Емкостной датчик для съема диагностической информации с цифровых микросхем Советский патент 1991 года по МПК G01R31/3177 

Кристалл Фиг 1

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано в качестве встроенного устройства для съема информации с цифровых микро-схем для контроля и диагно- стики,

Целью изобретения является повышение достоверности контроля микросхем.

На фиг. 1 показан емкостной датчик, Ёыполненный в корпусе микросхемы; на фиг .2- сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. А - графики зависимости постоянной времени гот номера I контролируемого вывода для разных значений п - общего числа контролируемых выводов; на фиг. 5 - графики зависимости d(i) толщины первого диэлектрического слоя от номера I контролируемой контактной площадки; на фиг. 6 - графики зависимости 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 с переменной толщиной по его дпине. Металлический электрод 1 с нанесенным первым диэлектрическим слоем 2 располагается в корпусе микросхемы 3, перекрывая контролируемые контактные площадки А. При этом роль электростатического экрана выполняет металлическая крышка 5 микросхемы 3, а второго слоя - воздушная прослойка между металлическим электродом 1 с нанесенным первым диэлектрическим слоем 2 и крышкой 5. Через блок согласования 6 электрод 1 соединен с выходной клеммой.

Между металлическим электродом и корпусом включается резистор, Резистор может располагаться в блоке 6 согласования, обладающем большим входным сопротивлением и малой входной емкостью, конструктивно выполненной в виде ручного щупа, с помощью которого осуществляют съем и контроль результирующей информации с датчика.

Закон изменения толщины первого диэлектрического слоя 2, обеспечивающий максимальную разрешающую способность датчика, определяется следующим образом.

Известный датчик дифференцирует и суммирует на резисторе R первоначальные прямоугольные импульсы, т,е, преобразует форму импульсов по закону е , где Г} RCf .

Наиболее похожими будут результирующие сигналы, соответствующие кодовым комбинациям с одинаковым числом логических единиц {комбинации вида 0111, 1110, 1101, 1011). Причем наиболее неблагоприятная ситуация с точки зрения распознавания будет при одинаковой амплитуде логических единиц и при совпадении передних и задних фронтах импульсов в подо- бных комбинациях.

В формальной постановке задачи рассматривают множество из п функций

-V-и -

е ц I 1п , где п - количество выводов

микросхемы, с которых снимается информация. Это множество линейно независимо и представляет собой базис n-мерногго векторного пространства V с векторами - функциями вида

i 1

Так как мы имеем дело с цифровой информацией в виде логических нулей и единиц, то в векторном пространстве V выделим

подпространство V1 с коэффициентами п {0,1}, , содержащее 2П векторов.

Известно, что среднее значение любой функции f(x) на интервале от а до b определяется выражением

1

/ f(x)dx.

Тогда в качестве критерия или меры различимости двух функций из векторного подпространства V удобно взять среднее расстояние Амежду этими функциями, равное модулю разности средних значений этих функций на интервале t 0,TJ, где Т - минимальная длительность контролируемых импульсов. При

Д |/ Ј « 0)е t/ri dtо i 1

-}

о

Ј«()е- /«

- 1

и

dtl

(1)

I l 2 уЛО e -1/r )|; м

уР) ор) -offiij К j Ф К; I- 1,22n-2n; уР) {- 1.0.1 }.

Использование величины Д удобно тем, что минимальная величина Длин 5 мин /Д.1 22п - 2J, т.е. среднее рас- стояние 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 АЦП.

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

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

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

Таким образом, задача сводится к определению такого вектора т - ( n T2.... тп ),

где Т1 ТМин И Тп Тмакс ЗЗДЭ- ВЫ,Тмин Т| Тмакс 2, П-1. при КОТОрОМ

минимальное среднее расстояние Амин будет максимальным. Сначала эта эадача бы- ла решена как задача оптимизации с целевой функцией

мин I 2° у, О) т ( 1 - е ) | - макс,

I 1

(2)

при логическом ограничении на сравнение результирующих сигналов, соответствующих кодовых комбинациях с одинаковым числом единиц:

Ј уР) 0; yi {-1,0,1}; i 1

е 1,2...,22п-2п.(3)

(берутся вектора у, в которых количество 1 равно количеству -1, т.е. вида 1, -1, -1, 1,0, 1,0,-1.-1, 1 и т.д.).

Но решение задачи в таком виде не позволило объяснить полученные результаты. Это можно сделать, если определить сначала оптимальные средние значения ai; i 1/,

базисных функций е 1 , при которых

мин 2 уг- а I- макс,(4)

i 1

с теми же ограничениями (2) на вектора у, а затем путем решения трансцедентных уравнений

-Р -1/Т ;

Т|(1

) ai; ,n-1

(5)

определить значения п.

Значения ai и ап определяются путем постановки в (5) значений тмцн и тмакс . а

остальные ai - путем решения задачи (4). После анализа решения было установлено, что полученные значения ai, i - 1, п отстают друг от друга на величины, пропорциональные числам Фибоначчи. Одним из вариантов такого расположения оптимальных значений а является следующий:

ДД 2Д

и„.,л

Wj

n-i

5

0

5

5

0

при котором

ai a j -i +U д an -ai

-i Д;1 2, п- 1; (6)

Sn-i

п -1

где Sn-i V Uj -сумма п-1 первых

J t чисел Фибоначчи;

Uj Uj-2 + Uj-i. Ui Uz 1 - рекуррентное уравнение, определяющее j-й член последовательности чисел Фибоначчи. Эти результаты (формулу 6) можно получить также путем цепочки индуктивных рассуждений исходя из теории чисел Фибоначчи.

Таким образом, при заданном п и известных значениях ai и ап можно сначала по формулам (7) и (6) определить Ли a i; I 2, 0 п-Т, а затем, решая трансцендентные уравнения (5), например, методом итерации, найти значения постоянных времени т.

На фиг. 4 показаны графики зависимости постоянной времени г от номера контролируемого вывода I для разных значений п. Частота контролируемой информации 1

МГц, Гмин 0,1 МКС, Тмакс 10 МКС,

Кривая т (i) плавно возрастает до I п-1, а затем резко взмывает вверх. Значение гп при любом п на порядок превышает значение гп - 1. Обратная же зависимости

- ( ) характеризуется плавным измене

нием начения функции при всех значениях i 1, п.

Поскольку толщина di первого диэлектрического слоя 2 обратно пропорциональна TJ , то можно записать

50

di -

(8)

Поскольку максимальная толщина dMaKc первого диэлектрического слоя ограничена размерами контактных площадок 4 в корпусе микросхемы 3, то при определении коэффициента k необходимо исходить из dMaKc, тогда

К ймакс Тмин.(9)

Подставляя (9) в (8), получаем формулу для определения толщины первого диэлектрического слоя 2 в точке перекрытия металлического электрода 1 и i-й контактной-площадки

(Ю)

j Тмий -J

Си --г Омакс

Т|

На фиг. 5 приведены графики зависимости d(i) толщины первого диэлектриче- ckoro слоя 2 от номера контролируемой площадки.

На фиг. 6 показаны зависимости (п) для предлагаемого датчика, а так- |е для известного при Гмин 0.1 мкс,

Гмакс - Ю МКС.

Из графиков видно, что разрешающая способность данного датчика при любом п во много раз выше, чем у известных. Исход- ными данными для расчетов параметров

датчика ЯВЛЯЮТСЯ (Змакс, Тмин гмакс , ймин,

с)мэкс и ймин определяются размерами контактных площадок в микросхеме. тмин , и Тмакс определяются частотой, на которой работает конкретная микросхема, и зависят от величины Смин и Смаке (емкости свя- Зи 1-го и n-го участков) и резистора R.

Очевидно, что Смин должно быть как можно меньше, а Смаке как можно больше. Смаке выбирается такой, чтобы не происходило взаимного искажения сигналов, проходящих по двум соседним выводам микросхемы, и может быть определена Экспериментально. Из эквивалентной схемы известного датчика BHflHOt что между каждого парой дорожек включено последовательно по две емкости, поэтому величина результирующей емкости согласно

Ci С формуле Срез Q . р будет меньше из

двух. Минимальная величина емкости Смин Определена величиной входной емкости схемы согласования.

Предлагаемый датчик характеризуется оптимальным законом изменения емкости от одной контактной площадки к другой, что позволяет получить максимальную разрешающую способность датчика и значительно повысить достоверность снимаемой информации. Малые габариты, и вес и гибкость позволяют выполнить датчик в корпусе микросхемы что дает возможность получить всю информацию о ее работе по одному дополнительному выводу. Датчик позволяет получать информацию не только о наличии совокупностей логический 1 и О, но и об их форме и длительности, дрейфе или уменьшении логических уровней и быстродействия, т.е. получать дополнительную информацию, по которой можно судить о вероятности безотказной работы микросхемы. Кроме того, металлический электрод

0

5

0

5

0

5

0

с первым диэлектрическим -слоем, дополненный электростатическим экраном, можно использовать и для контроля плат печатного монтажа, приклеив его в любом необходимом месте платы.

Датчик может быть выполнен и в виде ручного безконтактного щупа для съема информации с нескольких выводов микросхемы или дорожек платы.

Формула изобретения 1. Емкостной датчик для съема диагностической информации с цифровых микросхем, содержащий металлический электрод, первый диэлектрический слой, отделяющий металлический электрод от контактных площадок, электростатический экран, второй диэлектрический слой, отделяющий металлический электрод с нанесенным первым диэлектрическим слоем от электростатического экрана, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности контроля микросхем, металлический электрод выполнен в виде проводника с круглым сечением, на поверхность которого нанесен первый диэлектрический слой с переменной толщиной, причем толщина di первого диэлектрического слоя в точке перекрытия металлического элек трода с i-й контактной плоа адкой (i f, п, где п - число контролируемых выводов микросхемы) определяется по формуле

.

Ц,.

ti

где бмакс - толщина первого диэлектрического слоя, соответствующая 1-й контактной площадке;

т - постоянная времени, соответствующая }-му участку, является решением трансцендентного уравнения

1

е 1/Т(

5

0

5

ап - ai

в котором

ai a t - 1 -Ь U | - 1

on - 1

где Ui-1 - (М)-й член последовательности чисел Фибоначчи; п - 1 Sn-l Ј U;

1

чисел Фибоначчи;

1/Гм

- сумма первых п-1

ai гмин(1 -е

-1/тм

)

аг,ТМакс(1 -е 1/Ьмзкс)

где Тмин и, Тмакс - минимальное и максимальное значения постоянной времени, соответствующее 1-му и n-му участкам.

2. Датчик по-п. 1,отличающийся тем, что металлический электрод с первым диэлектрическим слоем располагается в корпусе микросхемы с перекрытием

контролируемых контактных площадок и соединен с дополнительным выводом микросхемы, являющимся выходом датчика, металлическая крышским экраном, а воздушная прослойка между металлическим электродам с первым диэлектрическим слоем и металлической крышкой - вторым диэлек

Изобретение относится к технике контроля микросхем. Цель изобретения - повышение достоверности встроенного контроля. Металлический электрод 1, на поверхность которого нанесен диэлектрический слой 2 переменной толщины, расположен на корпусе 3 микросхемы и перекрывает контактные площадки. Металлическая крышка 5 служит электростатическим экраном. Сигналы поступают на выход датчика через блок 6 согласования. 1 з.п.ф- лы, 6 ил.

ка микросхемы является электростатиче- 5 трическим слоем.

А-.А

Фаг. 2

3 4 Г €

Фие.

6-Б

2 2

Фиг.З

3 ю 7t « /3/Ґ

9 Ю ft ft 13 14 16 tf t ft tf a . . б