Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

Provide an overview of the thermal characterization of encapsulated semiconductor devices (discrete components, encapsulated ICs, power electronics components, LEDs, MEMS), complete electronic systems (PCB and system level) including state-of-the-art thermal transient measurement technologies, thermal and logi-thermal simulation, CFD simulation. The course provides an overview of the latest thermal measurement and modeling techniques and their complex application from component level to system level in electronic design, inter-production qualification and reliability examinations. 

1. hét: Félvezető eszközök működésének hőmérsékletfüggése – félvezetőfizikai háttér (PN-átmenet nyitófeszültsége kényszerített áram mellett, MOS struktúrák hőmérsékletfüggő paraméterei, LED-ek hatásfokának hőmérsékletfüggése). Félvezető eszközök disszipációja.

2. hét: Hőátadás módjai (kondulció, konvekció, sugárzás). Termikus és elektromos rendszerek analógiája. Hőellenállás, hőkapacitás. A termikus impedancia. Valós termikus rendszerek  mint elosztott paraméteres RC rendszerek. Valós termikus rendszerek leírása, modellezése: időállandó spektrum, Foster és Cauer reprezentáció.

3. hét: A struktúrafüggvény fogalma. A termikus impedanciák különböző reprezentációinak áttekintése. Több hőforrást tartalmazó rendszerek leírása: saját impedancia, transzfer impedancia; a termikus impedancia mátrix fogalma.

4. hét: Termikus tranziens karakterizáció. Termikus impedancia mérése a gyakorlatban. A termikus tranziens mérések gyakorlata, mérési eredmények kiértékelése és értelmezése gyakorlati esetekben: struktúra függvény analízis, bemutató a T3Ster műszerrel.

5. hét: Gyakorlati alkalmazások: chip rögzítés minősítése, stacked die tokok karakterizációja, termikus határfelületi anyagok minősítése, PCB lemezek effektív hővezetőképességének meghatározása. A termikus mérések gyakorlati megvalósítása.

6. hét: LED-ek termikus méréstechnikája: kombinált termikus és radiometriai/fotometriai mérések, bemutató a TeraLED műszerrel.

7. hét: Gyártásközi és élettartam alatti termikus tesztelés problémái. Termikus tesztelhetőre tervezés: elektromos séma, alkalmas disszipáló és érzékelő struktúrák. Élettartam alatti termikus tesztelés problémái (ismeretlen hőmérsékletérzékenység, a hőmérsékletérzékenység driftje).

8. hét: Megbízhatósági vizsgálatok termikus tranziens mérések segítségével. Esettanulmány: LED-ek élettartam vizsgálata.

9. hét: Termikus modellezés és szimuláció. Analitikus és numerikus modellezés. Egydimenziós és többdimenziós hőterjedés. Állandósult állapotbeli és tranziens hőterjedés. Termikus kezdeti és peremfeltételek. Termikus tér számítása Fourier-módszerrel.  A módszer alkalmazása réteges struktúrák (pl. nyomtatott huzalozású lemezek, integrált áramkörök, IC tokok) vizsgálatára. A módszer korlátai.

10. hét: Hővezetés számítása véges differencia módszerrel: állandósult állapotbeli és tranziens modellek. MEMS eszközök termomechanikai modellezése. A végeselem módszer.

11. hét: Hővezetés számítása véges térfogatok módszerével. Termikus térszámító módszerek összehasonlítása elektronikai és mikrorendszerek modellezése szempontjából. A szukcesszív hálózatredukciós módszer. Csatolt elektromos-termikus terek szimulációja integrált áramkörökben és mikrorendszerekben: Joule-hő, Seebeck-hatás, Peltier-Thomson hatás. Nagy felületű PN átmenetet tartalmazó eszközök elosztott elektrotermikus szimulációja.

12. hét: Hőterjedés konvekcióval: a Navier-Stokes egyenlet. Lamináris és turbulens áramlás. Konvekció és hőmérsékleti sugárzás mint hővezetési probléma peremfeltétele. Természetes és kényszerített konvekció számítása egyszerű felületek (sík, gömb, henger) esetén, hasonlósági kritériumok. Áramlástani (CFD) szimulációk.

13. hét: Kompakt termikus modellek. Modellek készítése mérések alapján – LED tokok kompakt modellje RthJC mérések alapján (transient dual interface method), alkalmazási példa: LED lámpatest tervezése. IC tokok termikus kompakt modelljei: 2R és DELPHI modellek.

14. hét: Termikus hatások figyelembe vétele chip szinten. Termikus hatások analóg integrált áramkörökben: elektro-termikus szimuláció. Termikus hatások digitális áramkörökben: logi-termikus szimuláció. Esettanulmányok bemutatása.

a.       A szorgalmi időszakban: 1 nagyzárthelyi elégséges szintre való megírása. vizsgaidőszakban: a vizsga letétele (írásbeli).

c.              Elővizsga: van

• Clemens J.M. Lasance, András Poppe (szerk.): Thermal Management for LED Applications, Springer, 2014, ISBN: 978-1-4614-5090-0,

http://link.springer.com/book/10.1007/978-1-4614-5091-7 Ezen belül különösen ajánlottak az alábbi fejezetek:

• 4. fejezet: G. Farkas, A. Poppe, Thermal Testing of LEDs
• 6. fejezet: A. Poppe, C.J.M. Lasance, Standardization of LED thermal characterization
• Mentor Graphics Mechanical Analysis Division termikus teszteléssel foglslkozó webes szemináriumi anyagai
• SEMI-THERM és THERMINIC konferenciák, valamint a Microelectronics Journal és az IEEE Tr. on Components and Packaging Technologies folyóiratok kijelölt cikkei
• Y. A. Cengel, Heat Transfer: A Practical Approach, 2nd edition, Mcgraw-Hill (2002), ISBN: 978-0072458930
• Székely Vladimír: Képkorrekció, hanganalízis, térszámítás PC-n, ComputerBooks, 1994, ISBN: 963 618 017 2 (különösen a 6. fejezet ajánlott)