Porównanie charakterystyk termicznych diod Schottky`ego z węglika

XI International PhD Workshop
OWD 2009, 17–20 October 2009
Porównanie charakterystyk termicznych diod Schottky’ego
z węglika krzemu uzyskanych metodami grzania
przerywanego oraz ciągłego w szerokim zakresie
temperatur
mgr inŜ. Maciej Oleksy, Politechnika Koszalińska
(2004, prof. dr hab inŜ Włodzimierz Janke, Politechnika Koszalińska)
Abstract
In the paper, the comparison of transient thermal
impedance curves obtained through different
methods for SiC Schottky diodes in wide
temperature range is presented.
Silicon carbide is a very promising material for
electronics because of wide band-gap, high value of
critical electric field and very good thermal
conductivity. The potential applications of SiC
devices in high temperature environments seem to
be especially attractive, therefore the thermal
characteristics of these devices are of great
importance.
The first types of commercially available SiC
semiconductor devices are Schottky diodes. Schottky
SiC diodes are becoming more important not only
because their higher ambient temperature limits
(200ºC as compared to 150ºC for Si) but also
because of low accumulated charge and almost zero
recovery current, that doesn’t grow with temperature
increase. The subjects of measurements are Schottky
diodes CSD06060, CSD04060 (both Cree),
SDT04S60 (Infineon) all in packages TO 220.
In the investigation of thermal transient
characteristics transient switched heating and cooling
mode were used.
Presented results show that both of those
methods can be used with adequate precision,
regardless of ambient temperature.
Streszczenie
W pracy omówiono badania przejściowej
impedancji termicznej diod Schottky’ego z węglika
krzemu, w szerokim zakresie temperatur otoczenia
za pomocą metody przerywanego grzania oraz
metody studzenia. Scharakteryzowano krótko
parametry elektryczne węglika krzemu oraz wpływ
temperatury na te parametry, które powinny
decydować o przebiegu przejściowej impedancji
termicznej. Omówiono sposób pomiaru, stanowisko
badawcze oraz wyniki badań impedancji termicznej
otrzymane za pomocą obu metod dla kilku typowych
diod Schottky’ego w zakresie temperatur otoczenia
od 25°C do 300°C.
1. Wiadomości wstępne
Diody Schottky’ego są szeroko stosowane w
układach impulsowego przetwarzania mocy. Główną
ich zaletą, w porównaniu z diodami ze złączem p-n
jest większa szybkość działania. Ograniczenia w
zastosowaniach tradycyjnych diod Schottky’ego
opartych na krzemie wynikają ze stosunkowo małych
wartości napięć dopuszczalnych dla kierunku
zaporowego. Produkowane od kilku lat diody
Schottky’ego z węglika krzemu (SiC) umoŜliwiają
pogodzenie wymagań na duŜą szybkość przełączania
i duŜe napięcie dopuszczalne.
Parametry fizyczne monokrystalicznych odmian
węglika krzemu mają istotny wpływ na moŜliwe do
uzyskania parametry elementów energoelektronicznych z tego materiału. Porównanie wybranych
parametrów krzemu i węglika krzemu (odmiana 4H)
przedstawiono w tabeli 1 [3],[4]. Koncentracja ni
nośników w materiale samoistnym oraz krytyczne
natęŜenie pola EKr są powiązane z szerokością
pasma zabronionego WG. Mniejsza wartość ni w
temperaturze pokojowej oznacza Ŝe temperatura
przejścia warstwy domieszkowej w stan samoistny
jest wyŜsza co stwarza moŜliwość poprawnej pracy
290
struktur złączowych z SiC w wysokich
temperaturach (potencjalnie nawet do 700 – 800 °C).
Tabela 1. Parametry fizyczne krzemu i węglika krzemu
Tabela 2. Parametry elektryczne badanych diod w
jednostkach Si
Table 1. Physical parameters of silicone and silicone
carbide
WG
[eV]
1.12
Si
SiC
3.26
(4 H)
λ
[W/cm—K]
1 – 1.5
ni(300K)
[cm-3]
1010
EKr
[MV/cm]
0.3
4 – 4.5
10-8
2.0
Table 2. Electrical parameters of investigated diodes in
International System of Units
Producent
Większa wartość krytycznego natęŜenia pola EKr
oznacza moŜliwość uzyskiwania struktur złączowych
z SiC o większych napięciach przebicia niŜ
analogiczne struktury z krzemu, przy tych samych
wymiarach
struktury.
Większe
wartości
konduktywności cieplnej λ oznaczają z kolei
moŜliwość uzyskiwania mniejszych rezystancji
termicznych elementów z SiC w porównaniu z
elementami krzemowymi, co umoŜliwia pracę przy
większych gęstościach mocy [5].
Diody Schottky’ego (zarówno w wersji Si jak i
SiC) są szybsze od diod ze złączem p-n o
porównywalnych prądach dopuszczalnych, ze
względu na brak efektu gromadzenia nadmiarowych
nośników mniejszościowych. Oferowane obecnie do
sprzedaŜy wysokonapięciowe diody Schottky’ego z
SiC (np. typu C2D05120 firmy CREE) mają napięcia
dopuszczalne
w
kierunku
zaporowym
VRRM=1200V – czyli wartości nieosiągalne dla diod
Schottky’ego na bazie krzemu. Realizacja diod
Schottky’ego z SiC umoŜliwia połączenie duŜej
szybkości
przełączania
i
duŜych
napięć
dopuszczalnych nie dające się uzyskać w technologii
krzemowej. Stwarza to szanse na poprawę
parametrów
niektórych
typów
układów
energoelektronicznych (np. przetwornic DC-DC,
układów prostowniczych z aktywną korekcją PF,
inwerterów, itp.) [1].
Wadą diod Schottky’ego z SiC w
porównaniu z ich odpowiednikami krzemowymi są
większe spadki napięcia w stanie przewodzenia (np.
spadek napięcia na diodzie 6TQ045 – Si przy 1A
wynosi ok. 0.3V, w diodzie CSD06060 – SiC wynosi
on 1V).
Parametr
Powtarzalne
wsteczne
napięcie
szczytowe
Średni prąd
przewodzenia
(TC=25°C)
(TC=100°C)
(TC=150°C)
Symbol
VRRM
IF
Moc
maksymalna
(TC=25°C)
(TC=125°C)
Ptot
Dozwlona
temperatura
złącza
TJ, Tstg
CSD
04060
CSD
06060
SDT
04S60
Cree
Cree
Infineon
Wartość Wartość
Wartość
600
600
600
7
−
4
10
−
6
−
3,8
−
62,5
20,8
83,3
27,8
36,5
-55 do
+175
-55 do
+175
-55 do
+175
Stanowisko do badań właściwości cieplnych diod
składa się z dwóch głównych części:
− urządzenia pomiarowego MPIT [2]
− komputera
sprzęŜonego
z
kartą
przetworników AC/CA
Schemat urządzenia pomiarowego oraz metodę
pomiarową przedstawia rysunek 1.
2. Stanowisko
Obiektem badań przejściowych charakterystyk
termicznych były diody Schottky’ego firmy Cree oraz
Infineon o tych samych obudowach TO-220.
Podstawowe parametry elektryczne badanych diod
przedstawione zostały w tabeli 2.
291
Rys.1. Schemat ideowy miernika MPIT
Fig.1. Idea behind MPIT measurement device
gdzie:
IM - źródło prądu pomiarowego,
IH - źródło prądu grzejnego,
SW - klucz półprzewodnikowy,
D.U.T. – Device Under Test (badany element),
VF – napięcie mierzone na D.U.T.
W eksperymencie wykorzystaliśmy następujące
tryby pomiarowe:
A) tryb impulsowy z regulowanym czasem
pobudzania,
B) tryb rejestracji przejściowej charakterystyki
chłodzenia.
Metoda z przełączaną mocą grzewczą (A) polega
na wydzieleniu we wnętrzu diody znanej mocy
grzejnej a następnie rejestrację zmian napięcia (VF)
na złączu p-n podczas krótkich przerw w
nagrzewaniu przy prądzie pomiarowym (IM). W ten
sposób przy załoŜeniu ton >> toff otrzymamana
krzywa nagrzewania jest bardzo zbliŜona do
rzeczywistej krzywej impedancji termicznej. Zaletą
tej metody jest łatwość kalibracji, jej wadą zaś są
duŜe wymagania odnośnie szybkości przełączania
wydzielanej mocy – w omawianym systemie
maksymalna częstotliwość próbkowania przy uŜyciu
tej metody wynosiła 100Hz (minimalny czas toff
wynosi 1ms z powodu występowania stanów
nieustalonych podczas przełączania szczególnie
duŜych mocy grzewczych, co przy 100Hz daje nam
wypenienie rzędu 90%), co nie pozwalało na
pomiary szybkich charakterystyk przejściowej
impedancji termicznej.
Przejściowe
charakterystyki
chłodzenia
elementów półprzewodnikowych (B) otrzymywane
są w wyniku pomiarów wartości napięcia (VF) na
przewodzącym złączu p-n po wyłączeniu mocy
grzewczej przy prądzie pomiarowym (IM). Jest to
jednak najprostszy sposób pośredniego pomiaru
przejściowej charakterystyki termicznej przy bardzo
szybkich zmianach temperatury wnętrza elementu.
Przejściowa impedancja termiczna jest wyznaczana
na podstawie pomiaru krzywej chłodzenia w sposób
opisany w [2].
NatęŜenie prądu grzejnego (IH) w złączu moŜe
być regulowane w przedziale 0 – 8.5 A, a prądu
pomiarowego (IM) 0 – 100 mA. Pomiar napięcia na
złączu p-n odbywa się w układzie róŜnicowym. Jako
napięcie odniesienia wykorzystuje się napięcie na
złączu diody tego samego typu, co dioda badana.
Urządzenie pomiarowe jest sterowane przez
dwuprocesorową (Intel 2.4GHz HT) stację roboczą
wyposaŜoną w kartę pomiarową typu NI 6115 XPCI firmy National Instruments. Posiadany osprzęt
umoŜliwia pomiary z minimalnym odstępem
pomiędzy próbkami rzędu 0.2µs (5MHz) [2].
Badane diody mocowano na radiatorze A4062 o
długości 10cm, którego temperaturę kontrolowano
termometrem HartScientific 1522 wyposaŜonego w
sondę pomiarową FLUKE 5628 (–200°C do 660°C
±0.01°C). Zostały one umieszczone w komorze
temperaturowej firmy Nabertherm typu N30/85HA.
Przeprowadzone pomiary odbywały się w
temperaturach wnętrza komory, od 25°C do 300°C z
dokładnością ±0.1°C. Prąd oraz napięcie na diodzie
w trakcie grzania kontrolowano multimetrami 8 ½
cyfry firmy Agilent oraz 5 ½ Fluke.
Widok wnętrza komory temperaturowej wraz z
dodatkową sondą temperaturową mocowaną na
radiatorze przedstawia rys.2.
Rys.2. Komora temperaturowa wraz z radiatorem
i elementem badanym.
Fig.2. Temperature chamber along with radiator and
device under test.
Przed umocowaniem diod wyrównywano
powierzchnię
radiatora
papierem
ściernym
o gramaturze 1000 oraz gąbką polerską. Nie
stosowano past termoprzewodzących, które są
przewidziane dla węŜszego zakresu temperatur. Siła
docisku diody do radiatora za pomocą płytki
miedzianej o grubości 5mm zwiększano stopniowo
aŜ do momentu, gdy dalsze zwiększanie docisku nie
zmieniało rezystancji termicznej. Zbieranie próbek w
przypadku metody studzenia rozpoczynano ok 1ms
przed wyłączeniem mocy grzewczej, a do obliczeń
Zth wykorzystywano próbki otrzymane po
zakończeniu elektrycznych stanów nieustalonych
związanych z przełączeniem mocy.
3. Wyniki pomiarów
Na rysunkach 3, 4 oraz 5 przedstawiono
reprezentatywne przykłady pomiarów przejściowej
impedancji termicznej dla diod Schottky’ego
wykonanych z węglika krzemu firm Cree oraz
Infineon w szerokim zakresie temperatur otoczenia.
Wszystkie rysunki przedstawiają zarówno przebiegi
impedancji termicznej uzyskane za pomocą metody
studzenia (linie czarne) jak i metody grzania
przerywanego
(linie
szare).
292
Rys.3. Przejściowa impedancja termiczna diody CSD04060 (Cree) zmierzona metodą przerywanego grzania (krzywe
szare) oraz metodą studzenia (krzywe czarne).
Fig.3. Thermal transient impedance of CSD4060 (Cree) diode measured by switched heating (grey curves).and
cooling method (black lines)
Rys.4. Przejściowa impedancja termiczna diody CSD06060 (Cree) zmierzona metodą przerywanego grzania (krzywe
szare) oraz metodą studzenia (krzywe czarne).
Fig.4. Thermal transient impedance of CSD6060 (Cree) diode measured by switched heating (grey curves).and
cooling method (black lines)
293
Rys.5. Przejściowa impedancja termiczna diody SDT04S60 (Infineon) zmierzona metodą przerywanego grzania
(krzywe szare) oraz metodą studzenia (krzywe czarne).
Fig.5. Thermal transient impedance of SDT04S60 (Infineon) diode measured by switched heating (grey curves).and
cooling method (black lines)
Dla wszystkich przedstawionych diod uzyskano
dobrą zgodność krzywych impedancji termicznej
uzyskanych za pomocą obu przedstawionych metod.
Krzywe uzyskane za pomocą metody grzania
przerywanego, ze względu na 90% wypełnienie
krzywej mocy zostały przemnoŜone przez
współczynnik korygujący równy 1.11. Na podstawie
uzyskanych wyników moŜna wnioskować iŜ
korzystanie z metody studzenia do wyznaczania
przebiegu impedancji termicznej nie będzie
obarczone duŜym błędem, niezaleŜnie od
temperatury otoczenia w której znajduje się dioda.
Twierdzenie to jest prawdziwe dla niewielkich
nadwyŜek temperatury struktury półprzewodnikowej
ponad temperaturę otoczenia (rzędu 10 ºC) w
którym to przypadku efekty nieliniowości
parametrów termicznych nie mają istotnego wpływu
na uzyskane wyniki.
We wszystkich przedstawionych przypadkach
moŜemy zaobserwować podobne zaleŜności
pomiędzy
krzywymi
impedancji
termicznej
wyznaczanej za pomocą róŜnych metod. Dla niskich
temperatur otoczenia (TA poniŜej 100ºC) krzywe
impedancji termicznej wyznaczone za pomocą
metody grzania przerywanego (ZthP) na odcinku do
ok. 300ms leŜą ponad krzywymi wyznaczonymi
metodą studzenia (ZthC). Ich dość dokładne pokrycie
następuje w okolicach TA=100 ºC. PowyŜej tej
temperatury krzywe ZthP na tym samym odcinku
czasu leŜą poniŜej krzywych ZthC. Zjawisko to jest
spowodowane
nieliniowością
parametrów
termicznych materiałów wchodzących w skład
obudowy i samej struktury diod.
4. Wnioski
Pomiary przejściowej impedancji termicznej diod
Schottky’ego z SiC omówione w pracy
przeprowadzono w zakresie temperatur otoczenia do
300°C, znacznie szerszym niŜ dopuszczalny zakres
temperatur
określony
przez
producentów.
Zaobserwowano wyraźny wpływ temperatury
otoczenia na przebieg impedancji termicznej, który
jednak miał niewielki wpływ na zgodność
przebiegów impedancji termicznej wyznaczanej
róŜnymi metodami.
Pomiary wykazały, Ŝe metody grzania ciągłego
oraz studzenia moŜna stosować wymiennie w
zaleŜności od potrzeb. Metoda studzenia jako
294
łatwiejsza w kalibracji oraz umoŜliwiająca pobieranie
próbek ze znacznie wyŜszą częstotliwością jest
szczególnie atrakcyjna.
Literatura
1. R. Singh, J. Richmond, SiC Power Schottky
Diodes in Power Factor Correction Circuits, Cree
Inc. Application Notes
2. M. Oleksy, J. Kraśniewski, Porównanie
charakterystyk termicznych diod Schottky’ego z Si oraz
SiC w szerokim zakresie temperatur, VI Krajowa
Konferencja Elektroniki 11-13 czerwca 2007
3. Basic mechanical and thermal properties of silicon,
Virginia Semicond. Inc.
4. Semiconductor materials overview, Cree Inc.
5.
W. Janke, Zjawiska termiczne w elementach i układach
półprzewodnikowych, Wydawnictwa Naukowo –
Techniczne, Warszawa 1992.
Adres słuŜbowy Autora:
mgr inŜ. Maciej Oleksy
Technical University of Koszalin
ul. Śniadeckich 2
75-453 Koszalin
tel. (094) 367 95 83
fax (094) 343 34 79
email: [email protected]
295