Thermal and electro-thermal modeling of electronic devices and systems for high-power and high-frequency applications

Abstract

Questo lavoro è incentrato sulla modellazione termica ed elettro-termica di dispositivi elettronici per applicazioni ad alta potenza ed alta frequenza. Quattro argomenti principali vengono affrontati: 1) il metodo agli Elementi Finiti (FEM) viene impiegato per studiare gli aspetti termici e fluido-termo-dinamici in alimentatori di potenza progettati per funzionare, con vincoli termici stringenti, in esperimenti di Fisica delle Alte Energie. 2) Un’ampia analisi è stata effettuata riguardo alla modellazione auto-consistente, elettro-termica a grande segnale di dispositivi elettronici, con la creazione di modelli termici dinamici, non-lineari, a parametri concentrati (costruiti con resistenze e capacità termiche), che si possono utilizzare con simulatori circuitali in maniera tale da poter essere accoppiati in modo auto-consistente con modelli (tipo SPICE) elettro-termici, a grande segnale dei dispositivi elettronici (HEMTs, MOSFETs). Questi modelli termici a parametri concentrati sono costruiti basandosi sulla struttura fisica del dispositivo, senza parametri di fitting, e sono stati confrontati con modelli FEM equivalenti (che invece non possono essere usati in simulatori circuitali assieme a modelli elettrotermici dei componenti), con eccellente accordo tra i due modelli. Quando l’approccio fisico non si può utilizzare, un metodo empirico per ricavare una rete dinamica compatta tipo Foster viene illustrato. 3) Il progetto di un banco di misura della temperatura su componenti integrati mediante tecnica di termo-riflettanza (ad alta risoluzione spaziale) viene illustrato. 4) Il progetto di un banco elettronico per la generazione di impulsi ad alta tensione (kV), con durata dell’ordine dei nanosecondi, da utilizzarsi in applicazioni biomedicali, assieme alla costruzione ed al collaudo di alcune sue parti, vengono illustrati.

This work is focused on the thermal and electro-thermal modeling of electronic devices for high-power and high-frequency applications. This work covers four main topics: 1) the Finite Element Method (FEM) is used to study thermal and fluid-thermal aspects in power supplies, designed to meet stringent thermal constraints, to be used in High-Energy Physics Experiments. 2) An extensive analysis has been carried out about the self-consistent, electro-thermal large-signal modeling of electron devices, with the creation of non-linear, dynamic lumped-element (LE) thermal models (made of thermal resistances and thermal capacitances) suitable to insertion into circuit CAD tools, to be self-consistently coupled with large-signal, electro-thermal SPICE-like models of electron devices (HEMTs, MOSFETs). These LE thermal models are built in a physics-based way, and they were found to be in excellent agreement with Finite Element models (which, conversely, do not lend themselves to insertion into circuit-CAD tools), without using fitting parameters. When the physics-based approach is not suitable, an empirical approach to the creation of compact Foster dynamic LE models is shown. 3) The design of a bench for carrying out high-spatial resolution temperature measurements (on integrated components), using the thermo-reflectance technique, is illustrated. 4) The design of an electronic bench capable of generating high-voltage (kV), nano-second time duration pulses for biomedical applications is described, as well as the manufacturing and the assembly of some parts.