СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ИМПЕДАНСА КМОП ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
METHOD FOR DETERMINING THERMAL IMPEDANCE OF CMOS DIGITAL INTEGRATED MICROCIRCUITS

Изобретение относится к технике измерения параметров интегральных микросхем и может быть использовано для контроля качества цифровых интегральных микросхем на основе КМОП логических элементов (ЛЭ).
Известен способ измерения теплового сопротивления КМОП цифровых интегральных микросхем, 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, и измеряют скорость изменения температурочувствительного параметра того ЛЭ, состояние которого не изменяется (см. патент 2172493 РФ, Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / Сергеев В.А. Опубл. 20.08.2001, бюл. №23). В качестве температурочувствительного параметра в указанном способе используется выходное напряжение логической единицы.
Недостатком указанного способа является большая погрешность измерения, обусловленная относительно небольшой модуляцией греющей мощности и малым полезным изменением температурочувствительного параметра на уровне большого квазистатического значения этого параметра.
Наиболее близким к заявленному изобретению и принятым за прототип является способ определения теплового сопротивления переход-корпус КМОП цифровых интегральных микросхем, заключающийся в том, что логическое состояние одного или нескольких ЛЭ контролируемой микросхемы изменяют путем подачи на их входы последовательности переключающих импульсов и измеряют изменение электрического температурочувствительного параметра того ЛЭ, состояние которого не изменяется, при этом частоту следования переключающих импульсов изменяют (модулируют) по гармоническому закону с периодом, на порядок большим тепловой постоянной времени переход-корпус данного типа микросхем, а переменную составляющую температурочувствительного параметра измеряют на частоте модуляции, и искомое тепловое сопротивление определяют как отношение переменной составляющей температурочувствительного параметра к переменной составляющей мощности нагрева и температурному коэффициенту температурочувствительного параметра (см. авт. свид. СССР №1310754, Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / В.А.Сергеев, Г.Ф.Афанасьев, Б.Н.Романов и др., опубл. 15.05.87, бюл. №18). В качестве температурочувствительного параметра в указанном способе также предлагается использовать выходное напряжение логической единицы.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является сложность достижения большой глубины модуляции частоты следования переключающих импульсов. В современных генераторах качающейся частоты глубина модуляции составляет несколько процентов; при такой глубине модуляции переменные составляющие греющей мощности переменной составляющей температурочувствительного параметра будут малы и, соответственно, точность определения теплового сопротивления невысока.
Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерения теплового импеданса КМОП цифровых интегральных микросхем.
Технический результат достигается тем, что логическое состояния одного или нескольких ЛЭ контролируемой микросхемы изменяют путем подачи на их входы последовательности переключающих импульсов и измеряют изменение температурочувствительного параметра того ЛЭ, состояние которого не изменяется, при этом частоту переключающих импульсов изменяют (модулируют) периодической последовательностью прямоугольных импульсов с заданной частотой следования и скважностью, равной 2, на частоте модуляции выделяют и измеряют амплитуду  первой гармоники тока, потребляемого контролируемой микросхемой, и амплитуду  первой гармоники температурочувствительного параметра того ЛЭ, состояние которого не изменяется, и модуль теплового импеданса контролируемой микросхемы на частоте модуляции Ω определяют по формуле
,
Т
num
T
где K - известный отрицательный температурный коэффициент температурочувствительного параметра, U - напряжение питания контролируемой микросхемы, а фаза φ(Ω) теплового импеданса контролируемой микросхемы на частоте модуляции определяется как сдвинутая на 180° разность фаз между первой гармоникой тока, потребляемого контролируемой микросхемой, и первой гармоникой температурочувствительного параметра того ЛЭ, состояние которого не изменяется.
Отличие предлагаемого технического решения от известного способа заключается в том, что последовательность переключающих импульсов модулируют последовательностью видеоимпульсов со скважностью 2. Технический результат - повышение чувствительности и точности измерения теплового импеданса - достигается за счет того, что глубина модуляция греющей мощности в предлагаемом способе составляет (2/π)≈0,637, что во много раз больше глубины модуляции, достижимой при гармонической модуляции частоты в современных генераторах качающейся частоты.
ВЧ
гр
НЧ
M
гр
Сущность предлагаемого изобретения поясняется эпюрами на фиг.1 и заключается в следующем. Периодическую последовательность переключающих импульсов U частотой повторения F (фиг.1а), подаваемых на входы одного или нескольких ЛЭ контролируемой микросхемы, модулируют меандром U, то есть последовательностью прямоугольных импульсов со скважностью 2 (фиг.1б). В результате на входы ЛЭ контролируемой микросхемы подаются пачки переключающих модулированных импульсов U частоты F (фиг.1в).
Н
ср
гр
num
При переключении ЛЭ КМОП микросхемы из одного логического состояния в другое через полевые транзисторы выходного каскада ЛЭ протекают токи заряда и разряда емкости нагрузки С, которые вызывают их нагрев (см. Тилл, У. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление: пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - С.474-475.). Средняя за период переключения мощность р, потребляемая одним ЛЭ контролируемой микросхемы при переключении с частотой F, будет равна , где U - напряжение питания микросхемы. Полная средняя мощность  потребляемая контролируемой микросхемой при переключении нескольких (m) ЛЭ, будет равна  Определить величину  можно, зная напряжение питания и измерив средний ток, потребляемый микросхемой из источника питания:
За время действия пачки переключающих импульсов средняя мощность, выделяющаяся в контролируемой микросхеме,  остается неизменной (фиг.1г), то есть контролируемая микросхема будет разогреваться импульсами мощности постоянной амплитуды со скважность 2. Известно, что периодическая последовательность прямоугольных импульсов со скважностью 2 имеет дискретный спектр с нечетными гармониками, кратными частоте следования импульсов (см., например, Корн Г., Корн К. Справочник по математике (для научных работников и инженеров) / пер. с англ. - М.: Наука, 1973. - Стр.151.); при этом амплитуда первой гармоники греющей мощности (фиг.1д) на частоте модуляции будет равна
Определить амплитуду первой гармоники греющей мощности можно, измерив первую гармонику  тока, потребляемого микросхемой,
Известно, что в приближении одномерной линейной теплоэлектрической модели цифровой интегральной микросхемы, представляющей k последовательно соединенных RC-цепочек, при разогреве контролируемой микросхемы переменной мощностью спектр температуры θ(t) рабочей поверхности кристалла микросхемы может быть представлен в виде
m
Ti
Ti
T
T
где P(ω) - спектр греющей мощности, потребляемой контролируемой микросхемой,  - тепловой импеданс контролируемой микросхемы, R, τ - тепловое сопротивление и тепловая постоянная времени соответствующего слоя конструкции контролируемой микросхемы, |Z(ω)| - модуль теплового импеданса и φ(ω) - фаза теплового импеданса, равная разности фаз между переменными составляющими температуры и греющей мощности на частоте ω (см., например, Сергеев В.А. Методы и средства измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем // Электронная промышленность. - 2004. - №1. - С.45-48.).
Tn-к
Тп-к
Если контролируемая микросхема размещена на массивном теплоотводе, то через некоторое время, превышающее три тепловых постоянных времени переход-корпус τ микросхемы (t>3τ), после начала подачи последовательности переключающих импульсов, модулированной меандром с частотой Ω, в конструкции микросхемы установится регулярный тепловой режим и температура θ(t) рабочей поверхности кристалла микросхемы будет пульсировать относительно среднего значения (фиг.1е) с частотой Ω модуляции последовательности переключающих импульсов.
ТП
ТП
T
Т
Температурочувствительный параметр контролируемой микросхемы U линейно связан с температурой θ(t) поверхности кристалла микросхемы: U(t)=Kθ(t), где K - известный температурный коэффициент температурочувствительного параметра. Если в качестве температурочувствительного параметра использовать выходное напряжение  логической единицы одного из ЛЭ контролируемой микросхемы, логическое состояние которого поддерживается неизменным, то напряжение  будет пульсировать в противофазе с температурой θ(t), поскольку выходное напряжение логической единицы имеет отрицательный температурный коэффициент. При этом амплитуда переменной составляющей температурочувствительного параметра на частоте Ω будет пропорциональна амплитуде первой гармоники переменной составляющей температуры  (фиг.1з). Соответственно, амплитуда первой гармоники температурочувствительного параметра с учетом (2) и (3) будет равна
Откуда получим следующее выражение для теплового импеданса:
T
где φ(Ω) - разность фаз между первой гармоникой температуры рабочей поверхности кристалла микросхемы (фиг.1ж) и первой гармоникой греющей мощности (фиг.1д).
i
н
H
I
н
На фиг.2 представлена структурная схема одного из вариантов устройства, реализующего способ. Устройство содержит генератор 1 высокочастотных переключающих импульсов, генератор 2 прямоугольных импульсов, временной селектор 3, источник 4 питания, контролируемую микросхему 5, размещенную на теплоотводе, токосъемный резистор 6 с сопротивлением R, конденсаторы нагрузки 7 емкостью С, резистор нагрузки 8 с сопротивлением R, два селективных вольтметра 9 и 10 и измеритель 11 разности фаз. При этом выход генератора 1 высокочастотных переключающих импульсов соединен с первым входом временного селектора 3, второй вход которого соединен с выходом генератора 2 прямоугольных импульсов, положительный полюс источника 4 питания соединен с соответствующим контактным выводом контролируемой микросхемы 5, а отрицательный полюс источника питания соединен с общей шиной устройства, при этом между общей шиной и контактным выводом контролируемой микросхемы, предназначенным для подключения отрицательного полюса источника питания, включают токосъемный резистор 6 с сопротивлением R, выход временного селектора 3 соединен со входами одного или нескольких ЛЭ контролируемой микросхемы 5, к выходам этих ЛЭ подключены конденсаторы 7 нагрузки емкостью С, вход одного из ЛЭ контролируемой микросхемы соединен с общей шиной устройства, а к выходу этого ЛЭ подключен резистор нагрузки 8 и первый селективный вольтметр 9, а вход второго селективного вольтметра 10 соединяют с контактным выводом контролируемой микросхемы, предназначенным для подключения отрицательного полюса источника питания, при этом линейные выходы селективных вольтметров соединены со входами измерителя разности фаз.
CB1
CB2
Устройство работает следующим образом. По сигналу «Пуск» запускается генератор 1 высокочастотных переключающих импульсов и генератор 2 прямоугольных импульсов, импульсы с выхода генератора 1 высокочастотных переключающих импульсов подаются на один из входов временного селектора 3, на второй вход которого подаются импульсы с выхода генератора 2 прямоугольных импульсов; с выхода временного селектора 3 пачки переключающих импульсов поступают на входы нескольких ЛЭ контролируемой микросхемы 5; на вход первого селективного вольтметра 9, настроенного на частоту модуляции, подается напряжение логической единицы с выхода того ЛЭ, вход которого соединен с общей шиной устройства и состояние которого не изменяется, а напряжение с токосъемного резистора 6, пропорциональное току, потребляемому контролируемой микросхемой, подается на вход второго селективного вольтметра 10, также настроенного на частоту модуляции; сигналы с линейных выходов первого селективного вольтметра 9 (фиг.1з) и второго селективного вольтметра 10 (фиг.1д) подаются на первый и второй входы измерителя разности фаз соответственно; через некоторое время после начала подачи переключающих импульсов регистрируются показание U первого селективного вольтметра 9, которое равно амплитуде первой гармонике температурочувствительного параметра , и показание U второго селективного вольтметра 10, которое пропорционально первой гармонике тока, потребляемого контролируемой микросхемой  и по показаниям селективных вольтметров вычисляют модуль теплового импеданса
а показания измерителя разности фаз Δφ после вычитания 180° равны фазе теплового импеданса
гр
Для исключения влияния токосъемного резистора на результат измерения температурочувствительного параметра сопротивление токосъемного резистора необходимо выбирать как можно меньше, исходя из порога чувствительности селективного вольтметра, либо проводить измерение ТЧП при закороченном токосъемном резисторе. Для повышения точности измерения частоту F следования переключающих импульсов необходимо выбирать вблизи предельной рабочей частоты данного типа контролируемых микросхем.