Способ определения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем

Способ определения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов и интегральных микросхем и может быть использовано для контроля качества и оценки температурных запасов цифровых интегральных микросхем на выходном и входном контроле.

Известен способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем (ЦИС), заключающийся в нагреве контролируемой микросхемы путем переключения нескольких логических элементов (ЛЭ) последовательностью импульсов, частоту следования которых изменяют (модулируют) по гармоническому закону с известной амплитудой и периодом, превышающим на порядок тепловую постоянную времени переход-корпус данного типа микросхем, в измерении амплитуды изменения температурочувствительного параметра (ТЧП) на частоте модуляции и определении теплового сопротивления как отношения амплитуды изменения ТЧП к амплитуде переменной составляющей греющей мощности и температурному коэффициенту ТЧП (см. А.с. №1310754, Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем // Сергеев В.А., Афанасьев Г.Ф., Романов Б.Н., Юдин В.В. Опубл. 15.08.87. Бюл. №18). В известном способе амплитуда переменной составляющей греющей мощности определяется как произведение крутизны зависимости потребляемой мощности от частоты переключения ЛЭ на амплитуду частотной модуляции, а в качестве ТЧП используется напряжение логической единицы одного из ЛЭ ЦИС, логическое состояние которого не изменяется. Недостатком известного способа является большая погрешность измерения, обусловленная наличием паразитной электрической составляющей ТЧП из-за падения напряжения на сопротивлениях токоведущий металлизации контролируемой ЦИС при протекании тока, потребляемого ЦИС.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения теплового импеданса цифровых интегральных микросхем, заключающийся в нагреве микросхемы путем переключения нескольких ЛЭ последовательностью высокочастотных импульсов, частоту следования которых изменяют (модулируют) периодической последовательностью прямоугольных импульсов с заданной частотой и скважностью 2, в измерении амплитуды тока, потребляемого микросхемой, и амплитуды изменения ТЧП и определении модуля теплового импеданса ЦИС на частоте модуляции как отношения амплитуды изменения ТЧП к амплитуде изменения греющего тока на частоте модуляции, напряжению питания микросхемы и известному температурному коэффициенту ТЧП (см. Патент РФ №2463618, Способ определения теплового импеданса КМОП цифровых интегральных микросхем // Сергеев В.А., Ламзин В.А., Юдин В.В. Опубл. 10.10.2012 г.). В качестве ТЧП в известном способе также используется напряжение логической единицы одного из ЛЭ микросхемы, логическое состояние которого не изменяется. Недостатком известного способа является большая погрешность измерения, обусловленная наличием паразитной электрической составляющей ТЧП из-за электрических выбросов при переключении ЛЭ из режима нагрева в режим измерения, а также наличием паразитной электрической составляющей ТЧП из-за падения напряжения на сопротивлениях токоведущий металлизации контролируемой ЦИС при протекании тока, потребляемого ЦИС.

Технический результат - уменьшение погрешности измерения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем.

Технический результат достигается тем, что в известном способе определения теплового сопротивления переход корпус цифровых интегральных микросхем, заключающемся в нагреве контролируемой микросхемы путем переключения нескольких логических элементов микросхемы высокочастотными импульсами, в измерении среднего тока, потребляемого микросхемой от источника питания, и изменения температурочувствительного параметра, отличие состоит в том, что нечетное число (n>1) логических элементов контролируемой микросхемы соединяют по схеме кольцевого генератора, замыкая цепь обратной связи кольцевого генератора, на некоторое время цикла измерения включают режим генерации, в качестве температурочувствительного параметра измеряют частоту следования импульсов кольцевого генератора в начале f_нач и в конце f_кон цикла измерения и определяют тепловое сопротивление переход-корпус по формуле:

где Δf=f_нач-f_кон - изменение частоты следования импульсов кольцевого генератора; - средний ток, потребляемый контролируемой микросхемой за время цикла измерения; Е_пит - напряжение питания микросхемы, К_f - температурный коэффициент частоты следования импульсов кольцевого генератора.

Сущность изобретения заключается в исключении паразитной электрической составляющей ТЧП, обусловленной электрическими выбросами при переключении ЦИС из режима нагрева в режим измерения и падением напряжения на токоведущей металлизации при протекании тока потребляемого микросхемой путем использования в качестве ТЧП не напряжения логической единицы на выходе отдельного ЛЭ - датчика температуры, а временного параметра ЦИС - частоты следования импульсов кольцевого генератора, созданного из ЛЭ ЦИС (см., например, Рабаи Ж.М., Чандараксан А., Николич Б. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования. - М.: Вильямс. Второе издание, 2007. Стр 58-60).

Сущность изобретения поясняется эпюрами сигналов, приведенными на фиг. 1. Кольцевой генератор, созданный из нечетного числа ЛЭ контролируемой ЦИС, включается, например, путем замыкания цепи обратной связи на некоторое время Т_Ц цикла измерения (см. фиг. 1а), в несколько раз превышающее тепловую постоянную времени переход-корпус данного типа микросхем. Длительность периода следования Т_к генерируемых импульсов (фиг. 1б) определяется временем задержки распространения сигнала τ_зад ЛЭ микросхемы Т_к=2τ_задn, где n=(2m-1) - количество ЛЭ в кольцевом генераторе при m=2, 3,… В режиме генерирования мощность потребляемая ЦИС от источника питания пропорциональна частоте генерируемых импульсов и существенно возрастает по сравнению со статическим режимом. В результате ЛЭ ЦИС в режиме генерирования будут заметно разогреваться. Известно, что время задержки распространения сигнала ЦИС с ростом температуры увеличивается, а частота колебаний кольцевого генератора соответственно уменьшается. Относительное увеличение ξ времени задержки распространения сигнала ЛЭ ЦИС при увеличении температуры составляет примерно ξ=0,3%/град (см., например, Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат, 1986, стр. 75). При ξ<<1 коэфффициент относительного температурного изменения частоты генерации практически равен (с обратным знаком) коэффициенту относительного температурного изменения времени задержки распространения сигнала, то есть при увеличении температуры ЛЭ на Δθ частота генерации уменьшится Как правило, электрические и временные параметры ЛЭ, расположенные на одном кристалле, и их изменение при изменении температуры имеют небольшой разброс от элемента к элементу, так как изготовлены в едином технологическом процессе.

В приближении теплоэлектрической аналогии (см., например, Закс Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем. - М.: Радио и связь, 1983. - 128 с.) изменение температуры Δθ_п(t) перехода определяется уравнением

где h(t-t′) - отклик температуры перехода на единичный δ-подобный импульс мощности в момент времени t′, P(t′) изменение потребляемой греющей мощности в процессе нагрева. В приближении двухэлементной теплоэлектрической модели

где R_Tп-к, τ_Tп-к - тепловое сопротивление и тепловая постоянная времени переход-корпус, а R_Tк-с τ_Тк-с - тепловое сопротивление и тепловая постоянная времени корпус-среда соответственно.

Относительное изменение греющей мощности, очевидно, будет равно относительному изменению частоты, то есть будет изменяться с тем же относительным коэффициентом ξ: , где P₀≡Р(0) - мощность, потребляемая микросхемой в начале нагрева. Решение уравнения (1) с точностью до членов порядка (ξ·Δθ_п)² имеет вид

где Δθ°(t) решение (1) в отсутствие температурной зависимости греющей мощности, то есть при P(t′)=P₀≡P(0)=const:

Для подавляющего большинства типов современных серийных ЦИС выполняется условие τ_Tп-к<<<τ_Тк-с и при выборе времени нагрева микросхемы из условия τ_Tп-к<<Т_Ц<<τ_Тк-c вторым слагаемым в правой части (4) можно пренебречь и после подстановки (4) в (3) получим:

И по окончании цикла измерения изменение температуры с точностью до членов порядка ехр(-Т_Ц/τ_Tп-к) будет равно

откуда с учетом малости получим выражение для R_Tп-к:

Величина в знаменателе выражения в правой части (7) есть не что иное, как средняя мощность, потребляемая ЦИС за время нагрева. Определить величину при известном напряжении источника питания можно, измерив средний ток, потребляемый ЦИС из источника питания: за время нагрева. Средний ток потребления можно определить, измерив цифровым вольтметром с внешним запуском напряжение U_R на токосъемном резисторе R в цепи питания микросхемы в момент t=0 и t=Т_Ц: . Изменение температуры за время нагрева определяется по уходу частоты колебаний кольцевого генератора , где К_f - температурный коэффициент частоты следования импульсов кольцевого генератора. Окончательно формула для определения теплового сопротивления переход-корпус запишется в виде:

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства, реализующего способ определения теплового сопротивления переход-корпус ЦИС.

Устройство содержит контролируемую микросхему 1, источник 2 питания контролируемой микросхемы, формирователь 3 импульса цикла измерения, низкоомный токосъемный резистор R 4, схему 2И-НЕ 5, цифровой частотомер 6, цифровой вольтметр 7, формирователь 8 строб-импульсов, триггер 9, цифровой коммутатор 10, первый счетчик 11, второй счетчик 12, вычислитель 13.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии первый счетчик 11 и второй счетчик 12 обнулены. Формирователь импульсов 3 формирует импульс цикла измерения Т_Ц (фиг. 1а), который поступает на вход первого логического элемента ЛЭ1 2И-НЕ кольцевого генератора контролируемой микросхемы 1 и на вход внешнего запуска цифрового вольтметра 7 и формирователь импульсов счета 8. Кольцевой генератор на логических элементах ЛЭ1-ЛЭn начинает генерировать высокочастотные импульсы с частотой следования f_к (фиг. 1б). Импульсы, генерируемые кольцевым генератором, поступают на первый вход схемы 2И-НЕ 5, используемой для исключения влияния цифрового частотомера 6 на частоту генерации. Падение напряжения на токосъемном сопротивлении R4, пропорциональное току потребления ЦИС в моменты времени t=0 и t=T_Ц, регистрируется вольтметром 7. Информационный выход цифрового вольтметра 7 шиной данных соединен со входом вычислителя 13. Второй формирователь 8 импульсов формирует два строб-импульса длительностью Т_с (фиг. 1б) в начале и конце цикла измерения Т_Ц. Строб-импульсы поступают на второй вход схемы 2И-НЕ 5. За время действия первого строб-импульса частотомер 6 определяет частоту кольцевого генератора в начале нагрева f_нач. За время действия второго строб-импульса частотомер 6 определяет частоту кольцевого генератора в конце цикла измерения f_кон. Строб-импульсы управляют триггером 9, который при поступлении первого строб-импульса разрешает передачу информации через цифровой коммутатор 10 на первый счетчик импульсов 11, а при приходе второго строб-импульса - передачу информации на второй счетчик импульсов 12. На вычислитель 13 поступает информация с цифрового вольтметра 7 о величине тока потребления ЦИС в начале и конце цикла измерения, с источника питания 2 - о величине напряжения питания контролируемой микросхемы и со счетчиков 11 и 12 - о величине частоты импульсов следования кольцевого генератора в начале f_нач и в конце f_кон цикла измерения Т_Ц. Величина теплового сопротивления переход-корпус ЦИС вычисляется вычислителем 13 по формуле (8).

При измерении частоты электронно-счетным частотомером погрешность измерения (см., например, Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин И.Г. Электрорадиоизмерения: Учеб. пособие для радиотехнич. спец. Вузов / Под ред. В.И. Винокурова. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк, 1986. Стр. 148-151) определяется нестабильностью кварцевого опорного генератора, которой можно пренебречь, и погрешностью дискретизации, которая равна:

где f_к - частота кольцевого генератора; Т_с - время счета частоты f_к.

Кроме этого, в предложенном варианте устройства, реализующего способ, будет существенной методическая погрешность, обусловленная изменением частоты из-за нагрева контролируемой микросхемы за время счета Т_с (см. фиг. 1г) в начале цикла измерения. Приращение температуры Δθ_с за время счета Т_с и по окончании цикли нагрева Δθ_Ц будут иметь вид

При выполнении неравенства Т_с<<τ_T<<Т_Ц относительная методическая погрешность измерения частоты δ_T за время счета Т_с будет равна

Из (9) и (11) следует, что суммарная погрешность измерения частоты за время счета Т_с в начале цикла измерения будет минимальной при . При f_к≈10⁷ Гц и τ_T≈10^-2 с Т_с≈30 мкс и суммарная погрешность измерения частоты в начале нагрева не будет превышать 1%.

Способ определения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем, заключающийся в нагреве контролируемой микросхемы путем переключения нескольких логических элементов микросхемы высокочастотными импульсами, в измерении среднего тока, потребляемого микросхемой от источника питания, и изменения температурочувствительного параметра, отличающийся тем, что нечетное число (n>1) логических элементов контролируемой микросхемы соединяют по схеме кольцевого генератора, замыкая цепь обратной связи кольцевого генератора на некоторое время цикла измерения, включают режим генерации, в качестве температурочувствительного параметра измеряют частоту следования импульсов кольцевого генератора в начале f_нач и в конце f_кон цикла измерения и определяют тепловое сопротивление переход-корпус по формуле где Δf=f_нач-f_кон - изменение частоты следования импульсов кольцевого генератора; - средний ток, потребляемый контролируемой микросхемой за время цикла измерения; Е_пит - напряжение питания микросхемы, K_f - температурный коэффициент частоты следования импульсов кольцевого генератора.