Способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем

Изобретение относится к контролю качества цифровых интегральных микросхем на основе ТТЛ и ТТЛШ логических элементов (ЛЭ). Сущность: микросхему разогревают током нагрузки при переключении логического состояния одного ЛЭ. Определяют греющую мощность. На выбранном ЛЭ, используемом в качестве датчика температуры, устанавливают на выходе напряжение логической единицы. Изменение напряжения логической единицы происходит за счет наличия тепловой связи и за счет нежелательной электрической составляющей. Выделяют переменную составляющую изменения напряжения логической единицы датчика температуры, детектируют положительное и отрицательное напряжение, инвертируют отрицательное напряжение, суммируют с положительным. Полученный сигнал зависит от тепловой связи. Измеряют амплитуду полученного периодического сигнала и селективным вольтметром измеряют первую гармонику. Определяют максимальное изменение напряжения логической единицы ЛЭ, используемого в качестве датчика температуры и определяют тепловое сопротивление по известной формуле. Технический результат: исключение влияния электрической составляющей на результат определения теплового сопротивления. 2 ил.

 

Изобретение относится к технике измерения параметров интегральных микросхем и может быть использовано для контроля качества цифровых интегральных микросхем на основе ТТЛ и ТТЛШ логических элементов (ЛЭ).

Известен способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем R_Т (см. Закс Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем. М.: Радио и связь, 1983, с.31-32), в котором разогрев микросхемы осуществляется за счет нагрева током выходного каскада с уровнем напряжения логической единицы на выходе выбранного ЛЭ, а измерение температурочувствительного параметра происходит относительно положительной шины питания другого ЛЭ интегральной микросхемы.

К недостаткам известного способа относится то, что наряду с измерением изменения температуры ЛЭ с использованием в качестве температурочувствительного параметра напряжение на входном или выходном выводе микросхемы, происходит и измерение изменения напряжения на паразитном сопротивлении токоведущей металлизации шины питания ЛЭ, что приводит к снижению достоверности измерения.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем R_Т, в котором влияние электрической составляющей на величину напряжения логической единицы, используемого в качестве датчика температуры, уменьшено за счет исключения влияния паразитного рассосредоточенного сопротивления шины питания ЛЭ со стороны положительного вывода питания микросхемы (см. а.с. 1613978 авторов Сергеев В.А., Юдин В.В., Горюнов Н.Н. «Способ измерения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем и устройство для его осуществления» опубл. 15.12.90. Бюл. №46) и принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе не исключено влияние паразитного сопротивления шины питания микросхемы на величину напряжения логической единицы ЛЭ, используемого в качестве датчика температуры, со стороны вывода микросхемы для подсоединения к общей шине питания.

Сущность изобретения заключается в следующем. Для определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем осуществляют нагрев выбранного ЛЭ греющей электрической мощностью Р_эл при протекании через него заданного тока нагрузки. За счет тепловой связи между ЛЭ изменение температуры греющегося ЛЭ вызывает изменение температуры других ЛЭ в составе микросхемы и их электрических параметров. Одним из наиболее температурочувствителых параметров ЛЭ является напряжение логической единицы на выходе , причем , где Е_пит - напряжение питания микросхемы, 2U_д - падение напряжения на диоде и p-n переходе транзистора T4 выходного каскада ЛЭ, I_б4R_к2 - падение напряжения на сопротивлении в цепи базы выходного каскада ЛЭ (см., например, Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы: Материалы, приборы, изготовление. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985, стр.434, 435) и U_эл=I_нR_пит - падение напряжения на паразитном сопротивлении R_пит шины цепи питания ЛЭ микросхемы за счет протекания тока нагрузки I_н.

Как видно, кроме тепловой связи, между ЛЭ микросхемы имеется электрическая связь по цепям питания I_нR_пит, где R_пит является общим сопротивлением для всех ЛЭ.

При воздействии на греющий ЛЭ периодической последовательности импульсов, длительность которых равна половине периода их следования, эпюра напряжений температурочувствительного параметра (например, ) ЛЭ, используемого в качестве датчика температуры примет вид, как показано утолщенной линией на фиг.1. Величина скачкообразного изменения напряжения по линии ас и bd соответствует величине U_эл. В идеальном случае изменение напряжения при нагреве происходит по линии ab. Причем с увеличением температуры за время действия греющего импульса напряжение увеличивается по экспоненциальному закону, а с отсутствием греющего импульса напряжение уменьшается тоже по экспоненте.

Максимальное значение переменной составляющей напряжения при нагреве периодической последовательностью импульсов длительностью τ_и=Т/2 в точке b для идеального случая составляет U_m/[1+exp(-T/2τ_т)], где T - длительность периода последовательности импульсов, U_m - максимальное значение напряжения при τ_и=Т, τ_т - тепловая постоянная времени микросхемы (см., например, Давыдов В.Ф. К вопросу о расчете тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры, работающей в импульсном режиме. Вопросы радиоэлектроники. Серия «Тепловые режимы, термостатирование и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры», выпуск 3, 1970, стр.44-50). Минимальное значение напряжения будет U_mexp(-T/2τ_т)/[1+exp(-T/2τ_т)].

Постоянная составляющая напряжения, относительно которой будет происходить изменение переменной составляющей в идеальном случае будет равна U_m/2={U_m/[1+exp(-T/2τ_т)]+U_mexp(-T/2τ_т)/[1+exp(-T/2τ_т)]}/2. Положительное и отрицательное изменение напряжения за счет тепловой составляющей обозначим через ΔU и ΔU=U_m/[1+exp(-T/2τ_т)]-U_m/2=U_m/2-U_mexp(-T/2τ_т)/[1+exp(-T/2τ_т)].

Изменение напряжения U при охлаждении микросхемы по линии bq можно записать в виде U=U_mexp[-(t-t₁/τ_т)]. Определим время t₁, для этого составим уравнение, соответствующее напряжению U в точке b, а именно U_m/2+ΔU=U_mexp[(-T/2-t₁/τ_т)]. Отсюда t₁=T/2+τ_тЕ, где Е=ln(0,5+ΔU/U_m), а U=U_mexp[-(t-T/2-τ_тЕ/τ_т)] при T/2≤t<T.

Для исключения электрической составляющей U_эл выделим переменную составляющую изменения напряжения логической единицы датчика температуры, которая содержит электрическую и тепловую составляющие, относительно среднего уровня напряжения U_ср. За период Т изменение переменной составляющей произойдет по линии acdbq. Отдельно выделим положительное и отрицательное напряжение, инвертируем отрицательное напряжение и суммируем с положительным. Новое изменение переменной составляющей напряжения будет происходить по линии ehbq и определяться только тепловой составляющее с амплитудой 2ΔU, электрическая составляющая U_эл при этом исчезает. Частота следования импульсов Ω полученного сигнала удваивается. Измеряют амплитуду 2ΔU полученного периодического сигнала и селективным вольтметром измеряют амплитуду первой гармоники.

Амплитуду первой гармоники можно получить разложением в ряд Фурье периодически изменяющуюся функцию U=U_mexp[-(t-T/2-τ_тE/τ_т)] при T/2≤t<T. Косинусоидальная a_k и синусоидальная b_k составляющие амплитуды k-ой гармоники будут иметь вид (см., например, Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. Для ВТУЗов, том второй, - М.: Наука, 1978, стр.337)

Решениями уравнений (1) и (2) (см., например, Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1981, стр.234) являются:

,

.

Амплитуда напряжения k-ой гармоники:

.

Амплитуда первой гармоники A₁ при k=1

В выражении (3) измерению подлежат A₁ и ΔU, неизвестными величинами являются U_m и τ_Т. Параметры U_m и τ_T определяются из решения системы двух уравнений при двух значениях частоты следования импульсов Ω:

Тепловое сопротивление R_T определяется выражением:

где TKU - известный температурный коэффициент напряжения логической единицы.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в исключении влияния электрической составляющей на результат определения теплового сопротивления.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем, включающий подачу напряжения на контролируемую микросхему, установку выходного напряжения выбранного логического элемента, используемого в качестве датчика температуры, в состояние логической единицы, разогрев другого логического элемента заданной греющей мощностью, измерение изменения напряжения логической единицы, определение теплового сопротивления с использованием измеренного максимального изменения напряжения логической единицы, греющей мощности и известного температурного коэффициента напряжения логической единицы, особенность заключается в том, что разогрев логического элемента осуществляют путем периодического переключения логического состояния импульсами, длительность которых равна половине периода их следования, выделяют изменение напряжения логической единицы логического элемента, используемого в качестве датчика температуры, выделяют переменную составляющую изменения логической единицы, детектируют отрицательное и положительное напряжение, инвертируют отрицательное напряжение и суммируют с положительным, измеряют амплитуду полученного периодического сигнала, причем за изменение напряжения логической единицы принимают амплитуду полученного периодического сигнала, селективным вольтметром измеряют первую гармонику, определяют максимальное изменение напряжения логической единицы.

На Фиг.1 представлено изменение напряжения температурочувствительного параметра выбранного ЛЭ при нагреве другого ЛЭ с учетом влияния электрической составляющей, изменение напряжения в идеальном случае без учета влияния электрической составляющей, форма напряжения после преобразования для исключения влияния электрической составляющей.

На Фиг.2 представлена функциональная схема, реализующая способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем. Схема содержит источник питания 1, исследуемую микросхему 2, коммутатор 3 для установки логического состояния на выходе ЛЭ, сопротивление 4 (R) для снятия изменения напряжения логической единицы, разделительный конденсатор 5 (С_р), выпрямитель 6 положительного напряжения, выпрямитель 7 отрицательного напряжения, инвертор 8, сумматор 9, первый измеритель напряжения 10, селективный вольтметр 11, генератор импульсов 12, измеритель тока нагрузки 13, второй измеритель напряжения 14, сопротивление нагрузки 15 (R_н).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата приводятся в следующей последовательности.

На исследуемую микросхему 2 подают напряжение питания Е_пит с источника питания 1. Выбирают ЛЭ, используемый в качестве датчика температуры и коммутатором 3 задают логический уровень на входе, при котором на выходе устанавливается напряжение логической единицы . На вход другого ЛЭ, выбранного в качестве источника тепла, подают последовательность периодических импульсов с генератора импульсов 12 длительностью τ_u=Т/2 и частотой следования импульсов Ω₁. Логическое состояние, при этом, на выходе греющего ЛЭ периодически меняется. В момент присутствия на выходе логической единицы происходит нагрев ЛЭ током нагрузки I_н, протекающим от источника питания 1, через паразитное сопротивление R_пит шины питания микросхемы, выходной каскад ЛЭ, измеритель тока 13 и сопротивление нагрузки 15 (R_н). Измерителем тока 13 и вторым измерителем напряжения 14 измеряют ток нагрузки I_н и напряжения нагрузки U_н для определения греющей электрической мощности Р_эл ЛЭ при τ_и=Т, Р_эл=I_н(Е_пит-U_н).

На выходе ЛЭ, выбранного в качестве датчика температуры, за время действия греющего импульса τ_и происходит увеличение напряжения по экспоненте за счет тепловой связи между ЛЭ и скачкообразное уменьшение за счет уменьшения питания ЛЭ на величину U_эл=I_нR_пит. Напряжение снимается с сопротивления 4 (R) и разделительным конденсатором 5 (C_p) выделяется переменная составляющая напряжения. Выпрямитель 6 пропускает отрицательное изменение напряжения, которое инвертируется на положительное напряжение инвертором 8 и подается на один вход сумматора 9. Выпрямитель 7 пропускает положительное изменение напряжения и подает сигнал на другой вход сумматора 9. На выходе сумматора 9 формируется новая периодическая последовательность импульсов с периодом, равным T/2, и частотой 2 Ω₁. Полученный сигнал зависит исключительно от тепловой связи между ЛЭ микросхемы.

Первым измерителем напряжения 10 измеряют амплитуду изменения напряжения полученного периодического сигнала 2ΔU₁, а селективным вольтметром измеряют первую гармонику A₁₁. Затем частоту генератора 12 перестраивают на частоту Ω₂ и измеряют амплитуду изменения напряжения периодического сигнала 2ΔU₂ и первую гармонику A₁₂. По выражениям (4) и (5) определяют максимальное изменение напряжения U_m логической единицы ЛЭ, используемого в качестве датчика температуры.

По полученным данным определяют тепловое сопротивление R_T из выражения (6).

Способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем, включающий подачу напряжения на контролируемую микросхему, установку выходного напряжения выбранного логического элемента, используемого в качестве датчика температуры, в состояние логической единицы, разогрев другого логического элемента заданной греющей мощностью, измерение изменения напряжения логической единицы, определение теплового сопротивления с использованием измеренного максимального изменения напряжения логической единицы, греющей мощности и известного температурного коэффициента напряжения логической единицы, отличающийся тем, что разогрев логического элемента осуществляют путем переключения логического состояния импульсами, длительность которых равна половине периода их следования, выделяют изменение напряжения логической единицы логического элемента, используемого в качестве датчика температуры, выделяют переменную составляющую изменения логической единицы, детектируют отрицательное и положительное напряжение, инвертируют отрицательное напряжение и суммируют с положительным, измеряют амплитуду полученного периодического сигнала, причем за изменение напряжения логической единицы принимают амплитуду полученного периодического сигнала, селективным вольтметром измеряют первую гармонику, определяют максимальное изменение напряжения логической единицы.