Как (не) сжечь транзистор: измеряем температуру правильно

При разработке или отладке электронных устройств для оценки надёжности работы бывает необходимо измерять температуру силовых компонентов, в частности, мощных полевых транзисторов. Удобнее всего делать это с помощью тепловизора, в последнее время они стали достаточно доступны по цене и позволяют с высокой точностью и разрешением измерять температуру поверхности, и легко находить наиболее нагретые участки. Но насколько такие измерения информативны и полезны? Надёжность работы полупроводников зависит от температуры кристалла (Tjunction), именно эта температура является определяющей для установления предельных режимов работы транзистора. Температура поверхности корпуса может зависеть не только от температуры кристалла, но и от конструкции транзистора в целом: размеров кристалла, толщины материала над ним, расположения и количества проволочных выводов и т.д. Все эти параметры у разных моделей транзисторов могут значительно отличаться. 

Можно ли по температуре корпуса достоверно рассчитать температуру кристалла и оценить тепловой режим транзистора, и если да, то как именно это сделать? Попытаемся разобраться в этих вопросах.

Для относительно маломощных транзисторов в корпусах типа SOP-8, LFPAK и подобных не раз встречал информацию, что максимальная температура поверхности корпуса примерно равна температуре кристалла Tj. Например, в аппноте Vishay Siliconix приведена вот такая табличка:

Здесь показаны соотношения между температурами поверхности и кристалла для разных транзисторов, полученные с помощью усреднения результатов симуляции для различных мощностей. Как видно, у небольших корпусов коэффициент близок к единице, с увеличением размеров корпуса разница температур также растёт. 

Выглядит очевидным, что для более мощных транзисторов в корпусах типа TO-220, TO-247, TO-264 разница должна быть ещё больше, но какой-то конкретной информации мне найти не удалось. Поэтому было решено провести небольшое исследование и попытаться самостоятельно выяснить, насколько температура корпуса над кристаллом транзистора может отличаться от используемых для расчётов температур Tcase и Tjunction.

Методика, на первый взгляд, несложная: подаём на разные транзисторы некоторую стабильную мощность, измеряем температуры поверхности и кристалла и анализируем полученные значения. Но как измерить температуру кристалла? Чаще всего её получают косвенным способом, по изменению электрических параметров при нагреве, в частности, у мосфетов — по изменению падения на паразитном диоде. Подробнее такой метод описан, например, здесь; один источник тока используется для разогрева транзистора заданной мощностью, второй, маломощный — для измерения падения:

Однако, при большой рассеиваемой мощности реализовать такой способ в домашних условиях довольно сложно. Но можно поступить проще — если высокая точность не важна, температуру кристалла можно рассчитать из температуры основания Tcase и теплового сопротивления кристалл-корпус, по формуле Tj=(P * Rth(j-c)) + Tcase. 

Тепловое сопротивление Rth(j-c) всегда указано в характеристиках транзистора; стоит отметить, что обычно приводится максимальное (наихудшее) значение Rth(j-c), поэтому реальная температура кристалла может быть ниже расчётной.

Под Tcase подразумевается обычно температура на поверхности медного основания транзистора прямо под кристаллом, в зоне основного теплового потока. Иллюстрация от Toshiba:

Измерить Tcase можно контактным способом, например с помощью термопары. Для этого нам потребуется специально обученный радиатор.

Возьмем обычный радиатор от старого процессора (размеры 83х69х34 мм, толщина основания в средней части 11 мм):

В центре, на расстоянии 7,5 мм от крепёжного сверлим ещё одно, сквозное отверстие диаметром 1.8 мм, в верхней части рассверливаем его до 2,4 мм. 

В отверстие с помощью разрезной втулки крепится термопара, высота втулки подобрана такой, чтобы спай чуть выступал над поверхностью радиатора. В качестве втулки подошла пластиковая цанга от механического карандаша. Таким образом, при установке транзистора термопара плотно прижимается к его основанию непосредственно под кристаллом, а втулка за счёт высокого теплового сопротивления пластика изолирует её от радиатора. Нагляднее способ крепления показан на схеме: 

Еще одну термопару для контроля температуры радиатора закрепил в глухом отверстии рядом c местом установки транзистора. Также, для корректного измерения тепловизором, наклеил на поверхность полоску полиимидного скотча. Слегка отшлифовал поверхность радиатора в зоне прилегания транзистора, чтобы сгладить следы от заводской фрезеровки.

Термопары применены самые обычные, тип «К» (хромель-алюмель):

Для измерения температуры поверхности будет использоваться тепловизор Mileseey TR256i (разрешение 256х192) с макролинзой из селенида цинка с фокусным расстоянием 50,8 мм.

Предварительно проверил показания измерительных приборов по «эталону температуры» — кипящему чайнику. Снимок стенки чайника с наклеенным кусочком термоскотча:

Мультиметр UT171B с подключенной термопарой в кипящей воде показывает 98,0°-98,1°. При комнатной температуре показания также занижены на 1,5-2°, поэтому для измеренных значений с термопары введём поправку в 2°С.

Для охлаждения на радиаторе установил вентилятор типоразмера 60х60х25, модель YDM6025C12F (ссылка). Заявленная производительность 25 CFM, при номинальных 5000 об/мин. К слову, за свою цену в 100 р. отличный вентилятор, неплохо дует, нешумный и даже балансировка есть.

Чтобы замеры были корректными, мощность, рассеиваемая транзистором, должна быть стабильной. Для этого транзистор подключается к схеме источника стабильного тока на ОУ, с заданным током 5 ампер. Падение напряжения сток-исток контролируется вольтметром непосредственно на выводах транзистора, таким образом, изменяя подаваемое на схему напряжение, можно задавать необходимое значение мощности:

Общий вид всей конструкции в сборе:

Тепловизор закреплен напротив транзистора, чтобы возможные изменения расстояния и ракурса не влияли на измерения.

Ход эксперимента: транзистор с нанесенной термопастой GD900 устанавливаем на радиатор и подключаем к схеме, нагружаем транзистор заданной мощностью, после достижения теплового равновесия записываем измеренные значения температур. Далее повышаем мощность до следующего шага, и повторяем до достижения предельной для транзистора мощности или температуры. Время каждого шага 5 минут (хотя температуры практически перестают расти уже через 3 минуты). 

В качестве первого подопытного возьмём IRFP250, такие транзисторы имеют довольно типичные показатели по мощности для мосфетов в корпусе TO-247, а кроме того, их нередко применяют для работы в линейном режиме. 

Краткие характеристики из даташита:

Vdss                       200 V
Id                         30 A
Rds(on)                    85 mΩ
Pmax                       190 W 
Linear derating factor     1,5 W/°C
Rth(j-c)                   0,65°C/W
Tj_max                     150°C

Важные для нашего теста показатели:

Максимальная рассеиваемая мощность Pmax=190 W (при температуре корпуса Tc=25°, для других температур макс. мощность рассчитывается с учётом коэффициента Linear derating factor 1,5 W/°C)
Тепловое сопротивление кристалл-корпус Rth(j-c) 0,65°C/W 
Максимальная температура кристалла Tj_max 150°C 

Результаты замеров представлены в таблице и на графиках:

Примечания к измеренным значениям:

Тс — показания с термопары под основанием транзистора, с поправкой +2°,
Ths — максимальная температура участка поверхности радиатора рядом с корпусом транзистора, измерена тепловизором,
Ths2 — показания с термопары внутри радиатора,
Ttop — максимальная температура поверхности транзистора, измерена тепловизором,
Tj — расчётная температура кристалла транзистора, получена по формуле Tj=(P x Rth(j-c)) + Tc.

Как и ожидалось, зависимость от мощности для всех измеренных температур очень близка к линейной, а расчётная температура кристалла даже при небольшой мощности сильно отличается от температуры на поверхности.

Термофото при рассеиваемой мощности 120 ватт:

IRFP250N

Это более современный аналог транзистора IRFP250. Для проверки повторяемости измерений протестировал два таких транзистора.

Vdss                       200 V
Id                         30 A
Rds(on)                    75 mΩ
Pmax                       214 W 
Linear derating factor     1,4 W/°C
Rth(j-c)                   0,7°C/W
Tj_max                     175°C

Результаты первого экземпляра:

И второго:

У IRFP250N максимальная температура поверхности заметно выше, чем у IRFP250. Отличия между двумя одинаковыми транзисторами минимальные. 

IRFP460A

Vdss                       500 V
Id                         20 A
Rds(on)                    0.27 Ω
Pmax                       280 W 
Linear derating factor     2,2 W/°C
Rth(j-c)                   0,45°C/W
Tj_max                     150°C

Этот транзистор не новый, был выпаян из блока питания, в котором проработал больше 10 лет. Судя по низкому значению Rth(j-c), кристалл здесь заметно больше, чем у предыдущих.

Нагрев корпуса при мощности 140 ватт:

FQA9N90C 

Высоковольтный транзистор в корпусе TO-3P (аналог TO-247, но площадь медного основания чуть больше).

Vdss                       900 V
Id                         8.6 A
Rds(on)                    1.3 Ω
Pmax                       240 W 
Linear derating factor     1,92 W/°C
Rth(j-c)                   0,52°C/W
Tj_max                     150°C

Сопротивление открытого транзистора Rds(on) слишком велико, чтобы получить 20 ватт при токе 5 А; перенастраивать ток мне было лень, поэтому ступень 20 ватт пропущена.

MSG40T65FL

Ну и для разнообразия проверим мощный IGBT от китайского производителя Maspower.

Vdss                       650 V
Id                         40 A
Pmax                       375 W 
Linear derating factor     2,5 W/°C
Rth(j-c)                   0,4°C/W
Tj_max                     175°C

У такого транзистора на общем медном основании размещены два отдельных кристалла — собственно транзистор и антипараллельный диод, из-за этого кристалл транзистора немного смещён относительно центра. На анимации хорошо виден нагрев разных участков корпуса при смене полярности протекающего тока:

Для компенсации такой особенности пришлось немного повернуть транзистор на радиаторе, иначе температура измерялась бы не в точке под кристаллом, а рядом с ней.

При мощности 160 ватт температура основания оказалась немного выше ожидаемой, на графике это хорошо видно. С чем связано такое отклонение — неясно, спишем на случайную ошибку измерений.

Распределение температур на поверхности при 160 Вт. выглядит так:

Сравнение температур всех транзисторов при мощности 100 ватт:

Как видно, даже при одинаковой мощности максимальные температуры корпуса различаются больше чем на 20°.

На следующей диаграмме показано изменение разницы между температурами кристалла и корпуса в зависимости от мощности:

Даже на такой скромной выборке видно, что разброс значений между разными транзисторами достаточно большой. Что интересно, наибольшее различие (если не считать IGBT) у близких по характеристикам мосфетов — IRFP250 и IRFP250N.

А вот разброс разности температур между основанием Tc и радиатором Ths для всех транзисторов намного меньше, менее 5° для мосфетов:

Кроме ТО-247, протестировал и несколько транзисторов в корпусе TO-220:

IRLZ44N

Vdss                       55 V
Id                         41 A
Rds(on)                    22 mΩ
Pmax                       83 W 
Linear derating factor     1,8 W/°C
Rth(j-c)                   0,56°C/W
Tj_max                     175°C

IRL2203N

Vdss                       30 V
Id                         116 A
Rds(on)                    7 mΩ
Pmax                       170 W 
Linear derating factor     3,8 W/°C
Rth(j-c)                   0,9°C/W
Tj_max                     175°C

IRFB4115

Vdss                       150 V
Id                         104 A
Rds(on)                    9.3 mΩ
Pmax                       380 W 
Linear derating factor     2.5 W/°C
Rth(j-c)                   0,4°C/W
Tj_max                     175°C

У IRFB4115 достаточная большая площадь кристалла, на это косвенно указывает и низкое тепловое сопротивление, и большая ёмкость затвора. Как следствие, температуры поверхности и кристалла практически совпадают.

С этим транзистором я допустил глупую ошибку — не обратил внимание на график области безопасной работы, в результате при попытке поднять мощность до 120 ватт транзистор вышел из строя, уйдя в КЗ.

Да, несмотря на внушительную максимальную мощность в 380 Вт, в линейном режиме при токе 5 А мощность не должна превышать ~65 ватт, а при напряжении 25 В — всего 25 ватт:

Многие полевые транзисторы способны работать в линейном режиме только с серьезными ограничениями по мощности, из-за температурной нестабильности и склонности к тепловому разгону. Отдельные участки кристалла могут нагреваться сильнее остальных, это приводит к росту тока в ячейках этой области и дальнейшему повышению температуры. В результате почти вся мощность может рассеиваться на небольшом участке кристалла, что приводит к локальному перегреву и отказу транзистора. Именно это и произошло в данном случае. 

Не будьте такими как автор, читайте документацию внимательно ;)

Ну а потерпевший отправляется на распаковку:

Кристалл действительно огромный и занимает почти всё доступное место на медной подложке. В центре видно небольшое круглое пятно, похожее на кратер, это и есть зона термического разрушения в кремниевой структуре. Постоянно жалею, что у меня нет микроскопа:

Больше подобных фоток можно увидеть в этом документе от NXP => AN11243 — Failure signature of electrical overstress on MOSFETs.

Ну и напоследок пара транзисторов в изолированном корпусе TO-220F. Даже тонкий слой пластика под основанием сильно ухудшает отвод тепла, поэтому допустимая мощность для таких транзисторов значительно меньше.

WML26N60C4

Vdss                       600 V
Id                         20 A
Rds(on)                    0.16 Ω
Pmax                       34 W 
Linear derating factor     0.27 W/°C
Rth(j-c)                   3.7°C/W
Tj_max                     150°C

2SK2232

Vdss                       60 V
Id                         25 A
Rds(on)                    36 mΩ
Pmax                       35 W 
Rth(j-c)                   3,57°C/W
Tj_max                     150°C

Оба мосфета в TO-220F показали близкие результаты.

Все транзисторы в ТО-220 при одинаковой мощности 20 ватт:

Ну и сводная диаграмма разницы между температурами кристалла и корпуса, здесь у ТО-220 по сравнению с ТО-247 разброс еще больше; особенно выделяются IRLZ44N и IRFB4115: если у 4115 эти температуры практически одинаковы, то у IRLZ44N при мощности 60 ватт кристалл горячее поверхности на 80° С.

Как и у TO-247, разница температур радиатор/основание и её разброс у разных моделей невелики:

Расчётные значения температуры поверхности Ttop при максимально допустимой температуре кристалла Tj, для всех протестированных транзисторов:

Заключение.

Полученные данные каждый может проанализировать самостоятельно; для себя же я сделал следующие выводы:

Для условий, когда рассеиваемая мощность достаточно велика, а транзистор эффективно охлаждается, измерение максимальной температуры поверхности корпуса неинформативно. Из-за конструктивных отличий у разных моделей транзисторов их корпуса могут нагреваться по-разному; температура 100°С на поверхности может быть абсолютно нормальным режимом работы в одном случае и признаком значительного перегрева в другом.

В то же время, температура радиатора в непосредственной близости от транзистора (Ths) может быть использована для определения температуры основания Tc; у разных моделей соотношение этих двух температур отличается не так сильно.

Для транзистора, установленного на достаточно массивном алюминиевом радиаторе без изолирующих прокладок, температуру Tc можно приблизительно определить по формуле Tc = Ths * K.

Коэффициент K зависит от мощности; его среднее значение для мосфетов в корпусе TO-247 составило K=1,22; для мосфетов в корпусе TO-220 K=1,23.

Нужно отметить, что всё вышесказанное актуально только для линейного режима; работа в ключевом режиме на высокой частоте требует отдельного моделирования тепловых процессов, и средняя температура корпуса или кристалла здесь непоказательна.

На этом у меня всё, спасибо тем, кому хватило терпения дочитать до этого места ;) Замечания, дополнения, вопросы и другую полезную информацию типа «что за бред, лучше бы Fnirsi обозревал!» пишите в комментариях!