УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕХОД-КОРПУС ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Российский патент 2001 года по МПК G01R31/317 

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов и интегральных микросхем и может быть использовано для контроля качества и оценки температурных запасов цифровых интегральных микросхем.

Известно устройство для измерения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем (см. авт.св. СССР N 1310754 "Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем". Бюл. N 18, 1987), содержащее контактную колодку для подключения контролируемой цифровой интегральной схемы (ИС), источник питания, генератор переключающих импульсов, модулятор, генератор гармонических колебаний, масштабный усилитель и селективный вольтметр. В указанном устройстве на один или несколько логических элементов (ЛЭ) контролируемой ИС подают переключающие импульсы, частоту следования которых модулируют по гармоническому закону с периодом, на порядок большим тепловой постоянной времени данного типа ИС, а тепловое сопротивление переход-корпус ИС определяют по амплитуде переменной составляющей электрического температурочувствительного параметра, в качестве которого используют напряжение логической "1" одного из тех логических элементов ИС, логическое состояние которого не меняется.

Недостатком известного устройства является большое время измерения, примерно на два порядка превышающее тепловую постоянную времени переход-корпус данного типа ИС.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для измерения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем (см. Сергеев В.А. Методы автоматизированного контроля тепловых параметров цифровых интегральных микросхем. //Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства контроля качества материалов, промышленных изделий и окружающей среды /Тезисы докладов VIII Международной научно-технической конференции (23-24 мая 2000 г.) - г. Ульяновск, УлГТУ, 2000 г. - С. 76-79). Известное устройство содержит контактную колодку для подключения к цифровой интегральной микросхеме, источник питания, устройство управления, представляющее собой ждущий мультивибратор, генератор переключающих импульсов с линейно возрастающей частотой следования, дифференцирующую цепь и цифровой вольтметр с внешним запуском. Принцип работы известного устройства состоит в том, что при линейном законе изменения греющей мощности температура перехода (активной области) МОП и КМОП микросхем, а значит и температурочувствительный параметр, будут изменяться по закону, близкому (с погрешностью не более 5%) к линейному, так, что, измеряя скорость изменения температурочувствительного параметра, можно определить тепловое сопротивление переход-корпус микросхемы. В известном устройстве описанный выше принцип реализуется путем подачи на один или несколько логических элементов контролируемой микросхемы переключающих импульсов, частота следования которых изменяется по линейному закону, и запуска через некоторое время, превышающее три тепловые постоянные времени переход-корпус контролируемой микросхемы, устройством управления цифрового вольтметра с внешним запуском, который измеряет напряжение на выходе дифференцирующей цепи, подключенной к выходу того логического элемента микросхемы, логическое состояние которого не изменяется. Измеренное вольтметром напряжение пропорционально скорости изменения температурочувствительного параметра, а значит и тепловому сопротивлению переход-корпус контролируемой микросхемы. Недостатком известного устройства является низкая точность определения теплового сопротивления переход-корпус из-за малой величины полученного сигнала и большой погрешности реальных дифференцирующих цепей при дифференцировании медленно изменяющихся сигналов.

Технический результат - повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее контактную колодку с клеммами для подключения выводов контролируемой цифровой интегральной микросхемы, источник питания, соединенный с клеммами для подключения выводов (шины) питания микросхемы, генератор переключающих импульсов с линейно возрастающей частотой следования, выход которого соединен с клеммами для подключения выводов, являющихся входами нескольких (K <n, где n - общее число) логических элементов микросхемы, и устройство управления, представляющее собой ждущий мультивибратор, введены два устройства сравнения, источник двух опорных напряжений, временной селектор, реверсивный счетчик и индикатор, при этом один выход источника опорных напряжений соединен с одним из входов первого устройства сравнения, а второй выход источника опорных напряжений - соответственно с одним из входов второго устройства сравнения, другие входы обоих устройств сравнения соединены с клеммой для подключения выхода того логического элемента микросхемы, логическое состояние которого не изменяется, выходы обоих устройств сравнения соединены со входом устройства управления, выход устройства управления соединен с одним из входов временного селектора, второй вход которого соединен с выходом генератора переключающих импульсов, выход временного селектора соединен со счетным входом реверсивного счетчика, управляющий вход которого соединен с выходами устройств сравнения, выходы реверсивного счетчика соединены со входами индикатора.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, на фиг. 2 - эпюры напряжений в точках, обозначенных на фиг. 1, поясняющие принцип его работы.

Устройство содержит контактную колодку 1 для подключения испытываемой микросхемы, источник питания 2, генератор переключающих импульсов 3 с линейно возрастающей частотой следования, устройство управления 4, источник 5 двух опорных напряжений, два устройства сравнения 6 и 7 соответственно, временной селектор 8, реверсивный счетчик 9 и индикатор 10.

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 2).

Испытываемую микросхему устанавливают в контактную колодку 1 и подают на нее напряжение питания с источника питания 2. При поступлении команды "Пуск" генератор переключающих импульсов 3 начинает вырабатывать переключающие импульсы, частота следования которых F изменяется по линейному закону
F(t)=F₀ + S_Ft, (1)
где F₀ - начальная частота переключения, S_F - скорость нарастания частоты (фиг. 2a).

Известно, что мощность, рассеиваемая МОП и КМОП цифровыми интегральными микросхемами, является линейной функцией частоты (см., например, Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т.2. Пер. с англ. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Мир, 1993. - C. 103 и 104):
P=P₀+k_pF, (2)
где P₀ - средняя мощность, рассеиваемая микросхемой при частоте переключения F₀, стремящейся к нулю, k_p - крутизна частотной зависимости рассеиваемой мощности.

В ряде работ показано также (см. Афанасьев Г.Ф., Сергеев В.А., Тамаров П. Г. Устройство для автоматизированного контроля теплового сопротивления переход-корпус мощных биполярных транзисторов. - В межвузовском сб. науч. Трудов "Автоматизация измерений". - Рязань, РРТИ, 1983. - С. 86-90), что в приближении двухэлементной тепловой модели микросхемы и через некоторое время после начала разогрева микросхемы, превышающее несколько тепловых постоянных времени переход-корпус микросхемы, изменение температуры перехода может быть аппроксимировано (с погрешностью не более 5%) выражением
T_П(t)= T_O+ K_PS_FR_TП-К(t-τ_ТП-К), (3)
где T₀ - температура корпуса микросхемы, R_ТП-К - тепловое сопротивление переход-корпус, τ_ТП-К - тепловая постоянная времени переход-корпус микросхемы.

По такому же закону будет изменяться температурочувствительный параметр u_ТП(t) микросхемы, в качестве которого используется либо напряжение логического "0", либо логической "1", на выходе того логического элемента, логическое состояние которого не изменяется:
u_ТП(t)= k_Т• ΔT= k_Тk_PS_FR_ТП-К(t-τ_ТП-К). (4)
Эпюра u_ТП(t) представлена на фиг. 2б.

Напряжение u_ТП(t), используемое в качестве температурочувствительного параметра, поступает на входы устройств сравнения 6 и 7; на другие входы этих устройств сравнения 6 и 7 поступают опорные напряжения u_оп1 и u_оп2 соответственно. В моменты t₁ и t₂ сравнения напряжения u_ТП с u_оп1 и u_оп2

устройства сравнения 6 и 7 вырабатывают короткие импульсы (фиг. 2в), которые поступают на вход устройства управления 4 и запускают его. Устройство управления 4 вырабатывает короткий (по сравнению с интервалом t₂-t₁) стробирующий импульс длительностью t_стр << t₂-t₁ (фиг. 2г), который поступает на разрешающий вход временного селектора 8, на другой вход которого поступают переключающие импульсы с генератора 3. По сигналу с выхода первого устройства сравнения 6 в момент времени t₁ реверсивный счетчик 9 устанавливается в режим обратного счета. За время действия первого стробирующего импульса временной селектор 8 пропустит на вход реверсивного счетчика n₁ (фиг. 2д) переключающих импульсов
n₁ = (F₀ + S_Ft₁) • t_стр. (6)
По сигналу, поступающему со второго устройства сравнения 7, в момент времени 12 реверсивный счетчик 9 устанавливается в режим прямого счета. За время действия второго строб-импульса через временной селектор 8 на вход реверсивного счетчика пройдет n₂ (фиг. 2д) переключающих импульсов:
n₂= (F₀+S_Ft₂) • t_стр. (7)
В результате после окончания действия второго строб-импульса в счетчике останется число
Δn = n₂-n₁ = S_Ft_стр(t₂-t₁), (8)
которое высветится на индикаторе 10.

Это число связано с тепловым сопротивлением R_ТП-К простым соотношением, которое легко выводится из (5)
Δu_оп = u_оп2 - u_оп1 = k_Tk_PS_FR_ТП-К(t₂-t₁) (9)
и соответственно

Заметим, что при выборе F₀ ≈ 100 кГц, S_F ≈ 100 МГц/с, t_стр ≈ 1 мс, Δu_оп ≈ 20 мВ погрешность дискретизации при измерении разности частот не будет превышать 1%. Все остальные составляющие погрешности будут также малы по сравнению с погрешностями определения k_T и k_Р.

Использование: для контроля качества изготовления и оценки температурных запасов цифровых интегральных микросхем (ЦИС). Технический результат - повышение точности измерения теплового сопротивления переход-корпус ЦИС. Принцип работы основан на задании линейного закона изменения греющей мощности соответствующей модуляцией частоты переключающих импульсов и измерении скорости изменения температурочувствительности параметра. Устройство содержит контактную колодку с клеммами для подключения выводов контролируемой ЦИС. Источник питания соединен с клеммами для подключения выводов питания микросхемы. Выход генератора переключающих импульсов с линейно возрастающей частотой следования соединен с клеммами для подключения выводов, являющихся входами нескольких K < n, где n - общее число логических элементов микросхемы. Один выход источника опорных напряжений соединен с одним из входов первого устройства сравнения, второй его выход - соответственно с одним из входов второго устройства сравнения. Другие входы обоих устройств сравнения соединены с клеммой для подключения выхода того логического элемента микросхемы, логическое состояние которого не изменяется. Выходы обоих устройств сравнения соединены со входом устройства управления. Его выход соединен с одним из входов временного селектора, второй вход которого соединен с выходом генератора переключающих импульсов. Выход временного селектора соединен со счетным входом реверсивного счетчика, управляющий вход которого соединен с выходом второго устройства управления, выходы реверсивного счетчика соединены со входами индикатора. 2 ил.

Устройство измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем, содержащее контактную колодку с клеммами для подключения выводов контролируемой цифровой интегральной микросхемы, источник питания, соединенный с клеммами для подключения выводов питания контролируемой цифровой интегральной микросхемы, генератор переключающих импульсов с линейно возрастающей частотой следования, выход которого соединен с клеммами для подключения выводов, являющихся входами контролируемой цифровой интегральной микросхемы, и устройство управления, представляющее собой ждущий мультивибратор, отличающееся тем, что в него введены два устройства сравнения, источник двух опорных напряжений, временной селектор, реверсивный счетчик и индикатор, при этом один выход источника опорных напряжений соединен с одним из входов первого устройства сравнения, а второй его выход - соответственно с одним из входов второго устройства сравнения, другие входы обоих устройств сравнения соединены с клеммой для подключения выхода того логического элемента контролируемой цифровой интегральной микросхемы, логическое состояние которого не изменяется, выходы обоих устройств сравнения соединены со входом устройства управления, а выход устройства управления соединен с разрешающим входом временного селектора, второй вход которого соединен с выходом генератора переключающих импульсов, выход временного селектора соединен со счетным входом реверсивного счетчика, выходы которого соединены со входами индикатора, при этом реверсивный счетчик устанавливается в режим обратного счета по сигналу с выхода первого устройства сравнения в момент времени t₁ сравнения термочувствительного параметра контролируемой цифровой интегральной микросхемы с соответствующим опорным напряжением, а в режим прямого счета - по сигналу со второго устройства сравнения в момент времени t₂ сравнения термочувствительного параметра контролируемой цифровой интегральной микросхемы с соответствующим опорным напряжением, при этом устройство управления вырабатывает стробирующий импульс длительностью t_стр << t₁ - t₂.