International Journal of Applied Exercise Physiology


International Journal of Applied Exercise Physiology


Download 24.32 Mb.
Pdf просмотр
bet100/176
Sana05.12.2019
Hajmi24.32 Mb.
1   ...   96   97   98   99   100   101   102   103   ...   176

International Journal of Applied Exercise Physiology    

www.ijaep.com

                                          VOL. 8 (2.1)

 

 



                 

 

 



561 

 

 

 



effect  of  external  climatic  factors,  20%  ‒  mechanical  effects,  60%  ‒  disturbance  of  thermal  regimes. 

Overheating of crystal in semiconductor device directly depends upon its thermal resistance. Temperature of 

crystal is used to calculate reliability and estimate  lifetime of semiconductor devices. Reliability of devices 

deteriorates  exponentially  as  temperature  increases.  As  a  rule,  10  ‒  15  °  C  increase  in  temperature  may 

reduce product lifetime by more than 50%. Therefore, it is necessary to measure the precise temperature of 

crystal, when semiconductor device is functioning under rated operating conditions. 

Junction-case thermal resistance is a parameter of not only reliability, but of the degree of quality inherent 

within  technological  process  for  fabricating  semiconductor  devices.  Hence,  determination  of  thermal 

resistances  of  semiconductor  devices  constitutes  one  of  the  basic  problems  of  final  inspection  when 

fabricating semiconductor devices and incoming inspection when fabricating radio-electronic equipment. 

There  are  transistor  keys  within  the  structure  of  high-frequency  voltage  switching  converters’  (VSCs) 

microcircuits that commutate currents of up to 10A and more. It can cause microcircuit overheating. There 

are  standards regulating  control  over  junction-case  thermal  resistance    of  power  transistors,  and  there  are 

proper  methods  basically  suitable  for  controlling  junction-case  thermal  resistance  of  VSC  microcircuits, 

however, since the number of microcircuits’ terminals is limited, usually there is no access to basic terminals 

of transistors. 

Analysis of VSC microcircuits’ structure shows that there is a p-n-junction (diode) between some terminals, 

which properties may be used to control temperature of the junction and of the whole crystal when defining 

junction-case thermal resistance of these microcircuits. 

Reviews of literature 

Behavioral models of integrated circuits are created to solve various problems: functional analysis of the 

supposed  device  architecture  [5,  21],  verification  and  debugging  of  the  designed  software  (drivers)  [21]. 

Prior to developing behavioral model, it is necessary to elaborate it in detail. The more detailed the model is, 

the  more  time  is  required  to  develop  and  implement  it.  However,  the  less  detailed  the  model  is,  the  less 

applicable it becomes in the process of designing an electronic device: a very simple model may be utilized 

only to solve some certain local problems. 

Use of behavioral models to describe ICs is analyzed in works [3, 21]. Thus, work [3] suggests a compromise, 

when a functional model is developed without regard for time delays with additional unit-arbiter. The last 

distributes these delays into input and output signals, simulating real operation of the device. This solution 

allows to use the developed model both for functional analysis, and for verification purposes via turning on 

or turning off a unit-arbiter. 

In  work  [21],  BMs  of  integrated  circuits,  used  for  various  purposes,  contain  coupled  models  of  such 

functional units, included into BM, as, for example, comparator circuit, amplifier, oscillator, etc. This method 

enhances effectiveness of using models for solving local problems, however, it requires relatively more time 

to develop them. 

Work [12] describes in detail behavioral models and their application in analogue, digital [9], analogue-

digital  [16,  24]  devices.  Modern  PCs  enabled  to  simulate  these  models,  using  complex  algorithms  that 

involve  millions  of  calculations in  a  short  time.  A  technology  of  modelling  allowed  to  simulate  impact  of 

direct,  and  alternate  current,  and  transient  processes  in  the  large  integrated  circuits  (LIC).  Noise  research 

[17],  frequency  [10],  and  statistical  analysis  [23]  are  also  possible.  Structures  of  integrated  circuits  may  be 

optimized at the expense of BM through the use of sensitivity analysis. 

So  called  SPICE-models  [6,  15]  of  devices  are  used  to  study  parameters  of  a  device  (for  example,  direct 

current  transfer  ratio  (β),  saturation  voltage  (Usat)  and  saturation  current  (Isat)  for  bipolar  transistor). 

Models of devices, implemented in SPICE, are usually complex. For instance, standard model of field-effect 

transistor has three detail levels. The simplest Shichman-Hodges model is based on quadratic equations. It 

makes sense to use it, when there are no strict requirements for modelling accuracy. The second level model 

is  based  on  the  more  accurate  analytical  expressions.  The  third  level  model  is  semi-empirical  and  uses 

combination  of  empirical  and  analytical  expressions.  To  determine  parameters  of  these  expressions,  the 

results of measuring characteristics of real semiconductor devices are used. 



International Journal of Applied Exercise Physiology    

www.ijaep.com

                                          VOL. 8 (2.1)

 

 



                 

 

 



562 

 

 

 



The  second  and  third  level  models  take  into  account  the  second  level  effects,  such  as  channel  length 

modulation.  It  may  be  expedient  to  use  the  third  level  model  when  analyzing  circuits  with  vertically 

structured  power  MOSFETs.  It,  in  its  turn,  usually  requires  much  more  time  for  modelling  and  greater 

memory when modelling of complex systems. 

Equations for devices are usually embedded into simulator and are available for a user. Ebers-Moll equation, 

usually used in SPICE simulation programs, is an example of using such equation as a simulation of direct 

current bipolar transistor operation. 

As with digital projects, the size of modern analogue or mixed circuits in terms of the number of elements 

applied  therein,  nowadays  is  too  large  to  continue  their  modelling  in  SPICE-oriented  systems.  The  main 

problem  here  lies  in  limited  computational  resources  available,  required  to  simulate  circuits  that  have 

multiple  components.  Several  thousands  of  even  logical  equations  cannot  be  effectively  simulated  neither 

using  automated,  nor  analytical  means.  In  practice  of  digital  design,  a  proved  fact  is  that  circuit  design 

solutions for functional units with more than a thousand of logical elements become inacceptable. However, 

modern integrated circuits contain millions of logical elements, with ever increasing complexity. There is a 

similar tendency in analogue circuitry engineering: models of analogue elements as opposed to logical ones, 

described by algebraic equations and delays, require for description an application of differential equations, 

numerical solution of which needs orders of magnitude more computational resources. 

To solve  the  problem  of  interest,  macro-modelling  was proposed  and  introduced  in  EDA  as a  higher 

level  tool  for  abstraction.  It  was  also  implemented  in  SPICE  simulators.  Macro-models  were  invented  in 

1974. Pre-determined components (controlled sources, resistors, condensers, etc.) are used to specify macro-

model  behavior.  Functionality  in  macro-models  is  defined  by  a  mathematical  relationship,  maintained 

through sources of controlled voltage and current. This method may be helpful in adding and subtracting 

voltage/current  using  sources of  parallel  current  and  series  voltage  sources.  Division  and  multiplying  are 

made  through  the  use  of  resistors.  Differentiation  and  integrating  are  performed  using  condensers  and 

inductors. Such macro-models are easily applied, when describing simple behavior, that involves only basic 

relationships  in  the  model  [12].  However,  when  accuracy  is  too  high  and  there  are  many  details,  and 

behavior  becomes  complex,  it  could  be  challenging  and,  sometimes,  impossible  to  develop  an  operable 

macro-model.  

Analogue behavioral modelling uses a hardware-description language for describing behavior of a device. 

Such type of modelling enables a user to describe behavior of the device as a function of physical variables 

(voltage,  current,  time  of  modelling,  etc.).  Such  types  of  models  as  HDL  and  SPICE  are  sometimes 

intermingled since SPICE equations constitute behavior models as well. However, equations of components 

in  SPICE  are  directly  embedded  into  simulator,  whereas  behavioral  simulator  will  contain  equations  for 

devices  in  HDL.  HDL  simulators  may  be  as  precise  as  SPICE  simulators.  However,  SPICE  simulators  are 

used for modelling at the level of simple electrical device components, which sometimes provides them with 

higher accuracy in modelling certain devices. 

Various methods for modelling analogue behavior may be added in SPICE simulators, which enable to 

use  polynomial-controlled  sources,  modify  simulator  code  to  add  new  models,  or  create  macro-models. 

Polynomial  method  is  used  when  creating  behavioral  models  of  devices.  Relationships  between  their 

parameters  may  be  described  by  various  curves.  The  problem  here  is  that  the  curve  needs  to  be 

reconstructed, whenever any of the device components changes in the process of creating thereof. Adding 

new  model  in  SPICE  simulator  is  labor-intensive,  since  the  main  simulator  code  for  models  of  devices  is 

often  very  complex.  Macro-models  may  become  complex,  when  mathematical  behavior  is  synthesized  by 

electrical  components  with  non-linear  relationships  between  parameters  (for  example,  using  diode).  Since 

models on HDL languages are separate from simulator, in general, any algorithmically describable behavior 

might be modelled. In analogue behavior modelling, not only modelling of the device electrical parameters’ 

behavior  is  possible,  but  modelling  of  temperature  and  capacity  as  well.  A  disadvantage  of  this  behavior 

model is that currents and voltages (direct and alternate) may be determined only at the model input and 

output. However, while creating a model, it is possible to immediately derive an electrical value of interest 

inside  the  circuit  to  output,  for  further  debugging  and  understanding,  if  the  newly  created  model  is 



International Journal of Applied Exercise Physiology    

www.ijaep.com

                                          VOL. 8 (2.1)

 

 



                 

 

 



563 

 

 

 



appropriate.  Thus,  to  optimize  the  design  of  electronic  device,  it is  necessary  to  keep  in  mind  all  possible 

ways of applying behavioral model when developing thereof. 

The  most  well-known  and  popular  general  methods  of  developing  behavioral  models  are  nowadays  as 

follows: 

 

Control-flow charts; 



 

Event-driven process chain diagrams; 



 

Use of UML; 



 

Use of functional diagrams. 



Construction of control-flow charts has been regulated by a number of national standards, for example 

[30].  This  method  is  very  well-known,  being  one  of  the  most  common  in  the  practice  of  creating  texts  on 

various  programming  languages,  including  those  used  to  develop  BMs.  The  important  advantage  of  this 

method is that it is illustrative and simple in translating description from the flow-charts’ language into the 

program text on the language of implementing behavioral model (VHDL, Verilog, SystemC, etc.) 

Event-driven  process  chain  (EPC)  is  a  type  of  diagrams  and  descriptions,  widely  used  for  modelling, 

analyzing,  and  re-organizing  business-processes.  It  can  also  be  used  to  model  behavior  of  parts  of  the 

system, when implementing its functions, and may serve as an adequate replacement for traditional flow-

charts. 

“A  diagram  of  the  process  (function)  in  EPC  notation  is  an  ordered  combination  of  events  and  functions. 

Initial  and  final  events,  participants,  performers,  accompanying  material  and  information  flows  may  be 

defined for each function, and its decomposition into lower levels may be done” [29]. 

The  process  of  modelling  using  EPC  complies  with  classical  principles  of  modelling:  decomposition  and 

hierarchical ordering. Decomposition, displayed on certain diagrams, shall be made for functions, likewise 

predetermined processes on flow-charts. 

Unified modelling language (UML) (Object Management Group) has currently been a common standard in 

developing  object-oriented  systems.  Development  of  UML  began  in  1994  by

 

Grady  Booch  and  James 

Rumbaugh working in Rational Software company. Ivar Hjalmar Jacobson joined them in autumn 1995, and 

in October of that year a Unified Method preview version  0.8 was released. Since then, several versions of 

UML specification were released [31]. 

Control-flow  charts  and  UML  are  best  suitable  for  modelling  traditional  systems  based  on  structural 

approach  principles  and  characterized  by  clear  separation  of  functions  into  basic  steps  (procedures, 

operators, actions, etc.) taken according to a certain sequence (as per algorithm). EPC- and BPMN-diagrams 

are quite suitable for modelling event-oriented systems, where taking an action or several actions depends 

on events occurring within a system. Furthermore, the above methods and methodologies may be used not 

only  for  behavioral  modelling,  but  for  functional  modelling  as well.  The  elements  inherent  therein,  which 

allow to reflect conditions of taking particular actions (logical symbols), enable to better understand logics 

and sequence of executing system functions. 

National  standard  [32]  is  the  basic  Russian  regulatory  document  specifying  the  method  of  controlling 

junction-case thermal resistance of power diodes R

thjc

. It presents two alternatives for determining thermal 

resistance  of  diodes,  each  of  which  also  involves  two  stages.  The  first  stage  in  both  options  implies 

determination  of  temperature-sensitive  parameter  –  temperature  relationship.  The  second  stage  involves 

determination of difference in crystal and package temperatures in a variety of ways. Junction-case thermal 

resistance  is  defined  as  a  relationship  between  difference  in  crystal  -  package  temperatures  and  heating 

power in steady-state rated operating conditions. 

It is advisable to use direct voltage u



F

 for diodes or on-state voltage u

T

 for thyristors and symmetrical 

thyristors as a temperature-sensitive parameter. Crystal temperature T



J

 is defined by the device calibration 

curve. Semiconductor device is calibrated in thermostatic regulator, when gauge current flows with no effect 

on thermal equilibrium. 

A concept of thermal resistance requires acceptance of such simplified assumptions, as one-dimensional heat 

flow, which may inaccurately simulate three-dimensional heat conductivity in a real device. Actual devices 

contain material and boundary layers with thermal resistances and heat capacities producing complex heat 

flow. 


International Journal of Applied Exercise Physiology    

www.ijaep.com

                                          VOL. 8 (2.1)

 

 



                 

 

 



564 

 

 

 



Labour-intensive  methods  of  measuring  thermal  resistance  recommended  by  standard  [32]  are  applicable 

only to single diodes in laboratory conditions. They shall not be used for automated control in conditions of 

series manufacturing. 

It is also important to emphasize standards [33] [34]. Pursuant to them, semiconductor device is heated 

by heating capacity impulse. p-n-junction temperature T

J

(t) is measured in the process of heating an object 

until reaching steady state. To measure T



J

(t), heating capacity regularly switches off for a while (for several 

ones  or  tens  of  microseconds)  and  a  temperature-sensitive  parameter  is  measured,  namely,  voltage  drop 

within  p-n-junction  when  direct  current  is  small.  Transition  thermal  characteristic  (TTC)  T

J

(t)  serves  to 

determine  thermal  resistance  components  that  correspond  to  certain  layers  of  the  object  composition  or 

structure.  Information  about  thermal  parameters  of  an  object  shall  be  obtained  within  one  time  scanning 

period,  usually  not  exceeding  several  hundreds  of  seconds,  when  not  more  than  2000  total  number  of 

temperature readings (200 readings per decade). TTC measurement accuracy is related to quantization error 

of  analogue-to-digital  converter  and  influence  of  transient  thermal  and  electrical  processes,  while 

semiconductor  device  is  switching  over  from  heating  mode  to  measurement  mode.  To  more  precisely 

identify  thermal  parameters  by  TTC,  A.  Poope  and  V.  Szekely  proposed  so  called  device  of  structural 

functions [19, 20]. 

To  reduce  impact  of  electrical  transient  processes,  linear  modulation  law  shall  be  applied,  when 

impulses  of  heating  current  with  specified  amplitude  and  constant  repetition  interval  are  passed  through 

diode. Duration of these impulses is altered linearly. In-between heating impulses, direct voltage within p-n-

junction is measured, when current is small. It allows to reduce  influence  of electrical transient processes, 

since here the velocity of changing junction temperature is measured, not its absolute value. However, due 

to slight gradient of change in average heating capacity, this method produces low accuracy of measuring 

thermal resistance and does not allow to determine components of thermal resistance. 

In recent years, methods have been actively developed, which are based on analyzing frequency-based 

thermal characteristics, i.e. relationship between amplitude / phase of change in junction temperature T



J

(ω) 

and  frequency  when  a  device  is  heated  by  capacity  altering  according  to  harmonic  law  P(t)=P

0

+P



m

sinωt

These methods [1–5] allow to measure thermal resistance of single layers of semiconductor device structure: 

crystal, crystal-holder, solder layer, or conductive adhesive, and package base. Computations of amplitudes 

and phases of the main harmonics of heating capacity and temperature of  p-n-junction allow to determine 

module of transient thermal resistance (thermal impedance) and shift of phases φ between temperature of p-



n-junction  and  heating  capacity.  Then,  relationship  between  thermal  impedance  module  and  heating 

capacity modulation frequency Z



thjc

(ω) is identified, and thermal circuit parameters are defined. By analogy 

with electrical circuits, thermal impedance is considered as complex number Z



thjc

= Z

thjc

e

, real component of 

which defines thermal resistance R

thjc

=Re[Z

thjc

 ]. 

Proceeding by thermal diode parameters’ analogy with parameters of electrical circuits, comparison may 

be  made  of  TTC  T

J

(t),  determined  as  per  standard  [34],  with  time  circuit  characteristic  h(t),  and  thermal 

impedance Z



thjc

 may be compared with complex frequency characteristic  K(jω). Then, relationship between 

thermal impedance module and frequency of heating capacity modulation Z

thjc

(ω) will be similar to K(ω), an 

amplitude-frequency characteristics of electrical circuit. 

The  discussed  thermal  characteristics  of  diode  differ  in  the  type  of  argument  of  the  analyzed  junction 

temperature relationship: time or frequency. They are of interest when examining dynamic modes of diodes’ 

operation. However, thermal impedance R

thjc

 is more often used. It shall be defined in a steady-state thermal 

mode. It is given in reference data of diodes and integrated circuits of high-frequency VSCs. 

Significantly different methods for determining thermal resistances of semiconductor devices are suggested 

in a number of works, for example, measurement of thermal parameters of digital integrated circuits with 

the use of temperature dependence of signal propagation time [1]. Potential use of the time of delay in signal 

propagation  as  a  temperature  sensitive  parameter,  when  measuring  TTC  of  digital  integrated  circuits,  is 

presented. This time changes over a wide range and depends on temperature. The need for measuring short 

intervals of time with picosecond accuracy hinders application of this method. Aside from that, this method 

may not be used for automated control over thermal parameters of VSC integrated circuits. In light of the 


1   ...   96   97   98   99   100   101   102   103   ...   176


Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2019
ma'muriyatiga murojaat qiling