Устройство для определения теплового сопротивления переход-корпус логических интегральных микросхем

Изобретение относится к контролю качества микросхем на основе ТТЛ и ТТЛШ логических элементов (ЛЭ). Сущность: микросхему нагревают ступенчатым изменением тока нагрузки по закону, аппроксимируемому гармонической функцией. Генератором импульсов, кольцевым регистром, схемами И, электронными коммутаторами, переменными сопротивлениями формируют ступенчатое изменение тока нагрузки ЛЭ. Аппроксимирование осуществляют с помощью двухканального осциллографа, генератора гармонических сигналов изменением переменных резисторов. Токосъемные резисторы, первый коммутатор, вольтметр предназначены для определения греющей мощности, высокоомный резистор, усилитель, детектор, селективный вольтметр - для измерения температурочувствительного параметра в течение времени действия стробирующих импульсов. Технический результат: уменьшение погрешности. 2 ил.

 

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

Известно устройство для определения теплового сопротивления переход-корпус логических интегральных микросхем R_T (см. Закс Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем. М.: Радио и связь, 1983, с.116-121), содержащее генератор импульсов, формирователь стробирующих импульсов, усилитель, осциллограф, генератор гармонических сигналов, коммутаторы.

К недостаткам известного устройства относится большая погрешность измерения амплитуды стробирующих импульсов, используемых для определения температуры перегрева микросхемы при разогреве ее проходящим током.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство, содержащее генератор импульсов, электронный коммутатор, первый и второй коммутатор, первый токосъемный резистор, последовательно соединенные усилитель и детектор, селективный вольтметр (см. патент №2087919 авторов Сергеев В.А. и Юдин В.В. «Устройство для измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов», опубл. 20.08.97 г. Бюл. №23) и принятое за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве греющий электрический ток изменяется по гармоническому закону только на линейных участках вольтамперной характеристики исследуемого полупроводникового прибора. В логических интегральных микросхемах для нагрева используют, как правило, выходной каскад логического элемента (ЛЭ), являющийся генератором тепла, так как проходящим током (током нагрузки ЛЭ) нагревается одновременно несколько p-n переходов. Зависимость между током нагрева и напряжением нелинейная, ввиду того, что изменение тока и напряжения происходит на начальном участке вольтамперной характеристики p-n переходов, что приводит к отклонению формы изменения температуры от формы изменения по гармоническому закону.

Сущность изобретения заключается в следующем. Нагрев микросхемы осуществляют путем ступенчатого изменения тока нагрузки выбранного ЛЭ по закону, аппроксимируемому гармонической функцией. Ток каждой ступеньки регулируют переменным резистором, включенным между выходом ЛЭ и общей шиной через свой электронный коммутатор. Предварительно длительность периода гармонического сигнала разбивают на n ступенек. Количеству n ступенек соответствует число n переменных резисторов и n электронных коммутаторов. Переменные резисторы поочередно подключаются к выходу ЛЭ электронными коммутаторами. Изменение напряжения на переменных резисторах происходит в противофазе изменению тока нагрева и мощности нагрева. Приближение ступенчатой функции (напряжения на выходе ЛЭ) к форме гармонического напряжения осуществляют вручную с использованием двухканального осциллографа. На один вход при этом подают напряжение выхода ЛЭ, на другой вход - напряжение с генератора гармонического сигнала с той же длительностью периода. Длительность периода гармонического сигнала выбирается на порядок больше тепловой постоянной времени переход-корпус данного типа микросхем.

Температурочувствительным параметром при определении температуры перегрева является напряжение на выходе греющего ЛЭ в отсутствии греющего тока. Для определения температурочувствительного параметра на время действия стробирующего импульса τ_c отключают электронным коммутатором переменное сопротивление от выхода ЛЭ, и ток нагрузки выходного каскада ЛЭ замыкается на общую шину питания через высокоомный резистор. В это время , где - напряжение на выходе «холодного» ЛЭ до подачи греющего тока, - приращение постоянной составляющей напряжения на выходе греющегося ЛЭ за счет приращения постоянной составляющей температуры перегрева, a - мгновенное значение переменной составляющей напряжения за счет изменения температуры ЛЭ по гармоническому закону. Предусматривают отключение греющего тока на время действия стробирующего импульса на каждой ступеньке аппроксимируемой ступенчатой функции. Длительность стробирующего импульса τ_с выбирают на порядок меньше длительности ступеньки τ_и. Изменение амплитуды за время действия стробирующих импульсов будет повторять профиль переменной составляющей температурной кривой перегрева , изменяющейся по гармоническому закону (см., например, Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец. «Конструир. и произв. радиоаппаратуры». - М.: Высш. шк., 1984 г., стр.50-53) и , где TKU - известный температурный коэффициент напряжения на выходе ЛЭ для данного типа микросхем.

Тепловое сопротивление R_T переход-корпус определяется по известной формуле (см. например, Закс Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем. М.: Радио и связь, 1983, стр.13)

где - изменение переменной составляющей греющей мощности ЛЭ на частоте изменения греющего тока (тока нагрузки). В свою очередь, , где - изменение падения напряжения на греющем ЛЭ.

Для уменьшения погрешности измерение переменной составляющей напряжения температурочувствительного параметра осуществляют селективным вольтметром на частоте изменения греющего тока.

Изменение сопротивления переменных резисторов достаточно произвести один раз для определения теплового сопротивления широкого класса микросхем, так как параметры выходных каскадов ЛЭ одинаковы (см., например, Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы: Материалы, приборы, изготовление. Пер. с англ. - Мир, 1985, с.435).

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в уменьшении погрешности определения теплового сопротивления переход-корпус и достигается за счет изменения греющего тока в цепи ЛЭ с нелинейной вольтамперной характеристикой по гармоническому закону, и с изменением соответственно температуры перегрева микросхемы по гармоническому закону.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве определения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем, содержащее генератор импульсов, электронный коммутатор, первый и второй коммутатор, первый токосъемный резистор, последовательно соединенные усилитель и детектор, селективный вольтметр, особенность заключается в том, что в него дополнительно введены источник питания микросхемы, второй токосъемный резистор, высокоомный резистор, вольтметр, двухканальный осциллограф, генератор гармонических сигналов, формирователь стробирующих импульсов, кольцевой n-разрядный регистр, n двухвходовых схем И, n переменных резисторов, n электронных коммутаторов, и первый токосъемный резистор соединен с источником питания, с первым входом первого коммутатора с одной стороны и с выводом питания микросхемы, со вторым входом первого коммутатора с другой стороны, а второй токосъемный резистор соединен с выходом выбранного логического элемента микросхемы, с третьим входом первого коммутатора, с входом усилителя, с входом первого канала осциллографа с одной стороны и с высокоомным резистором, с переменными резисторами, с четвертым входом первого коммутатора с другой стороны, и выход первого коммутатора соединен с входом вольтметра, выход второго коммутатора соединен с входом микросхемы, а переменные резисторы через электронные коммутаторы и второй вывод высокоомного резистора соединены с общей шиной, выход генератора импульсов соединен с входом кольцевого регистра и с входом формирователя стробирующих импульсов, выход которого соединен с первыми входами двухвходовых схем И, вторые входы которых соединены с выходами разрядов регистра, и выходы схем И соединены с управляющими входами электронных коммутаторов, и селективный вольтметр соединен с выходом детектора, а выход генератора гармонических сигналов соединен с входом второго канала осциллографа.

На Фиг.1 представлена функциональная схема устройства для определения теплового сопротивления переход-корпус логических интегральных микросхем.

На Фиг.2 представлено ступенчатое изменение напряжения выходе греющегося ЛЭ при нагреве греющим током и гармоническое изменение напряжения _. температурочувствительного параметра в отсутствии греющего тока.

Схема содержит исследуемую микросхему 1, источник питания 2 микросхемы, первый токосъемный резистор 3, второй токосъемный резистор 4, высокоомный резистор 5, переменные резисторы 6.1, 6.2, ... 6.i, ..., 6.n, первый коммутатор 7, второй коммутатор 8, генератор импульсов 9, кольцевой регистр 10, формирователь стробирующих импульсов 11, двухвходовые схемы И 12.1, 12.2, ... 12.i, ..., 12.n, электронные коммутаторы 13.1, 13.2, ... 13.i, ..., 13.n, усилитель 14, детектор 15, селективный вольтметр 16, вольтметр 17, двухканальный осциллограф 18, генератор гармонических сигналов 19.

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

На исследуемую микросхему 1 подают напряжение питания Е_num с источника питания 2. Выбирают ЛЭ для нагрева проходящим током и определения теплового сопротивления R_T переход-корпус. Коммутатором 8 задают логический уровень на входе микросхемы, при котором на выходе ЛЭ устанавливается напряжение логической единицы .

Для реализации аппроксимируемого гармонического сигнала используют кольцевой n-разрядный регистр 10 по числу ступенек на период T гармонического сигнала. Длительность ступенек τ_и равна периоду следования импульсов генератора импульсов 9, переключающего кольцевой регистр 10 и Т=nτ_и=1/ Ω, где Ω - частота аппроксимируемого гармонического сигнала. Регистр 10 сдвигает логическую единицу последовательно по разрядам. Выход каждого -ого разряда, где =1, 2, ..., n соединен с первым входом соответствующей двухвходовой схемы И 12.1, 12.2, ... 12.i, ..., 12.n. Выход каждой схемы И 12.1, 12.2, ... 12.i, ..., 12.n поочередно открывает каналы электронных коммутаторов 13.1, 13.2, ... 13.i, ..., 13.n при наличии на первом входе схемы И уровня логической единицы, т.е. при поочередном сдвиге записанной в кольцевом регистре 10 логической единицы. Открытый канал электронного коммутатора 13.i в момент времени t подключает к выходу ЛЭ исследуемой микросхемы 1 переменный резистор 6.i, через который течет греющий ток ЛЭ (ток нагрузки ЛЭ) по цепи: источник питания 2, первый токосъемный резистор 3, выходной каскад ЛЭ исследуемой микросхемы 1 (ток потребления другими ЛЭ в составе микросхемы не учитывается, так как является постоянным и не влияет на результат определения теплового сопротивления), второй токосъемный резистор 4, параллельно включенные высокоомный резистор 5 и -ый переменный резистор 6, -ый электронный коммутатор 13, общая шина.

С выхода ЛЭ напряжение подают на первый канал двухканального осциллографа 18, на второй канал подают напряжение с генератора гармонического сигнала 19 с длительностью периода Т=nτ_и=1/ Ω. Совмещают оба канала и подстраивают переменные резисторы 6.1, 6.2, ... 6.i, ..., 6.n до совпадения ступенчатого изменения с напряжением генератора гармонического сигнала 19, как показано на фиг.2. Ток нагрева ЛЭ микросхемы будет при этом изменяться ступенчато, аппроксимируемый гармонической функцией. Изменение тока нагрева и мощности нагрева происходит в противофазе изменению напряжения на выходе ЛЭ. Таким образом, получают аппроксимируемое гармоническое изменение греющего тока и соответственно греющей мощности за счет компенсации нелинейности в выходном каскаде ЛЭ переменными сопротивлениями 6.1, 6.2, ... 6.i, ..., 6.n на каждой ступеньке изменения греющего тока.

С выхода генератора импульсов 9 импульсы поступают на вход формирователя стробирующих импульсов 11. Стробирующие импульсы длительностью τ_с поступают на вторые входы всех схем 12.1, 12.2, ... 12.i, ..., 12.n, и только по входу -ой схемы И, на первом входе которой присутствует логическая единица при ее сдвиге по разрядам кольцевого регистра 10, схема И на время следования стробирующего импульса τ_с, закрывается и размыкает по входу управления -ый электронный коммутатор 13. Через ЛЭ исследуемой микросхемы 1 за время действия стробирующего импульса τ_с течет ток I_о по цепи: источник питания 2, токосъемный резистор 3, выходной каскад ЛЭ исследуемой микросхемы 1, второй токосъемный резистор 4, высокоомный резистор 5, общая шина. Протекающий ток I_o более чем на порядок меньше греющего тока, не вызывает саморазогрева выходного каскада ЛЭ и определяется величиной высокоомного резистора 5, сопротивление которого много больше внутреннего сопротивления ЛЭ и источника питания 2. Ввиду того, что сопротивление 5 постоянно, то и ток I_о является постоянной величиной. Падение напряжения на последовательно соединенных сопротивлениях 4 и 5 за счет протекания тока I_о, или напряжение на выходе ЛЭ в отсутствии греющего тока, зависит от температуры ЛЭ и является температурочувствительным параметром. Амплитуда полученного импульса напряжения длительностью τ_с соответствует мгновенному значению температуры. Последовательность импульсов падений напряжения повторяет профиль изменения температуры ЛЭ в разные моменты времени, как показано на фиг.2.

Последовательность импульсов с выхода ЛЭ усиливают усилителем 14, детектируют детектором 15 и переменную составляющую напряжения . температурочувствительного параметра в отсутствии греющего тока измеряют селективным вольтметром 16 на частоте изменения греющего тока.

Греющую мощность ЛЭ определяют путем измерений падений напряжений и токов вольтметром 17. При подключении коммутатора 7 входами Вх.1 и Вх.2 к первому токосъемному резистору 3 вольтметром 17 определяют постоянный ток питания микросхемы I_n, переменный ток питания микросхемы ,равный переменному току нагрузки ЛЭ как отношение измеренного напряжения при постоянном и переменном режимах измерения к величине первого токосъемного резистора 3. При подключении вывода питания микросхемы 1 к входу Вх.2 коммутатора 7 измеряют постоянное U_n и переменное напряжения относительно общей шины. При подключении коммутатора 7 входами Вх.3 и Вх.4 ко второму токосъемному резистору 4 определяют постоянный ток I_н нагрузки ЛЭ как отношение измеренного напряжения при постоянном режиме измерения к величине второго токосъемного резистора 4. При подключении выхода ЛЭ к входу Вх.3 коммутатора 7 измеряют постоянное U_н и переменное напряжение относительно общей шины.

Определяют переменную греющую мощность ЛЭ из выражения для полной мощности Р, рассеиваемой микросхемой:

где - амплитудные значения переменных напряжений и токов, sin Ωt - синусоидальное изменение токов и напряжения на греющем ЛЭ, причем изменение тока происходит в противофазе изменению напряжения на выходе ЛЭ.

Для определения переменной греющей мощности из выражения (2) вычитают постоянную составляющую греющей мощности и принимают sin Ωt=1.

По полученным данным определяют тепловое сопротивление R_T из формулы (1).

Устройство для определения теплового сопротивления переход-корпус логических интегральных микросхем, содержащее генератор импульсов, электронный коммутатор, первый и второй коммутатор, первый токосъемный резистор, последовательно соединенные усилитель и детектор, селективный вольтметр, отличающееся тем, что в него дополнительно введены источник питания микросхемы, второй токосъемный резистор, высокоомный резистор, вольтметр, двухканальный осциллограф, генератор гармонических сигналов, формирователь стробирующих импульсов, кольцевой n-разрядный регистр, n двухвходовых схем И, n переменных резисторов, n электронных коммутаторов, и первый токосъемный резистор соединен с источником питания, с первым входом первого коммутатора с одной стороны и с выводом питания микросхемы, со вторым входом первого коммутатора с другой стороны, а второй токосъемный резистор соединен с выходом выбранного логического элемента микросхемы, с третьим входом первого коммутатора, с входом усилителя, с входом первого канала осциллографа с одной стороны и с высокоомным резистором, с переменными резисторами, с четвертым входом первого коммутатора с другой стороны, и выход первого коммутатора соединен с входом вольтметра, выход второго коммутатора соединен с входом микросхемы, а переменные резисторы через электронные коммутаторы и второй вывод высокоомного резистора соединены с общей шиной, выход генератора импульсов соединен с входом кольцевого регистра и с входом формирователя стробирующих импульсов, выход которого соединен с первыми входами двухвходовых схем И, вторые входы которых соединены с выходами разрядов регистра, и выходы схем И соединены с управляющими входами электронных коммутаторов, и селективный вольтметр соединен с выходом детектора, а выход генератора гармонических сигналов соединен с входом второго канала осциллографа.