СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КМОП ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Российский патент 2021 года по МПК G01R31/28 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества цифровых интегральных микросхем с КМОП логическими элементами и оценки их температурных запасов.

Известен способ (см., например, Закс, Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем / Д.И. Закс. - М.: Радио и связь, 1983. - С. 31-33) определения теплового сопротивления R_T цифровых интегральных микросхем, в котором один логический элемент контролируемой микросхемы, выбранный в качестве источника тепла, нагревают проходящим током, измеряют температурочувствительный параметр (ТЧП) до и после нагрева, определяют приращение ТЧП, измеряют потребляемую греющую мощность микросхемы до и после нагрева, определяют приращение греющей мощности и определяют тепловое сопротивление как отношение приращения ТЧП к приращению греющей мощности и известному температурному коэффициенту ТЧП.

Недостатком известного способа является невозможность определения теплового сопротивление КМОП цифровых интегральных микросхем, так как в статическом состоянии в микросхеме рассеивается очень малая мощность, которой недостаточно для заметного нагрева кристалла микросхемы.

Наиболее близким к заявленному изобретению и принятым за прототип является способ (см. А. с. 1310754 СССР, 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) определения теплового сопротивления R_T КМОП цифровых интегральных микросхем, заключающийся в том, что один или нескольких логических элементов контролируемой микросхемы, выбранных в качестве источников тепла (ЛЭ_гр), нагревают путем подачи на их входы переключающих высокочастотных импульсов частотой F_ВЧ, измеряют изменение ТЧП логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры (ЛЭ_дат), определяют приращение греющей мощности и определяют тепловое сопротивление как отношение приращения ТЧП к приращению греющей мощности и известному температурному коэффициенту ТЧП.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что изменение ТЧП - напряжения логической единицы, установленного на выходе логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры (ЛЭ_дат), происходит как за счет полезной тепловой связи с греющим логическим элементом ЛЭ_гр, так и за счет паразитной электрической связи с этим же логическим элементом по внутренним цепям питания контролируемой микросхемы (см., например, А. с. 1613978 СССР, МКИ G01R 31/28. Способ измерения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем и устройство для его осуществления / В.А. Сергеев, В.В. Юдин, Н.Н. Горюнов. - №4336240/24-21; заявл. 30.11.87; опубл. 15.12.90, Бюл. №46).

Механизм действия паразитной электрической связи состоит в том, что в момент переключения через логический элемент КМОП микросхемы протекает сквозной ток, который создает падение напряжения на сопротивлении внутренней шины питания R_nap в виде положительных и отрицательных электрических выбросов по фронтам высокочастотных переключающих импульсов и переходных затухающих процессов. Поскольку значение напряжения логической единицы на выходе логического элемента зависит от напряжения источника питания E_n, то в результате выходное напряжение логической единицы датчика температуры ЛЭ_дат будет иметь ту же форму, что и напряжение питания логического элемента. Амплитуда и форма положительных и отрицательных выбросов и переходных процессов различна и среднее значение напряжения выбросов будет суммироваться с уровнем напряжения на выходе логического элемента, соответствующего текущей температуре кристалла микросхемы. Погрешность измерения изменения напряжения, выбранного в качестве ТЧП, повышается. Для повышения чувствительности способа необходимо увеличивать температуру нагрева кристалла контролируемой микросхемы путем увеличения, например, частоты F_ВЧ вплоть до предельной частоты переключения, так как греющая мощность Р_гр связана с частотой переключения F_ВЧ известной зависимостью (см., например, Тилл, У. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление: пер. с англ. / У. Тилл, Дж. Лаксон. - М.: Мир, 1985. - С. 475):

где С_н - выходная емкость КМОП микросхемы и емкость нагрузки. Погрешность измерения в этом случае также будет увеличиваться.

Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения за счет исключения влияния электрической составляющей по цепи питания контролируемой микросхемы.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения теплового сопротивления КМОП цифровых интегральных микросхем один или несколько логических элементов контролируемой микросхемы разогревают путем подачи на их входы переключающих импульсов высокой частоты F_ВЧ, определяют приращение греющей мощности, измеряют изменение температурочувствительного параметра до и после разогрева и определяют тепловое сопротивление как отношение изменения температурочувствительного параметра к приращению греющей мощности и известному температурному коэффициенту температурочувствительного параметра, отличие заключается в том, что на вход логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры и не имеющего функциональной связи с греющими логическими элементами, подают прямоугольные переключающие импульсы, частота следования F_TЧП которых меньше частоты переключения F_ВЧ греющих логических элементов, импульсы с выхода логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры, подают на вход вольтметра постоянного напряжения через последовательно соединенные два внешних по отношению к контролируемой микросхеме КМОП инвертора и измеряют среднее значение импульсного напряжения до и после нагрева, которое и используют в качестве температурочувствительного параметра.

Сущность изобретения заключается в следующем. Функционально не связанные логические элементы цифровых интегральных микросхем имеют электрическую связь по внутренним паразитным сопротивлениям R_nap цепи питания. Ток потребления I_n микросхемы, протекающий по сопротивлениям R_nap, создает падения напряжения на них, приводящие к уменьшению напряжений питания логических элементов Е_nЛЭ (см. фиг. 2). Уменьшение напряжения питания значительно меньше пороговых напряжений переключения ЛЭ и практически не оказывает никакого влияния на функциональную работоспособность цифровой схемы, объединяющей несколько логических элементов.

У КМОП микросхем падение напряжения на сопротивлении R_nap происходит в моменты переключения логического элемента из одного логического состояния в другое и проявляется в виде электрических выбросов по фронтам переключающих импульсов и периодических затухающих колебаний электрических переходных процессов во время следования и паузы импульсов. Напряжение на выходе логического элемента в отсутствии электрических выбросов практически равно напряжению питания микросхемы , (см., например, Тилл, У. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление: пер. с англ. / У. Тилл, Дж. Лаксон. - М.: Мир, 1985. - С. 469-470).

В прототипе ТЧП является напряжение логической единицы на выходе ЛЭ, используемого в качестве датчика температуры и функционально не связанного с греющими ЛЭ. Один или несколько логических элементов контролируемой микросхемы нагревают высокочастотными импульсами с частотой следования F_ВЧ. В этом случае влияние электрических выбросов и переходных процессов очень велико, так как изменение напряжения за счет изменения температуры соизмеримо с изменением напряжения за счет изменения внутреннего напряжения питания Е_nЛЭ логического элемента. Вносимая электрическими выбросами и переходными электрическими процессами погрешность измерения напряжения непредсказуема как по величине, так и по знаку и для ее учета при определении теплового сопротивления требуются значительные аппаратные и временные затраты.

В предлагаемом способе на вход греющих логических элементов подают переключающие импульсы высокой частоты следования F_BЧ, а на вход логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры ЛЭ_дат, подают переключающие импульсы, частота следования F_TЧП которых меньше частоты F_BЧ. В качестве ТЧП выбрано среднее значение импульсного напряжения с частотой следования F_TЧП и с известным температурным коэффициентом напряжения Изменение температуры Δθ ЛЭ_дат определяется по формуле где - изменение среднего значения напряжения импульсного напряжения при изменении температуры. За счет тепловой связи между греющими логическими элементами ЛЭ_гр и логическим элементом, выбранным в качестве датчика температуры ЛЭ_дат, последний тоже нагревается, и пороговое напряжение МОП транзисторов уменьшается (см., например, Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 2. Пер. с англ. - 2-е перераб. и доп. Изд. - М.: Мир, 1984. - С. 28). Уменьшение порогового напряжения МОП транзисторов приводит в свою очередь к уменьшению порогового напряжения переключения ЛЭ_дат и к уменьшению длительности импульса, как показано на фиг. 1, где τ₁, τ₂, θ₁, θ₂ - длительность импульса и температура микросхемы до и после нагрева, U_tp1, U_tp2, U_tn1, U_tn2, U_t1, U_t2 - пороговое напряжение р-МОП, n-МОП транзисторов и пороговое напряжение переключения ЛЭ до и после нагрева (см. Юдин, В.В. Зависимость времени задержки распространения сигнала КМОП микросхем от температуры /В.В. Юдин // Радиоэлектронная техника: межвуз. сб. науч. тр.: под ред. В.А. Сергеева. - Ульяновск: УлГТУ, 2019. - С. 59-64). Частота F_TЧП при этом остается неизменной.

Логическими элементами КМОП микросхем являются инверторы и при переключении ЛЭ_дат с частотой F_TЧП паузе последовательности импульсов на входе соответствует длительность полки импульса на выходе, которая из-за уменьшения порогового напряжения МОП транзисторов также уменьшается. Амплитуда импульса при этом будет зависеть как от полезной тепловой, так и от нежелательной электрической составляющей, вызванной электрическими выбросами и переходными процессами. В предлагаемом способе выходной ток логического элемент ЛЭ_дат равен входному току следующего ЛЭ, являющемся током утечки затворов n и р-МОП транзисторов. В этом случае изменение амплитуды за счет тепловой составляющей практически не происходит ввиду ничтожно малой величины температурного коэффициента напряжения при практически равном нулю токе нагрузки (см., например, Ламзин, В.А. Зависимость температурного коэффициента напряжения логической единицы КМОП-цифровых интегральных микросхем от тока нагрузки / В.А. Ламзин, В.А. Сергеев, В.В. Юдин // Известия вузов. Электроника. - 2012. - №6 (98). - С. 87-90). Чтобы исключить влияние погрешности, связанной с искажением формы полки импульса, импульсы с выхода ЛЭ_дат подают на два последовательно соединенных КМОП инвертора. Оба инвертора внешние по отношению к контролируемой микросхеме, не входят в ее состав и не имеют с ней тепловой связи. Напряжения питания инверторов и контролируемой микросхемы равны. Первый инвертор предназначен для погашения искажений полки импульса, а второй инвертор - для восстановления фазы импульса на выходе логического элемента ЛЭ_дат.

Вольтметром постоянного напряжения измеряют среднее значение импульсного напряжения с частотой F_TЧП на выходе второго внешнего инвертора. Как известно (см., например, Островский, Л.А. Основы общей теории электроизмерительных устройств / Л.А. Островский. - Изд. 2-е, перераб. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1971. - С. 310) среднее значение импульсного напряжения определяется выражением где: τ - длительность импульса; Т - период следования импульсов, U_m - амплитуда импульса. Полезное изменение напряжения будет наибольшим при условии

Переключение логического элемента ЛЭ_дат с частотой F_TЧП вызывает его дополнительный самонагрев. Для исключения дополнительной погрешности, вызванной самонагревом, измерение напряжения и потребляемую микросхемой мощность необходимо проводить дважды - до и после подачи импульсов переключения на частоте следования F_ВЧ на логические элементы, выбранные в качестве источников тепла.

На фиг. 1 представлены эпюры напряжений, поясняющие изменение пороговых напряжений логического элемента КМОП микросхемы при нагреве.

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства, с помощью которого можно реализовать способ определения теплового сопротивления КМОП цифровых интегральных микросхем.

Устройство содержит контролируемую КМОП цифровую интегральную микросхему 1, источник питания 2, генератор импульсов 3 с частотой следования F_ТЧП, генератор высокочастотных импульсов 4 с частотой следования F_BЧ, низкоомный токосъемный резистор R 5, первый ЛЭ1 6 и второй ЛЭ2 7 внешние по отношению к контролируемой микросхеме инверторы, вольтметр постоянного, напряжения 8, первый коммутатор 9, второй коммутатор 10, емкости нагрузки С_н 11.

Способ осуществляют на примере этого устройства следующим образом.

В исходном положении на контролируемую микросхему 1 подают напряжение питания E_n с источника питания 2. Распределенное сопротивление цепи питания логических элементов обозначено как паразитное сопротивление R_nap. Входы греющих логических элементов ЛЭ_гр соединяют первым коммутатором S1 9 с общей шиной питания. Выходы ЛЭ_гр соединяют в общей шиной питания через емкости нагрузки С_н 11 для увеличения греющей мощности. В цепь общей шины питания контролируемой микросхемы 1 включают низкоомный токосъемный резистор 5 R.

На логический элемент, выбранный в качестве датчика температуры ЛЭ_дат контролируемой микросхемы 1 подают прямоугольные переключающие импульсы F_ТЧП с генератора импульсов 3. С выхода ЛЭ_дат импульсы через первый 6 и второй 7 инверторы и коммутатор S2 10 поступают на вход вольтметр 8 постоянного напряжения. Вольтметром 8 измеряют среднее значение импульсного напряжения с частотой следования F_TЧП до нагрева микросхемы. Переключают вольтметр 8 коммутатором 10 к низкоомному токосъемному резистору R и измеряют падение напряжения Определяют греющую мощность Р_гр.1, вызывающую самонагревом логического элемента ЛЭ_дат прямоугольными импульсами F_ТЧП

Коммутатором 9 подключают к входам греющих логических элементов ЛЭ_гр генератор 4 высокочастотных импульсов с частотой следования F_BЧ. При нагреве происходит уменьшение порогового напряжения переключения логического элемента U_t1 до величины U_t2, что влечет за собой уменьшение длительности импульса τ₁ до величины τ₂, как показано на фиг. 1. Вольтметром 8 вновь измеряют среднее значение импульсного напряжения с частотой следования F_TЧП. Измеряют падение напряжения и определяют греющую мощность Р_гр.2, вызванную импульсами F_ТЧП и F_BЧ.

Определяют приращение среднего значения напряжения с частотой следования F_ТЧП и приращение греющей мощности ΔР_гр=P_гр.1-Р_гр.2. Тепловое сопротивление определяют по формуле

Для получения наибольшего изменения значения ТЧП скважность прямоугольных импульсов с частотой следования F_ТЧП выбирают q=2.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества цифровых интегральных микросхем с КМОП логическими элементами и оценки их температурных запасов. Технический результат: уменьшение погрешности измерения за счет исключения влияния электрической составляющей по цепи питания контролируемой микросхемы. Сущность: один или несколько логических элементов контролируемой микросхемы разогревают путем подачи на их входы переключающих импульсов высокой частоты F_ВЧ. На вход логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры и не имеющего функциональной связи с греющими логическими элементами, подают прямоугольные переключающие импульсы, частота следования F_ТЧП которых меньше частоты переключения F_ВЧ греющих логических элементов. Импульсы с выхода логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры, подают на вход вольтметра постоянного напряжения через последовательно соединенные два внешних по отношению к контролируемой микросхеме КМОП инвертора. Измеряют до и после нагрева среднее значение импульсного напряжения и греющую мощность и определяют их приращения. Среднее значение импульсного напряжения используют в качестве температурочувствительного параметра. Определяют тепловое сопротивление как отношение приращения среднего значения импульсного напряжения к приращению греющей мощности и известному температурному коэффициенту среднего значения импульсного напряжения. 2 ил.

Способ определения теплового сопротивления КМОП цифровых интегральных микросхем, состоящий в том, что один или несколько логических элементов контролируемой микросхемы разогревают путем подачи на их входы переключающих импульсов высокой частоты F_ВЧ, определяют приращение греющей мощности, измеряют изменение температурочувствительного параметра до и после разогрева, и определяют тепловое сопротивление как отношение изменения температурочувствительного параметра к приращению греющей мощности и известному температурному коэффициенту температурочувствительного параметра, отличающийся тем, что на вход логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры и не имеющего функциональной связи с греющими логическими элементами, подают прямоугольные переключающие импульсы, частота следования F_ТЧП которых меньше частоты переключения F_ВЧ греющих логических элементов, импульсы с выхода логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры, подают на вход вольтметра постоянного напряжения через последовательно соединенные два внешних по отношению к контролируемой микросхеме КМОП инвертора и измеряют среднее значение импульсного напряжения до и после нагрева, которое и используют в качестве температурочувствительного параметра.