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

Изобретение относится к технике измерения тепловых характеристик полупроводниковых изделий и может быть использовано для измерения переходных тепловых характеристик цифровых интегральных схем как на этапах разработки и производства приборов, так и на входном контроле потребителя 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 (p-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) полупроводникового прибора, то есть по изменению температуры Δθ(t) активной области прибора при его саморазогреве ступенчатой электрической мощностью заданной величины P: 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 заданной электрической мощностью до установившегося теплового режима, затем разогревающую электрическую мощность отключают и в заданные моменты времени измеряют изменение температуры p-n-перехода по изменению температурочувствительного параметра (ТЧП), в качестве которого чаще всего используют прямое падение напряжения на контролируемом p-n-переходе при малом прямом токе. Недостатками этого способа является большое время измерения, обусловленное необходимостью предварительного разогрева ППП до установившегося теплового режима и последующего охлаждения до температуры окружающей среды. Фактически время измерения в два раза превышает длительность ПТХ.
i
T
n
i
i
Известен способ измерения ПТХ полупроводниковых изделий с p-n-переходами (см. IC Thermal Measurement Method - Electrical Test Method (Single Semiconductor Device) EIA/JEDEC JESD51-1 standard // http://www.jedec.org/download/search/jesd51-1.pdf), состоящий в том, что на изделие с помощью внешнего генератора подают ступеньку электрической греющей мощности заданной величины, в процессе разогрева изделия в определенные моменты времени t на короткий временной интервал (длительностью до нескольких десятков микросекунд) греющую мощность отключают, с помощью внешнего источника тока через контролируемый p-n-переход пропускают малый ток в прямом направлении и измеряют ТЧП - прямое падение напряжения на p-n-переходе, температурный коэффициент K 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 измерения ПТХ является значительная погрешность измерения ТЧП - прямого падения напряжения на контролируемом p-n-переходе - сразу же после выключения греюшей мощности из-за влияния паразитных переходных электрических процессов, возникающих в p-n-переходе полупроводникового изделия при переключении из греющего режима в измерительный режим (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 величины греющей мощности и может значительно отличаться от образца к образцу. Кроме этого, для реализации способа необходимы внешний генератор греющей мощности и источник малого прямого тока.
Технический результат - упрощение способа и уменьшение погрешности измерения тепловой переходной характеристики цифровых интегральных схем.
i
i
Технический результат достигается тем, что в известном способе, состоящем в разогреве цифровой интегральной схемы ступенчатой электрической греющей мощностью известной величины и в измерении в определенные моменты времени в процессе разогрева цифровой интегральной схемы температурочувствительного параметра с известным температурным коэффициентом, по изменению которого рассчитывают приращение температуры активной области цифровой интегральной схемы, для задания электрической греющей мощности нечетное число (n>1) логических элементов контролируемой цифровой интегральной схемы соединяют по схеме кольцевого генератора, подключают его к источнику питания с известным напряжением питания, в заданные моменты времени t измеряют мгновенную мощность, потребляемую цифровой интегральной схемой от источника питания, и частоту колебаний кольцевого генератора, а значение переходной тепловой характеристики в момент времени t находят по формуле:
,
0
i
ср
i
i
0
i
i
0
i
где  и  - частота колебаний кольцевого генератора в моменты времени t=0 и t соответственно,  - температурный коэффициент частоты колебаний кольцевого генератора, P(t)=[P(0)+P(t)]/2 - средняя мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой за время от начала нагрева t=0 до момента времени t, а P(0) и P(t) - мгновенная мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой в моменты времени t=0 и t соответственно.
к
зад
к
зад
В основе предложенного способа лежат два физических процесса: саморазогрев логических элементов (ЛЭ) цифровой интегральной схемы (ЦИС), соединенных по схеме кольцевого генератора (КГ) собственными генерируемыми импульсами, и уменьшение частоты генерации КГ с ростом температуры. Длительность периода следования T генерируемых КГ импульсов определяется временем τ задержки распространения сигнала ЛЭ ЦИС: T=2τn, где n=(2m-1) - количество ЛЭ в КГ при m=2, 3, … Относительный коэффициент ξ увеличения времени задержки распространения сигнала ЛЭ ЦИС при повышении температуры составляет величину порядка 0,2-0,3%/°C, то есть сравним с температурными коэффициентами электрических параметров ЦИС и является практически постоянным в диапазоне от 0 до 100°C (см., например, Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат, 1986, стр. 75).
Достижение технического результата обеспечивается тем, что в предлагаемом способе не используются внешние генератор греющей электрической мощности и источник малого прямого тока, а цифровая интегральная схема не переключается из режима нагрева в режим измерения, таким образом исключаются погрешности, обусловленные переходными электрическим процессами и падением напряжения на токоведущих шинах микросхемы.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ, а на фиг. 2 - эпюры сигналов, поясняющие сущность способа и принцип работы устройства.
пит
Устройство содержит контролируемую ЦИС 1, три ЛЭ которой соединены по схеме КГ, источник 2 питания с выходным напряжением U, устройство управления 3, токосъемный резистор 4, схему 2И-НЕ 5, используемую для снижения влияния счетчика импульсов на частоту генерации КГ, генератор 6 строб-импульсов, цифровой вольтметр 7, счетчик импульсов 8, вычислитель 9 и индикатор 10.
0
1
Ц
0
n
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии счетчик 8 обнулен. Устройство управления 3 в момент времени t=0 формирует импульс Uy цикла измерения длительностью T (рис. 2, а), достаточной для установления стационарного теплового режима данного типа ЦИС, который поступает на вход первого ЛЭ контролируемой ЦИС 1. В момент времени t=0 КГ начинает генерировать импульсы с частотой следования  (фиг. 2, б). Частота колебаний КГ близка к предельно допустимой для данного типа ЦИС, и ЦИС будет заметно разогреваться поглощаемой мощностью. При увеличении температуры активной области ЦИС в результате саморазогрева на величину Δθ(t) время задержки сигнала ЛЭ ЦИС будет возрастать, а частота колебаний КГ соответственно уменьшаться практически линейно с ростом температуры: , где  - частота генерации КГ в начале нагрева. Импульсы, генерируемые КГ, поступают на первый вход схемы 2И-НЕ 5.
Ц
i
У2
с
с
i
i
i
В течение Т цикла измерения устройство управления в заданные моменты времени t вырабатывает короткие управляющие импульсы U (фиг. 2, в), которые поступают на генератор 6 строб-импульсов и управляющий вход цифрового вольтметра 7. Генератор 6 строб-импульсов формирует строб-импульсы U длительностью T, которые поступают на второй вход схемы 2И-НЕ 5 (фиг. 2, г). За время действия строб-импульса с выхода схемы 2И-НЕ 5 в счетчик 8 поступает k импульсов КГ (фиг. 2, д), по окончании строб-импульса число k передается из счетчика в вычислитель 9. Очевидно, что число импульсов k определяется частотой колебаний КГ и длительностью строб-импульса  или .
R
i
R
i
пот
i
i
У2
Падение напряжения U(t) на токосъемном резисторе 4, пропорциональное току потребления ЦИС: U(t)=R⋅I(t), где R - сопротивление токосъемного резистора, в моменты времени t по сигналам U измеряется цифровым вольтметром 7 и также передается в вычислитель 9.
i
i
Вычислитель 9 вычисляет средний потребляемый ЦИС ток по формуле , затем рассчитывает значение тепловой переходной характеристики по формуле  и передает массив данных {t, H(t)} на индикатор 10, который отображает эту информацию в удобной для оператора форме.
i
0
i
Покажем, что при расчете значений H(t) ПТХ необходимо использовать не мгновенное значение потребляемой ЦИС мощности, а величину средней потребляемой ЦИС мощности за время от t=0 до t.
n
В линейных тепловых моделях изменение температуры активной области ЦИС Δθ(t) определяется только законом изменения полной рассеиваемой мощности P(t) и выражается интегралом Дюамеля:
где h(t-t') - отклик температуры структуры на δ - подобный импульс мощности в момент времени t'.
0
Поскольку для КМОП ЦИС греющая мощность пропорциональна частоте колебаний, то в процессе разогрева греющая мощность будет изменяться с тем же температурным коэффициентом, что и частота: , где P≡P(0) - мощность, потребляемая ЦИС в начале нагрева. Для более точного измерения ПТХ необходимо учесть изменение греющей мощности в процессе цикла измерения. Решение уравнения (1) с учетом температурной зависимости греющей мощности с точностью до членов порядка  имеет вид
0
где  решение (1) в отсутствие температурной зависимости греющей мощности, то есть при P(t')=Р≡P(0)=const:
После подстановки (3) в (2) получим
n
cp
где выражение  и есть средняя мощность, потребляемая ЦИС за время t, откуда и получаем H(t)=Δθ(t)/P(t).
с
с
Tкр
кр
Tкк
Tкк
Длительность T строб-импульса выбирается исходя из двух условий. С одной стороны, величина T должна быть достаточно малой, чтобы температура активной области ЦИС, а значит и частота колебаний КГ, не изменялись сколь-нибудь заметно за время действия строб-импульса. Погрешность, обусловленная изменением температуры за время действия строб-импульса, будет наиболее существенной в начале нагрева и ее можно оценить величиной , где τ - тепловая постоянная времени кристалла микросхемы, Δθ≈0,63RP(0) - изменение температуры активной области ЦИС за время, равное тепловой постоянной времени кристалла ЦИС, R - тепловое сопротивление кристалла ЦИС.
С другой стороны, необходимо уменьшать погрешность  измерения частоты методом дискретного счета: .
Оптимальная длительность строб-импульса , при которой суммарная погрешность измерения частоты колебаний КГ будет минимальна, определяется из условия равенства погрешностей: , откуда
Tкр
кр
3
При типичных значениях τ≈10 с, Δθ≈10°C,  Гц/°C и  Гц из (5) получим величину  мкс, а .
i
c
i
i
c
с
Заметим, что при такой длительности строб-импульса с высокой точностью можно считать, что частота колебаний КГ меняется за время строб-импульса линейно на любом участке цикла измерения. Тогда число импульсов k, подсчитанное счетчиком за время T, начиная с момента t, будет соответствовать частоте колебаний КГ в моменты времени t+T/2, то есть , учесть конечную длительность T можно просто путем смещения всех рассчитанных значений ПТХ по оси времени на величину .