СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ИМПЕДАНСА ЦИФРОВЫХ КМОП ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Российский патент 2014 года по МПК G01R31/28 

Изобретение относится к технике измерения параметров интегральных микросхем и может быть использовано для контроля качества цифровых интегральных микросхем на основе КМОП логических элементов (ЛЭ).

Известен способ определения теплового сопротивления цифровых КМОП интегральных микросхем, заключающийся в том, что логическое состояние одного или нескольких ЛЭ контролируемой микросхемы изменяют путем подачи на их входы последовательности переключающих импульсов, частота следования которых увеличивается по линейному закону, измеряют скорость изменения температурочувствительного параметра (ТЧП) того ЛЭ, состояние которого не изменяется, и по скорости изменения ТЧП определяют искомое тепловое сопротивление (см. Патент 2172493 РФ, G01R 31/28, 31/26 / Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / В.А. Сергеев. - Опубл. 20.08.2001. Бюл. №23, ч.2.). В качестве ТЧП в данном способе используется выходное напряжение логической единицы.

Недостатком известного способа является большая погрешность измерения, обусловленная относительно небольшой модуляцией греющей мощности и малым полезным изменением ТЧП на уровне большого квазистатического значения этого параметра.

Наиболее близким к заявленному изобретению и принятым за прототип является способ определения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем, заключающийся в том, что логическое состояние одного или нескольких ЛЭ контролируемой цифровой КМОП интегральной микросхемы изменяют путем подачи на их входы последовательности переключающих импульсов и измеряют изменение ТЧП того ЛЭ, логическое состояние которого не изменяется, при этом частоту следования переключающих импульсов изменяют (модулируют) по гармоническому закону с периодом на порядок большим тепловой постоянной времени переход-корпус данного типа микросхем, переменную составляющую ТЧП измеряют на частоте модуляции и искомое тепловое сопротивление определяют как отношение амплитуды переменной составляющей ТЧП на частоте модуляции к амплитуде переменной составляющей мощности нагрева на частоте модуляции и температурному коэффициенту ТЧП (см. А.С. 1310754 СССР, МКИ⁴ G01R 31/28. / Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / В.А. Сергеев, Г.Ф. Афанасьев, Б.Н. Романов и др. - Опубл. 15.05.87. Бюл. №18). В качестве ТЧП в указанном способе также предлагается использовать выходное напряжение логической единицы.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является большая погрешность измерения, обусловленная малой глубиной модуляции частоты следования переключающих импульсов, достижимой в современных генераторах качающейся частоты, и, соответственно, малой амплитудой переменной составляющей ТЧП.

Технический результат - повышение точности измерения теплового импеданса цифровых КМОП интегральных микросхем.

Технический результат достигается тем, что один из логических элементов контролируемой цифровой КМОП интегральной микросхемы устанавливают в состояние логической единицы, логическое состояния остальных логических элементов контролируемой цифровой КМОП интегральной микросхемы изменяют путем подачи на их входы последовательности переключающих греющих импульсов частотой повторения F_гр, последовательность переключающих греющих импульсов модулируют последовательностью видеоимпульсов с постоянным периодом следования Т_сл, длительность τ_P которых изменяют по гармоническому закону:

с частотой модуляции Ω_М, глубиной модуляции m и средним значеним длительности видеоимпульсов τ_P0; на частоте модуляции Ω_M измеряют амплитуду переменной составляющей тока, потребляемого контролируемой микросхемой, и амплитуду переменной составляющей температурочувствительного параметра - напряжения логической единицы на выходе того логического элемента, логическое состояние которого поддерживается неизменным, измеряют сдвиг фазы между первой гармоникой тока, потребляемого контролируемой микросхемой, и первой гармоникой температурочувствительного параметра на частоте модуляции, а модуль теплового импеданса контролируемой микросхемы на частоте Ω_M определяют по формуле:

где K_T - известный отрицательный температурный коэффициент температурочувствительного параметра, U_num - напряжение питания контролируемой микросхемы; а фаза теплового импеданса контролируемой микросхемы будет равна сдвинутой на 180° разности фаз между первой гармоникой температурочувствительного параметра и первой гармоникой тока, потребляемого микросхемой.

Отличие предлагаемого технического решения от известного способа состоит в том, что последовательность переключающих греющих импульсов модулируют последовательностью видеоимпульсов с постоянным периодом следования Т_сл, длительность τ_Р которых изменяют по гармоническому закону. Технический результат - повышение точности измерения теплового импеданса - достигается за счет увеличения полезного сигнала в результате увеличения глубины модуляции греющей мощности по сравнению с достижимой в известных способах; в предлагаемом способе глубина модуляции греющей мощности может быть сделана близкой к 1.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны эпюры измерительных воздействий и сигналов, а на фиг.2 - структурная схема варианта устройства, реализующего способ.

Периодическую последовательность переключающих импульсов частотой повторения F_гр (фиг.1,а), подаваемых на входы разогреваемых ЛЭ цифровой КМОП интегральной микросхемы, модулируют видеоимпульсами с постоянным периодом следования Т_сл, длительность τ_Р которых изменяют по гармоническому закону (1) с частотой Ω_M и глубиной модуляции m (фиг.1,б). Период следования видеоимпульсов выбирается из условия . В результате на вход разогреваемых ЛЭ цифровой КМОП интегральной микросхемы подаются пачки переключающих греющих импульсов (фиг.1,б).

За время переключения ЛЭ микросхемы из одного логического состояния в другое через полевые транзисторы ЛЭ протекают токи заряда и разряда емкости нагрузки С_H, которые вызывают их нагрев (см. Тилл, У. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление; пер. с англ. / У. Тилл, Дж. Лаксон. - М.: Мир, 1985. - С.474-475). Средняя греющая мощность Р_гр, выделяемая в КМОП ЛЭ при их переключении с частотой F_гр, будет равна:

где k - число переключаемых ЛЭ, U_num - напряжение питания микросхемы. Определить величину Р_гр можно, зная напряжение питания и измерив средний ток, потребляемый микросхемой из источника питания за время действия переключающих импульсов:

Таким образом, во время действия пачки переключающих греющих импульсов средняя за период Т_гр мощность Р_гр, выделяющаяся в микросхеме, будет постоянной (фиг.1,в), то есть микросхема будет разогреваться последовательностью импульсов мощности постоянной амплитуды Р_гр, длительность τ_Р которых изменяется по гармоническому закону (1). Ряд Фурье последовательности импульсов амплитудой Р_гр, широтно-импульсно модулированной по гармоническому закону (1), имеет вид

где P_m1=2mР_грτ_P0/Т_сл - амплитуда первой гармоники изменения греющей мощности на частоте модуляции Ω_M, Р₀=P_грτ_P0/Т_сл - постоянная составляющая греющей мощности; В_i(t) - огибающая гармоники на частоте i·F_гр; Δφ_i=i·F_грΔτ_P - индекс модуляции ШИМ, Δτ_Р=2mτ_Р0 - девиация фронта импульса (см., например, Системы передачи информации с временным разделением каналов. Лабораторная работа №11 [Электронный ресурс] /www.mpei.ru/Exp/getparm_AU.asp?parmvalueid:=4000070000889)

Известно, что в приближении одномерного теплового потока тепловая эквивалентная схема интегральной микросхемы может быть представлена линейной электрической цепью, представляющей n последовательно соединенных RС-цепочек (Сергеев В.А. Методы и средства измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем // Электронная промышленность. - 2004. - №1. - С.45-48). При разогреве интегральной микросхемы переменной мощностью спектр температуры активной области микросхемы может быть представлен в виде

где - тепловой импеданс интегральной микросхемы, P(Ω) - спектр греющей интегральную микросхему мощности, R_Ti, τ_Ti - тепловое сопротивление и тепловая постоянная времени соответствующего слоя конструкции интегральной микросхемы, φ(Ω) - фаза теплового импеданса, равная разности фаз между переменной составляющей температуры и переменной составляющей греющей мощности на частоте изменения мощности.

В приближении одномерной линейной тепловой модели интегральной микросхемы через некоторое время, превышающее три тепловых постоянных времени τ_Tn-к переход-корпус интегральной микросхемы (t>3τ_Tn-к), после начала модуляции последовательности переключающих греющих импульсов последовательностью видеоимпульсов с периодом следования Т_сл и длительностью, изменяющейся по гармоническому закону с частотой Ω_M, в интегральной микросхеме установится регулярный режим и температура Θ(t) активной области интегральной микросхемы будет пульсировать относительно некоторого значения , изменяющегося по гармоническому закону с частотой Ω_M модуляции греющей мощности (фиг.1,г):

где φ - сдвиг фаз между переменной составляющей греющей мощности и переменной составляющей температуры активной области интегральной микросхемы, - среднее значение температуры, θ_m(Ω_M) - амплитуда гармонической составляющей температуры на частоте Ω_M модуляции греющей мощности. При выполнении условия τ_Тп-к>>T_сл величина пульсаций δΘ(t) температуры активной области интегральной микросхемы будет во много раз меньше Θ_m: δΘ(t)<<Θ_m (см., например, Давидов П.Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов. - М.: Энергия, 1967. - С.100÷116).

Поскольку выходное напряжение логической единицы ЛЭ, выбранного в качестве датчика температуры цифровой КМОП интегральной микросхемы, линейно зависит от температуры с отрицательным температурным коэффициентом К_Т, то это напряжение будет повторять (с обратным знаком) изменение температуры активной области цифровой КМОП интегральной микросхемы (фиг.1,д), а амплитуда первой гармоники этого напряжения с учетом (6) будет равна:

Откуда и получаем выражение для модуля теплового импеданса:

Для увеличения полезного сигнала и повышения точности измерения теплового импеданса частоту следования F_гр переключающих греющих импульсов рекомендуется выбирать вблизи предельной частоты для конкретного типа микросхем. При этом, очевидно, амплитуда греющей мощности и тока, потребляемого микросхемой от источника питания, во время действия пачки переключающих греющих импульсов будет различной для разных образцов микросхем одного типа и их необходимо измерять.

С целью упрощения измерительной процедуры амплитуду переменной составляющей тока, потребляемого микросхемой от источника, на частоте модуляции можно изменять путем изменения частоты переключающих импульсов и устанавливать на одном для всех контролируемых образцов микросхем уровне. Если этот уровень выбрать из условия , то есть , где ν - целое число, то значение амплитуды ТЧП на частоте модуляции будет равно модулю теплового импеданса в выбранной системе единиц с точностью до десятичного множителя.

На фиг.2 представлена структурная схема одного из вариантов устройства, реализующего способ. Устройство содержит генератор 1 высокочастотных переключающих импульсов; генератор 2 прямоугольных видеоимпульсов с длительностью, изменяющейся по гармоническому закону; временной селектор 3; источник 4 питания; контролируемую микросхему 5, размещенную на теплоотводе; токосъемный резистор 6 с сопротивлением R_I·, конденсаторы нагрузки 7 емкостью С_н, переключатель 8, резистор нагрузки 9 с сопротивлением R_H; два селективных вольтметра 10 и 11 и измеритель 12 разности фаз. При этом выход генератора 1 высокочастотных переключающих импульсов соединен с первым входом временного селектора 3, второй вход которого соединен с выходом генератора 2 прямоугольных видеоимпульсов с длительностью, изменяющейся по гармоническому закону, положительный полюс источника 4 питания соединен с соответствующим контактным выводом контролируемой микросхемы 5, а отрицательный полюс источника питания соединен с общей шиной устройства через токосъемный резистор 6 с сопротивлением R_I, выход временного селектора 3 соединен со входами нескольких ЛЭ контролируемой микросхемы 5; к выходам этих ЛЭ подключены конденсаторы 7 нагрузки емкостью С_н, вход одного из ЛЭ контролируемой микросхемы в зависимости от его типа подключается с помощью переключателя 8 либо к общей шине устройства, либо к положительному полюсу источника питания, а к выходу этого ЛЭ подключены резистор нагрузки 9 и первый селективный вольтметр 10, а вход второго селективного вольтметра 11 соединен с контактным выводом контролируемой микросхемы, предназначенным для подключения отрицательного полюса источника питания, при этом линейные выходы селективных вольтметров соединены со входами измерителя 12 разности фаз.

Устройство работает следующим образом. На контролируемую микросхему подается напряжение питания U_num. По сигналу «Пуск» запускаются генератор 1 высокочастотных переключающих импульсов и генератор 2 прямоугольных видеоимпульсов с длительностью, изменяющейся по гармоническому закону, импульсы с выхода генератора 1 высокочастотных переключающих импульсов подаются на один из входов временного селектора 3, на второй вход которого подаются импульсы с выхода генератора 2 прямоугольных видеоимпульсов с длительностью, изменяющейся по гармоническому закону; с выхода временного селектора 3 пачки высокочастотных переключающих импульсов поступают на входы нескольких ЛЭ контролируемой микросхемы 5; один из ЛЭ контролируемой микросхемы устанавливают в состояние логической единицы на выходе путем подключения с помощью переключателя 8 в зависимости от типа ЛЭ либо к общей шине, либо к положительному полюсу источника питания, напряжение логической единицы с выхода этого ЛЭ подается на вход первого селективного вольтметра 10, настроенного на частоту модуляции; напряжение с токосъемного резистора 6, пропорциональное току, потребляемому контролируемой микросхемой, подается на вход второго селективного вольтметра 11, также настроенного на частоту модуляции; сигналы с линейных выходов первого селективного вольтметра 10 и второго селективного вольтметра 11 подаются на первый и второй входы измерителя 12 разности фаз соответственно; через некоторое время после начала модуляции высокочастотных переключающих импульсов регистрируются показание U_CB1 первого селективного вольтметра 10, которое равно амплитуде первой гармоники температурочувствительного параметра , и показание U_CB2 второго селективного вольтметра 11, которое пропорционально первой гармонике тока, потребляемого контролируемой микросхемой и по показаниям селективных вольтметров вычисляют модуль теплового импеданса:

а показания измерителя разности фаз Δφ после вычитания 180° равны фазе теплового импеданса:

Для исключения влияния сопротивления токосъемного резистора на результат измерения температурочувствительного параметра это сопротивление необходимо выбирать как можно меньше, исходя из порога чувствительности селективного вольтметра, либо проводить измерение ТЧП при закороченном токосъемном резисторе.

Изобретение предназначено для использования на выходном и входном контроле качества цифровых КМОП интегральных микросхем и оценки их температурных запасов. Сущность: на входы одного или нескольких логических элементов контролируемой микросхемы подают последовательность высокочастотных переключающих греющих импульсов частотой F_гр, модулированных последовательностью прямоугольных видеоимпульсов с постоянным периодом следования Т_сл, длительность τ_р которых изменяется по гармоническому закону с частотой Ω_М. На частоте модуляции Ω_М выделяют и измеряют амплитуду первой гармоники тока, потребляемого контролируемой микросхемой, амплитуду первой гармоники температурочувствительного параметра - выходного напряжения логической единицы того логического элемента, состояние которого не изменяется, и сдвиг фазы φ(Ω_М) между первой гармоникой тока, потребляемого контролируемой микросхемой, и первой гармоникой температурочувствительного параметра. По измеренным величинам определяют модуль и фазу теплового импеданса контролируемой микросхемы на частоте Ω_М. Технический результат: повышение точности измерения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения теплового импеданса цифровых КМОП интегральных микросхем, состоящий в том, что логическое состояние одного или нескольких логических элементов контролируемой микросхемы изменяют путем подачи на их входы последовательности переключающих греющих импульсов, параметры последовательности модулируют по гармоническому закону, на частоте модуляции измеряют амплитуду переменной составляющей температурочувствительного параметра - напряжения логической единицы на выходе того логического элемента, логическое состояние которого поддерживается неизменным, отличающийся тем, что последовательность переключающих греющих импульсов напряжения модулируют последовательностью видеоимпульсов с постоянным периодом следования, длительность τ_P которых изменяют по гармоническому закону
τ_P=τ_P0(1+msinΩ_Mt),
с частотой модуляции Ω_М, глубиной модуляции m и средним значением τ_P0; на частоте модуляции Ω_М выделяют и измеряют амплитуду переменной составляющей тока, потребляемого контролируемой микросхемой, и амплитуду переменной составляющей температурочувствительного параметра, а также разность фаз φ(Ω_М) между первой гармоникой тока, потребляемого контролируемой микросхемой, и первой гармоникой температурочувствительного параметра; модуль теплового импеданса контролируемой микросхемы на частоте Ω определяют по формуле

где K_Т - известный отрицательный температурный коэффициент электрического температурочувствительного параметра, U_num - напряжение питания контролируемой микросхемы; а фаза φ_Т(Ω_М) теплового импеданса контролируемой микросхемы равна сдвинутой на 180° разности фаз между первой гармоникой температурочувствительного параметра и первой гармоникой тока, потребляемого микросхемой.

2. Способ определения теплового импеданса цифровых КМОП интегральных микросхем по п.1, отличающийся тем, что амплитуду переменной составляющей тока, потребляемого микросхемой от источника питания, на частоте модуляции путем изменения частоты переключающих греющих импульсов устанавливают равной , где ν - целое число, при этом значение амплитуды температурочувствительного параметра на частоте модуляции будет равно модулю теплового импеданса в выбранной системе единиц с точностью до десятичного множителя 10^-ν.