СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
METHOD FOR MEASURING THE TRANSIENT RESPONSE OF DIGITAL INTEGRATED MICROCHIPS

Изобретение относится к технике измерения тепловых характеристик и тепловых параметров цифровых интегральных микросхем (ЦИМС) и может быть использовано для контроля качества ЦИМС малой и средней степени интеграции на выходном или выходном контроле.
Известен способ определения теплового сопротивления переход-корпус ЦИМС, в котором контролируемую микросхему подключают к источнику питания, нагревают путем переключения одного или несколько логических элементов (ЛЭ), выбранных в качестве источника тепла, последовательностью ВЧ импульсов, частоту следования которых модулируют по гармоническому закону с периодом, на порядок превышающим тепловую постоянную времени данного типа ЦИМС, и определяют тепловое сопротивление как отношение амплитуды переменной составляющей температурочувствительного параметра (ТЧП), в качестве которого используется напряжения на выходе ЛЭ, выбранного в качестве датчика температурную амплитуде переменной составляющей греющей мощности на частоте модуляции и температурному коэффициенту ТЧП (см. АС 1310754 СССР, 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).
Основным недостатком известного способа является большая погрешность из-за паразитного влияния падения напряжения на внутренней токоведущей металлизации ЦИМС, обусловленного протеканием переменного тока потребления ЦИМС. Кроме того, в известном способе для нагрева используются не все ЛЭ ЦИМС, как минимум один ЛЭ используется в качестве датчика температуры, при этом ЛЭ-датчик температуры находится на некотором удалении от ЛЭ-источников тепла и дает значения температуры в области кристалла ЦИМС, удаленной от области нагрева.
Известен способ определения теплового сопротивления цифровых КМОП интегральных микросхем (см. Патент 2172493 РФ Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / В.А. Сергеев. - Опубл. 20.08.2001, Бюл. №23, ч. 2), заключающийся в том, что логическое состояние одного или нескольких ЛЭ контролируемой микросхемы изменяют путем подачи на их входы последовательности переключающих импульсов, частота следования которых увеличивается по линейному закону с заданной крутизной, измеряют скорость изменения ТЧП (напряжения на выходе) того ЛЭ, логическое состояние которого не изменяется, и по скорости изменения ТЧП определяют искомое тепловое сопротивление. В качестве ТЧП в данном способе используется выходное напряжение логической единицы ЛЭ-датчика температуры.
Недостатком этого способа также является большая погрешность из-за паразитного влияния падения напряжения на внутренней токоведущей металлизации ЦИМС, обусловленного протеканием линейно нарастающего тока потребления ЦИМС и из-за относительно небольшой модуляции греющей мощности и малого полезного изменения ТЧП на уровне большого квазистатического значения этого параметра. В этом способе для нагрева также используются не все ЛЭ ЦИМС и ЛЭ - датчик температуры дает значения температуры в области кристалла ЦИМС, удаленной от области нагрева.
Известен способ определения теплового сопротивления ЦИМС (см. Патент №2490657 РФ Способ определения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / В.В. Юдин, В.А. Сергеев, В.А. Ламзин, опубл. 20.08.2013), включающий нагрев и измерение уровня электрической греющей мощности одного или нескольких ЛЭ, выбранных в качестве источников тепла, измерение изменения ТЧП ЛЭ, выбранного в качестве датчика температуры, определение теплового сопротивления как отношения изменения ТЧП к уровню электрической греющей мощности и известному температурному коэффициенту ТЧП. Для нагрева ЦИМС в этом способе используют защитные диоды нескольких ЛЭ ЦИМС, а в качестве ТЧП падение напряжения на защитных диодах ЛЭ-датчика температуры.
Недостатком данного способа является большая погрешность измерения, поскольку площади р-n переходов защитных диодов занимают очень небольшую часть площади кристалла ЦИМС и даже при греющих токах через защитные диоды, близких к предельно допустимым для данного типа ЦИМС, нагрев кристалла ЦИМС и изменение ТЧП мало, а погрешность его измерения значительна. Кроме того, нагрев ЦИМС с помощью защитных диодов не соответствует нагреву ЦИМС в реальном режиме работы.
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 (С) или тепловых постоянных времени (τ=R⋅С) 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 постоянной мощностью, заданного уровня Р: H(t)=Δθ(t)/P.
k
0
k
k
Наиболее близким к заявляемому и принятым за прототип является способ измерения ПТХ ЦИМС (см. Патент №2613481 РФ. Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем // Сергеев В.А., Тетенькин Я.Г. Опубл. 16.03.2017, Бюл. №8), включающий подачу на контролируемую микросхему напряжения питания заданного значения, разогрев ЦИМС электрической греющей мощностью путем включения нечетного количества ЛЭ ЦИМС по схеме кольцевого генератора (КГ), измерение в процессе разогрева в заданные моменты времени t мгновенной потребляемой мощности ЦИМС и используемой в качестве ТЧП частоты колебаний КГ, температурный коэффициент которой известен, определение средней мощности потребления ЦИМС за время от начала нагрева t=0 до момента времени t, нахождение значения ПТХ как отношения приращения ТЧП к известному температурному коэффициенту и к средней потребленной ЦИМС мощности для каждого заданного момента времени t.
Недостатком данного способа является большая погрешность, обусловленная малым значением температурного коэффициента частоты КГ и значительной погрешностью дискретизации при измерении частоты за короткие интервалы времени (см., например, Сергеев В.А., Тетенькин Я.Г. Измерение тепловых характеристик цифровых ИС по температурным зависимостям времени задержки // Измерительная техника. - 2018. - №2. - С. 46-50). Недостатком данного способа является также его низкая чувствительность, поскольку для нагрева используются не все ЛЭ ЦИМС.
Технический результат - повышение чувствительности и точности измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных микросхем.
п
U
изм
1
пот
0
k
изм
изм
1
k
пот
k
Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных микросхем, состоящем в подаче на контролируемую микросхему напряжения питания Е нагреве микросхемы путем подачи на входы ее логических элементов высокочастотных переключающих импульсов и измерении в процессе разогрева микросхемы в заданные моменты времени температурочувствительного параметра с известным температурным коэффициентом K, отличие заключается в том, что в качестве ТЧП выбирают напряжение логической единицы, до подачи высокочастотных переключающих импульсов все логические элементы контролируемой микросхемы устанавливают в состояние логической единицы на выходе и за короткий интервал времени τ измеряют сумму U(0) напряжений логической единицы на выходе всех логических элементов и ток потребления I(t) до разогрева, затем на входы всех логических элементов подают высокочастотные переключающие импульсы, в заданные моменты времени t подачу высокочастотных переключающих импульсов прекращают, все логические элементы контролируемой микросхемы на короткий интервал времени τ устанавливают в состояние логической единицы на выходе, за это время τ измеряют сумму напряжений U(t) логической единицы на выходе всех логических элементов и ток I(t) потребления микросхемы, и определяют значение переходной тепловой характеристики в заданный момент времени по формуле
0
k
где  - средний ток потребления микросхемы с момента времени t до момента времени t.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе ВЧ импульсами разогреваются все логические элементы ЦИМС и мощность, потребляемая, а значит и разогрев ЦИМС, будет как минимум в (1+1/n) раз больше, чем в известных способах. При этом ЦИМС работает в режиме близком к эксплуатационному, и кристалл ЦИМС разогревается более равномерно. Напряжение логической единицы, используемое в предлагаемом способе в качестве ТЧП, всех логических элементов ЦИМС суммируется, и полезный сигнал будет в n раз больше, чем в известных способах.
В предлагаемом способе по существу измеряется усредненное по всем логическим элементам ЦИМС значение ТЧП, которое пропорционально средней температуре кристалла ЦИМС, а не значению температуры в некоторой локальной области, удаленной от источников тепла.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего способ. На фиг. 2 показаны формы сигналов, поясняющие способ.
I
H
Устройство содержит контактную колодку 1 для подключения контролируемой ЦИМС, источник напряжения питания 2, генератор 3 высокочастотных переключающих импульсов, устройство управления 4, сумматор 5, цифровые вольтметры (или аналого-цифровые преобразователи) 6 и 7, вычислитель 8 и индикатор (отображающее устройство) 9. Положительный полюс источника питания подключен к соответствующему выводу ЦИМС. Между выводом ЦИМС для подключения к отрицательному полюсу источника питания и общей шиной включен токосъемный резистор R. Выход генератора 3 подключен к входам ЛЭ ЦИМС, к выходам которых подключены сопротивления нагрузки R и входы сумматора 5.
У
У
k
1
k
изм
пот
k
1
k
Генератор 3, вырабатывающий высокочастотные переключающие импульсы (фиг. 2а) запускается и выключается по сигналам U устройства управления (фиг. 2в). Напряжения логической единицы с выхода всех ЛЭ подается на сумматор 5 и по сигналам устройства управления U (фиг. 2в) в заданные моменты времени t сумму напряжений U(t) логической единицы всех ЛЭ ЦИМС на выходе сумматора за короткий интервал времени τ измеряет цифровой вольтметр 6; в это же время цифровой вольтметр 7 измеряет ток I (t) потребления ЦИМС Результаты измерения тока потребления и суммы напряжений логической единицы ЛЭ поступают в вычислитель 8, который вычисляет изменение ТЧП ΔU(t) (фиг. 2б) и значение ПТХ по формуле (1) и отображает результат вычисления на индикаторе 9.