|
DOI: 10.14489/td.2026.11.pp.065-071
Смирнов В. И., Сергеев В. А., Гавриков А. А., Кузьмин Н. П.
ДИАГНОСТИКА ДЕФЕКТОВ МОНТАЖА АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ И МИКРОСБОРОК ПО ТЕПЛОВОМУ ИМПЕДАНСУ
(c. 65-71)
Аннотация. На примере макета микросборки с восемью парами MOSFET-транзисторов IRL7486M в корпусе DirectFETME, смонтированных на печатной плате с искусственно введенными дефектами монтажа (пайки) различных размеров, показана возможность выявления и качественной оценки размера дефекта по результатам измерения компоненты теплового импеданса «переход–плата» MOSFET-транзисторов. Компоненты теплового импеданса активных элементов макета микросборки измерялись c погрешностью не более 5 % модуляционным методом, реализованным в блоке измерения переходных тепловых характеристик и теплового импеданса, входящем в состав аппаратно-программного комплекса для контроля качества сборки электронных модулей и микросборок, разработанного в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом, по направлению «Микроэлектроника». С учетом особенности соединения MOSFET-транзисторов в макете микросборки нагрев активных элементов осуществлялся путем пропускания широтно-импульсно модулированных по гармоническому закону импульсов греющего тока через антипараллельный диод. Установлено, что уменьшение площади контактного паяного соединения MOSFET с печатной платой на 10 % приводит к непропорциональному увеличению компоненты теплового сопротивления «переход–плата» на 30 %, что объясняется частичным отводом теплоты по токоведущей металлизации и особенностью применяемого способа разогрева активных элементов путем пропускания греющего тока не через MOSFET, а через антипараллельный диод.
Ключевые слова: микросборка, MOSFET, дефект монтажа, тепловой импеданс, частотная зависимость, измерение, тепловое сопротивление «переход–плата».
Smirnov V. I., Sergeev V. A., Gavrikov A. A., Kuzmin N. P.
DIAGNOSTICS OF MOUNTING DEFECTS IN ACTIVE ELEMENTS OF ELECTRONIC MODULES AND MICROSYSTEMS BY THERMAL IMPEDANCE
(pp. 65-71)
Abstract. Using a microassembly prototype containing 8 pairs of IRL7486M DirectFETME MOSFET transistors mounted on a printed circuit board with artificially introduced soldering defects of varying sizes, this study demonstrates the feasibility of detecting and qualitatively estimating defect sizes based on measurements of the MOSFET transistors' junction-to-board thermal impedance component. The thermal impedance components of the microassembly prototype's active elements were measured with an error of no more than 5 % using a modulation method implemented in a transient thermal response and thermal impedance measurement unit, part of a hardware and software system for quality control of electronic module and microassembly assembly, developed as part of a project supported by the Russian Science Foundation in the field of Microelectronics. Given the specific connection of the MOSFET transistors in the microassembly prototype, the active elements were heated by passing harmonic-pulse-modulated heating current pulses through an antiparallel diode. It was found that a 10 % reduction in the soldered contact area of the MOSFET with the printed circuit board leads to a disproportionate increase in the junction-to-board thermal resistance component by 30 %. This is explained by partial heat dissipation via the conductive metallization and the specific heating method used for the active elements, which involves passing the heating current through the antiparallel diode rather than the MOSFET.
Keywords: microassembly, MOSFET, mounting defects, thermal impedance, frequency dependence, measurement, junction-to-board thermal resistance.
В. И. Смирнов, В. А. Сергеев, А. А. Гавриков (Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Ульяновск, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
Н. П. Кузьмин (Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
V. I. Smirnov, V. A. Sergeev, A. A. Gavrikov (Ulyanovsk Branch of the Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences, Ulyanovsk, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
N. P. Kuzmin (Ulyanovsk Branch of the Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences, Ulyanovsk, Russia, Ulyanovsk State Technical University, Ulyanovsk, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
1. Tang C., Thiringer T. Thermal Modelling of a Mutlichip IGBT Power Module // 21st European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'19 ECCE Europe). 3 – 5 Sept. 2019, Genova, Italy. Genova: IEEE, 2019. 8 р. ISBN: 978-9-0758-1531-3.
2. Acharya S. She X., Todorovic M. H., et al. Thermal Performance Evaluation of a 1.7-kV, 450-A SiC-MOSFET Based Modular Three-Phase Power Block with Wide Fundamental Frequency Operations // IEEE Transactions on Industry Applications. 2018. Vol. 55, No. 2. P. 1795 – 1806.
3. Веревкин В. В. Стригунов С. Л., Пилипенко А. П. и др. Испытания многокристальных IGBT-модулей на стойкость к циклическому воздействию силового тока // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2020. Т. 63, №. 5. С. 451 – 459.
4. Ходаков А. М., Смирнов В. И., Сергеев В. А. и др. Моделирование и анализ распределений температуры и термомеханических напряжений в многокристальном электронном модуле // РЭНСИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2024. Т. 16, № 2. С. 215 – 222.
5. Зенин В., Кочергин В. Особенности оценки прочности соединения кристалла с основанием корпуса // Технологии в электронной промышленности. 2009. №. 7. С. 58 – 61.
6. Guo X. H., Fu J. Y., Yang G. D., Huang K. Thermo-Mechanical Reliability of 1200V-450A IGBT Module Considering Voids in the Solder Layer // Materials Science Forum. Trans Tech Publications Ltd. 2019. Vol. 954. P. 202 – 209.
7. Матюхин С. И., Малый Д. О., Вишняков А. С. и др. Тепловое сопротивление силовых полупроводниковых модулей паяной конструкции // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2020. № 5(343). С. 122 – 130.
8. Kuball M., Pomeroy J. W., Riedel G. J., et al. Thermal Properties and Reliability of GaN Microelectronics: Sub-Micron Spatial and Nanosecond Time Resolution Thermography // 2007 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuits Symposium, Portland, OR, USA, 14 –17 Oct. 2007. Portland, IEEE, 2007. P. 135 – 138.
9. Сергеев В. А., Тарасов Р. Г., Куликов А. А. Диагностика качества сборки выходных усилителей мощности приемо-передающих модулей АФАР методом ИК-микроскопии // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2016. Т. 16, № 4. С. 192 – 193.
10. Дрекседж П., Винтрич А., Колпаков А. Встроенный термодатчик и «виртуальная» температура кристалла: как использовать сенсор для анализа тепловых режимов силового модуля // Силовая элементная база. 2020. № 4. С. 34 – 41.
11. Schulz M., Xin M. Correlating NTC-Reading and Chip-Temperature in Power Electronic Modules // Proceedings of PCIM Europe 2015; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Nuremberg, Germany, 9 – 20 May 2015. Nuremberg: VDE, 2015. 5 p.
12. Сергеев В. А., Ходаков А. М., Кузьмин Н. П., Антонов Д. И. Методика определения температуры активных элементов электронного модуля по показаниям встроенных в модуль температурных датчиков // Контроль. Диагностика. 2025. Т. 28, № 11. С. 28 – 33.
13. Avenas Y., Dupont L., Khatir Z. Temperature Measurement of Power Semiconductor Devices by Thermo-sensitive Electrical Parameters: A Review // IEEE Transactions on Power Electronics. 2011. Vol. 27, No. 6. P. 3081 – 3092.
14. Bahman A. S., Ma K., Blaabjerg F. A Lumped Thermal Model Including Thermal Coupling and Thermal Boundary Conditions for High-Power IGBT Modules // IEEE Transactions on Power Electronics. 2017. Vol. 33, No. 3. P. 2518 – 2530.
15. Górecki K., Posobkiewicz K. Influence of Electrical Transients and A/D Converter Dynamics on Thermal Resistance Measurements of Power MOSFETs // Sensors. 2025. Vol. 25, No. 21. P. 6691.
16. 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.
17. IRL7486MTRPbF Product Datasheet [web]. URL: https://static.chipdip.ru/lib/622/DOC011622920.pdf (дата об-ращения: 31.08.2025).
18. 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. P. 6211 – 6216.
19. Thermal Impedance Measurements for Vertical Power MOSFETs (Delta Source-Drain Voltage Method). JEDEC JESD24-3 standard, publ. 1990, reaffirmed 2002.
20. Thermal Impedance Measurement for Insulated Gate Bipolar Transistors – (Delta VCE(on) Method). JEDEC JESD24-12 standard, publ. 2024.
1. Tang, C., & Thiringer, T. (2019). Thermal modelling of a multichip IGBT power module. In 21st European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'19 ECCE Europe) (pp. 1–8). IEEE.
2. Acharya, S., She, X., Todorovic, M. H., et al. (2018). Thermal performance evaluation of a 1.7-kV, 450-A SiC-MOSFET based modular three-phase power block with wide fundamental frequency operations. IEEE Transactions on Industry Applications, 55(2), 1795–1806.
3. Verevkin, V. V., Strigunov, S. L., Pilipenko, A. P., et al. (2020). Testing of multichip IGBT modules for resistance to cyclic exposure to power current. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Priborostroenie, 63(5), 451–459. [in Russian language].
4. Khodakov, A. M., Smirnov, V. I., Sergeev, V. A., et al. (2024). Modeling and analysis of temperature distributions and thermomechanical stresses in a multichip electronic module. RENSIT: Radioelektronika. Nanosistemy. Informatsionnye tekhnologii, 16(2), 215–222. [in Russian language].
5. Zenin, V., & Kochergin, V. (2009). Features of assessing the strength of the chip-to-package base joint. Tekhnologii v elektronnoy promyshlennosti, (7), 58–61. [in Russian language].
6. Guo, X. H., Fu, J. Y., Yang, G. D., & Huang, K. (2019). Thermo mechanical reliability of 1200V–450A IGBT module considering voids in the solder layer. Materials Science Forum, 954, 202–209.
7. Matyukhin, S. I., Maly, D. O., Vishnyakov, A. S., et al. (2020). Thermal resistance of soldered power semiconductor modules. Fundamental'nye i prikladnye problemy tekhniki i tekhnologii, (5), 122–130. [in Russian language].
8. Kuball, M., Pomeroy, J. W., Riedel, G. J., et al. (2007). Thermal properties and reliability of GaN microelectronics: Sub-micron spatial and nanosecond time resolution thermography. In 2007 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuits Symposium (pp. 135–138). IEEE.
9. Sergeev, V. A., Tarasov, R. G., & Kulikov, A. A. (2016). Diagnostics of the assembly quality of output power amplifiers of transceiver modules of active phased array antennas by IR microscopy. Fundamental'nye problemy radioelektronnogo priborostroeniya, 16(4), 192–193. [in Russian language].
10. Dreksedzh, P., Vintrich, A., & Kolpakov, A. (2020). Built-in temperature sensor and 'virtual' chip temperature: how to use the sensor for analyzing thermal conditions of a power module. Silovaya elementnaya baza, (4), 34–41. [in Russian language].
11. Schulz, M., & Xin, M. (2015). Correlating NTC-reading and chip-temperature in power electronic modules. In Proceedings of PCIM Europe 2015 (pp. 1–5). VDE.
12. Sergeev, V. A., Khodakov, A. M., Kuzmin, N. P., & Antonov, D. I. (2025). Method for determining the temperature of active elements of an electronic module based on readings of built-in temperature sensors. Kontrol'. Diagnostika, 28(11), 28–33. [in Russian language].
13. Avenas, Y., Dupont, L., & Khatir, Z. (2011). Temperature measurement of power semiconductor devices by thermos-sensitive electrical parameters: A review. IEEE Transactions on Power Electronics, 27(6), 3081–3092.
14. Bahman, A. S., Ma, K., & Blaabjerg, F. (2017). A lumped thermal model including thermal coupling and thermal boundary conditions for high-power IGBT modules. IEEE Transactions on Power Electronics, 33(3), 2518–2530.
15. Górecki, K., & Posobkiewicz, K. (2025). Influence of electrical transients and A/D converter dynamics on thermal resistance measurements of power MOSFETs. Sensors, 25(21), 6691.
16. Smirnov, V. I., Sergeev, V. A., Gavrikov, A. A., & Shorin, A. M. (2018). Modulation method for measuring thermal impedance components of semiconductor devices. Microelectronics Reliability, 80, 205–212.
17. IRL7486MTRPbF product datasheet. (n.d.). Retrieved August 31, 2025, from https://static.chipdip.ru/lib/622/DOC011622920.pdf
18. Smirnov, V. I., Sergeev, V. A., Gavrikov, A. A., & Shorin, A. M. (2018). Thermal impedance meter for power MOSFET and IGBT transistors. IEEE Transactions on Power Electronics, 33, 6211–6216.
19. JEDEC. (1990, reaffirmed 2002). Thermal impedance measurements for vertical power MOSFETs (Delta source-drain voltage method) (JEDEC Standard JESD24-3).
20. JEDEC. (2024). Thermal impedance measurement for insulated gate bipolar transistors – (Delta VCE(on) method) (JEDEC Standard JESD24-12).
|
Текущий номер
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»