1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2023-28-5-600-611TQEMOG681.518.3Элементы интегральной электроникиStudy of the thermoelectric properties of powerful MOSFETsИсследование теплоэлектрических свойств мощных MOSFET-транзисторовСмирнов Виталий ИвановичСмирновВиталий ИвановичSmirnovVitaliy I.Vitaliy I. SmirnovГавриков Андрей АнатольевичГавриковАндрей АнатольевичGavrikovAndrey A.Andrey A. GavrikovUlyanovsk State Technical University, Russia, 432027, Ulyanovsk, Severny Venets st., 32); Ulyanovsk branch of Kotel’nikov Institute of Radio Engineering and Electronics of Russian Academy of Sciences, Russia, 432071, Ulyanovsk, Goncharov st., 48, bld. 2)Ulyanovsk branch of Kotel’nikov Institute of Radio Engineering and Electronics of Russian Academy of Sciences, Russia, 432071, Ulyanovsk, Goncharov st., 48, bld. 2)25032026Том. 28 №5600611http://ivuz-e.ru/en/issues/5-_2023/issledovanie_teploelektricheskikh_svoystv_moshchnykh_mosfet_tranzistorov/http://ivuz-e.ru#

The MOSFETs are marked by the ability to commutate high currents (tens to hundreds amperes) with high frequency. With that the dissipated power reaches 1 kW. Due to this it is required to assure effective dissipation of heat from active area of the crystal and to develop appropriate means of junction–case thermal resistance control. In this work, the results of studies of the thermoelectric properties of high-power MOSFETs are presented. The studies were carried out using a hardware-software complex, in which, along with the standard methods for measuring the junction–case thermal resistance, a modulation method was implemented that uses the heating of an object by heating current pulses with a harmonic pulse-width modulation law. To measure the temperature of the active area in the pauses between the heating pulses, the temperature-sensitive, or thermometric, parameter was measured, which was the source–drain voltage. To eliminate the impact of transient electrical processes on the results of thermal resistance measurements, the temperature-sensitive parameter values were extrapolated to the end of each heating pulse. For extrapolation, it is proposed to use the root and logarithmic laws of the change in the temperature-sensitive parameter in the process of cooling the transistor crystal after its pulsed heating. It has been demonstrated that the results of measurements of the thermal resistance components obtained by various methods are in good agreement with each other.

MOSFET-транзисторы характеризуются способностью коммутировать большие электрические токи (десятки и сотни ампер) с высокой частотой. При этом рассеиваемая мощность достигает 1 кВт, поэтому требуется обеспечить эффективный отвод тепла от активной области кристалла и разработать соответствующие средства контроля теплового сопротивления переход – корпус. В работе представлены результаты исследований теплоэлектрических свойств мощных MOSFET-транзисторов. Исследования проведены с помощью аппаратно-программного комплекса, в котором наряду со стандартными методами измерения теплового сопротивления переход – корпус реализован модуляционный метод нагрева объекта импульсами греющего тока с гармоническим законом широтно-импульсной модуляции. Для определения температуры активной области кристалла в паузах между греющими импульсами измерен температурочувствительный, или термометрический, параметр, в качестве которого использовано напряжение между истоком и стоком. Для исключения влияния переходных электрических процессов на результаты измерений теплового сопротивления значения температурочувствительного параметра экстраполировано к моменту окончания каждого импульса греющего тока. Для экстраполяции использованы корневой и логарифмический законы изменения температурочувствительного параметра в процессе охлаждения кристалла транзистора после его импульсного нагрева. Показано, что результаты измерений компонент теплового сопротивления, полученные различными методами, хорошо согласуются между собой.

power transistorsthermal resistancemodulation methodtransient thermal responsehardware-software complexpower transistorsthermal resistancemodulation methodtransient thermal responsehardware-software complexработа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 23-29-00026).the work has been supported by Russian Science Foundation (project no. 23-29-00026). Смирнов В. И., Сергеев В. А., Гавриков А. А., Куликов А. А. Сравнительный анализ методов измерения теплового сопротивления нитрид-галлиевых HEMT-транзисторов // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 3. С. 219–233. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2020-25-3-219-233ОСТ 11 0944 – 96. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы расчета, измерения и контроля теплового сопротивления. М.: НПП «Пульсар», 1997. 110 с.MIL-STD-750/3. Transistor electrical test methods for semiconductor devices: Department of Defense test method standard. Part 3: Test methods 3000 through 3999 // EverySpec [Электронный ресурс]. 03.12.2012. URL: http://everyspec.com/MIL-STD/MIL-STD-0700-0799/MIL-STD-750_3_40024/ (дата обращения: 28.06.2023).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. Vol. 80. P. 205–212. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2017.11.024Thermal impedance measurements for vertical power MOSFETs (Delta source-drain voltage method): Addendum No. 3 to JESD24 // JEDEC [Электронный ресурс]. Nov. 1990. URL: https://www.jedec.org/ taxonomy/term/2101 (дата обращения: 28.06.2023).Thermal impedance measurement for insulated gate bipolar transistors – (Delta VCE(on)method): JESD24-12 // JEDEC [Электронный ресурс]. June 2004. URL: https://www.jedec.org/ document_search?search_api_views_fulltext=JESD24-12 (дата обращения: 28.06.2023).Transient dual interface test method for the measurement of the thermal resistance junction-to-case of semiconductor devices with heat flow through a single path: JESD51-14 // JEDEC [Электронный ресурс]. Nov. 2010. URL: https://www.jedec.org/document_search?search_api_views_fulltext=JESD51-14+ (дата обращения: 28.06.2023).Smirnov V. I., Sergeev V. A., Gavrikov A. A., Shorin A. M. Thermal impedance meter for power MOSFET and IGBT transistors // IEEE Transactions on Power Electronics. 2018. Vol. 33. No. 7. P. 6211–6216. https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2740961Сравнительный анализ стандартного и модуляционного методов измерения теплового сопротивления мощных биполярных транзисторов / В. И. Смирнов, В. А. Сергеев, А. А. Гавриков и др. // Журнал радиоэлектроники [электрон. журн.]. 2019. № 1. Ст. 6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.1.3. – EDN: TQRQHW.Oettinger F. F., Blackburn D. L. Semiconductor measurement technology: Thermal resistance measurements. Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology, 1990. 78 p.Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 3 т. Т. 1. М.: Мир, 1993. 411 с.Ланин В. Л., Ануфриев Л. П. Монтаж кристаллов IGBT-транзисторов // Силовая электроника. 2009. № 2 (20). С. 94–99. EDN: MVRVFN.