R 31/26. Устройство автоматического измерения области безопасной работы транзисторов / О. А. Дулов, С. А. Карпов, В.А. Сергеев, А.А. Широков, В.В. Юдин. - № 4402575/21; заявл. 04.04.88; опубл. 20.05.99, Бюл. № 14, ч. 3.

6. Пат. 2003128 СССР, МКИ5 G 01 R 31/26. Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов / В.А. Сергеев, В.В. Юдин; заявитель и обладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№ 5026787/21; заявл. 11.02.92; опубл. 05.11.93, Бюл. № 41/42.

7. Пат. 2087919 СССР, МКИ G 01 R 31/26. Устройство для измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов / В.А. Сергеев, В.В. Юдин; заявитель и обладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - № 94031176/07; заявл. 15.08.94; опубл. 20.08.97, Бюл. № 23.

8. Пат. 2231821 Российская Федерация, МПК7 G 05 В 23/19. Способ программно-

го регулирования греющей мощности / Юдин В.В., Сергеев В.А.; заявитель и обладатель Ульян, гос. техн. ун-т.-№ 2002128088/09; заявл. 18.10.2002; опубл. 27.06.2004, Бюл.№ 18.

9. Пат. 2327177 Российская Федерация, MIK7G 01 R 31/317. Способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем / Юдин В.В., Сергеев В.А.; заявитель и обладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - № 2007100859/28; заявл. 09.01.2007; опубл. 20.06.2008, Бюл. М> 17, ч. 4.

10. Пат. 2327178 Российская Федерация, МПК7 G 01 R 31/317. Устройство для определения теплового сопротивления переход-корпус логических интегральных микросхем / Юдин В.В., Сергеев В.А.; заявитель и обладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - № 2007100861/28; заявл. 09.01.2007; опубл. 20.06.2008, Бюл. № 17, ч. 4.

Публикации в других изданиях

11. Разработка аппаратуры и методов прогнозирования отказов переключательных и ограничительных диодов: отчет о НИР: 9-24/91/ Ульян, политехи, ин-т; рук. Трефилов Н.А.; исполн.: Юдин В.В., Сергеев В.А. - Ульяновск: УлПИ, 1992. -33 с.-№ГР 910023457.

12. Разработка неразрушающих методов контроля качества полупроводниковых приборов, интегральных микросхем и микроузлов радиоэлектронной аппаратуры. Разработка методики контроля качества и прогнозирования отказов мощных транзисторов: отчет о НИР: / Ульян, политехи, ин-т; рук. Г.Ф. Афанасьев; исполн.: В.А. Сергеев, В.В. Юдин. - Ульяновск: УлПИ, 1983. - 31 с. - № ГР 0182.00762278. - Инв. № 0285.0037307.

13. Сергеев, ВА. Диагностика логических ИМС методом температурных волн / В.А. Сергеев, В.В. Юдин // Пути развития электронных средств и задачи высшей школы в подготовке специалистов соответствующей квалификации: тез. докл. конф. -Ульяновск, 1991.

14. Сергеев, ВА. Измерение теплового сопротивления КМОП ИМС / В.А. Сергеев, В.В. Юдин, П.Г. Тамаров // Автоматизация испытаний и измерений. - Рязань: РРТИ, 1990.-С. 66-69.

15. Сергеев, В А. Исследование стойкости к повреждению логических интег-ральных микросхем при действии импульсов напряжения / В.А. Сергеев, В.В. Юдин. -Деп. в ЦНИИ «Электроника». - К» Р-5034 // Электронная техника. Сер. 3, Микроэлектроника. -1989.-Вып. 2 (131). - С. 62.

16. Сергеев, В.А. Контроль качества мощных переключательных структур по тепловому сопротивлению / В.А. Сергеев, В.В. Юдин. // Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства неразрушающего контроля качества промышленной продукции: тез. докл. науч,-техн. конф. - Саратов, 1991.

17. Сергеев, В.А. О возможности автоматизированного контроля уровней срабатывания логических микросхем / ВА. Сергеев, В.В, Юдин // Тез. докл. науч.-техн. семинара, нояб. - Ульяновск: УлПИ, 1986.

18. Сергеев, В.А. Оптимальный синтез квазигармонического ступенчатого изменения электрической греющей мощности при измерении тепловых параметров полупроводниковых изделий / В .А. Сергеев, В.В. Юдин // Вузовская наука в современных условиях: тез. докл. 43-й науч.-техн. конф. (26-31 янв.). -Ульяновск: УлГТУ, 2009. - С. 101.

19. Сергеев, ВА. Сравнительный анализ спектров ступенчато изменяющейся электрической греющей мощности / В.А. Сергеев, В.В. Юдин // Радиоэлектронная

техника: мсжвуз. сб. науч. тр. - Ульяновск: УлГТУ, 2008. - С. 56-59.

20. Сергеев, В.А. Установка для измерения теплоэлектрических параметров цифровых интегральных микросхем УИТЭП-3 / В.А. Сергеев, В.В. Юдин // Электронная техника: мсжвуз. сб. науч. тр. - Ульяновск: УлГТУ, 2002. - С. 4-11.

21. Сергеев, В.А. Устройство для измерения теплового сопротивления ИС на основе ТТЛ и ТТЛШ логических элементов / В.А. Сергеев, В.В. Юдин // Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем: тр. 5-й Всерос. науч.-практ. конф. (с участием стран СНГ), посвящ. 50-летию Ульян, гос. техн. ун-та, 19-20 июня. -Ульяновск: УлГТУ, 2007. - С. 237-239.

22. Способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов и его реализация /В.А. Сергеев, В.И. Смирнов, М.Л. Конторович, A.A. Гавриков, В.В. Юдин // Радиоэлектронная техника: межвуз. сб. науч. тр. - Ульяновск: УлГТУ, 2009. - Вып. 11. - С. 90-96.

23. Установка для измерения теплоэлектрических параметров логических интегральных микросхем / В.В. Юдин, Г.Ф. Афанасьев, В.А. Сергеев, Б.Н. Романов. - Ульяновск: ЦНТИ, 1985. - 4 с. - (Информ. листок; № 85-27).

24. Юдин, В.В. Измерение параметров теплоэлектрической модели логических интегральных микросхем/ В.В. Юдин //Методы и средства неразрушающего контроля качества компонентов РЭА: сб. науч. тр. - Ульяновск: УлПИ, 1987. - С. 14-17.

25. Юдин, В.В. Определение погрешности при измерении параметров теплоэлектрической модели БИС / В.В. Юдин, В.А. Сергеев, В.Н. Рогов // Электронная техника: сб. науч. тр. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - Вып. 9. - С. 16-20.

26. Юдин, В.В. Управление поглощаемой элекгрической мощностью в задачах контроля тепловых параметров полупроводниковых изделий / В.В. Юдин, A.A. Куликов, В.А. Ламзин // Радиоэлектронная техника: межвуз. сб. науч. тр. -Ульяновск: УлГТУ, 2009. - Вып. 11. - С. 162-164.

27. Юдин, В.В. Устройство для определения теплового сопротивления переход-корпус БИС на основе ТТЛ и ТТЛШ логических элементов / В.В. Юдин, В.А. Сергеев, В.Н. Рогов//Элеетронная техника: сб.науч.тр.-Ульяновск: УлГТУ, 2007.-Вып. 9.-С. 10-15.

Подписано в печать 17.11.2009 Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,40 Тираж 100 экз. Заказ 1290 Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, д. 32

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Юдин, Виктор Васильевич

Введение

Глава 1. Анализ методов и средств измерения теплоэлектриче- 12 ских параметров полупроводниковых изделий

1.1 Тепловые модели и тепловые параметры полупроводниковых 12 изделий

1.1.1 Методы приближенного анализа тепловых процессов 12 в полупроводниковых изделиях

1.1.2 Линейные тепловые модели

1.1.3 Распределенные теплоэлектрические модели

1.2 Измерения теплоэлектрических параметров дискретных полу- 19 проводниковых изделий

1.2.1 Общие принципы измерения теплоэлектрических пара- 19 метров полупроводниковых изделий

1.2.2 Прямые и бесконтактные методы измерения температу

1.2.3 Косвенные методы измерения тепловых параметров по 23 электрическому температурочувствительному параметру

1.3 Особенности измерения теплоэлектрических параметров циф- 28 ровых интегральных схем

1.3.1 Косвенные методы и средства измерения теплоэлектри- 29 ческих параметров ЦИС

1.3:2 Контроль тепловых параметров ЦИС в промышленных 31 условиях

1.4 Применение различных видов модуляции электрической мощ- 38 ности при измерении теплоэлектрических параметров полупроводниковых изделий

1.4.1 Измерение тепловых импедансов полупроводниковых 38 изделий с изменением электрической мощности по гармоническому закону

1.4.2 Управление электрической мощностью, потребляемой 42 полупроводниковыми изделиями с нелинейной вольт-амперной характеристикой

1.4.3 Применение импульсно-модулированной электриче- 45* ской мощности при измерении теплоэлектрических параметров, полупроводниковых изделий

1.5 Выводы 48«

Глава 2. Методические погрешности измерения теплоэлектри- 50 ческих параметров полупроводниковых изделий с применением импульсно модулированной электрической мощности нагрева

2.1 Синтез импульсно модулированной электрической мощности нагрева с минимизацией коэффициента гармоник

2.1.1 Гармонический анализ ступенчатой электрической 50 мощности нагрева

2.1.2 Гармонический анализ АИМ электрической мощности 55 нагрева с прерыванием на измерение температурочувствительного параметра

2.1.3 Оптимальный синтез ШИМ гармонической электриче- 61 ской мощности нагрева

2.2 Методические погрешности измерения ТЧП с применением

АИМ электрической мощности нагрева

2.2.1 Оценка методических погрешностей при измерении 63 теплового сопротивления стандартным методом

2.2.2 Оценка методических погрешностей при измерении 68 теплового сопротивления с применением амплитудно-импульсно модулированной электрической мощности нагрева

2.2.3 Оценка погрешности определения теплового сопротив- 72 ления с учетом аддитивной погрешности измерения амплитуд

2.3. Погрешности измерения ТП с применением ШИМ электриче- 74 ской мощности нагрева

2.3.1 Изменение ШИМ электрической мощности нагрева по 74 линейному закону

2.3.2 Анализ ШИМ электрической мощности нагрева моду- 76 лированной по гармоническому закону

2:4 Возможности и особенности применения ЧИМ электрической 80 мощности нагрева

2.5 Выводы

Глава 31 Измерение теплоэлектрических параметров полупро- 84 водниковых диодов с применением импульсной модуляции электрической мощности нагрева

3.1 Измерение теплоэлектрических параметров полупроводнике- 84 вых диодов с применением АИМ мощности по гармоническому закону

3.1.1 Способ и устройство для измерения теплового импе- 84 данса диодов с АИМ электрической мощности по гармоническому закону

3.1.2 Управление электрической мощности нагрева-диода 88 путем изменения сопротивления нагрузки

3.2 Контроль качества СВЧ диодов по теплоэлектрическим пара- 93' метрам

3.3 Измерение теплоэлектрических параметров полупроводнико- 96-вых диодов с применением ШИМ электрической мощности нагрева

3.3.1 Управление мощностью нагрева путем модуляции скважности импульсов греющего тока по гармоническому закону

3.3.2 Измерение теплового сопротивления диодов с приме- 103 нением ШИМ электрической мощности нагрева по линейному закону

3.4 Сравнительный анализ результатов измерения теплоэлектри- 109 ческих параметров полупроводниковых диодов

3.5 Выводы

Глава 4. Измерение теплоэлектрических параметров цифро- 114 вых интегральных схем с применением импульсной модуляции электрической мощности

4.1 Анализ погрешностей, обусловленных падением напряжения 114 на шинах питания, и способы их снижения

4.1.1 Оценка погрешности при использовании в качестве 114 ТЧП выходного напряжения логической единицы

4.1.2 Способ инвертирования электрической составляющей

4.2 Измерение теплоэлектрических параметров МОП и КМОП 121 ЦИС с применением ЧИМ электрической мощности нагрева

4.2.1 Измерение теплового импеданса МОП и КМОП ЦИС 121 с применением частотно-импульсной модуляцией электрической греющей мощности по гармоническому закону

4.2.2 Измерение теплового сопротивления МОП и КМОП 125 ЦИС с применением частотно-импульсной модуляции электрической греющей мощности по линейному закону

4.3 Способ и устройство для измерения матрицы тепловых импе- 126 дансов ТТЛ и ТТЛШ ЦИС

4.4 Методика контроля качества ЦИС с применением матрицы те- 132 пловых импедансов

4.5 Связь устойчивости ЦИС к импульсам напряжения с тепловы- 140 ми параметрами

4.6 Выводы 144 Заключение 146 Список источников литературы 148 Приложения

Введение 2009 год, диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, Юдин, Виктор Васильевич

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 те-плоэлектрические 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 РЖ 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, B.JI. Аро-нова, 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.

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 Л11Ш 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:

2. Разработка способа измерения ТП ППИ с применением амплитуд-но-импульсно модулированной (АИМ) по гармоническому закону электрической мощности, оценка чувствительности и методической погрешности способа и выбор параметров режима модуляции, минимизирующих погрешность.

4. Разработка устройств, реализующих предложенные способы, и их аппробация на конкретных типах ППИ: полупроводниковых диодах и цифровых интегральных микросхемах и разработка методик контроля качества указанных изделий по теплоэлектрическим параметрам.

Научная новизна работы:

2. Проведен анализ методических погрешностей, обусловленных переходными электрическими и тепловыми процессами при измерении ТП ПЛИ с использованием различных видов импульсно-модулированной электрической мощности нагрева. Показано, что

3. Проведен спектральный анализ различных видов ступенчатой электрической мощности модулированной 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.

4. На основе применения АИМ по гармоническому закону электрической греющей мощности впервые предложены измерительная методика и способ определения матрицы тепловых импедансов ЦИС, определяющих теплоэлектрическую связь между логическими элементами ЦИС.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что проведенные исследования позволили разработать новые способы и устройства измерения теплоэлектрических параметров 111 ЛИ, имеющие лучшие функциональные возможности и точность по сравнению с известными.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты спектрального анализа различных видов ступенчатой электрической греющей, мощности; модулированной по гармоническому закону с прерыванием (стробированием) на.время измерения ТЧП.

2. 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.

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 Рособразования РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (20092010 годы)».

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.

Заключение диссертация на тему "Методы и устройства измерения теплоэлектрических параметров полупроводниковых изделий с применением импульсной модуляции электрической мощности"

4.6 Выводы

Показано, что при измерении теплоэлектрических параметров ТТЛ и ТТЛШ ЦИС с использованием в качестве ТЧП выходного напряжения логической единицы паразитное падение напряжения на сопротивлениях шин питания создает методическую погрешность измерения, превышающую 100%. Разработан способ уменьшения указанной погрешности, который в статическом режиме заключается в электрическом нагреве ЦИС от независимого источника питания, а в динамическом режиме - в инвертировании электротеплового переходного процесса с исключением электрической составляющей.

Разработаны способы и устройства измерения теплового сопротивления МОП и КМОП ЦИС с применением частотно-импульсной модуляции электрической мощности нагрева по гармоническому и линейному законам. Исследованы электрические параметры ЦИС и условий проведения испытания на погрешность измерения.

Разработаны измерительная методика и устройство для измерения матрицы тепловых импедансов ЦИС, характеризующих тепловую связь ЛЭ ЦИС друг с другом и корпусом, с применением АИМ электрической мощности нагрева по гармоническому закону. На выборке серийных ТТЛ ЦИС средней степени интеграции экспериментально показано, что матрица тепловых импедансов несимметрична. Предложена распределенная тепловая эквивалентная схема ЦИС, которая в отличие от известных схем учитывает неравенство тепловых потоков между двумя ЛЭ. Исследованы теплофизические характеристики (АЧХ и ФЧХ) элементов матрицы тепловых импедансов ЦИС.

Показана возможность и предложена методика контроля качества ЦИС по матрице тепловых сопротивлений. В исследованной выборке ЦИС по разработанной методике выявлены микросхемы с дефектами монтажа кристалла ЦИС на теплоотводящей пластине, в частности с перекосом кристалла.

Установлено, что механизм разрушения ЦИС короткими импульсами напряжения имеет тепловую природу. Определена корреляционная связь между напряжением пробоя ЦИС и тепловым сопротивлением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показана возможность применения различных видов (АИМ, ШИМ, ЧИМ) импульсно-модулированной электрической мощности нагрева, для: измерения теплоэлектрических параметров ППИ.

2. Показано, что ступенчатая мощность с равномерной дискретизацией по времени имеет в 2 раза меньший коэффициент гармоник, чем ступенчатая мощность с равномерным квантованием по уровню. 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.

3. Впервые для; стандартного метода определена длительность измерительной паузы, при которой методические погрешности, обусловленные переходными тепловыми и электрическими процессами будут минимальны. При АИМ по гармоническому закону электрической мощности нагрева указанная погрешность измерения ТЧП может быть уменьшена в несколько (3-5) раз путем выбора периода следования импульсов. При ШИМ по гармоническому закону греющей мощности методическая погрешность измерения ТЧП может быть еще снижена, поскольку паразитные электрические выбросы становятся время-импульсно модулированными и их. вклад в погрешность измерения- ТЧП линейно уменьшается^ с уменьшениемластоты. модуляции.

4. Разработаны, оригинальные способы и устройства измерения» теплового сопротивления полупроводниковых диодов с применением^ АИМ и ШИМ греющей мощности: Показана возможность применения теплового импеданса для контроля качества полупроводниковых изделий.

Библиография Юдин, Виктор Васильевич, диссертация по теме Приборы и методы измерения по видам измерений

1. Абрамов, И.И. Численное моделирование элементов интегральных схем с учетом тепловых эффектов / И.И. Абрамов, В.В. Харитонов // Известия вузов. Радиоэлектроника. 1988. - Т. 31, № 12. - С. 41-45.

2. Анго, А. Математика для электро- и радиоинженеров: пер. с фр. / А. Анго. М.: Наука, 1967. - 779 с.

3. Аронов, B.JI. Испытание и исследование полупроводниковых приборов /B.JI. Аронов, Я.А. Федоров-М.: Высш. шк., 1975.-325 с.

4. Архангельский, А .Я. Электротепловые модели компонентов и модель теплового взаимодействия для расчетов интегральных схем / А.Я. Архангельский, Т.А. Савинова // Известия вузов. Радиоэлектроника. -1986.-Т. 29, № 12.-С. 45-50.

5. А. с. 10811 СССР, МКИ G 01 К 29/26-10, Н 01 L 01/24. Устройство для определения импульсного теплового сопротивления р-n перехода полупроводниковых приборов / Э.Н. Улановский. № 1752847/18-10; заявл. 28.02.72; опубл. 15.02.69, Бюл. № 1.

6. А. с. 321700 СССР, МКИ G 01 К 7/22. Способ измерения температуры р-п перехода полупроводниковых диодов / Р.Г. Мгебрян, Ю.Р. Носов. -№ 1384784/18-10; заявл. 12.12.69; опубл. 19.11.71, Бюл. № 35.

7. А. с. 460454 СССР, МКИ G 01 R 31/26. Способ измерения температуры р-n перехода лавинно-пролетного диода / В.Н. Ештокин, B.C. Соллогуб. № 1752847/18-10; заявл. 28.02.72; опубл. 15.02.75, Бюл. № 6.

8. А. с. 600481 СССР, МКИ G 01 R 31/26. Способ измерения температуры р-n переходов / А.А. Березин, М.З. Парпаров, А.В. Писарский, Г.А. Райхцаум, А.Н. Смирнов. № 2101405/18-25; заявл. 29.01.75; опубл. 30.03.78, Бюл. № 12.

9. А. с. 705390 СССР, МКИ G 01 R 31/26. Способ измерения теплового сопротивления диодов Ганна / С.Н. Полисадов, А.А. Смагин, Л.Г.

10. Шаповал, В.И. Юрченко. № 2632838/18-25; заявл. 23.06.76; опубл. 25.12.79, Бюл. № 47.

11. А. с. 1310754 СССР, МКИ4 G 01 R 31/28. Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / В.А. Сергеев, Г.Ф. Афанасьев, Б.Н. Романов, В.В. Юдин. № 912623/24-21; заявл. 17.06.85; опубл. 15.05.87, Бюл. № 18.

12. А. с. 1383233 СССР, МКИ G 01 R 31/28. Устройство для измерения пороговых напряжений цифровых интегральных микросхем / В.А. Сергеев, В.В. Юдин.-№ 3969970/24-21; заявл. 24.09.85; опубл. 15.05.88, Бюл. № 11.

13. А. с. 1613978 СССР, МКИ G 01 R 31/28. Способ измерения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем и устройство для его осуществления / В.А. Сергеев, В.В. Юдин, Н.Н. Горюнов. — № 4336240/24-21; заявл. 30.11.87; опубл. 15.12.90, Бюл. № 46.

14. Афанасьев, Г.Ф. Устройство для автоматизированного контроля теплового сопротивления переход-корпус мощных биполярных транзисторов / Г.Ф. Афанасьев, В.А. Сергеев, П.Г. Тамаров //

15. Автоматизация'измерений. —Рязань: РРТИ, 1983. С. 86-90.

16. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы : учеб. для вузов. /

17. С. И. Баскаков. — 5-е изд., стер. — Mi: Высш. шк., 2005. 462 с.

18. Белоус, А. И. Исследование температурной зависимости динамических параметров элементов транзисторной логики с диодами Шоттки / А.И. Белоус, А.В. Силин, А.И. Сухопаров // Микроэлектроника. 1987. -Т. 16, вып. 5.-С. 444-448.

19. Березин, А.С. Технология и конструирование интегральных микросхем : учеб. пособие для вузов / А.С. Березин, О.Р. Мочалкина. 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Радио и связь, 1992. - 320 с.

20. Вавилов, В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля : справочник / В.П. Вавилов. М.: Машиностроение, 1991. - 240 с.

21. Васгаков, В.В. Коэффициент гармоник оптимального квазисинусоидального сигнала/В.В. Васюков // Электросвязь — 1986 № 4 — С. 58-60.

22. Викулин, И. М. Физика полупроводниковых приборов / И. М. Викулин,

23. B. И. Стафеев. 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Сов. Радио, 1990. - 263 с.

24. Влияние мощных импульсных микроволновых помех на полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы / В.В. Антипин и др. // Зарубежная радиоэлектроника. — 1995. — № 1. — С. 37-53.

25. Горлов, М.И. Входной контроль полупроводниковых изделий / М.И. Горлов, А.В. Андреев // Микроэлектроника. 2003. - Т. 32, № 5.1. C. 391-400.

26. Горюнов, Н.Н. Свойства» полупроводниковых приборов при длительной работе и хранении / Н.Н. Горюнов. М.: Энергия, 1970. - 104 с.

27. ГОСТ 19656.158-84. Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления. — Введ. с 01.01.86. М.: Изд-во стандартов, 1984.-21 с.

28. Давидов, П.Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов / П.Д. Давидов. М.: Энергия, 1967. - 144 с.

29. Дворяшин, Б.В. Основы метрологии и радиоизмерения : учеб. пособиедля вузов / Б.В. Дворяшин. М.: Радио и связь, 1993. - 318 с.

30. Евстифеев, А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы Atmel / А.В. Евстифеев. 4-е изд. - М. : Додэка-21, 2007. - 558 с.

31. Жидкокристаллическая термография «горячих точек» в изделиях электронной техники / В.М. Попов и др. // Микроэлектроника. 2007.- Т. 36, №6.-С. 446-456.

32. Закс, Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем / Д.И. Закс. М.: Радио и связь, 1983. - 126 с.

33. Захаров, С.М. Перекрестное взаимное тепловое влияние в матрицах поверхностно излучающих лазеров с «вертикальным» выводом излучения / С.М. Захаров // Физика и техника полупроводников. 2001.- Т. 35, вып. 4. С. 499-503.

34. Зигель, Б. Электрический метод быстрой проверки качества напайки кристалла / Б. Зигель // Электроника. 1979. - Т. 52, № 8. - С. 60-65.

35. Иванов, В.И. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: справочник / В.И. Иванов, А.И. Аксенов, A.M. Юшин ; под ред. Н.Н. Горюнова. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Энергоатомиздат, 1988. - 446 с.

36. Измерение электрических и неэлектрических величин / Н.Н. Евтихиев и др.; под общ. ред. Н.Н. Евтихиева. — М.: Энергоатомиздат, 1990. -350 с.

37. Измерения в промышленности: справочник: пер. с нем. В 3 кн. Кн. 1. Теоретические основы / под ред. П. Профоса. 2-е изд., перераб. и доп.. — Ml: Металлургия, 1990. - 492 с.

38. Ицкович, З.С. Метод оценки качества контакта кристалла интегральной схемы с корпусом / З.С. Ицкович, Е.Я. Финкельштейн // Электронная техника. Сер. 8. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания. 1982. - Вып. 6 (98). - С. 23-26.

39. Карслоу, Г. Теплопроводность твердых тел / Г. Карслоу, Д. Егер. М.: Наука, 1964.-487 с.

40. Карташов, Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел: учеб. пособие / Э.М. Карташов. 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 2001. - 550 с.

41. Козлов, В.П. Двумерные осесимметричные нестационарные задачи теплопроводности / В.П. Козлов; под ред. А.Г. Шашкова. Мн.: Наука и техника, 1986.-392 с.

42. Козырь, И.Я. Микроэлектроника. Кн. 5. Качество и надежность интегральных микросхем / И.Я. Козырь; под ред. JI.A. Коледова. М.: Высш. шк., 1987. - 143 с.

43. Конструкции корпусов и тепловые свойства полупроводниковых приборов / под общ. ред. Н.Н. Горюнова. — М.: Энергия, 1972. — 120 с.

44. Кушнир, Ф.В. Электрорадиоизмерения: учеб. пособие для вузов. / Ф.Н. Кушнир. — Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983. 319 с.

45. Лосев, В.В. Закономерности энергопотребления в квазиабатических логических вентилях / В.В. Лосев, В.И. Старосельский // Микроэлектроника. 2003. - Т. 32, № 6. - С. 403-413.

46. Макс, Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: в 2 т. / Ж. Макс. М.: Мир, 1983. - Т. 1-2.

47. Мацевитый, Ю.М. Идентификация теплофизических свойств твердых тел / Ю.М. Мацевитый, С. Ф. Лушпенко; под ред. Ю.М. Мацевитого; АН УССР. Институт проблем машиностроения. — Киев: Наук, думка, 1990.-216 с.

48. Мелен, Р. Интегральные микросхемы с КМОП структурами : пер. с англ. / Р. Мелен; F. Гарланд. М.: Энергия, 1979. - 158 'с.

49. Мертуза, М. Тепловой анализ собранных в корпус СБИС, основанный на компьютерных моделях / М. Мертуза // Электроника. — 1982. Т. 55, №3.-С. 55-60.

50. Микропроцессорный измеритель теплового сопротивления полупроводниковых диодов / В.А. Сергеев, В.И. Смирнов, А.А. Гавриков, В.В. Юдин

51. Известия вузов. Электроника. 2009. - № 4 (78). - С. 84-86.

52. Мощные полупроводниковые приборы. Диоды: справочник / под ред. А. В. Голомедова. М.: Радио и связь, 1985. — 400 с.

53. Мусаханова, Н.М. Применение метода температурных волн к исследованию свойств полупроводников / Н.М. Мусаханова, В.Б. Сандомирский // Физика и техника полупроводников. 1983. Т. 17, вып.4. - С. 633-636.

54. Николаевский, И.Ф. Параметры и предельные режимы работы транзисторов / И.Ф. Николаевский, Д.В. Игумнов. — М.: Сов. радио, 1971.-381 с.

55. Островский, JI.A. Основы общей теории электроизмерительных устройств / JI.A. Островский. Изд. 2-е, перераб. - JL: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1971. - 544 с.

56. Пат. 2187126 Российская Федерация, МПК7 G 01 R 31/28. Устройство для отбраковки цифровых интегральных микросхем / Сергеев В.А.; заявитель и обладатель Ульян, гос. техн. ун-т. — № 2001120793/09; заявл. 24.07.2001; опубл. 10.08.2002, Бюл. № 22, ч. 3.

57. Пат. 2231821 Российская Федерация, МПК7 G 05 В 23/19. Способ программного регулирования греющей мощности / Юдин В.В., Сергеев В.А.; заявитель и обладатель Ульян, гос. техн. ун-т. № 2002128088/09; заявл. 18.10. 2002; опубл. 27.06.2004, Бюл. № 18.

58. Перельман, Б.Л. Методы испытаний и оборудование для контроля качества полупроводниковых приборов / Б.Л. Перельман, В.Г. Сидоров. М.: Высш. шк., 1979. - 215 с.

59. Петросянц, К.О. Моделирование электрических и тепловых режимовэлементов БИС с малыми размерами / К.О. Петросянц, Н.И. Рябовj

60. Петросянц, К.О. Новые методы проектирования и конструирования полупроводниковых приборов, интегральных схем и РЭА / К.О. Петросянц, Н.И. Рябов, И. А. Харитонов // Известия вузов. Электроника. — 2001.-№4.-С. 83-92.

61. Пилипенко, Н.В. Методы параметрической идентификации в нестационарной теплометрии. Ч. 1 / Н.В. Пилипенко // Известия вузов. Приборостроение. 2003. - Т. 46, № 8. - С. 50-54; Ч. 2. - Т. 46, № 10. -С. 67-71.

62. Пискунов, Н. С. Дифференциальное и интегральное исчисления : учеб. пособие для втузов. Т. 2 / Н. С. Пискунов. 13-е изд. — М.: Наука, 1985. - 560 с.

63. Повышение достоверности отбраковки БИС методом понижения питающего напряжения / А.И. Белоус и др.// Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2001'. № 4/5. - С. 35-37.

64. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления: пер. с англ. / под ред. Д.В. Ди Лоренцо, Д.Д. Канделуола. М.: Радио и связь, 1988. - 495 с.

65. Полянин, А.Д. Справочник по линейным уравнениям математической физики / А.Д. Полянин. М.: Физматлит, 2001. - 576 с.

66. Проектирование сверхбыстродействующих цифровых интегральных схем на основе арсенида галлия с учетом тепловых эффектов / К.О. Петросянц и др. //Известия вузов. Электроника-2001.-№ 4.-С. 37-44.

67. Прудников, А.П: Интегралы и ряды / А.П. Прудникову Ю:А. Брючков, О .И: Маричев. М.: Наука, 981. - 794 с.

68. Разработка аппаратуры и методов прогнозирования отказов переключательных и ограничительных диодов: отчет о НИР: 9-24/91 / Ульян, политехи, ин-т; рук. Трефилов Н.А.; исполн.: Юдин В:В., Сергеев В.А. Ульяновск: УлПИ, 1992. - 33 с. - № ГР 910023457.

69. Сергеев, В.А. Автоматизированные средства измерения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем / В:А. Сергеев; // Вестник Ульяновского государственного технического университета. -2000: -№3.~ С. 69-72.

70. Сергеев, В.А. Диагностика качества СБИС методом температурных волн / В.А. Сергеев // Методы и средства измерений физических величин: тез. докл. 5-й Всерос. науч.-техн. конф. Нижний Новгород: ННГТУ. - 2000.1. Ч. 2.-С. 22-23.

71. Сергеев, В.А. Диагностика логических ИМС методом температурных волн / В.А. Сергеев, В.В. Юдин // Пути развития электронных средств и задачи высшей школы в подготовке специалистов соответствующей квалификации: тез. докл. конф. Ульяновск, 1991.

72. Сергеев, В.А. Зависимости температурного коэффициента прямого напряжения на гетеропереходных светодиодах от тока и температуры / В.А. Сергеев, А.А. Широков // Известия вузов. Электроника. 2007. -№6.-С. 74-76.

73. Сергеев, В.А. Измерение теплового импеданса стабилитронов / В.А. Сергеев. // Научно-технический калейдоскоп. — Ульяновск, 2001. № 2. -С. 98-101.

74. Сергеев, В.А. Измерение теплового сопротивления КМОП ИМС / В.А. Сергеев, В.В. Юдин, П.Г. Тамаров // Автоматизация испытаний и измерений. Рязань: РРТИ, 1990. - С. 66-69.

75. Сергеев, В.А. Контроль качества мощных транзисторов по теплофизическим параметрам / В.А. Сергеев. — Ульяновск: УлГТУ, 2000. — 253 с.

76. Сергеев, В.А. Косвенные методы измерения теплофизических характеристик полупроводниковых приборов и интегральных схем с применением комбинированных видов модуляции мощности / В.А. Сергеев // Там же. Ч. 2. - С. 222-225.

77. Сергеев, В.А. Метод и устройство автоматизированного контроля теплового сопротивления полупроводниковых диодов / В.А. Сергеев // Электронная техника: сб. науч. тр. — Ульяновск: УлГТУ. 2001. - С. 3-9.

78. Сергеев, В.А. Методы и средства измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем / В.А. Сергеев // Электронная промышленность. 2004. - № 1. — С. 45-48.

79. Сергеев, В.А. О возможности автоматизированного контроля уровней срабатывания логических микросхем / В.А. Сергеев, В.В. Юдин // Тез. докл. науч.-техн. семинара, нояб. Ульяновск: УлПИ, 1986.

80. Сергеев, В.А. Переходные тепловые процессы в полупроводниковых приборах при воздействии переменной мощности / В.А. Сергеев // Там же.-Ч. 1.- С. 179-182.

81. Сергеев, В.А. Преобразование теплового импеданса двухполюсников в электрический сигнал / В.А. Сергеев // Методы и средства преобразования и обработки аналоговой информации: тр. междунар. конф., 8-10 июня. Ульяновск: УлГТУ, 1999. - Т. 3. - С. 111-114.

82. Сергеев, В.А. Приборы и методы измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем / В.А. Сергеев // Приборы и приборные системы: материалы Всерос. науч.-техн. конф. — Тула: ТулГУ. 2001. - С. 122-125.

83. Сергеев, В.А. Сравнительный анализ спектров ступенчато изменяющейся электрической греющей мощности / В.А. Сергеев, В.В. Юдин // Радиоэлектронная техника: межвуз. сб. науч. тр. — Ульяновск: УлГТУ, 2008. С. 56-59.

84. Сергеев, В.А. Установка для измерения теплоэлектрических параметров цифровых интегральных микросхем УИТЭП-3 / В.А. Сергеев, В.В. Юдин // Электронная техника: межвуз. сб. науч. тр. — Ульяновск: УлГТУ, 2002. — С. 4-11.

85. Сергеев, В.А. Устройство для измерения теплового сопротивления МОП и КМОП цифровых интегральных микросхем / В.А. Сергеев // Радиоэлектронная техника: сб. науч. тр. Ульяновск: УлГТУ. — 2000. — С. 3-7.

86. Степаненко, И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко. Изд. 4-е, перераб. и доп.- М.: Энергия, 1977.- 672 с.

87. Теплотехника: учеб. для вузов / В.Н. Луканин и др.; под ред. В.Н. Луканина. М.: Высш. шк., 1999. - 671 с.

88. Тепловой расчет pin-диодов на основе карбида кремния / П.Б. Гамулецкая и др. // Физика и техника полупроводников. 2004. — Т. 38, вып. 4.-С. 504-511.

89. Тилл, У. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление: пер. с англ. / У. Тилл, Дж. Лаксон. М.: Мир, 1985. — 504 с.

90. Тонкаль, В.Е. Синтез автономных инверторов модуляционного типа / В.Е. Тонкаль. — Киев: Наук, думка, 1979. 206 с.

91. Установка для измерения теплоэлектрических параметров логических интегральных микросхем / В.В. Юдин, Г.Ф. Афанасьев, В.А. Сергеев, Б.Н. Романов. — Ульяновск: ЦНТИ, 1985. 4 с. — (Информ. листок; № 85-27).

92. Федорков, Б.Г. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи / Б.Г. Федорков, В.А. Телец, В.П. Дегтяренко. М.: Радио и связь, 1984. - 120 с.

93. Фихтенгольц, Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления: для ун-тов и пед. ин-тов. Т. 1 / Г.М. Фихтенгольц. — Изд. 7-е, стер. М.: Наука, 1969. - 607 с.

94. Фурман, И. Мощные драйверы MOSFET; LDO и стандартные линейные стабилизаторы фирмы. Texas Instrument / И. Фурман, Е. Звонарев // Инженерная микроэлектроника. — 2003. — № 7 (80). — С. 61-68.

95. Чернышев, А.А. Обеспечение тепловых режимов изделий электронной техники / А.А. Чернышев и др.. М.: Энергия, 1980. - 216 с.

96. Чернышов, А.А. Контроль тепловых характеристик интегральных схем / А.А. Чернышов, А.А. Тюхин // Зарубежная радиоэлектроника. — 1983. — №5.-С. 90-95.

97. Чернышова, Т.И. Конструирование и технология полупроводниковых интегральных микросхем на униполярных транзисторах : учеб.-метод. пособие / Т.И. Чернышова, Н.Г. Чернышов. Тамбов: Изд-во Тамбов, гос. техн. ун-та, 2005. — 44 с.

98. Электротепловое проектирование мощных «интеллектуальных» интегральных схем / К.О. Петросянц и др. // Известия вузов. Электроника. 1998. - № 3. - С. 73-82.

99. Юдин, В.В. Измерение параметров теплоэлектрической модели логических интегральных микросхем / В.В. Юдин // Методы и средства неразрушающего контроля качества компонентов РЭА: сб. науч. тр. -Ульяновск: УлПИ, 1987. С. 14-17.

100. Юдин, В.В. Определение погрешности при измерении параметров теплоэлектрической модели БИС / В.В. Юдин, В.А. Сергеев, В.Н. Рогов // Электронная техника: сб. науч. тр. Ульяновск: УлГТУ, 2007. - Вып. 9.-С. 16-20.

101. Юдин, В.В. Устройство для определения теплового сопротивления переход-корпус БИС на основе ТТЛ и ТТЛШ логических элементов / В.В. Юдин, В.А. Сергеев, В.Н. Рогов // Электронная техника: сб. науч. тр. Ульяновск: УлГТУ, 2007. -Вып. 9. - С. 10-15.

102. Bagnoli, Р.Е. Thermal resistance analysis by induced transient (TRAIT) method for power electronic devices thermal characterization. Part I. Fundamentals and theory/ P.E. Bagnoli // IEEE Trans Power Electr. 1998. -№ 13.-p. 1208-1219.

103. Blackburn, D.L. Transient thermal response measurements of power transistors / D.L. Blackburn, F.F. Oetinger // IEEE Trans. Ind. Electron. Contr. Instr. 1976. - Vol. IECI-22, № 2. - P. 134.

104. Electronic industries association. Thermal test chip guideline: EIA/JEDEC Standart. JESD51-4. Engineering department. Febriary, 1997.

105. Gorecki, K. A new method of the thermal resistance measurements ofmonolithic switched regulators / K. Gorecki, J. Zarebski // Metrology for a sustainable development, XVIII Imeco world congress, 17-22 Sept. Rio de Janeiro, Brazil, 2006. - R 24-31.

106. Gorecki, K. Investigation of the thermometric characteristics of semiconductor devices with p-n junction / K. Gorecki, J. Zarebski // Metrology and measurement systems.- 2001. -№ 4. — R 397-411.

107. Kuuse, M. Theoretical investigation of thermal feedback effects in low-power circuits / M. Kuuse, M. Loikkanen, Gy Bognar // Therminic.- Belgirate, Italy. 28-30 Sept. 2005. - R 55-58.

108. Masana, RN. A straightforward analytical method for extraction of semiconductor device transient thermal parameters / F.N. Masana // Microelectronics Reliability. 2007. - №47. -R 2122-2128.

109. Performance of digital integrated circuit technologies at very high temperatures / J.I. Prince et al.// IEEE Trans. 1980. - Vol. CHM-3, № 4. -P. 124-129.

110. Sang-Soo Lee. Electrotermal simulation of integrated circuits/ Sang-Soo Lee, D.J. Allstot // IEEE Solid state circuit journal. 1993. - Dec. - P. 1283-1293.

111. Self-heating in multi-emitter SiGe HBTs / S.P. McFlister et al. // Solid-State Electronics. 2004. - № 48. - P. 2001-2006.

112. Szekely, V.A. A new evaluation method of thermal transient measurement results/V.A. Szekely/ZMicroelectronic journal 1997.-Vol. 28. - P. 277-292.

113. Szekely, V.A. Thermal testing and control by means of built-in temperature sensors / V.A. Szekely // Electronics Cooling.- 1998.- Vol. 4, №в.~ P. 36-38.

114. Szekely, V.A. Fine4 structure of heat flow path in semiconductor devices: a measurement and identification method / V.A. Szekely, Tran Van Bien // Solid-state electronics. 1988. - Vol. 31, № 9. - P.' 1363-1368.t.

115. Szekely, V.A. Increasing the accuracy of thermal transient measurement / ; V.A. Szekely, M. Renchz // IEEE Trans. On Component and Packaging

116. Technologies. 2002. - Vol. 25, №4. - P. 539-546.

117. Szekely, V.A. Identification of RC networks by deconvolution: chances and limits / V.A. Szekely // IEEE Trans. On circuits and systems-I. Theory and applications. 1998. - CAS-45, №3. - P. 244-258.

118. Transient junction-to-case thermal resistance measurement methodology of high accuracy and high repeatability / P. Szabo et al. // Therminic. Sophia Antipolis, Cote d' Azuz, France. 29 Sept.-l Oct. - France, 2004. - P. 134141.

119. Oettinger, F.F. Thermal characterization of power transistors / F.F. Oettinger, D.L. Blackburn, S. Rubin // IEEE Trans. Electron. Dev. 1976. - ED-23, № 8.-P. 831-838.

120. Wunch, D. Determination of threshold failure levels semiconductor diods and transistors due to pulse voltage / D. Wunch, R. Bell // IEEE Trans, on Nuclear Sciensic. 1968. -NS-15, № 6. - P. 244-259.

121. Zarebski, J. A method of the thermal resistance measurement of semiconductor devices with р-n junction / J. Zarebski, K. Gorecki // Measurement. 2008. -Vol. 41.-P. 259-265.

122. Zarebski, J. A method of the BJT transient thermal impedance measurement with double junction calibration / J. Zarebski, K. Gorecki // IEEE Semiconductor thermal measurement and management symposium (SEMI-TERM). 1995. - P. 80-82.

Похожие работы

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
05.11.00