Wydział Elektryczny WE

Projekt nr 2011/01/B/ST7/06740

Globalny skupiony nieliniowy model termiczny elementu półprzewodnikowego do analizy układów elektronicznych

Kierownik Projektu: prof. dr hab. inż. Janusz Andrzej Zarębski

Problem skutecznego odprowadzania ciepła wydzielonego w przyrządach półprzewodnikowych jest bardzo ważny, ponieważ stanowi on obecnie istotne ograniczenie możliwości minimalizacji rozmiarów geometrycznych urządzeń elektronicznych, jak również ogranicza stopień integracji monolitycznych układów scalonych. Na etapie projektowania układów elektronicznych wykorzystuje się powszechnie narzędzia symulacyjne, tzn. programy komputerowe wraz z odpowiednimi modelami wszystkich elementów projektowanego układu. Uwzględnienie wpływu zjawisk cieplnych wymaga zastosowania dodatkowo modeli termicznych, opisujących zależność temperatury wnętrza przyrządu od wydzielanej w nim mocy. Istotnym problemem, który musi rozwiązać konstruktor urządzenia elektronicznego jest zaprojektowanie systemu chłodzenia przyrządów półprzewodnikowych wchodzących w skład tego urządzenia. System ten ma z jednej strony zagwarantować ograniczenie wartości temperatury wnętrza takiego przyrządu do zadanej wartości maksymalnej, a jednocześnie charakteryzować się małymi rozmiarami i niskim kosztem. Celem naukowym projektu było opracowanie postaci globalnego skupionego nieliniowego modelu termicznego przyrządów półprzewodnikowych z uwzględnieniem wszystkich dróg przepływu ciepła generowanego w przyrządzie do otoczenia i metody wyznaczania wartości parametrów tego modelu.

W wyniku realizacji projektu:

1. Zaprojektowano i skonstruowano systemy pomiarowe do:
   • wyznaczania parametrów cieplnych materiałów wykorzystywanych do konstrukcji urządzeń elektronicznych,
   • pomiaru przejściowej impedancji termicznej przyrządów półprzewodnikowych.
2. Wykonano pomiary parametrów cieplnych wybranych materiałów.
3. Wykonano pomiary przejœciowej impedancji termicznej wybranych przyrządów półprzewodnikowych uwzględniając: różne typy obudów badanych przyrządów, różne rozmiary pól lutowniczych, różne rozmiary radiatorów, wpływ zastosowania ogniwa Peltiera i mocy jego zasilania, materiał oraz rozmiary geometryczne obudowy, w której umieszczono badany element półprzewodnikowy.
4. Sformułowano zależności analityczne opisujące zależnoœć rezystancji termicznej elementu półprzewodnikowego od takich czynników jak: typ obudowy badanego przyrządu, rozmiary pól lutowniczych, długoœć wyprowadzeń, temperatura otoczenia, rozmiary radiatorów, moc zasilania ogniwa Peltiera, materiał oraz rozmiary geometryczne obudowy, w której umieszczono badany element półprzewodnikowy.
5. Sformułowano globalny nieliniowy model termiczny przyrządu półprzewodnikowego wraz z elementami jego systemu chłodzenia.
6. Wyznaczono wartoœci parametrów modelu termicznego przyrządów półprzewodnikowych pracujących przy różnych warunkach chłodzenia.
7. Opracowano analog obwodowy nieliniowego modelu termicznego przyrządu półprzewodnikowego dla programu SPICE i przeprowadzono obliczenia testowe.

Poprawność sformułowanego modelu została zweryfikowana dla wybranych przyrządów półprzewodnikowych współpracujących z różnymi systemami chłodzenia modelowanego przyrządu. Weryfikacja obejmowała estymację wartości parametrów modelu, implementację tego modelu w programie SPICE, wykonanie obliczeń temperatury wnętrza rozważanego przyrządu półprzewodnikowego przy pobudzeniu tego przyrządu uskokiem mocy o określonej wartości oraz zmierzeniu tej temperatury w warunkach odpowiadających warunkom przyjętym przy symulacji. Realizacja projektu pozwoliła na ilościowe scharakteryzowanie zjawisk odpowiedzialnych za chłodzenie przyrządów półprzewodnikowych. Sformułowany model umożliwi optymalizację konstrukcji systemu chłodzenia tych przyrządów oraz umożliwi opracowanie narzędzi komputerowych wspomagających proces projektowania takiego systemu. Wyniki pracy będą przydatne dla projektantów układów elektronicznych i energoelektronicznych, ułatwiając im projektowanie systemów chodzenia przyrządów półprzewodnikowych. Uzyskane rezultaty będą przydatne także w dydaktyce do zilustrowania wpływu poszczególnych elementów systemu chłodzenia przyrządu półprzewodnikowego na przejściową impedancję termiczną tego przyrządu lub na przebieg temperatury jego wnętrza przy znanym przebiegu wydzielanej w nim mocy. Trwałym efektem realizacji projektu, który będzie mógł być wykorzystywany w dalszych pracach badawczych są systemy pomiarowe do wyznaczania parametrów cieplnych materiałów stosowanych w urządzeniach elektronicznych oraz parametrów cieplnych przyrządów półprzewodnikowych.