СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕХОДНОЙ ТЕПЛОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ Российский патент 2019 года по МПК G01R31/28 

Изобретение относится к технике измерения тепловых характеристик полупроводниковых изделий и может быть использовано для измерения переходных тепловых характеристик цифровых интегральных схем (ЦИС) как на этапах их разработки и производства, так и на входном контроле предприятий-потребителей ЦИС или при выборе режимов эксплуатации.

Ключевой задачей контроля тепловых свойств полупроводниковых приборов (ППП) является определение параметров их тепловой эквивалентной схемы, по которым можно рассчитать температуру активной области (р-n-перехода) ППП в любом заданном режиме работы прибора. В приближении одномерной тепловой схемы ППП задача сводится к определению набора значений тепловых сопротивлений (R_Ti) и теплоемкостей (C_Ti) или тепловых постоянных времени (τ_Ti=R_Ti⋅C_Ti) отдельных элементов и слоев материалов, составляющих конструкцию ППП. Указанные параметры могут быть определены по переходной тепловой характеристике (ПТХ) H(t) ППП, то есть по изменению температуры Δθ_n(t) активной области прибора при его саморазогреве рассеиваемой электрической мощностью заданного уровня Р₀, включаемой в момент времени t=0: H(t)=Δθ_n(t)/P₀.

Известен способ измерения ПТХ ППП с p-n-переходами по кривой остывания (см. Давидов П.Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов. М.: Энергия. - 1967. - стр. 33), состоящий в том, что исследуемый ППП разогревают электрической мощностью известного уровня до установившегося теплового режима, затем разогревающую электрическую мощность отключают, и в заданные моменты времени измеряют изменение температуры р-n-перехода по изменению температурочувствительного параметра (ТЧП), в качестве которого чаще всего используют прямое падение напряжения на р-n-переходе ППП при малом прямом токе. Недостатками этого способа является большое время измерения, определяемое предварительным разогревом ППП до установившегося теплового режима и последующим охлаждением до температуры окружающей среды (фактически время измерения в два раза превышает длительность ПТХ), а также большая погрешность измерения, обусловленная несимметричным характером кривых охлаждения и нагрева ППП из-за различия формы тепловых потоков при охлаждении и нагреве ППП: нагрев ППП осуществляется локальными источниками тепла на поверхности кристалла, а отвод тепла - со всех нагретых поверхностей конструкции ППП.

Известен способ измерения ПТХ ППП с p-n-переходами (см. IC Thermal Measurement Method - Electrical Test Method (Single Semiconductor Device) EIA/JEDEC JESD51-14 standard // http://www.jedec.org/download/search/jesd51-14.pdf), состоящий в том, что на изделие подают ступеньку электрической греющей мощности заданного значения, в процессе разогрева изделия в определенные моменты времени t_i на короткий интервал времени (длительностью до нескольких десятков микросекунд) греющую мощность отключают, через контролируемый p-n-переход пропускают малый прямой ток и измеряют ТЧП - прямое падение напряжения на p-n-переходе - температурный коэффициент К_Т которого известен, приращение температуры Δθ_n(t_i) в момент времени t_i определяется по изменению ТЧП:

где U_p-n(0) - падение напряжение на p-n-переходе до разогрева изделия, U_p-n(t_i) - падение напряжения на p-n-переходе в момент времени t_i.

Этот метод реализован, в частности, в установке T3Ster - Thermal Transient Tester (см. T3Ster - Thermal Transient Tester // www.mentor.com/micred).

Недостатком указанного способа является значительная погрешность измерения ТЧП - прямого падения напряжения на контролируемом p-n-переходе - сразу же после выключения греющей мощности из-за влияния паразитных переходных электрических процессов, возникающих в p-n-переходе ППП при переключении из греющего режима в измерительный (см., например, Сергеев В.А., Юдин В.В. Измерение тепловых параметров полупроводниковых изделий с применением амплитудно-импульсной модуляции греющей мощности // Измерительная техника. - 2010. - №6. - С. 32-39.). Для снижения этой погрешности измерение ТЧП необходимо проводить через некоторое время задержки после выключения греющей мощности, за которое электрический переходный процесс в основном завершится; за это время температура p-n-перехода может заметно измениться. При этом постоянная времени релаксации электрических процессов заранее не известна, сильно зависит от значения греющей мощности и может значительно отличаться от образца к образцу.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения ПТХ ЦИС (см. патент №2613481 РФ Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем / Сергеев В.А., Тетенькин Я.Г. - Опубл. 16.03.2017, Бюл. №8), принятый в качестве прототипа и включающий подачу на ЦИС питающего напряжения, разогрев ЦИС ступенькой электрической греющей мощности путем включения нечетного количества логических элементов ЦИС по схеме кольцевого генератора (КГ), измерение в процессе разогрева в заданные моменты времени t_i мгновенной потребляемой ЦИС мощности и частоты ƒ_КГ колебаний КГ, температурный коэффициент К_Тƒ которой известен, и определение значения ПТХ в моменты времени t_t по формуле

где ƒ_КГ(0) и ƒ_КГ(t_i) - частота колебаний КГ в моменты времени t₀=0 и t_i, соответственно, P_cp(t_i)=[Р(0)+Р(t_i)]/2 - средняя мощность, потребляемая ЦИС за время от начала нагрева t₀=0 до момента времени t_i, а Р(0) и P(t_i) - мгновенная мощность, потребляемая ЦИС в моменты времени t₀=0 и t_i, соответственно.

Основной недостаток известного способа - значительная погрешность измерения ПТХ в начале (в первые несколько сотен микросекунд) нагрева ЦИС, обусловленная большой погрешностью измерения частоты при малом времени измерения. Как показано в описании известного способа по патенту 2613481 РФ, для измерения частоты КГ методом дискретного счета с погрешностью, сравнимой с погрешностью способа по стандарту JESD51-14, необходимо время счета Т_с порядка 100 мкс, а для двукратного измерения - не менее 200 мкс. Поскольку тепловые постоянные времени τ_Ткр кристалла современных ЦИС составляют сотни микросекунд, то за время измерения частоты КГ температура кристалла может заметно измениться, что приведет к погрешности определения ПТХ в начале нагрева ЦИС. Заметим, что ПТХ именно в начале нагрева ЦИС является наиболее информативной характеристикой для диагностики качества структуры ЦИС.

Технический результат - повышение точности измерения ПТХ в начале разогрева ЦИС.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем, в котором на цифровую интегральную схему подают питающее напряжение заданного значения, разогревают цифровую интегральную схемы ступенькой электрической греющей мощности путем включения нечетного количества логических элементов по схеме кольцевого генератора, измеряют в процессе разогрева в заданные моменты времени t_i мгновенную потребляемую мощность и температурочувствительный параметр, температурный коэффициент которого известен, рассчитывают среднюю мощность потребления цифровой интегральной схемой за время от начала нагрева t₀=0 до момента времени t_i, определяют значение переходной тепловой характеристики как отношение приращения температурочувствительного параметра к известному температурному коэффициенту и к средней потребленной мощности для каждого заданного момента времени t_i, отличие заключается в том, что один логический элемент цифровой интегральной схемы поддерживают в заданном логическом состоянии, и в качестве температурочувствительного параметра измеряют напряжение на выходе логического элемента, состояние которого задано, а значение переходной тепловой характеристики в момент времени t_i находят по формуле

где U_вых(0) и U_вых(t_i) - выходное напряжение логического элемента, логическое состояние которого задано, в моменты времени t₀=0 и t_i, соответственно, К_U - температурный коэффициент выходного напряжения логического элемента, P_cp(t_i)=[Р(0)+Р(t_i)]/2 - средняя мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой за время от начала нагрева до момента времени t_i, а Р(0) и P(t_i) - мгновенная мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой в моменты времени t₀=0 и t_i, соответственно.

Сущность изобретения состоит в следующем. Несколько логических элементов (ЛЭ) контролируемой ЦИС соединяют по схеме КГ. При подключении ЦИС к источнику питания КГ начинает генерировать колебания на частоте, близкой к предельной частоте ЦИС, ЦИС начнет потреблять электрическую мощность от источника питания для поддержания этих колебаний и будет разогреваться этой мощностью.

В известном способе в качестве ТЧП используется частота колебаний КГ, которая слабо уменьшается с ростом температуры из-за увеличения времени задержки сигнала в ЛЭ ЦИС. В начале нагрева ЦИС измерение частоты колебаний КГ необходимо проводить как можно быстрее, однако с уменьшением времени измерения погрешность измерения частоты возрастает. Для уменьшения погрешности измерения ПТХ ЦИС в начале нагрева, в предлагаемом способе в качестве ТЧП измеряется напряжение U_вых на выходе ЛЭ, логическое состояние которого задано. Измерение этого напряжения может осуществляться с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Быстродействие (время преобразования t_пр) современных АЦП на несколько порядков лучше, чем у частотомеров, и составляет доли микросекунд. При известном температурном коэффициенте К_U напряжения на выходе ЛЭ приращение температуры перехода в момент времени t_i определяется по формуле .

В прототипе показано, что при расчете значений H(t_i) ПТХ необходимо использовать не мгновенное значение, а значение средней потребляемой ЦИС мощности за время от t₀=0 до , где U_пит - напряжение питания ЦМС, - средний ток потребления ЦИС.

Таким образом, значение ПТХ в момент времени t_i определяется по формуле

Изменение температуры кристалла за время t_пр преобразования АЦП определяется выражением

,

и при условии t_пр<<<τ_Ткр относительная систематическая погрешность измерения ПТХ в начале нагрева ε=δθ/Δθ_кр≈t_пр/τ_Ткр будет во много раз меньше чем в прототипе, где она определяется отношением Т_с/τ_Ткр, т.к. t_пр<<Т_с.

Погрешность квантования АЦП, как известно, равна 0,5 единицы младшего разряда. Так, при измерении ТЧП 16-разрядным АЦП с пределом измерения 3 В, погрешность измерения составит 0,022 мВ, что при K_U=2 мВ/К соответствует изменению температуры на 0,011 К. При тепловых измерениях такой погрешностью практически можно пренебречь.

Таким образом, достигается технический результат способа - повышение точности измерения ПТХ в начале разогрева ЦИС.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ, а на фиг. 2 - эпюры сигналов, поясняющие сущность способа и принцип работы устройства.

Устройство содержит контролируемую ЦИС 1, нечетное количество ЛЭ (ЛЭ1-ЛЭn) которой соединены по схеме КГ и один ЛЭ (ЛЭq), выходное напряжение которого используется в качестве ТЧП, источник 2 питания, блок управления 3, сопротивление нагрузки 4, преобразователь 5 тока в напряжение в цепи питания ЦИС, первый АЦП 6, первое оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 7, второй АЦП 8, второе ОЗУ 9, вычислитель 10, индикатор 11, шину управления 12 и шину данных 13.

Работа устройства показана на примере измерения ПТХ КМОП ЦИС. В качестве ТЧП выбрано напряжение логической единицы ЛЭ с отрицательным температурным коэффициентом напряжения K_U.

Устройство работает следующим образом. Блок управления 3 в момент времени t₀=0 формирует импульс U_У1 цикла измерения длительностью Т_Ц (фиг. 2, а), достаточной для достижения стационарного теплового режима ЦИС, который поступает на вход первого ЛЭ в составе КГ контролируемой ЦИС 1. КГ начинает генерировать импульсы с частотой следования ƒ_КГ (фиг. 2, б), которая близка к предельно допустимой для данного типа ЦИС, и ЦИС будет заметно разогреваться поглощаемой мощностью. Изменение температуры Δθ_n(t) перехода ЦИС показано на фиг. 2в. С другого выхода блока управления 3 на первый АЦП 6 и второй АЦП 8 в заданные моменты времени t_i подаются короткие управляющие импульсы U_У2 для запуска АЦП (см. фиг. 2г).

Увеличение температуры кристалла приводит к уменьшению напряжения на выходе ЛЭ_q (см. фиг. 2д), которое с сопротивления 4 нагрузки R_н подается на первый АЦП 6. Преобразователь 5 тока в напряжение с внутренним сопротивлением R в цепи питания ЦИС преобразует ток потребления в напряжение U_R, которое подается на второй АЦП 8. По сигналу управляющих импульсов U_У2 происходит преобразование напряжений U_вых и U_R в коды, которые по команде блока управления 3 через шину управления 12 передаются по шинам данных 13 на первое ОЗУ 7 и на второе ОЗУ 9, соответственно. Вычислитель 10 за время между управляющими импульсами U_У2 определяет средний ток, потребляемый ЦИС, по формуле , рассчитывает значение ПТХ по формуле и передает массив данных {t_i, H(t_i)} на индикатор 11, который отображает эту информацию в удобной для оператора форме.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля тепловых свойств цифровых интегральных схем (ЦИС). Сущность: для измерения переходной тепловой характеристики (ПТХ) цифровой интегральной схемы нечетное количество логических элементов включают по схеме кольцевого генератора. Подают питающее напряжение заданного значения и разогревают цифровую интегральную схему ступенькой электрической греющей мощности. Один логический элемент цифровой интегральной схемы поддерживают в заданном логическом состоянии, а в качестве температурочувствительного параметра используют напряжение на выходе логического элемента, состояние которого задано. Измеряют в процессе разогрева в заданные моменты времени t_i мгновенную потребляемую мощность и напряжение на выходе логического элемента с известным температурным коэффициентом напряжения. Рассчитывают среднюю мощность потребления цифровой интегральной схемой за время от начала нагрева t₀=0 до момента времени t_i. Определяют значение переходной тепловой характеристики как отношение приращения напряжения на выходе логического элемента к известному температурному коэффициенту и к средней потребленной мощности для каждого заданного момента времени t_i по формуле

,

где U_вых(0) и U_вых(t_i) - выходное напряжение логического элемента, логическое состояние которого задано, в моменты времени t₀=0 и t_i соответственно, К_U - температурный коэффициент выходного напряжения логического элемента, P_cp(t_i)=[P(0)+P(t_i)]/2 - средняя мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой за время от начала нагрева до момента времени t_i, а Р(0) и P(t_i) - мгновенная мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой в моменты времени t₀=0 и t_i соответственно. Технический результат: повышение точности измерения ПТХ в начале разогрева ЦИС. 2 ил.

Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем, в котором на цифровую интегральную схему подают питающее напряжение заданного значения, разогревают цифровую интегральную схемы ступенькой электрической греющей мощности путем включения нечетного количества логических элементов по схеме кольцевого генератора, измеряют в процессе разогрева в заданные моменты времени t_i мгновенную потребляемую мощность и температурочувствительный параметр, температурный коэффициент которого известен, рассчитывают среднюю мощность потребления цифровой интегральной схемой за время от начала нагрева t₀=0 до момента времени t_i, определяют значение переходной тепловой характеристики как отношение приращения температурочувствительного параметра к известному температурному коэффициенту и к средней потребленной мощности для каждого заданного момента времени t_i, отличающийся тем, что один логический элемент цифровой интегральной схемы поддерживают в заданном логическом состоянии, и в качестве температурочувствительного параметра измеряют напряжение на выходе логического элемента, состояние которого задано, а значение переходной тепловой характеристики в момент времени t_i находят по формуле

где U_вых(0) и U_вых(t_i) - выходное напряжение логического элемента, логическое состояние которого задано, в моменты времени t₀=0 и t_i соответственно, К_U - температурный коэффициент выходного напряжения логического элемента, P_cp(t_i)=[Р(0)+P(t_i)]/2 - средняя мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой за время от начала нагрева до момента времени t_i, а Р(0) и P(t_i) - мгновенная мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой в моменты времени t₀=0 и t_i соответственно.