Емкостный датчик для съема диагностической информации с цифровых микросхем Советский патент 1991 года по МПК G01R31/317 

Изобретение относится к контрольно-, измерительной технике и может быть ис- пользовано в качестве встроенного устройства для съема информации с цифровых микросхем для контроля и диагностики.

Цель изобретения - повышение достоверности контроля и расширение области применения датчика на встроенный контроль микросхем.

На фиг. 1 показан емкостный датчик, , выполненный в корпусе микросхемы;- на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 показаны графики зависимости постоянной времени т от номера J контролируемого вывода для разных значений п - общего числа контролируемых выводов;на фиг.5 показаны графи- киза.висимости разрешающей способности от. числа контролируемых выводов для предлагаемого и .известного датчиков.

Датчик содержит металлический электрод 1, выполненный в виде тонкого проводника с круглым сечением, на поверхность которого нанесен первый диэлектрический слой 2, состоящий из участков с разной диэлектрической проницаемостью. Металлический электрод 1 с нанесенным первым диэлектрическим слоем 2 располагается в корпусе микросхемы 3, перекрывая контролируемые контактные площадки4. При этом роль электростатического экрана выполняет металлическая крышка 5 микросхемы, а

о

4D

vj ЧЭ Ю

второго диэлектрического слоя - воздушная прослойка, между металлическим электродом с первым диэлектрическим слоем и крышкой 5.

Между металлическим электродом 1 с 5 первым диэлектрическим слоем 2 и корпусом 3 включается резистор 6. Резистор 6 Может располагаться в блоке согласования 7, обладающем большим входным сопротивлением и малой входной емкостью, кон- 10 структивно выполненной в виде ручного щупа, с помощью которого осуществляют съем и контроль результирующей информации с датчика.

Закон изменения диэлектрической 15 проницаемости от одного участка первого диэлектрического слоя 2 к другому, обеспечивающий максимальную разрешающую способность, бпределяется следующим образом.20

Датчик дифференцирует и суммирует на резисторе 6 (R) первоначальные прямо- угольные импульсы, т. е. преобразует форму Импульсов по закону; je , где т - RCi; R - сопротивление резистор 6; Ci - емкость 25 Между датчиком и контролируемым проводником,

Ясно, что наиболее похожими будут результирующие сигналы, соответствующие кодовым комбинациям с одинаковым 30 числом логических единиц (комбинации вида 0111,1 110,1101,1011). Причем наиболее неблагоприятная ситуация и с точки зрения распознавания будет при одинаковой амп- титуде логических единиц и при совпадаю- 35 дих передних и задних фронтах.импульсов з подобных комбинациях.

В формальной постановке задачи буд,м рассматривать множество из функций е , I 1 ,п, где п - количество выводов микросхе- 40 мы, с которых снимается информация. Это Множество линейно-независимо и представляет собой базис n-мерного векторного Пространства с векторами-функциями вида

45

i«eI 1

Так как мы имеем дело с цифровой информацией в виде логических нулей и еди- 50 Ниц, то в векторном пространстве V выделим подпространство V с коэффициентами сч {0,1}, содержащем 2П векторов

Известно, что среднее значение любой функции f(x) на интервале от а до b опреде- 55 ляется выражением

Тогда в качестве критерия, или меры различимости двух функций из векторного

подпространства V удобно взять среднее расстояние AI между этими функциями, равное модулю разности средних значений этих функций на интервале t ОТ, где Т - минимальная длительность контролируемых импульсов:

I П

1 h

VU V cK-JZ V dt

1 о 1ИI ia1

Y Vi-e-)

d)

где vffl 04 Ijin

1,,2n;j k;

i.

ri

, {-1,0,1}.

Использование величины AI удобно тем, что минимальная величина A min min{ Ai.l - 1,2Zn-2n}, т. е. среднее расстояние между наиболее близколежащими кривыми из подпространства V как раз характеризует разрешающую способность датчика и может использоваться, например, для определения шага квантования Н и количества уровней квантования на один сигнал, если предполагается преобразование результирующего сигнала в код с помощью аналого-цифрового преобразователя.

Разрешающая способность датчика при прочих равных условиях определяется законом изменения емкости по длине датчика.

Исследования данного критерия для датчиков с линейным и гиперболическим законом (датчик с линейно-изменяющейся толщиной диэлектрика) изменения емкости показали, что для датчика с гиперболическим законом изменения емкости величина Amin в два раза выше.

Очевидно, существует некоторый оптимальный закон изменения емкости, обеспечивающий максимальную разрешающую способность датчика.

Таким образом, задача сводится к определению такового вектора т (Т1,Г2,.. .тп) ,где

Т1 Гт1п ИТП Ттах -заданы.ТтИ Т Ттж

I 2,п-1, при котором минимальное среднее расстояние Amin будет максимальным. Сначала эта задача была решена как задача оптимизации с целевой функцией ,

т,п|2УХ(,-е-1Л-)|-«« (2)

при логическом ограничении на сравнение результирующих сигналов, соответствующих кодовым комбинациям с одинаковым числом единиц:

ГЛ{-Н А21

1:1()

(т.е. берутся векторы у в которых количество 1 равно количеству -1, т. е. вида (1-1-1 1), ( -1 1) и т.д.).

Но решение задачи в таком виде не позволило объяснить полученные результаты. Это можно сделать, если определить снача- ла оптимальные средние значения аь I 1,п базисных функцийе /г ,при которых

- k

пли

Zv,(

(«

О | -так

И)

с теми же ограничениями (3) на векторе у ,а затем путем решения трансцендентных уравнений

Г| (1 ) 3i, i 2 ,n -1 (5) определить значения 1

Значения ai и an определяются путем подстановки в уравнение (5) значений rmin и г max, а остальные ai - путем решения задачи (4). После анализа решения было установлено, что полученные значения ai, i 1,п отстоят друг от друга на величины, пропорциональные числам Фибоначчи, Одним из вариантов такого расположения оптимальных значений ai является следующий:

5й

при котором

а п-1 an-i-H - Ui. А; I 1 ,п-2.,(7)

где Л (an-ai)/Sn-i; п - 1

Sn-1 2 UJ сумма п-1 первых чисел

1 Фибоначчи;

Uj Uj-2 + Uj-i; Ui U2 1 - рекуррентное уравнение, определяющее j-й член последовательности чисел Фибоначчи. Формулу (6) можно получить также путем цепочки ин-. дуктивных рассуждений, исходя из теории чисел Фибоначчи.

Таким образом, при заданном п и известных значениях ai и an можно сначала по формулам (7) и (6) определить Л и ai, i 2,п-1, а затем, решая транцендентные уравнения (5), например, методом итерации найти значения постоянных времени т.

Диэлектрическая проницаемость 1-го участка тогда определяется следующим образом:

е т

Cmln Tmln

где ft Јmin - диэлектрическая проницаемость 1-го участка.

Исходными данными для расчетов являются Emin.Tmln И rmax, Emln выбирается В

диапазоне 2-10, и г max определяются частотой, на которой работает конкретная

ю

15

20

25

35

40

45

50

55

микросхема, и зависят от величин Cmm и Стаж (емкости связи 1-го и п-го участков) и резистора R.

Очевидно, что Cmln должно быть как можно меньше, а Стаж - как можно больше. Стах выбирается такой, чтобы не происходило взаимного искажения сигналов, проходящих по двум соседним выводам микросхемы, иможетбытьопределенаэкспериментально. Из эквивалентной схемы датчика видно, что между каждой парой дорожек включено последовательно по две емкости, поэтому величина результирующей емкости согласно формуле

Срез « ClC2/(Cl + С2)

будет меньше меньшей из двух. Минимальная величина емкости Cmin определяется величиной входной емкости схемы согласования.

На фиг, 4 показаны графики зависимости постоянной времени гот номера контролируемого вывода i для разных значений п (от 8 до 20). Частота контролируемой информации 1 МГц, МКС.Г max ЮМКС.

Графики показаны непрерывными, хотя диэлектрическая проницаемость от одного участка к другому изменяется дискретно. Поскольку TI пропорционально Ј|, то графики fi(i)в точности повторяют графики Г(|).

На фиг. 5 показаны зависимости Лп1п(п) для предлагаемого датчика, а также

ДЛЯ прототипа при t min 0,1 МКС, Т max

10 мкс. Из графиков видно, что разрешающая способность датчика весьма высока. Формула изобретения 1. Емкостный датчик для съема диагностической информации с цифровых микросхем, содержащий металлический электрод, первый диэлектрический слой, расположенный между металлическим электродом и контактными площадками, электростатический экран, второй диэлектрический слой, расположенный между металлическим электродом и электростатическим экраном, о т- личающийся тем, что, с целью повышения достоверности контроля и расширения области применения на встроенный контроль микросхем, металлический электрод выполнен в виде тонкого проводника с круглым сечением, причем первый диэлектрический слой нанесен на поверхность металлического электрода и выполнен состоящим из участков с различной диэлектрической проницаемостью, причем диэлектрическая проницаемость каждого из участков определяется по формуле

Јл .zJnilL . cmin

где с i - диэлектрическая проницаемость участка с заданным номером i;

Јmin - диэлектрическая проницаемость 1-го участка;

постоянная времени, соответствующая l-му участку, являющаяся решением транцендентного уравнения

1 -ai/Ti e 1/c i 2,n-1,

Яп

в котором an-i an-i+ 1 - Ui -о;i 1 ,п-2,

On - 1

где Ui - 1-й член последовательности чисел Фибоначчи;

п -1 Sn - 1 5) Ui - сумма первых п - 1 чисел

I 1 Фибоначчи:

ai

Tmin(1 -е 1/Гт );

an rmax(1 -е w

где Tmin и Гтах минимальное и максимальное значения постоянной времени, соответствующие 1-му и n-му участкам.

2. Датчик поп. 1, отличающийся тем, что металлический электрод с нанесенным первым диэлектрическим слоем располагается в корпусе микросхемы с перекрытием контролируемых контактных площадок и соединен с дополнительным выводом микросхемы, являющимся выходом датчика, металлическая крышка микросхемы является электростатическим экраном, а воздушная прослойка между металлическим электродом с первым диэлектрическим слоем и металлической крышкой является вторым диэлектрическим слоем.

Выход

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано в качестве встроенного устройства для съема информации с цифровых микросхем для контроля и диагностики. Цель изобретения - повышение достоверности контроля и расширение области.применения датчика на встроенный контроль микросхем. В емкостном датчике для съема диагностической информации с цифровых микросхем, содержащем металлический электрод 1, первый диэлектрический слой 2, расположенный между металлическим электродом 1 и контактными площадками 4,электростатический экран 5,второй диэлектриче- ( ский слой, расположенный между металлическим электродом 1 и электростатическим экраном 5, металлический электрод 1 выполнен в виде тонкого проводника с круглым сечением, причем первый диэлектрический слой 2 нанесен на поверхность металлического электрода 1 и выполнен состоящие из участков с различной диэлектрической проницаемостью, диэлектрическая проницаемость каждого из участков определяется по формуле, приведенной в описании изобретения. 1 з. п. ф-лы, 5 ил. со с

Фиг 1

А-А

Фие.2

б-Б

фиг.З