СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КМОП ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
METHOD OF MEASUREMENT OF HEAT RESISTANCE OF CMOS OF DIGITAL INTEGRATED CHIPS

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.
Известен способ измерения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем RT, в котором микросхему нагревают переключением частотно-модулированными импульсами ЛЭ, выбранного в качестве источника тепла, измеряют изменение температурочувствительного параметра (ТЧП) ЛЭ, выбранного в качестве датчика температуры, определяют греющую мощность и определяют тепловое сопротивление с использованием измеренного изменения ТЧП, греющей мощности и известного температурного коэффициента ТЧП (см. а.с. 1310754 СССР. Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / В.А. Сергеев, Г.Ф. Афанасьев, Б.Н. Романов, В.В. Юдин. Опубл. 15.05.87. Бюл. №18). В качестве ТЧП используют напряжение логической единицы на выходе ЛЭ.
Недостатком указанного способа является большое время измерения напряжения ТЧП селективным вольтметром, что ограничивает автоматизацию контроля тепловых сопротивлений микросхем при массовом производстве.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем, в котором нагревают ЛЭ, выбранный в качестве источника тепла, путем подачи на его вход высокочастотных переключающих импульсов, модулированных последовательностью низкочастотных импульсов по форме меандра, определяют греющую мощность, измеряют изменение ТЧП ЛЭ, выбранного в качестве датчика температуры, и определяют тепловое сопротивление по измеренному изменению ТЧП, греющей мощности и известному температурному коэффициенту ТЧП (см. патент №2463618. Способ определения теплового импеданса КМОП цифровых интегральных микросхем / Сергеев В.А., Ламзин В.А., Юдин В.В. Опубл. 10.10.2012), принятый за прототип.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является также большое время измерения напряжения ТЧП селективным вольтметром и большая погрешность измерения ТЧП.
Технический результат заключается в уменьшении времени измерения и погрешности измерения ТЧП.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе измерения теплового сопротивления КМОП цифровых интегральных микросхем, включающем переключение логического состояния греющего логического элемента последовательностью высокочастотных импульсов, определение греющей мощности, измерение изменения температурочувствительного параметра, вычисление теплового сопротивления как отношение измеренного изменения температурочувствительного параметра к греющей мощности и температурному коэффициенту температурочувствительного параметра, особенность заключается в том, что в качестве температурочувствительного параметра используют длительность периода следования низкочастотных импульсов, генерируемых мультивибратором, и мультивибратор состоит из логического элемента контролируемой микросхемы и логического элемента образцовой микросхемы, работающей вместе с пассивными элементами мультивибратора при неизменной температуре, причем температурный коэффициент длительности периода следования низкочастотных импульсов определен путем нагрева в термостате контролируемой микросхемы при сохранении неизменной температуры образцовой микросхемы с пассивными элементами.
Сущность изобретения заключается в следующем. Нагрев КМОП цифровых интегральных микросхем осуществляют подачей на вход одного ЛЭ, выбранного в качестве источника тепла, высокочастотных переключающих импульсов (см., например, Тилл, У. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление: пер. с англ. / У. Тилл, Дж. Лаксон. - М.: Мир, 1985. - стр.474-475). Греющая мощность определяется из выражения
н
где  - напряжение питания контролируемой микросхемы; f - частота следования высокочастотных импульсов греющегося ЛЭ; С - емкость нагрузки греющегося ЛЭ.
T
За счет теплопроводности тепло передается другим элементам микросхемы и изменяет их электрические характеристики. Тепловую связь между ЛЭ в цифровых интегральных микросхемах используют для определения теплового сопротивления (см. Закс Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем. М.: Радио и связь, 1983, с.31-32). Задавая приращение электрической мощности ΔP греющегося ЛЭ, измеряют изменение ТЧП ЛЭ, используемого в качестве датчика температуры. Тепловое сопротивление R определяют по формуле:
U
где Δθ - приращение температуры ЛЭ, используемого в качестве датчика температуры; K - температурный коэффициент ТЧП.
эл
эл
Кроме тепловой связи между ЛЭ существует электрическая связь из-за наличия паразитного сопротивления общей шины питания логических элементов микросхемы (см., например, а.с. №1613978 авторов Сергеев В.А., Юдин В.В., Горюнов H.H. «Способ измерения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем и устройство для его осуществления», опубл. 15.12.90. Бюл. №46). В прототипе в качестве ТЧП используют напряжение логической единицы , чувствительное к изменению напряжения питания ЛЭ. Микросхема в прототипе находится в двух разделенных по времени последовательно чередующихся состояниях: в состоянии нагрева и в состоянии измерения . Каждому состоянию соответствует свое напряжение питания ЛЭ, выбранного в качестве датчика температуры. В состоянии измерения  напряжение питания повышается скачком относительно напряжения питания в состоянии нагрева на величину падения напряжения тока нагрева на паразитном сопротивлении в цепи питания ΔU. Напряжение  также увеличивается. Скачкообразное изменение напряжения  за счет влияния электрической связи ΔU алгебраически складывается с приращением напряжения  спадающего у КМОП микросхем по экспоненте, за счет влияния тепловой связи, что значительно увеличивает погрешность измерения ТЧП.
нч
вч
вч
эл
На практике электрическую составляющую исключают путем измерения переменного напряжения , выбранного в качестве ТЧП, на низкой частоте при длительности периода следования Т>>τ и на высокой частоте при Т<<τ, где τ - тепловая постоянная времени кристалла микросхемы. При Т<<τ изменение напряжения  обусловлено только влиянием электрической составляющей ΔU. Истинную величину  обусловленную только изменением за счет тепловой связи, определяют путем вычитания  (см., например, Аронов В.Л., Федотов Я.А. Испытание и исследование полупроводниковых приборов. Учебн. пособие для специальностей полупроводниковой техники вузов, М., «Высшая школа», 1975, стр.246). Двойное измерение  на двух частотах увеличивает время измерения.
вч
н
н
вых
вых
пор
рп
м
а
Чтобы исключить погрешность измерения ТЧП, вносимую электрической связью между ЛЭ, и уменьшить время измерения теплового сопротивления выберем в качестве ТЧП длительность периода T низкочастотных колебаний мультивибратора с одной времязадающей RC цепью. Одним плечом мультивибратора является ЛЭ1 контролируемой микросхемы 1, выбранный в качестве датчика температуры. Вторым плечом является ЛЭ2 образцовой микросхемы 2, температура которой вместе с внешней времязадающей RC цепью в процессе измерения остается постоянной (см. фиг.1). Один из ЛЭ контролируемой микросхемы, выбранный в качестве источника тепла, нагревают переключающими высокочастотными импульсами U (см. фиг.2). Для усиления нагрева выход ЛЭ нагружают на емкость нагрузки C. Выбрав емкость нагрузки из условия С>>С, где С - внутренняя емкость на выходе ЛЭ, то греющая мощность, определяемая по формуле (1), будет одинакова для всех микросхем. В процессе нагрева контролируемой микросхемы будет происходить изменение порогового напряжения U переключения, напряжения  и падение напряжения U на защитном диоде логического элемента ЛЭ1. Изменение напряжений ЛЭ1 преобразуется в изменение частоты колебаний U мультивибратора. Длительность периода колебания Т мультивибратора имеет вид (см., например, Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. - М.: Радио и связь, 1991. - стр.84-85):
ц
1
m
ц
Измерение длительности периода следования низкочастотных импульсов T проводят в начале времени цикла t нагрева (см. фиг.2д) - T, и в конце цикла нагрева - T. Время цикла нагрева задается сигналом цикла нагрева U, как показано на фиг.2в. Вычисляют приращение периода следования:
и тепловое сопротивление по формуле (2).
При такой последовательности измерения периода следования низкочастотных импульсов, когда и нагрев, и измерение проводят одновременно, напряжение питания ЛЭ1 и напряжение , входящее в формулу (3), изменяться скачком не будут из-за отсутствия изменения напряжения на паразитном сопротивлении контролируемой микросхемы 1. Погрешность измерения ТЧП при этом существенно уменьшается.
1
ц
Оценим методическую погрешность, обусловленную нагревом контролируемой микросхемы 1 за первый период следования импульса. Примем экспоненциальный закон изменения температуры нагрева. Приращение температуры за первый период следования импульса мультивибратора Δθ и по окончании цикла нагрева Δθ будет иметь вид:
1
ц
где T - длительность первого периода следования импульсов мультивибратора; t - длительность цикла нагрева; τ - тепловая постоянная времени кристалла микросхемы. Методическая погрешность измерения δ будет равна:
1
ц
При этом должно выполняться неравенство T<<τ<<t. Для микросхем средней степени интеграции погрешность δ не превышает 1%.
Погрешность и время измерения длительности периода Т намного меньше погрешности и времени измерения напряжения , выбранного в прототипе в качестве ТЧП.
т
Температурный коэффициент длительности периода К определяют путем нагрева в термостате контролируемой микросхемы 1 при сохранении неизменной температуры образцовой микросхемы 2 с пассивными элементами (времязадающей RC цепью).
На фиг.1 представлен измеритель, реализующий способ определения теплового сопротивления КМОП цифровых интегральных микросхем.
На фиг.2 представлены эпюры напряжения схемы, реализующей способ определения теплового сопротивления КМОП цифровых интегральных микросхем.
Измеритель содержит исследуемую микросхему 1, образцовую микросхему 2, источник питания 3 исследуемой и образцовой микросхем, генератор высокочастотных импульсов нагрева 4, первый формирователь 5 импульса старта, триггер 6, первый логический элемент 2И 7, инвертор 8, регистр 9, второй логический элемент 2И 10, третий логический элемент 2И 11, генератор счетных импульсов 12, первый счетчик 13, второй счетчик 14, вычитатель 15, второй формирователь 16 импульсов сброса, четвертый логический элемент 2И 17.
ф1
ф1
ц
р1
вч
м
1
i
сч
рm
m
ф2
ц
а
Измеритель работает следующим образом. В исходном состоянии контролируемая микросхема 1 и образцовая микросхема 2 подключены к общему источнику питания 3 (см. фиг.1). На выходе триггера 6 сразу после включения питания измерителя присутствует произвольный уровень логического напряжения. Работа схемы начинается с подачи стартового импульса U низкого логического уровня (см. фиг.2б) с формирователя импульса 5 на вход сброса триггера 6 через логический элемент 2И 6, на вход сброса регистра 9 и счетчиков 14 и 15. При этом на выходе триггера 6 и на первом выходе регистра 9 устанавливается уровень логического нуля, происходит обнуление счетчиков 13 и 14. Уровень логического нуля на выходе триггера 6 блокирует первый логический элемент 2И 7 и логический элемент ЛЭ2 образцовой микросхемы 2 в составе мультивибратора. После окончания времени действия стартового импульса U по его заднему фронту на выходе триггера 6 (фиг.2в) и первом выходе регистра 9 (фиг.2е) устанавливаются уровни логической единицы U и U. Логическая схема 2И 7 пропускает высокочастотные импульсы U (фиг.2) с генератора высокочастотных импульсов нагрева 4 на вход ЛЭ, выбранного в качестве источника тепла контролируемой микросхемы 1. Мультивибратор на логических элементах ЛЭ1 контролируемой микросхемы 1 и ЛЭ2 образцовой микросхемы 2 начинает генерировать низкочастотные импульсы U (фиг.2д). Генерированные импульсы мультивибратора снимаются с ЛЭ2. Первый период низкочастотных импульсов T начинается с низкого логического уровня. В результате нагрева контролируемой микросхемы, ее температура повышается по экспоненциальному закону, как показано на фиг.2г, а длительность периода T генерируемых мультивибратором низкочастотных импульсов увеличивается при неизменных значениях сопротивления R и емкости C времязадающей цепи. Генерируемые импульсы мультивибратора инвертируются инвертором 8 и сдвигают уровень логической единицы на выходах регистра 9. До прихода второго импульса мультивибратора с ЛЭ2 на вход регистра 9 импульсы генератора 12 счетных импульсов U поступают через второй логический элемент 2И 10 на вход первого счетчика 13 (фиг.2з) и записывается количество прошедших импульсов. Это время соответствует началу разогрева контролируемой микросхемы 1. В дальнейшем происходит сдвиг импульсами мультивибратора логической единицы на выходе регистра до выбранного разряда m. Последний по счету m импульс регистра 9 U (фиг.2ж) разрешает проходу счетных импульсов с генератора 12 через третий логический элемент 2И 11 на вход счетчика 14 (фиг.2з) и также происходит запись количества импульсов «горячей» контролируемой микросхемы 1 с длительностью периода следования T. Вычитатель 15 вычисляет разность Δn импульсов, записанных в счетчиках 13 и 14. С приходом очередного импульса мультивибратора, второй формирователь 16 формирует импульс U с уровнем логического нуля (фиг.2и), который завершает полное время цикла t измерения (фиг.2в) путем сброса триггера 6 через четвертый логический элемент 2И 17.
m
1
сч
сч
сч
Приращение длительности периода следования импульсов ΔT=T-T=Δn·τ, где τ - длительность периода следования счетных импульсов U. Тепловое сопротивление определяют по формуле (2)
T
Т
R=ΔT/КΔP,
Т
где К - известный температурный коэффициент длительности периода следования мультивибратора.