СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ИМПЕДАНСА ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Изобретение относится к технике измерения параметров интегральных микросхем и может быть использовано для контроля качества цифровых интегральных микросхем и определения их температурных запасов.

Известен способ определения теплового импеданса КМОП цифровых интегральных микросхем (ЦИС), заключающийся в том, что один из логических элементов (ЛЭ) ЦИС устанавливают в состояние логической единицы, логическое состояния остальных ЛЭ ЦИС изменяют путем подачи на их входы высокочастотных греющих импульсов частотой повторения F_гр, последовательность греющих импульсов модулируют последовательностью видеоимпульсов с постоянным периодом следования Т_сл, длительность τ_P которых изменяют по гармоническому закону: τ_P=τ_P0(1+msinΩ_Mt) с частотой модуляции Ω_M, глубиной модуляции m и средним значением длительности видеоимпульсов τ_P0; на частоте модуляции Ω_M измеряют амплитуду переменной составляющей тока, потребляемого ЦИС, амплитуду переменной составляющей напряжения логической единицы на выходе того ЛЭ, логическое состояние которого поддерживается неизменным, и разность фаз Δϕ(Ω_M) между этими гармониками и модуль теплового импеданса ЦИС на частоте Ω_M определяют по формуле:

где K_T - известный отрицательный температурный коэффициент напряжения логической единицы, U_пит - напряжение питания ЦИС; а фазу ϕ_T(Ω_M) теплового импеданса ЦИС рассчитывают по формуле ϕ_T(Ω_M)=Δϕ(Ω_M)-180°.

Недостатком известного способа является большая погрешность измерения температурочувствительного параметра (ТЧП) - напряжения логической единицы - из-за наличия паразитного падения напряжения на токоведущей металлизации ЦИС и переходных электрических процессов при переключении ЦИС из режима нагрева в режим паузы (см., например, Сергеев В.А., Юдин В.В. Измерение тепловых параметров полупроводниковых изделий с применением амплитудно-импульсной модуляции греющей мощности // Измерительная техника. - 2010. - №6. - С. 32-39). К недостаткам способа относится также необходимость использования внешнего генератора высокочастотных переключающих импульсов.

Технический результат - повышение точности измерения теплового импеданса ЦИС и упрощение реализации способа.

Технический результат достигается тем, что ЦИС подключается к источнику питания с напряжением U_пит, нечетное число ЛЭ ЦИС соединяют по схеме кольцевого генератора (КГ), который периодически включают в режим генерации управляющими импульсами с периодом следования Т_сл, длительность τ_У которых изменяют по гармоническому закону с частотой модуляции Ω_M, глубиной модуляции m и средним значением длительности τ_У0:

на частоте модуляции выделяют и измеряют амплитуду переменной составляющей тока, потребляемого ЦИС, амплитуду изменения частоты генерации КГ и разность фаз Δϕ(Ω_M) между этими гармониками и модуль теплового импеданса на частоте Ω_M определяют по формуле

где K_F - известный отрицательный температурный коэффициент частоты генерации КГ, а фазу ϕ_T(Ω_M) теплового импеданса рассчитывают по формуле: ϕ_T(Ω_M)=Δϕ(Ω_M)-180°.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется графиками на фиг. 1.

Во время действия управляющих импульсов U_У1 (фиг 1, а) с периодом следования Т_сл, длительность τ_У которых изменяют по гармоническому закону (2) с частотой Ω_M и глубиной модуляции m, КГ, созданный на ЛЭ контролируемой ЦИС, включается в режим генерации и генерирует пачки высокочастотных импульсов (фиг. 1, б) частотой F^КГ, которые разогревают ЦИС. Период следования управляющих импульсов U_У1 выбирают из условия

Поскольку мощность, потребляемая ЦИС, зависит от частоты греющих импульсов, то микросхема будет разогреваться последовательностью импульсов мощности амплитудой Р_гр, широтно-импульсно модулированных по гармоническому закону (фиг. 1, б). Спектр этой последовательности содержит постоянную составляющую и первую гармонику на частоте Ω_M модуляции амплитудой: (см., например, Торяник К.И. и др. Сигналы с широтно-импульсной модуляцией в системах связи // Материалы V Междунар. науч.-техн. школы-конференции «Молодые ученые-2008», 10-13 ноября 2008 г. - М.: МИРЭА, 2008. - Ч. 4. - С. 112-114).

При разогреве ЦИС переменной мощностью спектр температуры ее активной области может быть представлен в виде

где - тепловой импеданс ЦИС, а |Z_T(Ω)| и ϕ_T(Ω) - его модуль и фаза соответственно, j - мнимая единица, P(Ω) - спектр греющей ЦИС мощности (см., например, Сергеев В.А. Методы и средства измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем // Электронная промышленность. - 2004. - №1. - С. 45-48).

Через некоторое время, превышающее три тепловых постоянных времени τ_Тп-к переход-корпус ЦИС (t>3τ_Тп-к), после начала периодического включения КГ в режим генерации в ЦИС установится регулярный тепловой режим, и температура Θ(t) активной области ЦИС будет пульсировать относительно некоторого квазистационарного значения , изменяющегося по закону, близкому к гармоническому, с частотой Ω_M (фиг. 1г):

где ϕ - сдвиг фаз между первыми гармониками греющей мощности и температуры активной области ЦИС, - среднее значение температуры, Θ_m(Ω_M) - амплитуда переменной составляющей температуры на частоте Ω_M. При выполнении условия τ_Tn-к>>Т_сл величина пульсаций δΘ(t) температуры активной области ЦИС будет во много раз меньше Θ_m:δΘ(t)<<Θ_m (см., например, Давидов П.Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов. - М.: Энергия, 1967. - С. 100-116).

Любой температурочувствительный параметр S^ТП ЦИС, линейно зависящий от температуры активной области ЦИС, будет отслеживать изменение температуры (фиг. 1, д) и изменяться по закону, близкому к гармоническому, с амплитудой

Откуда и получаем выражение для модуля теплового импеданса:

Таким образом, если удается выделить и измерить первые гармоники изменения греющей мощности и изменения ТЧП, обусловленного изменением температуры, то модуль теплового импеданса определяется по формуле (8), а фаза теплового импеданса равна разности фаз между первой гармоникой греющей мощности и первой гармоникой температуры.

В данном способе в качестве ТЧП используется частота F^КГ колебаний КГ, которая линейно зависит от температуры с отрицательным температурным коэффициентом K_T (см., например, Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат, 1986, стр. 75) и никак не зависит от переходных электрических процессов и падения напряжения на токоведущей металлизации ЦИС, что и обеспечивает достижение технического эффекта. При реализации предлагаемого способа не требуется отдельный генератор высокочастотных переключающих импульсов. Кроме того, современная измерительная техника обеспечивает измерение частоты колебаний точнее, чем амплитуду импульсных напряжений.

В результате линейной температурной зависимости значение F^КГ во время действия управляющих импульсов будет повторять (с обратным знаком) изменение температуры активной области ЦИС, а амплитуда первой гармоники переменной составляющей частоты F^КГ будет равна:

Заметим, что частота F^КГ может быть измерена только в режиме генерации КГ, причем за время действия управляющих импульсов эта частота несколько снижается из-за пульсации температуры относительно квазистационарного значения, и, строго говоря, выражение (9) справедливо для первой гармоники средней за время действия управляющих импульсов частоты КГ.

Мощность Р_гр, потребляемую ЦИС в режиме генерации КГ, можно определить, зная напряжение питания и измерив средний за период генерации ток I^пот, потребляемый ЦИС из источника питания за время действия управляющих импульсов:

Заметим также, что амплитуда средней за период греющей мощности во время действия пачек греющих импульсов различной длительности будет различной, поскольку эта мощность определяется частотой F^КГ, а эта частота изменяется с изменением температуры. Однако, этот эффект автоматически учитывается при выделении и измерении первой гармоники греющей мощности на частоте модуляции.

На фиг. 2 представлена структурная схема одного из вариантов устройства, реализующего способ, а на фиг. 3 - эпюры сигналов, поясняющие его работу. Устройство содержит контролируемую ЦИС 1, нечетное число ЛЭ которой соединено по схеме КГ, размещенную на теплоотводе и подключенную к источнику питания 2 с напряжением U_пит; устройство управления 3, выход которого подключен к одному из входов первого ЛЭ КГ; токосъемный резистор 4 с сопротивлением R; первый селективный вольтметр 5; преобразователь частоты в напряжение 6, устройство выделения огибающей последовательности видеоимпульсов 7, второй селективный вольтметр 8; измеритель разности фаз 9.

Устройство работает следующим образом. По сигналу «Пуск» устройство управления 3 вырабатывает управляющие импульсы периодом Т_сл и длительностью, изменяющейся по гармоническому закону с частотой модуляции Ω_M (фиг. 3, а), эти импульсы периодически включают КГ в режим генерации (фиг. 3, б). Напряжение с токосъемного резистора 4, пропорциональное току, потребляемому контролируемой ЦИС (фиг. 3, в), подается на вход первого селективного вольтметра 5, настроенного на частоту модуляции. При выполнении условий и τ_Тn-к>>Т_сл температура Θ(t) активной области ЦИС будет изменяться по закону, близкому к гармоническому, с небольшими пульсациями относительно квазистационарного значения (фиг. 3, г). Пачки импульсов частотой F^КГ с выхода КГ подаются на вход преобразователя частоты в напряжение 6; импульсы напряжения амплитудой U_F, пропорциональной частоте F^КГ (рис. 3, д), с выхода преобразователя частоты в напряжение 6 поступают на вход устройства выделения огибающей (рис. 3, д) последовательности видеоимпульсов 7, а с выхода этого устройства переменная составляющая напряжения , пропорциональная температурному изменению частоты F^КГ, поступает на вход второго селективного вольтметра 8, также настроенного на частоту модуляции. Сигналы с линейных выходов первого 5 и второго 8 селективных вольтметров поступают на первый и второй входы измерителя разности фаз 9 соответственно. Через некоторое время после сигнала «Пуск» регистрируют показание U_CB1 первого селективного вольтметра 5, пропорциональное первой гармонике тока, потребляемого контролируемой ЦИС: , и показание U_CB2 второго селективного вольтметра 8, пропорциональное амплитуде первой гармоники изменения частоты генерации КГ: , где K_np - известный коэффициент преобразования частоты в напряжение; по показаниям селективных вольтметров вычисляют модуль теплового импеданса:

а по показанию измерителя разности фаз Δϕ - фазу теплового импеданса: