СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕХОДНОЙ ТЕПЛОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
METHOD FOR MEASURING TRANSIENT THERMAL CHARACTERISTICS OF DIGITAL INTEGRATED CIRCUITS

Изобретение относится к технике измерения тепловых характеристик полупроводниковых изделий и может быть использовано для измерения переходных тепловых характеристик цифровых интегральных схем (ЦИС) как на этапах их разработки и производства, так и на входном контроле предприятий-потребителей ЦИС или при выборе режимов эксплуатации.
Ti
Ti
Ti
Ti
Ti
n
0
n
0
Ключевой задачей контроля тепловых свойств полупроводниковых приборов (ППП) является определение параметров их тепловой эквивалентной схемы, по которым можно рассчитать температуру активной области (р-n-перехода) ППП в любом заданном режиме работы прибора. В приближении одномерной тепловой схемы ППП задача сводится к определению набора значений тепловых сопротивлений (R) и теплоемкостей (C) или тепловых постоянных времени (τ=R⋅C) отдельных элементов и слоев материалов, составляющих конструкцию ППП. Указанные параметры могут быть определены по переходной тепловой характеристике (ПТХ) H(t) ППП, то есть по изменению температуры Δθ(t) активной области прибора при его саморазогреве рассеиваемой электрической мощностью заданного уровня Р, включаемой в момент времени t=0: H(t)=Δθ(t)/P.
Известен способ измерения ПТХ ППП с p-n-переходами по кривой остывания (см. Давидов П.Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов. М.: Энергия. - 1967. - стр. 33), состоящий в том, что исследуемый ППП разогревают электрической мощностью известного уровня до установившегося теплового режима, затем разогревающую электрическую мощность отключают, и в заданные моменты времени измеряют изменение температуры р-n-перехода по изменению температурочувствительного параметра (ТЧП), в качестве которого чаще всего используют прямое падение напряжения на р-n-переходе ППП при малом прямом токе. Недостатками этого способа является большое время измерения, определяемое предварительным разогревом ППП до установившегося теплового режима и последующим охлаждением до температуры окружающей среды (фактически время измерения в два раза превышает длительность ПТХ), а также большая погрешность измерения, обусловленная несимметричным характером кривых охлаждения и нагрева ППП из-за различия формы тепловых потоков при охлаждении и нагреве ППП: нагрев ППП осуществляется локальными источниками тепла на поверхности кристалла, а отвод тепла - со всех нагретых поверхностей конструкции ППП.
i
Т
n
i
i
Известен способ измерения ПТХ ППП с p-n-переходами (см. IC Thermal Measurement Method - Electrical Test Method (Single Semiconductor Device) EIA/JEDEC JESD51-14 standard // http://www.jedec.org/download/search/jesd51-14.pdf), состоящий в том, что на изделие подают ступеньку электрической греющей мощности заданного значения, в процессе разогрева изделия в определенные моменты времени t на короткий интервал времени (длительностью до нескольких десятков микросекунд) греющую мощность отключают, через контролируемый p-n-переход пропускают малый прямой ток и измеряют ТЧП - прямое падение напряжения на p-n-переходе - температурный коэффициент К которого известен, приращение температуры Δθ(t) в момент времени t определяется по изменению ТЧП:
p-n
p-n
i
i
где U(0) - падение напряжение на p-n-переходе до разогрева изделия, U(t) - падение напряжения на p-n-переходе в момент времени t.
Этот метод реализован, в частности, в установке T3Ster - Thermal Transient Tester (см. T3Ster - Thermal Transient Tester // www.mentor.com/micred).
Недостатком указанного способа является значительная погрешность измерения ТЧП - прямого падения напряжения на контролируемом p-n-переходе - сразу же после выключения греющей мощности из-за влияния паразитных переходных электрических процессов, возникающих в p-n-переходе ППП при переключении из греющего режима в измерительный (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.). Для снижения этой погрешности измерение ТЧП необходимо проводить через некоторое время задержки после выключения греющей мощности, за которое электрический переходный процесс в основном завершится; за это время температура p-n-перехода может заметно измениться. При этом постоянная времени релаксации электрических процессов заранее не известна, сильно зависит от значения греющей мощности и может значительно отличаться от образца к образцу.
i
КГ
Тƒ
t
Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения ПТХ ЦИС (см. патент №2613481 РФ Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем / Сергеев В.А., Тетенькин Я.Г. - Опубл. 16.03.2017, Бюл. №8), принятый в качестве прототипа и включающий подачу на ЦИС питающего напряжения, разогрев ЦИС ступенькой электрической греющей мощности путем включения нечетного количества логических элементов ЦИС по схеме кольцевого генератора (КГ), измерение в процессе разогрева в заданные моменты времени t мгновенной потребляемой ЦИС мощности и частоты ƒ колебаний КГ, температурный коэффициент К которой известен, и определение значения ПТХ в моменты времени t по формуле
КГ
КГ
i
0
i
cp
i
i
0
i
i
0
i
где ƒ(0) и ƒ(t) - частота колебаний КГ в моменты времени t=0 и t, соответственно, P(t)=[Р(0)+Р(t)]/2 - средняя мощность, потребляемая ЦИС за время от начала нагрева t=0 до момента времени t, а Р(0) и P(t) - мгновенная мощность, потребляемая ЦИС в моменты времени t=0 и t, соответственно.
с
Ткр
Основной недостаток известного способа - значительная погрешность измерения ПТХ в начале (в первые несколько сотен микросекунд) нагрева ЦИС, обусловленная большой погрешностью измерения частоты при малом времени измерения. Как показано в описании известного способа по патенту 2613481 РФ, для измерения частоты КГ методом дискретного счета с погрешностью, сравнимой с погрешностью способа по стандарту JESD51-14, необходимо время счета Т порядка 100 мкс, а для двукратного измерения - не менее 200 мкс. Поскольку тепловые постоянные времени τ кристалла современных ЦИС составляют сотни микросекунд, то за время измерения частоты КГ температура кристалла может заметно измениться, что приведет к погрешности определения ПТХ в начале нагрева ЦИС. Заметим, что ПТХ именно в начале нагрева ЦИС является наиболее информативной характеристикой для диагностики качества структуры ЦИС.
Технический результат - повышение точности измерения ПТХ в начале разогрева ЦИС.
i
0
i
i
i
Технический результат достигается тем, что в способе измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем, в котором на цифровую интегральную схему подают питающее напряжение заданного значения, разогревают цифровую интегральную схемы ступенькой электрической греющей мощности путем включения нечетного количества логических элементов по схеме кольцевого генератора, измеряют в процессе разогрева в заданные моменты времени t мгновенную потребляемую мощность и температурочувствительный параметр, температурный коэффициент которого известен, рассчитывают среднюю мощность потребления цифровой интегральной схемой за время от начала нагрева t=0 до момента времени t, определяют значение переходной тепловой характеристики как отношение приращения температурочувствительного параметра к известному температурному коэффициенту и к средней потребленной мощности для каждого заданного момента времени t, отличие заключается в том, что один логический элемент цифровой интегральной схемы поддерживают в заданном логическом состоянии, и в качестве температурочувствительного параметра измеряют напряжение на выходе логического элемента, состояние которого задано, а значение переходной тепловой характеристики в момент времени t находят по формуле
вых
вых
i
0
i
U
cp
i
i
i
i
0
i
где U(0) и U(t) - выходное напряжение логического элемента, логическое состояние которого задано, в моменты времени t=0 и t, соответственно, К - температурный коэффициент выходного напряжения логического элемента, P(t)=[Р(0)+Р(t)]/2 - средняя мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой за время от начала нагрева до момента времени t, а Р(0) и P(t) - мгновенная мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой в моменты времени t=0 и t, соответственно.
Сущность изобретения состоит в следующем. Несколько логических элементов (ЛЭ) контролируемой ЦИС соединяют по схеме КГ. При подключении ЦИС к источнику питания КГ начинает генерировать колебания на частоте, близкой к предельной частоте ЦИС, ЦИС начнет потреблять электрическую мощность от источника питания для поддержания этих колебаний и будет разогреваться этой мощностью.
вых
пр
U
i
В известном способе в качестве ТЧП используется частота колебаний КГ, которая слабо уменьшается с ростом температуры из-за увеличения времени задержки сигнала в ЛЭ ЦИС. В начале нагрева ЦИС измерение частоты колебаний КГ необходимо проводить как можно быстрее, однако с уменьшением времени измерения погрешность измерения частоты возрастает. Для уменьшения погрешности измерения ПТХ ЦИС в начале нагрева, в предлагаемом способе в качестве ТЧП измеряется напряжение U на выходе ЛЭ, логическое состояние которого задано. Измерение этого напряжения может осуществляться с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Быстродействие (время преобразования t) современных АЦП на несколько порядков лучше, чем у частотомеров, и составляет доли микросекунд. При известном температурном коэффициенте Кнапряжения на выходе ЛЭ приращение температуры перехода в момент времени t определяется по формуле .
i
0
пит
В прототипе показано, что при расчете значений H(t) ПТХ необходимо использовать не мгновенное значение, а значение средней потребляемой ЦИС мощности за время от t=0 до , где U - напряжение питания ЦМС,  - средний ток потребления ЦИС.
i
Таким образом, значение ПТХ в момент времени t определяется по формуле
пр
Изменение температуры кристалла за время t преобразования АЦП определяется выражением
,
пр
Ткр
кр
пр
Ткр
с
Ткр
пр
с
и при условии t<<<τ относительная систематическая погрешность измерения ПТХ в начале нагрева ε=δθ/Δθ≈t/τ будет во много раз меньше чем в прототипе, где она определяется отношением Т/τ, т.к. t<<Т.
U
Погрешность квантования АЦП, как известно, равна 0,5 единицы младшего разряда. Так, при измерении ТЧП 16-разрядным АЦП с пределом измерения 3 В, погрешность измерения составит 0,022 мВ, что при K=2 мВ/К соответствует изменению температуры на 0,011 К. При тепловых измерениях такой погрешностью практически можно пренебречь.
Таким образом, достигается технический результат способа - повышение точности измерения ПТХ в начале разогрева ЦИС.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ, а на фиг. 2 - эпюры сигналов, поясняющие сущность способа и принцип работы устройства.
Устройство содержит контролируемую ЦИС 1, нечетное количество ЛЭ (ЛЭ1-ЛЭn) которой соединены по схеме КГ и один ЛЭ (ЛЭq), выходное напряжение которого используется в качестве ТЧП, источник 2 питания, блок управления 3, сопротивление нагрузки 4, преобразователь 5 тока в напряжение в цепи питания ЦИС, первый АЦП 6, первое оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 7, второй АЦП 8, второе ОЗУ 9, вычислитель 10, индикатор 11, шину управления 12 и шину данных 13.
U
Работа устройства показана на примере измерения ПТХ КМОП ЦИС. В качестве ТЧП выбрано напряжение логической единицы ЛЭ с отрицательным температурным коэффициентом напряжения K.
0
У1
Ц
КГ
n
i
У2
Устройство работает следующим образом. Блок управления 3 в момент времени t=0 формирует импульс U цикла измерения длительностью Т (фиг. 2, а), достаточной для достижения стационарного теплового режима ЦИС, который поступает на вход первого ЛЭ в составе КГ контролируемой ЦИС 1. КГ начинает генерировать импульсы с частотой следования ƒ (фиг. 2, б), которая близка к предельно допустимой для данного типа ЦИС, и ЦИС будет заметно разогреваться поглощаемой мощностью. Изменение температуры Δθ(t) перехода ЦИС показано на фиг. 2в. С другого выхода блока управления 3 на первый АЦП 6 и второй АЦП 8 в заданные моменты времени t подаются короткие управляющие импульсы U для запуска АЦП (см. фиг. 2г).
q
н
R
У2
вых
R
У2
i
i
Увеличение температуры кристалла приводит к уменьшению напряжения на выходе ЛЭ (см. фиг. 2д), которое с сопротивления 4 нагрузки R подается на первый АЦП 6. Преобразователь 5 тока в напряжение с внутренним сопротивлением R в цепи питания ЦИС преобразует ток потребления в напряжение U, которое подается на второй АЦП 8. По сигналу управляющих импульсов U происходит преобразование напряжений U и U в коды, которые по команде блока управления 3 через шину управления 12 передаются по шинам данных 13 на первое ОЗУ 7 и на второе ОЗУ 9, соответственно. Вычислитель 10 за время между управляющими импульсами U определяет средний ток, потребляемый ЦИС, по формуле , рассчитывает значение ПТХ по формуле  и передает массив данных {t, H(t)} на индикатор 11, который отображает эту информацию в удобной для оператора форме.