ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2023, № 11 · ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Теплоэлектрические процессы в многокристальных системах

В.И. Смирнов1,2, А.М. Ходаков1, А.А. Гавриков1

1 УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Ульяновск, Россия
2 Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2023.11.5 УДК 681.518.3 EDN XSCQPY

Аннотация

Представлены результаты исследований теплоэлектрических процессов в многокристальных системах, частным случаем которых являются силовые модули на полевых или биполярных транзисторах. Для полного описания таких процессов необходимо знать тепловые связи между всеми транзисторами модуля, характеризуемые матрицей тепловых импедансов. Для измерения элементов матрицы предлагается использовать модуляционный метод, основанный на разогреве каждого транзистора модуля переменной тепловой мощностью и измерении температурного отклика на это воздействие всех остальных транзисторов. Предложена также тепловая модель многокристальной системы и на основе решения уравнения теплопроводности в среде COMSOL Multiphysics произведен расчет температурного поля по подложке, на которой смонтированы кристаллы. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными результатами, что говорит об адекватности тепловой модели.

  • теплоэлектрические процессы
  • многокристальная система
  • силовой модуль
  • матрица тепловых импедансов
  • модуляционный метод
Abstract (in English)

Thermoelectric processes in multi-die systems

The paper shows results of studies of thermoelectric processes in multi-die systems, a particular case are power modules based on field-effect or bipolar transistors. For a complete description of such processes, it is necessary to know the thermal relations between all transistors of the module, characterized by a matrix of thermal impedances. To measure the elements of the matrix, it is proposed to use the modulation method based on heating each transistor of the module with a variable thermal power and measuring the temperature response to this effect of all other transistors. A thermal model of a multi-die system is also proposed, and based on the solution of the heat equation in the COMSOL Multiphysics environment, the temperature field is calculated on the substrate on which the dies are mounted. The simulation results are in good agreement with the experimental results, which indicates the adequacy of the thermal model.

Для цитирования

Смирнов В.И., Ходаков А.М., Гавриков А.А. Теплоэлектрические процессы в многокристальных системах // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.5

Литература

  1. ОСТ 11 0944-96. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы расчета, измерения и контроля теплового сопротивления. Москва, ГУП НПП Пульсар. 1997. 110 с.
  2. Пономарев С.В., Мищенко С.В., Дивин А.Г. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений (Изд-во Тамбовского гос. техн. ун-та, 2006).
  3. Davidson J.N., Stone D.A., Foster M.P. Real-Time Prediction of Power Electronic Device Temperatures Using PRBS-Generated Frequency-Domain Thermal Cross Coupling Characteristics. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, V.30, No.6, P.2950-2961. http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2014.2331285
  4. Смирнов В.И., Сергеев В.А., Гавриков А.А., Шорин А.М. Измерение перекрестных тепловых сопротивлений силовых модулей. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. № 7. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jul19/6/text.pdf, http://dx.doi.org/10.30898/1684-1719.2019.7.6
  5. Luo Z., Ahn H., Nokali M. A thermal model for insulated gate bipolar transistor module. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, V.19, No.4, P.902-907. http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2004.830089
  6. Brückner T., Bernet S. Estimation and Measurement of Junction Temperatures in a Three-Level Voltage Source Converter. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, V.22, No.1, P.3-12. http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2006.886651
  7. Yun C., Malberti P., Ciappa M., Fichtner W. Thermal component model for electrothermal analysis of IGBT module systems. IEEE Transactions on Advanced Packaging, 2001, V.24, No.3, P.401-406. http://dx.doi.org/10.1109/6040.938309
  8. Drofenik U., Kolar J.W. Teaching thermal design of power electronic systems with web-based interactive educational software. 18th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (Miami Beach, FL, USA), 2003, V.2, P.1029-1036. http://dx.doi.org/10.1109/APEC.2003.1179343
  9. Smirnov V.I., Sergeev V.A., Gavrikov A.A., Shorin A.M. Modulation method for measuring thermal impedance components of semiconductor devices. Microelectronics Reliability. 2018. V.80, P.205-212. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2017.11.024
  10. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники (Бином, М., 2014).