Способ измерения теплового импеданса цифровых интегральных микросхем
Владельцы патента RU 2649083:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к технике измерения параметров интегральных микросхем и может быть использовано для контроля качества цифровых интегральных микросхем и определения их температурных запасов. Способ измерения теплового импеданса цифровых интегральных микросхем состоит в том, что контролируемая цифровая интегральная микросхема подключается к источнику питания с напряжением Uпит, нечетное число логических элементов цифровой интегральной схемы соединяют по схеме кольцевого генератора, который периодически включают в режим генерации управляющими импульсами с периодом следования Тсл, длительность τУ которых изменяют по гармоническому закону с частотой модуляции ΩМ, глубиной модуляции m и средним значением длительности τУ0:
на частоте модуляции выделяют и измеряют амплитуду переменной составляющей тока, потребляемого цифровой интегральной схемой, амплитуду
изменения частоты генерации кольцевого генератора и разность фаз Δϕ(ΩМ) между этими гармониками и модуль теплового импеданса цифровой интегральной схемы на частоте ΩM определяют по формуле
где KF - известный отрицательный температурный коэффициент частоты генерации кольцевого генератора, а фазу ϕT(ΩM) теплового импеданса рассчитывают по формуле: .
Технический результат заключается в снижении погрешности и упрощении процесса измерений. 3 ил.
Изобретение относится к технике измерения параметров интегральных микросхем и может быть использовано для контроля качества цифровых интегральных микросхем и определения их температурных запасов.
Известен способ определения теплового импеданса КМОП цифровых интегральных микросхем (ЦИС), заключающийся в том, что один из логических элементов (ЛЭ) ЦИС устанавливают в состояние логической единицы, логическое состояния остальных ЛЭ ЦИС изменяют путем подачи на их входы высокочастотных греющих импульсов частотой повторения Fгр, последовательность греющих импульсов модулируют последовательностью видеоимпульсов с постоянным периодом следования Тсл, длительность τP которых изменяют по гармоническому закону: τP=τP0(1+msinΩMt) с частотой модуляции ΩM, глубиной модуляции m и средним значением длительности видеоимпульсов τP0; на частоте модуляции ΩM измеряют амплитуду переменной составляющей тока, потребляемого ЦИС, амплитуду 
переменной составляющей напряжения логической единицы на выходе того ЛЭ, логическое состояние которого поддерживается неизменным, и разность фаз Δϕ(ΩM) между этими гармониками и модуль теплового импеданса ЦИС на частоте ΩM определяют по формуле:
где KT - известный отрицательный температурный коэффициент напряжения логической единицы, Uпит - напряжение питания ЦИС; а фазу ϕT(ΩM) теплового импеданса ЦИС рассчитывают по формуле ϕT(ΩM)=Δϕ(ΩM)-180°.
Недостатком известного способа является большая погрешность измерения температурочувствительного параметра (ТЧП) - напряжения логической единицы - из-за наличия паразитного падения напряжения на токоведущей металлизации ЦИС и переходных электрических процессов при переключении ЦИС из режима нагрева в режим паузы (см., например, Сергеев В.А., Юдин В.В. Измерение тепловых параметров полупроводниковых изделий с применением амплитудно-импульсной модуляции греющей мощности // Измерительная техника. - 2010. - №6. - С. 32-39). К недостаткам способа относится также необходимость использования внешнего генератора высокочастотных переключающих импульсов.
Технический результат - повышение точности измерения теплового импеданса ЦИС и упрощение реализации способа.
Технический результат достигается тем, что ЦИС подключается к источнику питания с напряжением Uпит, нечетное число ЛЭ ЦИС соединяют по схеме кольцевого генератора (КГ), который периодически включают в режим генерации управляющими импульсами с периодом следования Тсл, длительность τУ которых изменяют по гармоническому закону с частотой модуляции ΩM, глубиной модуляции m и средним значением длительности τУ0:
на частоте модуляции выделяют и измеряют амплитуду 
переменной составляющей тока, потребляемого ЦИС, амплитуду 
изменения частоты генерации КГ и разность фаз Δϕ(ΩM) между этими гармониками и модуль теплового импеданса на частоте ΩM определяют по формуле
где KF - известный отрицательный температурный коэффициент частоты генерации КГ, а фазу ϕT(ΩM) теплового импеданса рассчитывают по формуле: ϕT(ΩM)=Δϕ(ΩM)-180°.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется графиками на фиг. 1.
Во время действия управляющих импульсов UУ1 (фиг 1, а) с периодом следования Тсл, длительность τУ которых изменяют по гармоническому закону (2) с частотой ΩM и глубиной модуляции m, КГ, созданный на ЛЭ контролируемой ЦИС, включается в режим генерации и генерирует пачки высокочастотных импульсов (фиг. 1, б) частотой FКГ, которые разогревают ЦИС. Период следования управляющих импульсов UУ1 выбирают из условия
Поскольку мощность, потребляемая ЦИС, зависит от частоты греющих импульсов, то микросхема будет разогреваться последовательностью импульсов мощности амплитудой Ргр, широтно-импульсно модулированных по гармоническому закону (фиг. 1, б). Спектр этой последовательности содержит постоянную составляющую 
и первую гармонику на частоте ΩM модуляции амплитудой: 
(см., например, Торяник К.И. и др. Сигналы с широтно-импульсной модуляцией в системах связи // Материалы V Междунар. науч.-техн. школы-конференции «Молодые ученые-2008», 10-13 ноября 2008 г. - М.: МИРЭА, 2008. - Ч. 4. - С. 112-114).
При разогреве ЦИС переменной мощностью спектр температуры ее активной области может быть представлен в виде
где 
- тепловой импеданс ЦИС, а |ZT(Ω)| и ϕT(Ω) - его модуль и фаза соответственно, j - мнимая единица, P(Ω) - спектр греющей ЦИС мощности (см., например, Сергеев В.А. Методы и средства измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем // Электронная промышленность. - 2004. - №1. - С. 45-48).
Через некоторое время, превышающее три тепловых постоянных времени τТп-к переход-корпус ЦИС (t>3τТп-к), после начала периодического включения КГ в режим генерации в ЦИС установится регулярный тепловой режим, и температура Θ(t) активной области ЦИС будет пульсировать относительно некоторого квазистационарного значения 
, изменяющегося по закону, близкому к гармоническому, с частотой ΩM (фиг. 1г):
где ϕ - сдвиг фаз между первыми гармониками греющей мощности и температуры активной области ЦИС, 
- среднее значение температуры, Θm(ΩM) - амплитуда переменной составляющей температуры на частоте ΩM. При выполнении условия τTn-к>>Тсл величина пульсаций δΘ(t) температуры активной области ЦИС будет во много раз меньше Θm:δΘ(t)<<Θm (см., например, Давидов П.Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов. - М.: Энергия, 1967. - С. 100-116).
Любой температурочувствительный параметр SТП ЦИС, линейно зависящий от температуры активной области ЦИС, будет отслеживать изменение температуры (фиг. 1, д) и изменяться по закону, близкому к гармоническому, с амплитудой
Откуда и получаем выражение для модуля теплового импеданса:
Таким образом, если удается выделить и измерить первые гармоники изменения греющей мощности и изменения ТЧП, обусловленного изменением температуры, то модуль теплового импеданса определяется по формуле (8), а фаза теплового импеданса равна разности фаз между первой гармоникой греющей мощности и первой гармоникой температуры.
В данном способе в качестве ТЧП используется частота FКГ колебаний КГ, которая линейно зависит от температуры с отрицательным температурным коэффициентом KT (см., например, Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат, 1986, стр. 75) и никак не зависит от переходных электрических процессов и падения напряжения на токоведущей металлизации ЦИС, что и обеспечивает достижение технического эффекта. При реализации предлагаемого способа не требуется отдельный генератор высокочастотных переключающих импульсов. Кроме того, современная измерительная техника обеспечивает измерение частоты колебаний точнее, чем амплитуду импульсных напряжений.
В результате линейной температурной зависимости значение FКГ во время действия управляющих импульсов будет повторять (с обратным знаком) изменение температуры активной области ЦИС, а амплитуда 
первой гармоники переменной составляющей частоты FКГ будет равна:
Заметим, что частота FКГ может быть измерена только в режиме генерации КГ, причем за время действия управляющих импульсов эта частота несколько снижается из-за пульсации температуры относительно квазистационарного значения, и, строго говоря, выражение (9) справедливо для первой гармоники средней за время действия управляющих импульсов частоты КГ.
Мощность Ргр, потребляемую ЦИС в режиме генерации КГ, можно определить, зная напряжение питания и измерив средний за период генерации ток Iпот, потребляемый ЦИС из источника питания за время действия управляющих импульсов:
Заметим также, что амплитуда средней за период греющей мощности во время действия пачек греющих импульсов различной длительности будет различной, поскольку эта мощность определяется частотой FКГ, а эта частота изменяется с изменением температуры. Однако, этот эффект автоматически учитывается при выделении и измерении первой гармоники греющей мощности на частоте модуляции.
На фиг. 2 представлена структурная схема одного из вариантов устройства, реализующего способ, а на фиг. 3 - эпюры сигналов, поясняющие его работу. Устройство содержит контролируемую ЦИС 1, нечетное число ЛЭ которой соединено по схеме КГ, размещенную на теплоотводе и подключенную к источнику питания 2 с напряжением Uпит; устройство управления 3, выход которого подключен к одному из входов первого ЛЭ КГ; токосъемный резистор 4 с сопротивлением R; первый селективный вольтметр 5; преобразователь частоты в напряжение 6, устройство выделения огибающей последовательности видеоимпульсов 7, второй селективный вольтметр 8; измеритель разности фаз 9.
Устройство работает следующим образом. По сигналу «Пуск» устройство управления 3 вырабатывает управляющие импульсы периодом Тсл и длительностью, изменяющейся по гармоническому закону с частотой модуляции ΩM (фиг. 3, а), эти импульсы периодически включают КГ в режим генерации (фиг. 3, б). Напряжение с токосъемного резистора 4, пропорциональное току, потребляемому контролируемой ЦИС (фиг. 3, в), подается на вход первого селективного вольтметра 5, настроенного на частоту модуляции. При выполнении условий 
и τТn-к>>Тсл температура Θ(t) активной области ЦИС будет изменяться по закону, близкому к гармоническому, с небольшими пульсациями относительно квазистационарного значения (фиг. 3, г). Пачки импульсов частотой FКГ с выхода КГ подаются на вход преобразователя частоты в напряжение 6; импульсы напряжения амплитудой UF, пропорциональной частоте FКГ (рис. 3, д), с выхода преобразователя частоты в напряжение 6 поступают на вход устройства выделения огибающей 
(рис. 3, д) последовательности видеоимпульсов 7, а с выхода этого устройства переменная составляющая напряжения 
, пропорциональная температурному изменению частоты FКГ, поступает на вход второго селективного вольтметра 8, также настроенного на частоту модуляции. Сигналы с линейных выходов первого 5 и второго 8 селективных вольтметров поступают на первый и второй входы измерителя разности фаз 9 соответственно. Через некоторое время после сигнала «Пуск» регистрируют показание UCB1 первого селективного вольтметра 5, пропорциональное первой гармонике тока, потребляемого контролируемой ЦИС: 
, и показание UCB2 второго селективного вольтметра 8, пропорциональное амплитуде первой гармоники изменения частоты генерации КГ: 
, где Knp - известный коэффициент преобразования частоты в напряжение; по показаниям селективных вольтметров вычисляют модуль теплового импеданса:
а по показанию измерителя разности фаз Δϕ - фазу теплового импеданса:
Способ измерения теплового импеданса цифровых интегральных микросхем, состоящий в том, что контролируемая цифровая интегральная микросхема подключается к источнику питания с напряжением 
, нечетное число логических элементов цифровой интегральной схемы соединяют по схеме кольцевого генератора, который периодически включают в режим генерации управляющими импульсами с периодом следования Тсл, длительность τУ которых изменяют по гармоническому закону с частотой модуляции ΩМ, глубиной модуляции m и средним значением длительности τУ0:
на частоте модуляции выделяют и измеряют амплитуду 
переменной составляющей тока, потребляемого цифровой интегральной схемой, амплитуду 
изменения частоты генерации кольцевого генератора и разность фаз Δϕ(ΩМ) между этими гармониками и модуль теплового импеданса цифровой интегральной схемы на частоте ΩМ определяют по формуле
где KF - известный отрицательный температурный коэффициент частоты генерации кольцевого генератора, а фазу ϕТ(ΩМ) теплового импеданса рассчитывают по формуле: ϕТ(ΩМ)=Δϕ(ΩМ)-180°.
