СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
METHOD FOR DETERMINATION OF HEAT-TRANSFER RESISTANCE FOR DIGITAL INTEGRATED CIRCUITS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества цифровых интегральных микросхем с КМОП логическими элементами (ЛЭ) и оценки их температурных запасов.
T
4
Известен способ определения теплового сопротивления R КМОП цифровых интегральных микросхем, в котором нагревают путем подачи последовательности переключающих импульсов один или несколько ЛЭ, выбранных в качестве источника тепла, измеряют изменение температурочувствительного параметра ЛЭ, выбранного в качестве датчика температуры и определяют тепловое сопротивление по измеренному изменению температурочувствительного параметра и греющей мощности (см., например, а.с. 1310754 СССР, МКИ G01R 31/28. Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / В.А. Сергеев, Г.Ф. Афанасьев, Б.Н. Романов, В.В. Юдин. - №912623/24-21; заявл. 17.06.85; опубл. 15.05.87, Бюл. №18.).
Недостатком известного способа является то, что известным способом возможно измерение теплового сопротивления только у микросхем, содержащих набор отдельных базовых ЛЭ. Для функционально сложных микросхем бывает невозможным обеспечить нагрев выходного ЛЭ, выбранного в качестве источника тепла, непрерывной последовательностью высокочастотных импульсов.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем, в котором нагревают путем подачи последовательности переключающих импульсов один или несколько ЛЭ, выбранных в качестве источника тепла, измеряют изменение температурочувствительного параметра ЛЭ, выбранного в качестве датчика температуры, и определяют тепловое сопротивление по измеренному изменению температурочувствительного параметра, греющей мощности и известному температурному коэффициенту температурочувствительного параметра (см. патент №2327177, МПК G01R 31/317. Способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем / В.В. Юдин, В.А. Сергеев. - №2007100859/28; заявл. 09.01.2007; опубл. 20.06.2008, Бюл. №17) и принятый за прототип.
T
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что известным способом возможно определение теплового сопротивления R цифровых интегральных микросхем только с транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ). У микросхем с ЛЭ на основе комплементарных металл-окисел-полупроводник (КМОП) транзисторов токи нагрузки выходных ЛЭ намного меньше токов нагрузки микросхем с ТТЛ ЛЭ. Поэтому незначительный нагрев током нагрузки приводит к малому изменению температурочувствительного параметра датчика температуры и, в конечном счете, к большой погрешности измерения. Устранение влияния паразитных сопротивлений на напряжение температурочувствительного параметра осуществляется только при периодическом изменении логического состояния выходного ЛЭ с длительностью импульса, равному половине периода следования импульсов, что усложняет аппаратную реализацию определения теплового сопротивления некоторых сложных в функциональном отношении микросхем.
Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения за счет увеличения мощности нагрева КМОП цифровых интегральных микросхем греющим током и устранения влияния паразитных сопротивлений в цепи питания микросхемы на температурочувствительный параметр.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем, включающий нагрев и измерение изменения электрической греющей мощности одного логического элемента, выбранного в качестве источника тепла, измерение изменения температурочувствительного параметра другого логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры, определение теплового сопротивления как отношение изменения температурочувствительного параметра к изменению электрической греющей мощности и известному температурному коэффициенту температурочувствительного параметра, особенность заключается в том, что нагрев осуществляют путем пропускания тока через p-n-переход логического элемента, выбранного в качестве источника тепла, образованный или сильнолегированной p+областью, электрически соединенной с выходом микросхемы и n-подложкой p-МОП транзисторов, электрически соединенной с выводом питания микросхемы, и при этом измеряют изменение температурочувствительного параметра p-n-перехода логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры, образованного сильнолегированной n+областью, электрически соединенной с выходом микросхемы, и p-карманом n-МОП транзисторов, электрически соединенным с общим выводом питания микросхемы; или сильнолегированной n+областью, электрически соединенной с выходом микросхемы, и p-карманом n-МОП транзисторов, электрически соединенным с общим выводом питания микросхемы, и при этом измеряют изменение температурочувствительного параметра p-n-перехода логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры, образованном сильнолегированной p+областью, электрически соединенной с выходом микросхемы и n-подложкой p-МОП транзисторов, электрически соединенной с выводом питания микросхемы; причем в обоих случаях выводы питания микросхемы соединяют между собой, а в качестве температурочувствительного параметра выбирают прямое падение напряжения на соответствующих p-n-переходах при протекании прямого измерительного тока, и изменение электрической греющей мощности определяют как произведение проходящего греющего тока через p-n-переход на падение напряжения на нем.
T
ТЧП
Т
Сущность изобретения заключается в следующем. Тепловое сопротивление R переход-корпус цифровых интегральных микросхем определяется как отношение измеренного изменения напряжения ΔU температурочувствительного параметра к изменению электрической греющей мощности ΔP и известному температурному коэффициенту К напряжения температурочувствительного параметра:
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>T</mi></msub><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo>/</mo><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Ч</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>К</mi><mi>Т</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                          (1)</mtext></mrow>
где ΔT - приращение температуры нагрева микросхемы. Наиболее чувствительным к изменению температуры является напряжение логической единицы (см., например, Закс, Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем / Д.И. Закс. - М.: Радио и связь, 1983. С.30-31).
гр
Типовое значение выходного тока нагрузки, используемого в качестве греющего тока I цифровых интегральных микросхем, для КМОП микросхем составляет 2 мА (см., например, Тилл, У. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление: пер. с англ. / У. Тилл, Дж. Лаксон. - М.: Мир, 1985. - С.481, 435). Соответственно, электрическая мощность нагрева ЛЭ, выбранного в качестве источника тепла, мала и не будет превышать 1 мВт при падении напряжения на канале МОП транзистора 0,2 В.
n1
n2
Цифровые интегральные микросхемы с КМОП ЛЭ содержат p-МОП и n-МОП транзисторы (см., например, Строгонов А.В. Проектирование технологии КМОП заказных БИС / А.В. Строгонов // Компоненты и технологии. - 2007. - №4. - С.206-209). МОП транзистор является четырех портовым прибором с выводами затвор, исток, сток и подложка. Сущность изобретения рассмотрим на примере микросхемы, содержащей два выходных ЛЭ 2И-НЕ, как показано на фиг.1. Подложка p-МОП транзисторов соединена с выводом питания микросхемы. Подложка n-МОП транзисторов соединены с общим выводом питания микросхемы. На фиг.1 показаны внутренние паразитные сопротивления R и R коммутационных проводников микросхемы в цепи питания со стороны вывода питания и общего вывода питания.
n
p
Подложка (p-карман) с сильнолегированной n+ диффузионной областью стока n-МОП транзистора VT3, и подложка n-типа с сильнолегированной областью p+ стоков p-МОП транзисторов VT1 и VT2 образуют p-n-переходы, показанные на фиг.2 как диоды VD и VD.
гр
1
p
n1
D
гр
гр
n1
гр
D
n
изм
изм
гр
n
p
n
n1
<mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub><msub><mi>U</mi><mi>D</mi></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>R</mi><mrow><mi>n</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mrow><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>R</mi><mrow><mi>n</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo><</mo><mo><</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub><msub><mi>U</mi><mi>D</mi></msub></mrow>
Эквивалентная схема двух ЛЭ при измерении теплового сопротивления показана на фиг.3. На этой схеме вывод питания микросхемы электрически соединен с общим выводом питания и имеет нулевой потенциал. Будем нагревать, например, ЛЭ1, выбранный в качестве источника тепла, током I от положительного полюса источника питания +E, соединенного с выходом ЛЭ1 (фиг.3а). Ток нагрева пройдет через диод VD ЛЭ1 и паразитное сопротивление R. Изменение электрической греющей мощности составит
, где U - падение напряжения на диоде при протекании греющего тока I. При I=20÷25 мА и R<1 Ом,
и ΔP≈IU. В качестве температурочувствительного параметра датчика температуры выберем прямое падения напряжения на диоде VD ЛЭ2 при протекании малого измерительного тока I. Для этого к выходу ЛЭ2 подключим отрицательный полюс источника тока. Ток источника тока I<<I и не создает дополнительного нагрева диода VD ЛЭ2. Источник тепла ЛЭ1 с диодом VD и датчик температуры ЛЭ2 с диодом VD электрически развязаны и имеют только тепловую связь, что полностью исключает влияние паразитных сопротивлений R на результат измерения теплового сопротивления. Тепловое сопротивление определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>T</mi></msub><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Ч</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>К</mi><mi>Т</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>Ч</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>D</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>К</mi><mi>Т</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                   (2)</mtext></mrow>
1
изм
n
p
n2
ТЧП
Аналогично, поменяв полярность источника питания E на отрицательную, а источника тока I на положительную, источником тепла будет диод VD ЛЭ1, а датчиком температуры будет диод VD ЛЭ2 (фиг.3б). В этом случае паразитное сопротивление R не оказывает влияние на измеренную величину напряжения U.
гр
Величина греющего тока I диода с площадью p-n-перехода, соизмеримой с площадью p-n-перехода транзистора в выходном каскаде ЛЭ ТТЛ, составляет 20-25 мА. Электрическая мощность нагрева достигает при этом 15-20 мВт. Отсюда, использование диодов (p-n-переходов) микросхем с КМОП ЛЭ дает увеличение в мощности нагрева, превышающей в 15-20 раз мощность нагрева, полученную за счет прохождения тока нагрева через канал МОП транзистора.
На фиг.1 представлен фрагмент электрической схемы микросхемы, содержащей два ЛЭ, один из которых (по выбору) является источником тепла, а второй датчиком температуры.
n
p
На фиг.2 представлено условно сечение кристалла микросхемы для пояснения образования p-n-переходов (диодов VD и VD) сильнолегированными диффузионными областями и подложками n- и p-МОП транзисторов.
n
p
На фиг.3 представлена электрическая схема соединения двух ЛЭ микросхемы для измерения теплового сопротивления и состоящая из диодов VD и VD.
На фиг.4 представлена функциональная схема, реализующая способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем.
Схема содержит исследуемую микросхему 1, двухполярный источник питания 2, двухполярный источник тока 3, амперметр 4, первый вольтметр 5, второй вольтметр 6, ограничительное сопротивление 7, первый коммутатор 8, второй коммутатор 9.
огр
гр
D
p
p
гр
D
p
p
n
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, приводятся в следующей последовательности. Выводы питания исследуемой КМОП микросхемы 1 подключают к средней точке двухполярного источника питания 2 и источника тока 3 с нулевым потенциалом. Положительный полюс источника питания 2 через замкнутый верхний неподвижный и подвижный контакты первого коммутатора 8, амперметр 4 и ограничительное сопротивление R 7 соединяют с выходом ЛЭ1. Амперметром 4 измеряют греющий ток I ЛЭ1, первым вольтметром 5 измеряют падение напряжения U на диоде VD ЛЭ1, выбранного в качестве источника тепла (см. фиг.3а). Ограничительное сопротивление 7 защищает цепь тока нагрева от перегрузок в случае пробоя диода VD. Определяют приращение электрической мощности нагрева по формуле Р=ΔР=I·U. За счет тепловой связи при нагреве диода VD ЛЭ1 начинают нагреваться другие элементы кристалла, в том числе и диоды VD и VD.
n
ТЧП
изм
n
n
ТЧП
n
ТЧП
Tn
Tn
n
Выберем в качестве датчика температуры диод VD ЛЭ2. Для измерения напряжения U температурочувствительного параметра отрицательный полюс источника тока 3 через замкнутые нижние неподвижный и подвижный контакты второго коммутатора 9 подсоединяют к выходу ЛЭ2. В ЛЭ2 протекает измерительный ток I по цепи от вывода питания через диод VD ЛЭ2 (см. фиг.3 а), через коммутатор 9 на отрицательный полюс источника тока 3. Измерительный ток создает на диоде VD ЛЭ2 падение напряжения U, которое измеряется вторым вольтметром 6. Температура нагрева диода VD ЛЭ2 определяется как ΔT=U/K, где K - известный температурный коэффициент напряжения диода VD. Тепловое сопротивление определяется по формуле (2).
n
ТЧП
p
Тр
p
Tn
При переключении подвижного контакта первого коммутатора 8 в нижнее положение (к отрицательному полюсу источника питания 2), а подвижного контакта второго коммутатора 9 в верхнее положение (к положительному полюсу источника тока 3), будет нагреваться диод VD ЛЭ1, а напряжение U температурочувствительного параметра измеряться на диоде VD ЛЭ2 (фиг.3б). Тепловое сопротивление определяется аналогично формуле (2). Температурный коэффициент напряжения K диода VD ЛЭ2 из-за разных физических характеристик p-n-переходов будет отличаться от K.