СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Российский патент 2022 года по МПК G01R31/28 

Изобретение относится к технике измерения тепловых характеристик и тепловых параметров цифровых интегральных микросхем (ЦИМС) и может быть использовано для контроля качества ЦИМС малой и средней степени интеграции на выходном или выходном контроле.

Известен способ определения теплового сопротивления переход-корпус ЦИМС, в котором контролируемую микросхему подключают к источнику питания, нагревают путем переключения одного или несколько логических элементов (ЛЭ), выбранных в качестве источника тепла, последовательностью ВЧ импульсов, частоту следования которых модулируют по гармоническому закону с периодом, на порядок превышающим тепловую постоянную времени данного типа ЦИМС, и определяют тепловое сопротивление как отношение амплитуды переменной составляющей температурочувствительного параметра (ТЧП), в качестве которого используется напряжения на выходе ЛЭ, выбранного в качестве датчика температурную амплитуде переменной составляющей греющей мощности на частоте модуляции и температурному коэффициенту ТЧП (см. АС 1310754 СССР, Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / В.А. Сергеев, Г.Ф. Афанасьев, Б.Н. Романов, В.В. Юдин. - №912623/24-21; заявл. 17.06.85; опубл. 15.05.87, Бюл. №18).

Основным недостатком известного способа является большая погрешность из-за паразитного влияния падения напряжения на внутренней токоведущей металлизации ЦИМС, обусловленного протеканием переменного тока потребления ЦИМС. Кроме того, в известном способе для нагрева используются не все ЛЭ ЦИМС, как минимум один ЛЭ используется в качестве датчика температуры, при этом ЛЭ-датчик температуры находится на некотором удалении от ЛЭ-источников тепла и дает значения температуры в области кристалла ЦИМС, удаленной от области нагрева.

Известен способ определения теплового сопротивления цифровых КМОП интегральных микросхем (см. Патент 2172493 РФ Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / В.А. Сергеев. - Опубл. 20.08.2001, Бюл. №23, ч. 2), 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 с заданной крутизной, измеряют скорость изменения ТЧП (напряжения на выходе) того ЛЭ, логическое состояние которого не изменяется, и по скорости изменения ТЧП определяют искомое тепловое сопротивление. В качестве ТЧП в данном способе используется выходное напряжение логической единицы ЛЭ-датчика температуры.

Недостатком этого способа также является большая погрешность из-за паразитного влияния падения напряжения на внутренней токоведущей металлизации ЦИМС, обусловленного протеканием линейно нарастающего тока потребления ЦИМС и из-за относительно небольшой модуляции греющей мощности и малого полезного изменения ТЧП на уровне большого квазистатического значения этого параметра. В этом способе для нагрева также используются не все ЛЭ ЦИМС и ЛЭ - датчик температуры дает значения температуры в области кристалла ЦИМС, удаленной от области нагрева.

Известен способ определения теплового сопротивления ЦИМС (см. Патент №2490657 РФ Способ определения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / В.В. Юдин, В.А. Сергеев, В.А. Ламзин, опубл. 20.08.2013), включающий нагрев и измерение уровня электрической греющей мощности одного или нескольких ЛЭ, выбранных в качестве источников тепла, измерение изменения ТЧП ЛЭ, выбранного в качестве датчика температуры, определение теплового сопротивления как отношения изменения ТЧП к уровню электрической греющей мощности и известному температурному коэффициенту ТЧП. Для нагрева ЦИМС в этом способе используют защитные диоды нескольких ЛЭ ЦИМС, а в качестве ТЧП падение напряжения на защитных диодах ЛЭ-датчика температуры.

Недостатком данного способа является большая погрешность измерения, поскольку площади р-n переходов защитных диодов занимают очень небольшую часть площади кристалла ЦИМС и даже при греющих токах через защитные диоды, близких к предельно допустимым для данного типа ЦИМС, нагрев кристалла ЦИМС и изменение ТЧП мало, а погрешность его измерения значительна. Кроме того, нагрев ЦИМС с помощью защитных диодов не соответствует нагреву ЦИМС в реальном режиме работы.

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 (С_Ti) или тепловых постоянных времени (τ_Ti=R_Ti⋅С_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 постоянной мощностью, заданного уровня Р₀: H(t)=Δθ_n(t)/P₀.

Наиболее близким к заявляемому и принятым за прототип является способ измерения ПТХ ЦИМС (см. Патент №2613481 РФ. Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем // Сергеев В.А., Тетенькин Я.Г. Опубл. 16.03.2017, Бюл. №8), включающий подачу на контролируемую микросхему напряжения питания заданного значения, разогрев ЦИМС электрической греющей мощностью путем включения нечетного количества ЛЭ ЦИМС по схеме кольцевого генератора (КГ), измерение в процессе разогрева в заданные моменты времени t_k мгновенной потребляемой мощности ЦИМС и используемой в качестве ТЧП частоты колебаний КГ, температурный коэффициент которой известен, определение средней мощности потребления ЦИМС за время от начала нагрева t₀=0 до момента времени t_k, нахождение значения ПТХ как отношения приращения ТЧП к известному температурному коэффициенту и к средней потребленной ЦИМС мощности для каждого заданного момента времени t_k.

Недостатком данного способа является большая погрешность, обусловленная малым значением температурного коэффициента частоты КГ и значительной погрешностью дискретизации при измерении частоты за короткие интервалы времени (см., например, Сергеев В.А., Тетенькин Я.Г. Измерение тепловых характеристик цифровых ИС по температурным зависимостям времени задержки // Измерительная техника. - 2018. - №2. - С. 46-50). Недостатком данного способа является также его низкая чувствительность, поскольку для нагрева используются не все ЛЭ ЦИМС.

Технический результат - повышение чувствительности и точности измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных микросхем.

Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных микросхем, состоящем в подаче на контролируемую микросхему напряжения питания Е_п нагреве микросхемы путем подачи на входы ее логических элементов высокочастотных переключающих импульсов и измерении в процессе разогрева микросхемы в заданные моменты времени температурочувствительного параметра с известным температурным коэффициентом K_U, отличие заключается в том, что в качестве ТЧП выбирают напряжение логической единицы, до подачи высокочастотных переключающих импульсов все логические элементы контролируемой микросхемы устанавливают в состояние логической единицы на выходе и за короткий интервал времени τ_изм измеряют сумму U₁(0) напряжений логической единицы на выходе всех логических элементов и ток потребления I_пот(t₀) до разогрева, затем на входы всех логических элементов подают высокочастотные переключающие импульсы, в заданные моменты времени t_k подачу высокочастотных переключающих импульсов прекращают, все логические элементы контролируемой микросхемы на короткий интервал времени τ_изм устанавливают в состояние логической единицы на выходе, за это время τ_изм измеряют сумму напряжений U₁(t_k) логической единицы на выходе всех логических элементов и ток I_пот(t_k) потребления микросхемы, и определяют значение переходной тепловой характеристики в заданный момент времени по формуле

где - средний ток потребления микросхемы с момента времени t₀ до момента времени t_k.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе ВЧ импульсами разогреваются все логические элементы ЦИМС и мощность, потребляемая, а значит и разогрев ЦИМС, будет как минимум в (1+1/n) раз больше, чем в известных способах. При этом ЦИМС работает в режиме близком к эксплуатационному, и кристалл ЦИМС разогревается более равномерно. Напряжение логической единицы, используемое в предлагаемом способе в качестве ТЧП, всех логических элементов ЦИМС суммируется, и полезный сигнал будет в n раз больше, чем в известных способах.

В предлагаемом способе по существу измеряется усредненное по всем логическим элементам ЦИМС значение ТЧП, которое пропорционально средней температуре кристалла ЦИМС, а не значению температуры в некоторой локальной области, удаленной от источников тепла.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего способ. На фиг. 2 показаны формы сигналов, поясняющие способ.

Устройство содержит контактную колодку 1 для подключения контролируемой ЦИМС, источник напряжения питания 2, генератор 3 высокочастотных переключающих импульсов, устройство управления 4, сумматор 5, цифровые вольтметры (или аналого-цифровые преобразователи) 6 и 7, вычислитель 8 и индикатор (отображающее устройство) 9. Положительный полюс источника питания подключен к соответствующему выводу ЦИМС. Между выводом ЦИМС для подключения к отрицательному полюсу источника питания и общей шиной включен токосъемный резистор R_I. Выход генератора 3 подключен к входам ЛЭ ЦИМС, к выходам которых подключены сопротивления нагрузки R_H и входы сумматора 5.

Генератор 3, вырабатывающий высокочастотные переключающие импульсы (фиг. 2а) запускается и выключается по сигналам U_У устройства управления (фиг. 2в). Напряжения логической единицы с выхода всех ЛЭ подается на сумматор 5 и по сигналам устройства управления U_У (фиг. 2в) в заданные моменты времени t_k сумму напряжений U₁(t_k) логической единицы всех ЛЭ ЦИМС на выходе сумматора за короткий интервал времени τ_изм измеряет цифровой вольтметр 6; в это же время цифровой вольтметр 7 измеряет ток I_пот (t_k) потребления ЦИМС Результаты измерения тока потребления и суммы напряжений логической единицы ЛЭ поступают в вычислитель 8, который вычисляет изменение ТЧП ΔU₁(t_k) (фиг. 2б) и значение ПТХ по формуле (1) и отображает результат вычисления на индикаторе 9.

Изобретение относится к технике измерения тепловых характеристик и тепловых параметров цифровых интегральных микросхем (ЦИМС) и может быть использовано для контроля качества ЦИМС малой и средней степени интеграции на выходном или выходном контроле. Сущность: подают на контролируемую микросхему напряжение питания Е_пит, нагревают микросхему путем подачи на входы ее логических элементов высокочастотных переключающих импульсов, измерят в процессе разогрева микросхемы в заданные моменты времени мгновенную потребляемую мощность и температурочувствительный параметр с известным температурным коэффициентом К_U. До подачи высокочастотных переключающих импульсов все логические элементы контролируемой микросхемы устанавливают в состояние логической единицы на выходе и за короткий интервал времени τ_изм измеряют сумму U₁(0) напряжений логической единицы на выходе всех логических элементов и ток потребления I_пот(t₀) до разогрева. Затем на входы всех логических элементов подают высокочастотные переключающие импульсы. В заданные моменты времени t_k подачу высокочастотных переключающих импульсов прекращают, все логические элементы контролируемой микросхемы на короткий интервал времени τ_изм устанавливают в состояние логической единицы на выходе. За время τ_изм измеряют сумму напряжений U₁(t_k) логической единицы на выходе всех логических элементов и ток I_пот (t_k) потребления микросхемы. Определяют значение переходной тепловой характеристики в заданный момент времени по формуле

где - средний ток потребления микросхемы с момента времени t₀ до момента времени t_k. 2 ил.

Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных микросхем, состоящий в подаче на контролируемую микросхему напряжения питания Е_пит, нагреве микросхемы путем подачи на входы ее логических элементов высокочастотных переключающих импульсов и измерении в процессе разогрева микросхемы в заданные моменты времени температурочувствительного параметра с известным температурным коэффициентом K_U, отличающийся тем, что в качестве температурочувствительного параметра выбирают напряжение логической единицы, до подачи высокочастотных переключающих импульсов все логические элементы контролируемой микросхемы устанавливают в состояние логической единицы на выходе и за короткий интервал времени τ_изм измеряют сумму U₁(0) напряжений логической единицы на выходе всех логических элементов и ток потребления I_пот(t₀) до разогрева, затем на входы всех логических элементов подают высокочастотные переключающие импульсы, в заданные моменты времени t_k подачу высокочастотных переключающих импульсов прекращают, все логические элементы контролируемой микросхемы на короткий интервал времени τ_изм устанавливают в состояние логической единицы на выходе, за это время τ_изм измеряют сумму напряжений U₁(t_k) логической единицы на выходе всех логических элементов и ток I_пот(t_k) потребления микросхемы, и определяют значение переходной тепловой характеристики в заданный момент времени по формуле

где - средний ток потребления микросхемы с момента времени t₀ до момента времени t_k.