Déterminer la température d’un semi-conducteur de puissance n’est pas une tâche facile, mais c’est très important.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Le développement de la température d’un semi-conducteur est le facteur le plus important pour déterminer la durée de vie d’un système électronique de puissance. Pour cette raison, il est très important de déterminer la température de la puce aussi précisément que possible.
Toutes les spécifications des fiches techniques et les calculs de durée de vie se réfèrent à une construction mathématique d’une température virtuelle de la puce ou température virtuelle de jonction Tvj. Déterminer la température d’un semi-conducteur de puissance n’est pas une tâche triviale. En effet, à strictement parler, il n’existe pas de « température de la puce ».
In-Situ
La méthode dite de mesure in-situ est la méthode de choix pour mesurer la température de la puce en laboratoire. Ici, la puce à mesurer est d’abord chauffée à des températures précisément définies à l’aide d’une plaque chauffante calibrée. Un petit courant de mesure est injecté, et la tension directe résultante est mesurée. Une relation linéaire existe entre la tension directe et la température de la puce, tant qu’un courant constant et précisément connu circule.
Le courant doit être suffisamment faible pour ne pas contribuer au chauffage du semi-conducteur, mais suffisamment fort pour générer une tension mesurable. Des valeurs autour de 1% du courant nominal du semi-conducteur à tester se sont avérées raisonnables. En conséquence, la température de la puce peut être déterminée à partir de la corrélation, qui est unique et réversible si le courant utilisé précédemment est utilisé et que la tension sur le composant est connue.
Le résultat de cette mesure en laboratoire est basé sur une température constante de la puce, et grâce au chauffage externe, la puce a une distribution de température homogène. Ce cas particulier, qui ne reflète pas les conditions dans l’application réelle, fournit « la température de la puce » ou la « température de jonction » Tj.
Applications Réelles
Dans l’application réelle, cependant, il existe un gradient de température à travers la surface de la puce ; la puce est plus chaude au centre que sur les bords, en particulier aux coins. Ceci est dû au fait que plus de chaleur peut être transférée à l’assemblage et à la technologie de connexion environnants aux bords et aux coins qu’au centre de la puce.
L’effet peut être observé dans des mesures telles que celles de la Figure 1, qui sont prises à l’aide d’une caméra d’imagerie infrarouge (IR).
Figure 1. Image IR de deux diodes connectées en parallèle sous charge DC. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Alternativement, un capteur placé sur la puce, tel qu’un thermocouple de type K, est souvent utilisé. Bien que le capteur fournisse alors une valeur de température, cela ne représente pas nécessairement la valeur requise pour la caractérisation et la détermination de la durée de vie. Un avantage de cette mesure est qu’il est possible de mesurer pendant le fonctionnement à haute tension et courant, à condition que l’équipement de mesure réponde aux exigences de protection de l’équipement et des personnes. Cela est important car le capteur est en contact galvanique avec la puce et transporte une tension potentiellement mortelle.
Le capteur de température est souvent placé au centre de la puce pour fournir de manière fiable la valeur maximale. Si les relations thermiques sont suffisamment bien connues, des conclusions peuvent également être tirées de la valeur maximale à la valeur moyenne.
La température virtuelle de la puce Tvj, représentant une valeur de température moyenne sur toute la surface de la puce, est toujours d’intérêt quand on considère la durée de vie et la conception thermique. Si elle peut être mise en œuvre, la mesure in-situ fournit également précisément cette valeur dans la configuration réelle, car seule une tension à un courant doit être mesurée. La moyenne fait partie intégrante de cette configuration de mesure. La tension mesurée représente la température de la puce comme si elle était distribuée de manière homogène.
Tests de Fiabilité
Les tests de fiabilité chez les fabricants de semi-conducteurs sont surveillés à l’aide de la méthode in-situ. Ici, l’approche est proche de l’application car la puce est chauffée activement. L’information sur la résistance au cyclage de charge basée sur cette méthode comprend déjà le fait que la valeur de température maximale sur la puce est supérieure à la température spécifiée. Cette approche est conservatrice et idéalement adaptée aux mesures de caractérisation et aux processus d’assurance qualité.
Une autre façon de calculer la valeur moyenne est d’évaluer les images IR. Cette méthode permet également l’observation des semi-conducteurs en opération réelle et fournit des informations précises et liées à l’application. Pour l’évaluation, le logiciel appartenant à la caméra IR permet généralement de définir une zone d’intérêt et de déterminer la valeur moyenne correspondante. Cette procédure est utilisée dans la Figure 1 ; la zone considérée comprend deux diodes connectées en parallèle.
L’inconvénient de cette méthode est que les semi-conducteurs observés ne doivent pas être encapsulés. Même s’ils sont optiquement transparents, les composés d’encapsulation bloquent le rayonnement infrarouge émis, rendant cette mesure impossible. En conséquence, ces configurations ne peuvent pas être exploitées à haute tension car le manque d’isolation peut conduire à des arcs électriques, des dysfonctionnements et même à la destruction.
Une évaluation alternative fréquemment utilisée consiste à déterminer la température TM au centre et la température TE dans un coin de la puce et à effectuer une pondération de 2 pour 1.
La température virtuelle de la puce résulte en Tvj=1/3·(2·TM+TE). Cela est possible à la fois à partir de l’image IR et en utilisant deux capteurs de température correctement positionnés.
Il n’est pas surprenant que même cette méthode apparemment simple fournisse des valeurs précises. La précision peut s’expliquer par les conditions thermiques le long des diagonales de la puce.
Du coin à l’autre coin diagonalement opposé, la température à travers la puce se développe selon une courbe en forme de dôme. Une bonne approximation de cette forme est une parabole ou une courbe sinusoïdale. En raison des relations simples, la courbe sinusoïdale est préférée ici.
La température moyenne résulte de la valeur efficace de la courbe sinus et du décalage. La Figure 2 illustre la courbe que l’on peut supposer dans ce cas.
Figure 2. Distribution de la température le long de la diagonale d’une puce. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La valeur moyenne requise correspond à la valeur RMS, qui est calculée à partir de l’amplitude (TM-TE) et du décalage TE comme suit :
\[T_{eff}=T_{vj}=\underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}(T_{M}-T_{E})}+T_{E}\leftarrow Décalage\\Valeur\,RMS\,\,\,\,\,\,\,\]
Dans une autre notation, l’équation peut être réécrite comme suit :
\[T_{vj}=\frac{1}{3}\cdot\Bigg[\frac{3}{\sqrt{2}}\cdot(T_{M}-T_{E})+3\cdot T_{E}\Bigg]\]
Avec l’approximation \(\frac{3}{\sqrt{2}}\sim2\) le résultat est :
\[T_{vj}=\frac{1}{3}\cdot\Big[2\cdot T_{M} +T_{E}\Big]\]
Figure 3. Évaluation IR d’une mesure thermique. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Comparaison des Méthodes
Une comparaison des trois méthodes pour la moyenne—in-situ, moyenne d’aire et approximation 2/3—donne des valeurs numériques légèrement différentes. Si les tolérances des techniques de mesure respectives sont prises en compte, les valeurs ne divergent généralement que légèrement les unes des autres dans une plage de ±1 K.
La Figure 3 donne un aperçu des données obtenues à l’aide d’une caméra IR lors de la mesure de deux diodes connectées en parallèle dans un module de semi-conducteurs.
Les points de mesure Sp1 et Sp4 au milieu des diodes et Sp2 et Sp3 à leurs coins, bien visibles dans la Figure 3, sont utilisés pour la pondération 1/2. Ces points de mesure ont été placés manuellement, donc il y a aussi des tolérances ici. Sur la base des valeurs locales déterminées, les températures virtuelles des puces pour les diodes sont :
\[T_{vj,D1}=\frac{1}{3}\cdot\Big(2\cdot T_{SP4}+T_{SP3}\Big)=\frac{1}{3}\cdot\Big(2\cdot102,5+75,6\Big)\degree C=93,5\degree C\]
\[T_{vj,D2}=\frac{1}{3}\cdot\Big(2\cdot T_{SP1}+T_{SP2}\Big)=\frac{1}{3}\cdot\Big(2\cdot107,7+77,9\Big)\degree C=97,8\degree C\]
L’évaluation de la moyenne sur les zones saisies Bx1 et Bx3 et les maxima et minima affichés automatiquement donnent :
\[T_{vj,Bx1}=\frac{1}{3}\cdot\Big(2\cdot 103,9+65,4\Big)\degree C=91\degree C,\,\overline{T_{avg,com}}=92,1\degree C\]
\[T_{vj,Bx3}=\frac{1}{3}\cdot\Big(2\cdot 108,6+67,7\Big)\degree C=95\degree C,\,\overline{T_{avg,com}}=96\degree C\]
Cela signifie une température de 92,25±1,25°C pour la diode D1 et de 96,4±1,4°C pour la diode D2. Bien que ni le véritable maximum ni le véritable minimum n’aient été atteints dans les deux cas, l’écart des valeurs finalement déterminées est négligeable.
Quel est l’intérêt pratique et le gain pour les développeurs ? Déterminer la température de la puce est crucial pour soutenir les résultats de simulation qui sont souvent des points de départ lors de la prédiction de la durée de vie d’un système en développement. La mesure de la température de la puce pendant le fonctionnement tend à être difficile. Ainsi, la demande récurrente est d’obtenir un dispositif de puissance personnalisé avec un capteur thermique attaché à la puce. Au lieu de cela, et si la taille des puces le permet, placer deux capteurs permettra d’obtenir un résultat très précis de la température de la puce, même dans des conditions de fonctionnement. Les résultats similaires de toutes les méthodes confirment la robustesse de la moyenne 1/2 lorsqu’il y a une configuration avec deux thermocouples.
Cet article est apparu à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].