Методы теплового расчета микросхем и дискретных устройств силовой электроники. Часть 2

Управление тепловым режимом таких полупроводниковых устройств как тиристоры, МОП-транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), которые рассеивают большое количество мощности в режиме сильного тока, представляет собой непростую задачу. Ее решение усложняется тем, что форм-фактор большинства полупроводниковых устройств становится все меньше и возникает необходимость установить соответствующее управление над более высокими уровнями теплового рассеивания. Кроме того, решение по управлению тепловым режимом должно составлять лишь часть цены этих миниатюрных устройств, колеблющейся в диапазоне 0,5–4 долл.
Следовательно, требуется создать решение, интегрируемое в технологию корпусирования электронной системы. Тонкопленочные термоэлектрические материалы представляют собой один из вариантов реализации решения по управлению тепловым режимом.
Одним из методов корпусирования, пригодных для реализации тонкопленочного решения по управлению тепловым режимом силовых полупроводников, является технология перевернутого кристалла. Она предназначена для соединения полупроводниковых устройств, например микросхем и микроэлектромеханических систем (МЭМС), с внешними цепями с помощью контактных столбиков, нанесенных на контактные площадки кристалла. Функция управления тепловым режимом реализуется на основе тонкопленочных термоэлектрических материалов и технологии формирования столбиковых выводов.

Основу новой концепции управления тепловым режимом составляет применение тепловых медных столбиковых выводов (МСВ). Они представляют собой термоэлектрическую тонкопленочную структуру для создания межсоединений перевернутого кристалла при его корпусировании. Тепловые выводы совместимы с существующей инфраструктурой производства перевернутых кристаллов и предназначены для их активного охлаждения.
В отличие от стандартных контактных столбиков с припоем, которые обеспечивают электрическое соединение и механическую связь с корпусом, тепловые выводы позволяют регулировать распределение тепла по поверхности полупроводникового кристалла или другого электрического компонента.
Тепловые выводы имеют чрезвычайно малые размеры: диаметр — 238 мкм и высоту 60 мкм, но эти параметры можно масштабировать, благодаря чему тепловое регулирование устанавливается на уровне пластины, кристалла или корпуса. Тепловые выводы работают на основе термоэлектрического эффекта Пельтье, в результате которого происходит преобразование температуры в электрическое напряжение, и наоборот. Этот эффект используется, в частности, для охлаждения или нагрева тел. Направление распространения тепла и охлаждение определяются направлением тока и полярностью основных электрических носителей термоэлектрического материала.
Вкупе с механизмом обратной связи температура контролируемой поверхности регулируется и поддерживается на требуемом уровне путем периодического переключения направления тока. В зависимости от требований, тепловые выводы имеют различные размеры, КПД и способность теплопередачи. Вывод лишь на 100 мкм увеличивает толщину теплоотвода, не контактируя с источником тепла.
С помощью тепловых выводов достигается разность температур в 60°C между верхней и нижней частями кристаллодержателя при плотности перекачки мощности, превышающей 150 Вт/см2 — идеальном показателе для приложений с высокой плотностью тепловых потоков.

На рисунке 6 показано поперечное сечение теплового вывода. По своему строению он во всем идентичен структуре медного вывода, но имеет дополнительный — термоэлектрический слой. Этот элемент позволяет осуществлять активную передачу тепла с одной стороны вывода на другую. Направление теплопередачи определяется типом легирующей примеси теромоэлектрического материала (либо n- или p-типом полупроводника) и направлением тока через этот материал.

Рис. 6. Фотография поперечного сечения медного теплового вывода, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает расположение термоэлектрической пленки между медным слоем и слоем припоя

На рисунке 7 в схематическом виде представлено поперечное сечение медных столбиковых выводов и тепловых выводов для сравнения. Эти структуры схожи тем, что в обеих имеются медные контактные столбики и слои припоя. Основное различие между ними — в наличии термоэлектрического слоя n- или p-типа между двумя слоями припоя. Припои для медных столбиковых и тепловых выводов представляют собой стандартные сплавы на основе олова.

Рис. 7. Медный столбиковый вывод создается по соседству с тепловым выводом n- или p-типа. Последовательно соединенные выводы n- и p-типа совместно образуют p-n-пару, которая обеспечивает либо охлаждение в результате эффекта Пельтье, либо генерацию термоэдс в соответствии с эффектом Зеебека

На рисунке 8 показано устройство, оснащенное тепловым выводом. Поток тепла изображен стрелками. Металлические проводники на печатной плате, высота которых достигает нескольких микрон, обеспечивают межсоединения с высокой проводимостью, которые собирают тепло от цепи и направляют его к тепловому выводу.
Металлические проводники на печатной плате рисунка 8, по которым проходит электрический ток в тепловой вывод, могут или не могут непосредственно подключаться к цепи кристалла. В случае, когда существуют межсоединения с цепью кристалла, встроенные датчики температуры и цепь драйвера позволяют управлять тепловым выводом с помощью обратной связи, обеспечивая оптимальные рабочие характеристики. Отводимый через тепловой вывод поток, а также дополнительное тепло от этого вывода, возникающее в процессе его работы, направляется в подложку или плату.

Рис. 8. Прохождение теплового потока через вывод

Для увеличения производительности теплового вывода на его обратной стороне следует создать канал с высокой тепловой проводимостью. В качестве материала подложки выбираются нит-
рид алюминия, медь, медно-вольф­ра­мо­вый или медно-молибденовый сплавы с ди­элек­три­че­ским покрытием и высокой теплопроводностью.
У многослойной подложки с высокой плотностью межсоединений теплопроводность платы относительно небольшая. Отверстия для теплоотвода обеспечивают хорошие каналы для отводимого тепла.

Совместное использование тепловых выводов с объемной многослойной структурой кристалла обеспечивает решение по тепловому регулированию. Возможности теплового регулирования значительно увеличиваются путем сочетания пассивного, активного охлаждения с тыльной стороны, теплоотвода с передней и боковых сторон, а также управления тепловым потоком в объеме кристалла.
Охлаждение с задней стороны кристалла повышается за счет тепловых выводов, установленных либо в радиаторе, либо в теплоотводе. На рисунке 9 показан способ применения дискретных устройств для теплоотвода с передней стороны кристалла. Данный пример демонстрирует не только возможность охлаждения горячих зон с помощью термоэлектрического метода, но и те ограничения, которые имеются при охлаждении задней стороны кристалла.

Рис. 9. Охлаждение задней стороны кристалла

Горячий участок находится в активной зоне кристалла, тогда как охлаждающее устройство прикреплено к медному теплоотводу, расположенному на задней стороне кристалла за тепловым интерфейсом.
В данном конкретном примере весь кристалл рассеивает 62 Вт. На долю горячего участка приходится 2 Вт, а плотность теплового потока от горячей зоны составляет 1250 Вт/см2. Базовая кривая температуры в горячей зоне без термоэлектрического охлаждения равна 111°C. В этом примере встроенное тонкопленочное устройство для охлаждения позволило снизить температуру на 14°C.
На рисунке 10 проиллюстрирована концепция бокового отвода тепла. В данном случае ток течет слева направо, тогда как тепло распространяется от центра блока к его периферии. При объемной структуре кристалла теплоотвод используется совместно с прокладкой, через которую тепло уходит. В данном случае термоэлектрический материал находится под подложкой, а тепло отводится от центральной зоны к боковым участкам кристалла.

Рис. 10. Отведение тепла к боковым участкам подложки с использованием прокладки

Наконец, рассмотрим метод охлаждения активной зоны кристалла. На рисунке 11 изображена активная зона микропроцессора. Рядом с относительно крупными тепловыми выводами находятся стандартные медные столбиковые выводы. На практике используется 10—20…600—1200 тепловых выводов, которые помещаются на кристалл поблизости с горячими участками. Для достижения требуемого охлаждения с высокой эффективностью теплоотвода достаточно пленки размером 1×1 мм.

Рис. 11. Встроенное решение по объемному тепловому регулированию

Дальнейшее повышение эффективности пассивного и активного охлаждения задней стороны кристалла, а также теплоотвода с его передней и боковых частей достигается путем сочетания термически активных МСВ с объемной многослойной структурой кристалла.

Для повышения производительности силовых устройств необходима интеграция систем регулирования тепловых потоков высокой плотности в технологический процесс корпусирования. Тонкопленочные термоэлектрические материалы, например термически активные медные столбиковые выводы, встроенные в перевернутые кристаллы, представляют собой идеальное решение. Дальнейшее повышение эффективности пассивного и активного охлаждения задней стороны кристалла, а также теплоотвода с его передней и боковых частей достигается за счет сочетания термически активных МСВ с объемной многослойной структурой кристалла. Термически активные МСВ позволяют реализовать оптимальный режим охлаждения, характеризующийся высокой производительностью и экономичностью.

В разработку силового преобразователя входит расчет потерь мощности и роста температуры в полупроводниках и радиаторе. Для обеспечения надежности решения требуется также учесть колебания температуры кристалла, которая в целом определяет срок службы полупроводника (количество циклов до наступления отказа). Температура кристалла связана с температурой радиатора. В большинстве случаев требуется знать, как распределена температура источников тепла по площади микросхемы.
Численное моделирование температуры кристалла реализуется с помощью тепловой модели полупроводника и системы охлаждения, позволяющей учесть динамическое изменение этой температуры. Стандартная тепловая модель включает RC-цепочки. На рисунках 12 и 13 показаны две электрические эквивалентные цепи для численного моделирования теплового поведения полупроводникового устройства. В этой модели разнице температур между кристаллом и корпусом (Tкорп) соответствует некоторое падение напряжения. Модель непрерывной дроби на рисунке 1а отражает строение физического уровня полупроводника. RC-элементы соответствуют уровню структуры полупроводника (кристаллу, припою, подложке, термокомпаунду). На рисунке 1б показана модель простейшей дроби, в которой RC-элементы не имеют физического смысла за исключением узла PV-R1-C1, соответствующего температуре кристалла. Значения RC-элементов получают из экспериментальной кривой разогрева полупроводника. Преимущество этого метода заключается в том, что для расчета значений RC-элементов для каждого полупроводника не требуется дополнительной информации от поставщика компонентов.

Рис. 12. Модель непрерывной дроби

Рис. 13. Модель простейшей дроби

Входной информацией для тепловой модели является потеря мощности в полупроводнике, которая зависит от топологии цепи и приложения. Мы рассмотрим, как выполняется расчет температуры кристалла полупроводника на примере трехфазного инвертора напряжения (ТИН). Расчет потерь мощности приводится в [1–2].
Расчет должен учитывать не только среднюю температуру кристалла, но и колебания температуры. Любое ее изменение отражается на полупроводниковом устройстве. Флуктуации температуры отражают внутренние связи в полупроводниковом блоке, например, проводные и паяные соединения, пайку на обратной стороне кристалла. Различия в длинах слоев создают локальные напряжения при работе кристалла, что, в конечном счете, приводит к его отказу.
Температурная модель полупроводника, показанная на рисунках 12 и 13, представляет собой RC-цепочку, передаточная функция которой зависит от частоты. Таким образом, температура кристалла является функцией выходной частоты трехфазного инвертора напряжения. В частности, необходимо учитывать, что при низкой рабочей частоте преобразователя пульсации температуры не сглаживаются тепловой инерционностью кристалла.
На рисунке 14 показана динамика потерь мощности в начале работы трехфазного двигателя. Его ток поддерживается постоянным во время запуска. Частота напряжения на двигателе в течение 0,5 с увеличивается в диапазоне 0…50 Гц. Потери мощности рассчитывались для одного IGBT-транзистора и одного обратнопараллельного диода на выводе инвертора. На рисунке 15 показаны колебания температуры полупроводника. При низкой частоте максимальное изменение температуры составляет 18°, а минимальное значение — 4°.

Рис. 14. Энергетический цикл трехфазного двигателя

Срок службы силового модуля зависит не только от разницы температур ∆TКр, но и от средней рабочей температуры полупроводника, т.е. при размахе амплитуды в 30° следует учитывать температурный диапазон — например, 60…90°C или 80…110°C. При более высокой абсолютной температуре кристалла число циклов до наступления отказа намного меньшее. То обстоятельство, что источники тепла (полупроводники) неравномерно распределены вдоль радиатора, приводит к необходимости моделировать распределение тепла по поверхности теплоотвода. Рассмотрим такой пример моделирования, в котором радиатор представляет собой прямоугольную пластину. Одна ее сторона охлаждается за счет конвекции, тогда как на другой находятся источники тепла. Их верхняя часть и радиатор имеют постоянную температуру.

Параметры моделирования

Размеры радиатора — 200×300 мм. Толщина подложки — 15 мм. Материал радиатора — алюминий, теплопроводность которого равна 180 Вт/(м∙К). Потери мощности на одном IGBT-транзисторе (включая обратнопараллельный диод) составляют 60 Вт. Таким образом, суммарные потери равны 240 Вт. Радиатор охлаждается за счет естественной конвекции. Температура окружающего воздуха — 30°C.
На рисунке 16 показана модель теплового распределения на радиаторе. Максимальная температура под полупроводниковым кристаллом TD5 равна 87°C.

Рис. 15. Колебания температуры

Рис. 16. Распределение температуры вдоль радиатора

Для предсказания срока службы полупроводника воспользуемся статистическим анализом Вейбулла, основанным на равномерном распределении вероятности. С его помощью было изучено время жизни подложек в зависимости от энергетических циклов, количество которых до возникновения отказа выражается следующей формулой:

N_отк = A∙T_Кр^α∙exp(E_A/[k_B∙(T_ср + 273)]),

где k_B = постоянная Больцмана, Дж/K;
E_a = энергия активации, Дж;
T_ср = средняя температура кристалла, K;
∆Tкр = изменение температуры, K;
A = 302500;
α = –5,039.
Время повторения циклов составило менее 10 с. Эта формула описывает жизненный цикл изделия. При возможности следует использовать предоставленные производителем данные о наработке на отказ.
Таким образом, для создания надежно функционирующего силового преобразователя важно рассчитать температуру полупроводниковых устройств и смоделировать ее распределение вдоль радиатора. Учет колебаний температуры и средней температуры полупроводника позволяет создавать более безопасные решения. Проект на раннем этапе разработки оптимизируется с помощью программного обеспечения по моделированию. Результаты моделирования были получены с помощью SemiSimV1 [3].