СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ИМПЕДАНСА СВЕРХБОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ - МИКРОПРОЦЕССОРОВ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ Российский патент 2014 года по МПК G01R31/28 

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров интегральных микросхем и может быть использовано для контроля качества сверхбольших интегральных схем (СБИС) - микропроцессоров и микроконтроллеров и определения их температурных запасов.

Известен способ измерения теплового сопротивления переход-корпус микропроцессоров (см., например, Криницин В. Тепловой режим процессоров Pentium 4 и Athlon ХР// или Температура процессоров. - Режим доступа: Intel // ), заключающийся в том, что контролируемую СБИС (микропроцессор или микроконтроллер), размещенную на монтажной плате, включают в режим нагрева путем запуска специального «разогревающего» теста, при выполнении которого электрический ток и, соответственно, электрическая мощность, потребляемые СБИС, существенно возрастают, через некоторое время, необходимое для выхода СБИС в стационарный тепловой режим, измеряют ток, потребляемый СБИС от источника питания, и температурочувствительный параметр (ТЧП), в качестве которого используют прямое падение напряжения на специально сформированном в ядре современных микропроцессоров и микроконтроллеров p-n переходе при малом прямом токе. Умножая величину тока потребления СБИС на напряжение питания, рассчитывают потребляемую СБИС мощность в режиме выполнения специального «разогревающего» теста, а по изменению ТЧП находят приращение температуры кристалла СБИС, а тепловое сопротивление СБИС определяют как отношение приращения температуры к рассеиваемой СБИС мощности. В современных микропроцессорах и микроконтроллерах постоянное напряжение на датчике температуры (р-n переходе) преобразуется встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровой код, который может быть выведен на ЖК-индикактор или компьютер.

Недостатком указанного способа является большая погрешность измерения, обусловленная относительно небольшим изменением греющей мощности СБИС и малым полезным изменением ТЧП на уровне большого квазистатического значения этого параметра (обычно изменение напряжения на р-n переходе в результате разогрева кристалла СБИС составляет десятки милливольт, а падение напряжения, например, на кремниевом р-n переходе порядка 700 мВ, на арсенидгаллиевом p-n переходе порядка 3,0 B), а также небольшой (не более 8 разрядов) разрешающей способностью встроенного АЦП. Кроме того, измерение теплового сопротивления переход-корпус не позволяет определить вклад в теплоотвод отдельных слоев конструкции СБИС и оценить качество их сборки.

Более адекватным тепловым параметром СБИС, как и других классов интегральных микросхем, является тепловой импеданс или полное комплексное тепловое сопротивление, модуль которого на заданной частоте Q определяется как отношение амплитуды изменения температуры активной области интегральной микросхемы к амплитуде переменной составляющей, потребляемой интегральной микросхемой мощности, при изменении потребляемой мощности по гармоническому закону с частотой Ω, а фаза - как сдвиг фазы между переменной составляющей температуры и переменной составляющей потребляемой мощности. Частотная зависимость этого параметра позволяет оценить вклад каждого слоя конструкции интегральной микросхемы в общее тепловое сопротивление и оценить динамические тепловые свойства интегральной микросхемы.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ определения теплового импеданса КМОП цифровых интегральных схем (см. Сергеев В.А., Ламзин В.А., Юдин В.В. Способ определения теплового импеданса КМОП цифровых интегральных микросхем. - Заявка №2011114924/28 (020765) от 08.04.2011), состоящий в том, что контролируемую микросхему включают в режим периодического нагрева, при котором логическое состояние одного или нескольких логических элементов (ЛЭ) контролируемой микросхемы изменяют путем подачи на их входы последовательности высокочастотных переключающих импульсов и измеряют изменение ТЧП того ЛЭ, состояние которого не изменяется, при этом частоту переключающих импульсов изменяют (модулируют) периодической последовательностью прямоугольных импульсов с заданной частотой Ω и скважностью, равной 2, на частоте модуляции Ω, измеряют амплитуду переменной составляющей тока потребления $$I_{m1}^{пот}$$ и ТЧП $$I_{m1}^{ТП}$$ и сдвиг фазы между ними, по которым и определяют модуль и фазу теплового импеданса контролируемой микросхемы на частоте модуляции Ω.

Недостатком данного способа является то, что он требует наличия двух импульсных генераторов и не может быть применен для СБИС, поскольку доступ к отдельным ЛЭ в СБИС невозможен.

Технический результат - снижение аппаратных затрат и повышение точности измерения теплового импеданса СБИС - микропроцессоров и микроконтроллеров.

Технический результат достигается тем, что в контролируемую СБИС, установленную на теплоотводе и подключенную к источнику питания, загружается специальный («разогревающий») тест и программа управления режимом работы СБИС, по команде «запуск» по соответствующему входу контролируемая СБИС включается в режим периодического нагрева путем ее переключения с заданной частотой Q из режима выполнения специального теста в режим паузы, при этом время выполнения специального теста задают равным длительности паузы, то есть равным половине периода T=1/27πΩ переключения, через некоторое время, необходимое для выхода СБИС в установившийся тепловой режим, на частоте переключения измеряют амплитуду переменной составляющей тока потребляемого контролируемой СБИС и переменной составляющей температурочувствительного параметра , в качестве которого используют либо прямое падения напряжения на встроенном в ядро контролируемой СБИС р-n переходе либо напряжение логической единицы на одном из нагруженных резистивной нагрузкой выходов контролируемой СБИС, логическое состояние которого остается неизменным при переключении контролируемой СБИС из режима выполнения специального теста в режим паузы; модуль теплового импеданса контролируемой БИС на частоте переключения Ω определяют по формуле

$$\left|Z_T\left(\Omega \right)\right|=\frac{U_{m1}^{ТП}\left(\Omega \right)}{K_T{U}_{пит}{I}_{m1}^{пот}\left(\Omega \right)},\left(1\right)$$

где K_T - известный отрицательный температурный коэффициент температурочувствительного параметра, U_num- напряжение питания контролируемой СБИС, а фаза φ_T(Ω) теплового импеданса контролируемой СБИС на частоте модуляции определяется как сдвинутая на 180° разность фаз между первой гармоникой тока, потребляемого контролируемой СБИС, и первой гармоникой температурочувствительного параметра.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется эпюрами на фиг.1 и состоит в следующем. При переключении контролируемой СБИС из режима выполнения специального теста в режим паузы будет изменяться потребляемый контролируемой СБИС ток, а значит, и потребляемая контролируемой СБИС мощность: в течение паузы СБИС потребляемая мощность относительно невелика, а в режиме выполнения специального теста - существенно (во много раз) больше (фиг.1, a); то есть контролируемая СБИС будет разогреваться импульсной мощностью, периодически изменяющейся со скважностью 2. Амплитуду первой гармоники греющей мощности (фиг.1, б) на частоте переключения можно определить, измерив первую гармонику $$I_{m1}^{пот}$$ тока, потребляемого контролируемой СБИС:

$$P_{m1}=U_{пит}{I}_{m1}^{пот}.\left(2\right)$$

Если контролируемая СБИС размещена на массивном теплоотводе, то через некоторое время, превышающее три тепловых постоянных времени переход-корпус τ_Tn-к контролируемой СБИС (t>3τ_Тп-к), после начала периодического нагрева в контролируемой СБИС установится регулярный тепловой режим и температура θ(t) активной области СБИС будет пульсировать относительно среднего значения (фиг.1, в) с частотой Ω переключения СБИС из режима нагрева в режим паузы.

ТЧП контролируемой микросхемы U^ТП линейно связан с температурой θ(t) активной области СБИС: U^ТП(t)=K_Тθ(t), где К_Т - известный температурный коэффициент ТЧП. Если в качестве ТЧП использовать напряжение на встроенном в ядро СБИС р-n переходе или напряжение логической единицы $$U_{вых}^1(t)$$ на одном из выходов контролируемой СБИС, логическое состояние которого остается неизменным, то напряжение ТЧП будет пульсировать в противофазе с температурой θ(t), поскольку и напряжение на р-n переходе, и напряжение логической единицы имеют отрицательный температурный коэффициент. При этом амплитуда переменной составляющей ТЧП на частоте Ω будет пропорциональна амплитуде первой гармоники переменной составляющей температуры $$U_{m1}^{ТП}\left(\Omega \right)=K_T{\theta }_{m1}\left(\Omega \right)$$ (фиг.1, г). Соответственно амплитуда первой гармоники ТЧП с учетом (2) будет равна:

$$U_{m1}^{ТП}\left(\Omega \right)=K_T{U}_{пит}{I}_{m1}^{пот}\left(\Omega \right)\left|Z_T\left(\Omega \right)e^{j{\varphi }_T\left(\Omega \right)}\right|.\left(3\right)$$

Откуда и получаем выражение для теплового импеданса:

$$Z\left(\Omega \right)=\left|Z_T\left(\Omega \right)\right|e^{j{\varphi }_{{}_T}\left(\Omega \right)}=\frac{U_{m1}^{ТП}\left(\Omega \right)}{K_T{U}_{пит}{I}_{m1}^{пот}\left(\Omega \right)}{e}^{j{\varphi }_{{}_T}\left(\Omega \right)},\left(4\right)$$

где φ_Т(Ω) - разность фаз между первой гармоникой температуры рабочей поверхности кристалла контролируемой СБИС (фиг.1, д) и первой гармоникой греющей мощности (фиг.1, б).

На фиг.2 представлена структурная схема одного из вариантов устройства, реализующего предложенный способ. Устройство содержит источник 1 питания, контролируемую СБИС 2, размещенную на теплоотводе (монтажной плате), токосъемный резистор 3 с сопротивлением R_I; резистор нагрузки 4 с сопротивлением R_H, два селективных вольтметра 5 и 6 и измеритель 7 разности фаз. При этом положительный полюс источника 1 питания соединен с соответствующим контактным выводом контролируемой СБИС 2, а отрицательный полюс источника питания соединен с общей шиной устройства, при этом между общей шиной и контактным выводом контролируемой СБИС 2, предназначенным для подключения отрицательного полюса источника питания, включают токосъемный резистор 3 с сопротивлением R_I, к выходу одного их выводов контролируемой СБИС, логическое состояние которого не изменяется при переключении контролируемой СБИС из режима нагрева в режим паузы, подключен резистор нагрузки 4 и первый селективный вольтметр 5, а вход второго селективного вольтметра 6 соединяют с контактным выводом контролируемой СБИС, предназначенным для подключения отрицательного полюса источника питания, при этом линейные выходы селективных вольтметров соединены со входами измерителя разности фаз.

Способ осуществляется следующим образом. По сигналу «Запуск» контролируемая СБИС начинает работать в режиме периодического переключения из режима выполнения специального теста в режим паузы; на вход первого селективного вольтметра 5, настроенного на частоту переключения Ω, подается напряжение логической единицы с нагруженного резистивной нагрузкой выхода контролируемой СБИС, логическое состояние которого остается неизменным, а напряжение с токосъемного резистора 3, пропорциональное току, потребляемому контролируемой СБИС, подается на вход второго селективного вольтметра 6, также настроенного на частоту переключения; сигналы с линейных выходов первого селективного вольтметра 5 и второго селективного вольтметра 6 подаются на первый и второй входы измерителя разности фаз соответственно; через некоторое время после начала периодического переключения контролируемой СБИС из режима выполнения специального теста в режим паузы регистрируются показание U_CB1 первого селективного вольтметра 5, которое равно амплитуде первой гармонике ТЧП $$U_{CB1}=U_{m1}^{ТП}\left(\Omega \right)$$ , и показание U_CB2 второго селективного вольтметра 6, которое пропорционально первой гармонике тока, потребляемого контролируемой СБИС $$U_{CB1}=R_I{I}_{m1}^{пот}$$ и по показаниям селективных вольтметров вычисляют модуль теплового импеданса:

$$\left|Z_T\left(\Omega \right)\right|=\frac{R_I{U}_{CB2}}{K_T{U}_{пит}{U}_{CB1}};\left(5a\right)$$

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

$${\varphi }_T\left(\Omega \right)=\Delta \varphi -{180}^{\circ }.\left(5б\right)$$

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

Для повышения чувствительности метода контролируемую СБИС можно нагрузить различными периферийными устройствами, обращение к которым в режиме выполнения специального теста повышает ток, потребляемый СБИС.

Способ предназначен для использования на выходном и входном контроле качества сверхбольших интегральных схем (СБИС) - микропроцессоров и микроконтроллеров - и оценки их температурных запасов. В контролируемую СБИС, установленную на теплоотводе и подключенную к источнику питания, загружают специальный «разогревающий» тест и программу управления и включают в режим периодического нагрева путем переключения контролируемой СБИС из режима выполнения специального теста в режим паузы с частотой Ω и скважностью 2. На частоте модуляции Ω выделяют и измеряют амплитуду $$I_{m1}^{пот}\left(\Omega \right)$$ первой гармоники тока, потребляемого контролируемой СБИС, амплитуду $$U_{m1}^{ТП}\left(\Omega \right)$$ первой гармоники температурочувствительного параметра с известным отрицательным температурным коэффициентом K_T, например, напряжения на встроенном в ядро СБИС р-n переходе или напряжения логической единицы на одном из нагруженных резистивной нагрузкой выводов СБИС, логическое состояние которого не изменяется при переключении СБИС из одного режима в другой, и сдвиг фазы φ(Ω) между первой гармоникой тока, потребляемого контролируемой СБИС, и первой гармоникой температурочувствительного параметра. Модуль теплового импеданса контролируемой СБИС на частоте Ω определяют по формуле:

$$\left|Z_T\left(\Omega \right)\right|=\frac{U_{m1}^{ТП}\left(\Omega \right)}{K_T{U}_{пит}{I}_{m1}^{пот}\left(\Omega \right)}$$ ,

где U_пит - напряжение питания контролируемой БИС, а фазу φ_T(Ω) теплового импеданса контролируемой СБИС определяют как уменьшенную на 180° разность фаз между первой гармоникой температурочувствительного параметра и первой гармоникой тока, потребляемого контролируемой СБИС. 2 ил.

Способ определения теплового импеданса сверхбольших интегральных схем (СБИС) - микропроцессоров и микроконтроллеров, состоящий в том, что в контролируемую СБИС, установленную на теплоотводе и подключенную к источнику питания, загружают «разогревающий» тест и программу управления, затем контролируемую СБИС включают в режим периодического нагрева путем переключения из режима выполнения «разогревающего» теста в режим паузы с частотой Ω и скважностью 2, на частоте переключения Ω измеряют амплитуду $$I_{m1}^{пот}\left(\Omega \right)$$ первой гармоники потребляемого контролируемой СБИС тока, амплитуду $$U_{m1}^{ТП}\left(\Omega \right)$$ первой гармоники температурочувствительного параметра с известным отрицательным температурным коэффициентом K_T, например, напряжения на встроенном в ядро контролируемой СБИС p-n переходе или напряжения логической единицы на одном из нагруженных резистивной нагрузкой выводов контролируемой СБИС, логическое состояние которого не изменяется при переключении контролируемой СБИС из одного режима в другой, и разность фаз φ(Ω) между первой гармоникой тока, потребляемого контролируемой СБИС, и первой гармоникой температурочувствительного параметра; модуль теплового импеданса контролируемой СБИС на частоте Ω определяют по формуле:
$$\left|Z_T\left(\Omega \right)\right|=\frac{U_{m1}^{ТП}\left(\Omega \right)}{K_T{U}_{пит}{I}_{m1}^{пот}\left(\Omega \right)}$$ ,
где U_пит - напряжение питания контролируемой БИС, а фазу φ_T(Ω) теплового импеданса контролируемой СБИС определяют как уменьшенную на 180° разность фаз между первой гармоникой температурочувствительного параметра и первой гармоникой тока, потребляемого контролируемой СБИС.