ESTIMATION OF THERMAL PARAMETERS OF POWER BIPOLAR TRANSISTORS BY THE METHOD OF THERMAL RELAXATION DIFFERENTIAL SPECTROMETRY

Thermal performance of electronic devices determines the stability and reliability of the equipment. This leads to the need for a detailed thermal analysis of semiconductor devices. The goal of the work is evaluation of thermal parameters of high-power bipolar transistors in plastic packages TO-252 and TO-126 by a method of thermal relaxation differential spectrometry. Thermal constants of device elements and distribution structure of thermal resistance defined as discrete and continuous spectra using previously developed relaxation impedance spectrometer. Continuous spectrum, based on higher-order derivatives of the dynamic thermal impedance, follows the model of Foster, and discrete to model of Cauer. The structure of sample thermal resistance is presented in the form of siх-chain electro-thermal RC model. Analysis of the heat flow spreading in the studied structures is carried out on the basis of the concept of thermal diffusivity. For transistor structures the area and distribution of the heat flow cross-section are determined. On the basis of the measurements the thermal parameters of high-power bipolar transistors is evaluated, in particular, the structure of their thermal resistance. For all of the measured samples is obtained that the thermal resistance of the layer planting crystal makes a defining contribution to the internal thermal resistance of transistors. In the transition layer at the border of semiconductor-solder the thermal resistance increases due to changes in the mechanism of heat transfer. Defects in this area in the form of delamination of solder, voids and cracks lead to additional growth of thermal resistance caused by the reduction of the active square of the transition layer. Method of thermal relaxation differential spectrometry allows effectively control the distribution of heat flow in high-power semiconductor devices, which is important for improving the design, improve the quality of landing crystals of power electronics products to reduce overheating

ОЦЕНКА ТЕПЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ МОЩНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ МЕТОДОМ ТЕПЛОВОЙ РЕЛАКСАЦИОННОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ

Thermal performance of electronic devices determines the stability and reliability of the equipment. This leads to the need for a detailed thermal analysis of semiconductor devices. The goal of the work is evaluation of thermal parameters of high-power bipolar transistors in plastic packages TO-252 and TO-126 by a method of thermal relaxation differential spectrometry. Thermal constants of device elements and distribution structure of thermal resistance defined as discrete and continuous spectra using previously developed relaxation impedance spectrometer. Continuous spectrum, based on higher-order derivatives of the dynamic thermal impedance, follows the model of Foster, and discrete to model of Cauer. The structure of sample thermal resistance is presented in the form of siх-chain electro-thermal RC model. Analysis of the heat flow spreading in the studied structures is carried out on the basis of the concept of thermal diffusivity. For transistor structures the area and distribution of the heat flow cross-section are determined. On the basis of the measurements the thermal parameters of high-power bipolar transistors is evaluated, in particular, the structure of their thermal resistance. For all of the measured samples is obtained that the thermal resistance of the layer planting crystal makes a defining contribution to the internal thermal resistance of transistors. In the transition layer at the border of semiconductor-solder the thermal resistance increases due to changes in the mechanism of heat transfer. Defects in this area in the form of delamination of solder, voids and cracks lead to additional growth of thermal resistance caused by the reduction of the active square of the transition layer. Method of thermal relaxation differential spectrometry allows effectively control the distribution of heat flow in high-power semiconductor devices, which is important for improving the design, improve the quality of landing crystals of power electronics products to reduce overheating. Температурный режим работы электронной аппаратуры определяет надежность и стабильность оборудования. Это приводит к необходимости детального теплового анализа полупроводниковых приборов. Цель работы – оценка тепловых параметров мощных биполярных транзисторов в пластмассовых корпусах TO-252 и TO-126 методом тепловой релаксационной дифференциальной спектрометрии. Тепловые постоянные элементов приборов и распределение структуры теплового сопротивления определены в виде дискретного и непрерывного спектров с использованием ранее разработанного релаксационного импеданс-спектрометра. Непрерывный спектр рассчитан на основе производных высшего порядка динамического теплового импеданса и соответствует модели Фостера, дискретный – модели Кауера. Структура теплового сопротивления образцов представлялась в виде шестизвенной электротепловой RC-модели. Анализ растекания теплового потока в исследуемых структурах проводился на основе концепции температуропроводности. Для транзисторных структур определены площадь и распределение сечения теплового потока. На основе проведенных измерений оценены тепловые параметры мощных биполярных транзисторов, в частности, структура их теплового сопротивления. Для всех измеренных образцов выявлено, что тепловое сопротивление слоя посадки кристалла вносит определяющий вклад во внутреннее тепловое сопротивление транзисторов. В переходном слое на границе полупроводник– припой тепловое сопротивление возрастает из-за изменения механизма теплопереноса. Наличие дефектов в этой области в виде отслоений припоя, пустот и трещин приводит к дополнительному росту теплового сопротивления в результате уменьшения активной площади переходного слоя. Метод тепловой релаксационной дифференциальной спектрометрии позволяет эффективно контролировать распределение тепловых потоков в мощных полупроводниковых приборах, что необходимо для совершенствования конструкции, повышения качества посадки кристаллов изделий силовой электроники с целью снижения их перегрева.

МОНИТОРИНГ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ГЕРМЕТИЗАЦИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

High reliability of ASICs in metal-ceramic packages at the stage of manufacturing is achieved as a result of minimization of moisture content inside the package and due to continuous measurements of parameters of the encapsulation environment. It is shown that the use of instruments for checking the conditions of contact welding and the instruments for complex measurements of parameters of the ambient environment of the encapsulation system has allowed to provide a continuous monitoring of the process parameters: welding current, temperature, dew point and relative humidity of an inert ambient environment. As the result of seam welding, increase of yield fitted in hermeticity over 99,0 % and decrease the moisture content inside the IC package to vol. 0,01–0,2 % has been reached.Высокая надежность интегральных схем специального назначения в металлокерамических корпусах на стадии производства достигается в результате минимизации содержания влаги в корпусе и постоянного измерения параметров среды герметизации. Показано, что использование приборов контроля режимов контактной сварки и приборов для комплексного измерения параметров атмосферы установки герметизации позволило осуществить постоянный мониторинг параметров технологического процесса – тока сварки, температуры, точки росы и относительной влажности инертной атмосферы. В результате мониторинга процесса шовно-роликовой сварки достигнуто увеличение выхода годных по герметичности более 99,0 % и снижение влаги в корпусах интегральных схем до 0,01–0,2 % объёмных

ДИАГНОСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С ПОМОЩЬЮ РЕЛАКСАЦИОННОГО ИМПЕДАНС–СПЕКТРОМЕТРА ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

The efficient method of determining thermal parameters in high-power field-effect transistors has been developed and tested based on a study of transient processes during self heating by direct current. With the developed relaxation spectrometer of thermal processes differential distribution profiles of thermal resistance of KP723G transistors have been investigated which were selected in accordance with the regimes of setting of their crystals. Thermal resistance spectra have been obtained from the analysis of time−dependent dynamic thermal impedance using a new non−destructive method of differential spectroscopy using higher order derivatives (order 3). We present both continuous (integral) and discrete spectra of the distribution of internal thermal resistance in the transistors and the value of the junction/case thermal resistance. Thermal characteristics of the KP723G transistors and their imported counterparts IRLZ44 and IRLB3036 have been determined. The method of determining the active area of devices has been developed and its decrease during heating has been shown. The proposed methodology is useful in solving technological problems of forming the setting layers of crystals and intermediate layers between a crystal and a heat sink and also for the development of thermal models in SPICE modeling of powerful MOSFETs and diode emitters.На основе исследования переходных процессов при саморазогреве прямым током разработан и апробирован эффективный метод определения тепловых параметров мощных полевых транзисторов. С помощью разработанного релаксационного спектрометра тепловых процессов исследованы дифференциальные профили распределения теплового сопротивления транзисторов КП723Г, подобранных в партии в соответствии с режимами посадки их кристаллов на теплоотводящее основание. Спектры тепловых сопротивлений рассчитаны из анализа временной зависимости динамического теплового импеданса новым неразрушающим методом дифференциальной спектроскопии с использованием производных высших порядков (3-го порядка). Представлены как непрерывные (интегральные), так и дискретные спектры распределения внутреннего теплового сопротивления транзисторов, а также значения теплового сопротивления переход—корпус. Определены тепловые характеристики транзисторов КП723Г и их импортных аналогов IRLZ44 и IRLB3036. Развит метод оценки активной площади приборов и установлено ее уменьшение с нагревом. Показано, что предложенные методики полезны при решении технологических проблем формирования слоев посадки кристаллов и создания промежуточных слоев между кристаллом и теплоотводящим основанием, а также для разработки тепловых моделей при SPICE-моделировании мощных полевых транзисторов и диодных излучателей

Improving the reliability of Schottky diodes under the influence of electrostatic discharges

Experimental studies of Schottky diodes with molybdenum barrier structure showed that resistance of the structures to electrostatic discharge depends on the design parameters, as well as on guard ring diffusion depth. It has been proven that to improve the reliability of Schottky diodes one should use the structures with distributed guard ring containing p-type cell matrix. This reduces the electric field strength in critical areas of the active structure due to potential balancing along the guard ring and the diode area perimeter

Pb–free soldering composition for assembly of semiconductor devices

Исследована бессвинцовая припойная композиция на основе олова для сборки мощных полупроводниковых приборов методами вибрационной пайки и ультразвуковой разварки проволочных выводов. Определены оптимальные составы припойной композиции, методы ее формирования и технологические режимы сборки приборов.Are investigated Pb–free compositions on the basis of tin for assembly of powerful semi- conductor devices by methods of the vibrating soldering and ultrasonic micro welding wire conclusions. Optimum structures soldering compositions, methods of its formation and technological modes of assembly of devices are determined

MONITORING OF IC ENCAPSULATION PROCESS

High reliability of ASICs in metal-ceramic packages at the stage of manufacturing is achieved as a result of minimization of moisture content inside the package and due to continuous measurements of parameters of the encapsulation environment. It is shown that the use of instruments for checking the conditions of contact welding and the instruments for complex measurements of parameters of the ambient environment of the encapsulation system has allowed to provide a continuous monitoring of the process parameters: welding current, temperature, dew point and relative humidity of an inert ambient environment. As the result of seam welding, increase of yield fitted in hermeticity over 99,0 % and decrease the moisture content inside the IC package to vol. 0,01–0,2 % has been reached