СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КМОП ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
METHOD OF DETERMINING THERMAL RESISTANCE OF DIGITAL INTEGRAL MICROCIRCUITS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества цифровых интегральных микросхем с КМОП логическими элементами и оценки их температурных запасов.
T
Известен способ (см., например, Закс, Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем / Д.И. Закс. - М.: Радио и связь, 1983. - С. 31-33) определения теплового сопротивления R цифровых интегральных микросхем, в котором один логический элемент контролируемой микросхемы, выбранный в качестве источника тепла, нагревают проходящим током, измеряют температурочувствительный параметр (ТЧП) до и после нагрева, определяют приращение ТЧП, измеряют потребляемую греющую мощность микросхемы до и после нагрева, определяют приращение греющей мощности и определяют тепловое сопротивление как отношение приращения ТЧП к приращению греющей мощности и известному температурному коэффициенту ТЧП.
Недостатком известного способа является невозможность определения теплового сопротивление КМОП цифровых интегральных микросхем, так как в статическом состоянии в микросхеме рассеивается очень малая мощность, которой недостаточно для заметного нагрева кристалла микросхемы.
T
гр
ВЧ
дат
Наиболее близким к заявленному изобретению и принятым за прототип является способ (см. А. с. 1310754 СССР, 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) определения теплового сопротивления R КМОП цифровых интегральных микросхем, заключающийся в том, что один или нескольких логических элементов контролируемой микросхемы, выбранных в качестве источников тепла (ЛЭ), нагревают путем подачи на их входы переключающих высокочастотных импульсов частотой F, измеряют изменение ТЧП логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры (ЛЭ), определяют приращение греющей мощности и определяют тепловое сопротивление как отношение приращения ТЧП к приращению греющей мощности и известному температурному коэффициенту ТЧП.
дат
гр
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что изменение ТЧП - напряжения логической единицы, установленного на выходе логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры (ЛЭ), происходит как за счет полезной тепловой связи с греющим логическим элементом ЛЭ, так и за счет паразитной электрической связи с этим же логическим элементом по внутренним цепям питания контролируемой микросхемы (см., например, А. с. 1613978 СССР, МКИ G01R 31/28. Способ измерения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем и устройство для его осуществления / В.А. Сергеев, В.В. Юдин, Н.Н. Горюнов. - №4336240/24-21; заявл. 30.11.87; опубл. 15.12.90, Бюл. №46).
nap
n
дат
ВЧ
гр
ВЧ
Механизм действия паразитной электрической связи состоит в том, что в момент переключения через логический элемент КМОП микросхемы протекает сквозной ток, который создает падение напряжения на сопротивлении внутренней шины питания R в виде положительных и отрицательных электрических выбросов по фронтам высокочастотных переключающих импульсов и переходных затухающих процессов. Поскольку значение напряжения логической единицы на выходе логического элемента зависит от напряжения источника питания E, то в результате выходное напряжение логической единицы датчика температуры ЛЭ будет иметь ту же форму, что и напряжение питания логического элемента. Амплитуда и форма положительных и отрицательных выбросов и переходных процессов различна и среднее значение напряжения выбросов будет суммироваться с уровнем напряжения на выходе логического элемента, соответствующего текущей температуре кристалла микросхемы. Погрешность измерения изменения напряжения, выбранного в качестве ТЧП, повышается. Для повышения чувствительности способа необходимо увеличивать температуру нагрева кристалла контролируемой микросхемы путем увеличения, например, частоты F вплоть до предельной частоты переключения, так как греющая мощность Р связана с частотой переключения F известной зависимостью (см., например, Тилл, У. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление: пер. с англ. / У. Тилл, Дж. Лаксон. - М.: Мир, 1985. - С. 475):
н
где С - выходная емкость КМОП микросхемы и емкость нагрузки. Погрешность измерения в этом случае также будет увеличиваться.
Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения за счет исключения влияния электрической составляющей по цепи питания контролируемой микросхемы.
ВЧ
TЧП
ВЧ
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения теплового сопротивления КМОП цифровых интегральных микросхем один или несколько логических элементов контролируемой микросхемы разогревают путем подачи на их входы переключающих импульсов высокой частоты F, определяют приращение греющей мощности, измеряют изменение температурочувствительного параметра до и после разогрева и определяют тепловое сопротивление как отношение изменения температурочувствительного параметра к приращению греющей мощности и известному температурному коэффициенту температурочувствительного параметра, отличие заключается в том, что на вход логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры и не имеющего функциональной связи с греющими логическими элементами, подают прямоугольные переключающие импульсы, частота следования F которых меньше частоты переключения F греющих логических элементов, импульсы с выхода логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры, подают на вход вольтметра постоянного напряжения через последовательно соединенные два внешних по отношению к контролируемой микросхеме КМОП инвертора и измеряют среднее значение импульсного напряжения до и после нагрева, которое и используют в качестве температурочувствительного параметра.
nap
n
nap
nЛЭ
Сущность изобретения заключается в следующем. Функционально не связанные логические элементы цифровых интегральных микросхем имеют электрическую связь по внутренним паразитным сопротивлениям R цепи питания. Ток потребления I микросхемы, протекающий по сопротивлениям R, создает падения напряжения на них, приводящие к уменьшению напряжений питания логических элементов Е (см. фиг. 2). Уменьшение напряжения питания значительно меньше пороговых напряжений переключения ЛЭ и практически не оказывает никакого влияния на функциональную работоспособность цифровой схемы, объединяющей несколько логических элементов.
nap
У КМОП микросхем падение напряжения на сопротивлении R происходит в моменты переключения логического элемента из одного логического состояния в другое и проявляется в виде электрических выбросов по фронтам переключающих импульсов и периодических затухающих колебаний электрических переходных процессов во время следования и паузы импульсов. Напряжение на выходе логического элемента в отсутствии электрических выбросов практически равно напряжению питания микросхемы , (см., например, Тилл, У. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление: пер. с англ. / У. Тилл, Дж. Лаксон. - М.: Мир, 1985. - С. 469-470).
ВЧ
nЛЭ
В прототипе ТЧП является напряжение логической единицы  на выходе ЛЭ, используемого в качестве датчика температуры и функционально не связанного с греющими ЛЭ. Один или несколько логических элементов контролируемой микросхемы нагревают высокочастотными импульсами с частотой следования F. В этом случае влияние электрических выбросов и переходных процессов очень велико, так как изменение напряжения  за счет изменения температуры соизмеримо с изменением напряжения за счет изменения внутреннего напряжения питания Е логического элемента. Вносимая электрическими выбросами и переходными электрическими процессами погрешность измерения напряжения  непредсказуема как по величине, так и по знаку и для ее учета при определении теплового сопротивления требуются значительные аппаратные и временные затраты.
BЧ
дат
TЧП
BЧ
TЧП
дат
гр
дат
дат
1
2
1
2
tp1
tp2
tn1
tn2
t1
t2
TЧП
В предлагаемом способе на вход греющих логических элементов подают переключающие импульсы высокой частоты следования F, а на вход логического элемента, выбранного в качестве датчика температуры ЛЭ, подают переключающие импульсы, частота следования F которых меньше частоты F. В качестве ТЧП выбрано среднее значение  импульсного напряжения с частотой следования F и с известным температурным коэффициентом напряжения  Изменение температуры Δθ ЛЭ определяется по формуле  где  - изменение среднего значения напряжения импульсного напряжения при изменении температуры. За счет тепловой связи между греющими логическими элементами ЛЭ и логическим элементом, выбранным в качестве датчика температуры ЛЭ, последний тоже нагревается, и пороговое напряжение МОП транзисторов уменьшается (см., например, Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 2. Пер. с англ. - 2-е перераб. и доп. Изд. - М.: Мир, 1984. - С. 28). Уменьшение порогового напряжения МОП транзисторов приводит в свою очередь к уменьшению порогового напряжения переключения ЛЭ и к уменьшению длительности импульса, как показано на фиг. 1, где τ, τ, θ, θ - длительность импульса и температура микросхемы до и после нагрева, U, U, U, U, U, U - пороговое напряжение р-МОП, n-МОП транзисторов и пороговое напряжение переключения ЛЭ до и после нагрева (см. Юдин, В.В. Зависимость времени задержки распространения сигнала КМОП микросхем от температуры /В.В. Юдин // Радиоэлектронная техника: межвуз. сб. науч. тр.: под ред. В.А. Сергеева. - Ульяновск: УлГТУ, 2019. - С. 59-64). Частота F при этом остается неизменной.
дат
TЧП
дат
дат
дат
Логическими элементами КМОП микросхем являются инверторы и при переключении ЛЭ с частотой F паузе последовательности импульсов на входе соответствует длительность полки импульса на выходе, которая из-за уменьшения порогового напряжения МОП транзисторов также уменьшается. Амплитуда импульса при этом будет зависеть как от полезной тепловой, так и от нежелательной электрической составляющей, вызванной электрическими выбросами и переходными процессами. В предлагаемом способе выходной ток логического элемент ЛЭ равен входному току следующего ЛЭ, являющемся током утечки затворов n и р-МОП транзисторов. В этом случае изменение амплитуды за счет тепловой составляющей практически не происходит ввиду ничтожно малой величины температурного коэффициента напряжения при практически равном нулю токе нагрузки (см., например, Ламзин, В.А. Зависимость температурного коэффициента напряжения логической единицы КМОП-цифровых интегральных микросхем от тока нагрузки / В.А. Ламзин, В.А. Сергеев, В.В. Юдин // Известия вузов. Электроника. - 2012. - №6 (98). - С. 87-90). Чтобы исключить влияние погрешности, связанной с искажением формы полки импульса, импульсы с выхода ЛЭ подают на два последовательно соединенных КМОП инвертора. Оба инвертора внешние по отношению к контролируемой микросхеме, не входят в ее состав и не имеют с ней тепловой связи. Напряжения питания инверторов и контролируемой микросхемы равны. Первый инвертор предназначен для погашения искажений полки импульса, а второй инвертор - для восстановления фазы импульса на выходе логического элемента ЛЭ.
TЧП
m
Вольтметром постоянного напряжения измеряют среднее значение  импульсного напряжения с частотой F на выходе второго внешнего инвертора. Как известно (см., например, Островский, Л.А. Основы общей теории электроизмерительных устройств / Л.А. Островский. - Изд. 2-е, перераб. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1971. - С. 310) среднее значение импульсного напряжения определяется выражением  где: τ - длительность импульса; Т - период следования импульсов, U - амплитуда импульса. Полезное изменение напряжения  будет наибольшим при условии
дат
TЧП
ВЧ
Переключение логического элемента ЛЭ с частотой F вызывает его дополнительный самонагрев. Для исключения дополнительной погрешности, вызванной самонагревом, измерение напряжения  и потребляемую микросхемой мощность  необходимо проводить дважды - до и после подачи импульсов переключения на частоте следования F на логические элементы, выбранные в качестве источников тепла.
На фиг. 1 представлены эпюры напряжений, поясняющие изменение пороговых напряжений логического элемента КМОП микросхемы при нагреве.
На фиг. 2 представлена структурная схема устройства, с помощью которого можно реализовать способ определения теплового сопротивления КМОП цифровых интегральных микросхем.
ТЧП
BЧ
н
Устройство содержит контролируемую КМОП цифровую интегральную микросхему 1, источник питания 2, генератор импульсов 3 с частотой следования F, генератор высокочастотных импульсов 4 с частотой следования F, низкоомный токосъемный резистор R 5, первый ЛЭ1 6 и второй ЛЭ2 7 внешние по отношению к контролируемой микросхеме инверторы, вольтметр постоянного, напряжения 8, первый коммутатор 9, второй коммутатор 10, емкости нагрузки С 11.
Способ осуществляют на примере этого устройства следующим образом.
n
nap
гр
гр
н
В исходном положении на контролируемую микросхему 1 подают напряжение питания E с источника питания 2. Распределенное сопротивление цепи питания логических элементов обозначено как паразитное сопротивление R. Входы греющих логических элементов ЛЭ соединяют первым коммутатором S1 9 с общей шиной питания. Выходы ЛЭ соединяют в общей шиной питания через емкости нагрузки С 11 для увеличения греющей мощности. В цепь общей шины питания контролируемой микросхемы 1 включают низкоомный токосъемный резистор 5 R.
дат
ТЧП
дат
TЧП
гр.1
дат
ТЧП
На логический элемент, выбранный в качестве датчика температуры ЛЭ контролируемой микросхемы 1 подают прямоугольные переключающие импульсы F с генератора импульсов 3. С выхода ЛЭ импульсы через первый 6 и второй 7 инверторы и коммутатор S2 10 поступают на вход вольтметр 8 постоянного напряжения. Вольтметром 8 измеряют среднее значение  импульсного напряжения с частотой следования F до нагрева микросхемы. Переключают вольтметр 8 коммутатором 10 к низкоомному токосъемному резистору R и измеряют падение напряжения  Определяют греющую мощность Р, вызывающую самонагревом логического элемента ЛЭ прямоугольными импульсами F
гр
BЧ
t1
t2
1
2
TЧП
гр.2
ТЧП
BЧ
Коммутатором 9 подключают к входам греющих логических элементов ЛЭ генератор 4 высокочастотных импульсов с частотой следования F. При нагреве происходит уменьшение порогового напряжения переключения логического элемента U до величины U, что влечет за собой уменьшение длительности импульса τ до величины τ, как показано на фиг. 1. Вольтметром 8 вновь измеряют среднее значение  импульсного напряжения с частотой следования  F. Измеряют падение напряжения  и определяют греющую мощность Р, вызванную импульсами F и F.
ТЧП
гр
гр.1
гр.2
Определяют приращение среднего значения напряжения  с частотой следования F и приращение греющей мощности ΔР=P-Р. Тепловое сопротивление определяют по формуле
ТЧП
Для получения наибольшего изменения значения ТЧП  скважность прямоугольных импульсов с частотой следования F выбирают q=2.