УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕЖДУ КОРПУСОМ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА И РАДИАТОРОМ ОХЛАЖДЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов после изготовления и монтажа на радиатор охлаждения.

Известно устройство измерения теплового сопротивления термопаст [Измерение теплового сопротивления термопаст. http://www.electrosad.ru/Ohlajd/TpMet.htm.], содержащее источник питания ~220 В, соединенный первым выводом с предохранителем, а вторым выводом - с переключателем. Выход предохранителя соединен с входом лабораторного автотрансформатора, выход переключателя соединен со вторым входом лабораторного автотрансформатора. К выходу лабораторного автотрансформатора подключен вольтметр и, через последовательно соединенный амперметр, резистор. Резистор привинчен к радиатору охлаждения с устройством обдува через слой теплопроводящей пасты.

Измерение теплового сопротивления термопасты включает воздействие на резистор, привинченный к радиатору охлаждения через слой теплопроводящей пасты заданным напряжением, измерение тока резистора, измерение температуры корпуса резистора и температуры радиатора охлаждения вблизи контактной поверхности с помощью термопар. Далее определяют значение теплового сопротивления термопасты по формуле:

где t_PO - температура радиатора охлаждения вблизи контактной поверхности;

t_R1 - температура резистора;

U - приложенное на резистор напряжение;

I - измеренный ток резистора.

Это устройство не позволяет контролировать тепловое сопротивление между корпусом полупроводникового прибора и радиатором охлаждения, так как при подаче напряжения на полупроводниковый прибор температура корпуса полупроводникового прибора будет зависеть еще и от теплового сопротивления «переход-корпус».

Известно устройство измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового прибора [RU 2529761 С1, МПК G01R 31/00 (2006.01), опубл. 27.09.2014], выбранное в качестве прототипа, содержащее контактную колодку с клеммами для подключения контролируемого полупроводникового прибора, датчик температуры, источник питания, источник тока, выход которого подключен к контактной колодке с клеммами для подключения контролируемого полупроводникового прибора и последовательно соединенные микроконтроллер и компьютер, форсунка со схемой включения, оптический излучатель и оптически связанный с ним оптический приемник, выход которого подключен к первому входу микроконтроллера, второй выход которого подключен к форсунке со схемой включения. Второй вход микроконтроллера соединен с выходом источника тока. Третий вход микроконтроллера соединен с датчиком температуры. Выход источника питания соединен с оптическим излучателем

Это устройство не позволяет контролировать тепловое сопротивление между корпусом полупроводникового прибора и радиатором охлаждения, так как выходное напряжение контролируемого полупроводникового прибора зависит не только от теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового прибора, но и от качества нанесения теплопроводящей пасты между корпусом полупроводникового прибора и радиатором охлаждения.

Технический результат изобретения заключается в возможности измерения теплового сопротивления между корпусом полупроводникового прибора и радиатором охлаждения после установки полупроводникового прибора на радиатор охлаждения.

Предложенное устройство для измерения теплового сопротивления между корпусом полупроводникового прибора и радиатором охлаждения, также как в прототипе, содержит микроконтроллер, соединенный с оптическим излучателем, который оптически связан с оптическим приемником, выход которого подключен к входу микроконтроллера, который соединен с компьютером,

Согласно изобретению корпус контролируемого полупроводникового прибора через слой теплопроводящей пасты прикреплен к радиатору охлаждения, который размещен в емкости, наполненной диэлектрической жидкостью так, что нижняя часть радиатора охлаждения погружена в диэлектрическую жидкость, а корпус полупроводникового прибора расположен выше ее уровня. Причем радиатор охлаждения расположен между оптическим излучателем и оптическим приемником, которые прикреплены изнутри емкости к ее противоположным стенкам выше уровня диэлектрической жидкости так, что их оптические оси совпадают и направлены навстречу друг другу. Емкость установлена на нагревателе. К корпусу полупроводникового прибора и к радиатору охлаждения подключен усилитель, который связан с аналого-цифровым преобразователем, который соединен с микроконтроллером.

Предложенное устройство позволяет измерять тепловое сопротивление между корпусом любого полупроводникового прибора и радиатором его охлаждения после установки полупроводникового прибора на радиатор охлаждения, что дает информацию о наличии и качестве нанесения теплопроводящей пасты между полупроводниковым прибором и радиатором охлаждения без снятия радиатора охлаждения до введения полупроводникового прибора в эксплуатацию.

На фиг. 1 представлена схема устройства.

Устройство для измерения теплового сопротивления между корпусом полупроводникового прибора и радиатором охлаждения содержит микроконтроллер 1, соединенный с оптическим излучателем 2 и оптическим приемником 3. Персональный компьютер 4 соединен с микроконтроллером 1. К корпусу полупроводникового прибора 5 подключен первый вход усилителя б, выход которого связан с входом аналого-цифрового преобразователя 7 (АЦП), который соединен с микроконтроллером 1. К радиатору охлаждения 8 через слой теплопроводящей пасты 9 привинчен корпус полупроводникового прибора 5. Радиатор охлаждения 8 размещен в емкости 10, наполненной диэлектрической жидкостью 11, так, что нижняя часть радиатора охлаждения 8 погружена в диэлектрическую жидкость 11, а корпус полупроводникового прибора 5 расположен выше ее уровня. Радиатор охлаждения 8 соединен со вторым входом усилителя 6. Емкость 10 установлена на нагреватель 12. Оптический излучатель 2 и оптический приемник 3 прикреплены изнутри на противоположных стенках емкости 10 так, что они расположены выше уровня диэлектрической жидкости 11, а их оптические оси совпадают и направлены навстречу друг другу.

В качестве полупроводникового прибора 5 использован транзистор КТ805, а в качестве радиатора охлаждения 8 - радиатор SK29-25S. В качестве микроконтроллера 1 использована микросхема Atmega 16 производства фирмы «ATMEL». Микроконтроллер 1 соединен с персональным компьютером 4 интерфейсом RS232 для передачи данных. В качестве оптического излучателя 2 был использован инфракрасный светодиод АЛ107Б. Оптический приемник 3 - фотодиод марки ФД265-01. В качестве диэлектрической жидкости И использована полиметилсилоксановая жидкость марки ПМС-5 по ГОСТ 13032-77 с изм. 1-3 [«Кремнийорганические продукты, выпускаемые в СССР», Каталог-справочник. М.: Химия, 1970. - С. 52). Усилитель б должен быть с малым напряжением смещения нуля и дрейфом нуля, например, ОР177. Аналого-цифровой преобразователь 7 (АЦП) должен быть с временем преобразования не более 1 мс и разрядностью не менее 12 бит, например, МАХ 1270. Нагревателем 12 была лабораторная плитка ПЛ-01 с функцией стабилизации температуры, позволяющая вести нагрев до 300°С.

В начале с помощью нагревателя 12 нагревают диэлектрическую жидкость 11 до температуры 70°С, которую определяют как не более 75% от максимально допустимой температуры, обозначенной в технических условия полупроводникового прибора - транзистора КТ805. Затем, включив микроконтроллер 1, подают импульсные сигналы на оптический излучатель 2. Сигналы с оптического излучателя 2 поступают на оптический приемник 3, что сигнализирует об отсутствии радиатора охлаждения 8 в жидкости 11 и неготовности устройства к работе.

Затем помещают радиатор охлаждения 8 с прикрепленным к нему через слой теплопроводящей пасты 9 корпусом полупроводникового прибора 5 в нагретую диэлектрическую жидкость 11. Сигналы с оптического излучателя 2 перестают поступать на оптический приемник 3, что сигнализирует о начале процесса измерения. Микроконтроллер 1 начинает отсчет времени измерения. В результате нагрева радиатора охлаждения 8 между ним и корпусом полупроводникового прибора 5 возникает термоЭДС, которая поступает на усилитель 6, а затем на аналого-цифровой преобразователь 7 (АЦП). С выхода аналого-цифрового преобразователя 7 (АЦП) данные в цифровой форме поступают в микроконтроллер 1, который через заданные промежутки времени, передает их в персональный компьютер 4. По мере передачи тепловой энергии от радиатора охлаждения 8 к корпусу полупроводникового прибора 5 происходит изменение термоЭДС. Микроконтроллер 1 фиксирует время окончания измерения (составило 700 секунд), и с помощью программы определяет температуру корпуса полупроводникового прибора 5 по формуле:

где Е_EЭДСi - измеренная термоЭДС,

Т_ро - температура радиатора охлаждения 8, помещенного в нагретую диэлектрическую жидкость 11,

α - коэффициент Зеебека.

После расчета температуры корпуса полупроводникового прибора 5 в каждом временном интервале получают массив температур T_ППi, в котором каждому члену массива соответствует значение температуры корпуса полупроводникового прибора 5 в момент времени ti, причем время определяют по номеру члена массива. После преобразования полученный массив Т_ППi передают из микроконтроллера 1 в компьютер 4 с помощью интерфейса RS232 и используют для расчета теплового сопротивления между корпусом полупроводникового прибора 5 и радиатором охлаждения 8.

Определение теплового сопротивления производят в компьютере 4 в программе Microsoft Excel n раз с последующим вычислением средней величины по формуле:

где С - теплоемкость корпуса полупроводникового прибора 5,

t₀ - время начала процесса нагрева корпуса полупроводникового прибора 5,

t_i=(Δt⋅i) - временные интервалы в процессе нагрева корпуса полупроводникового прибора 5,

Δt - значение временного интервала,

Т₀ - температура корпуса полупроводникового прибора 5 перед началом измерения,

Т_ППi - температура корпуса полупроводникового прибора 5 в конце i временного интервала,

i - текущий индекс, изменяется от 0 до n,

i и n - натуральный ряд чисел,

Измеренное тепловое сопротивление между корпусом транзистора К805 и радиатором охлаждения SK29-25S с нанесенной тонким равномерным слоем теплопроводящей пастой КПТ-8 составило 0,061°С/Вт, а без нанесения теплопроводящей пасты - 0,112°С/Вт.