Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем

 

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов и интегральных микросхем и может быть использовано для контроля качества изготовления цифровых интегральных микросхем и оценки их температурных запасов. Технический результат - уменьшение времени измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем. Указанный технический результат достигается тем, что на шину питания контролируемой интегральной микросхемы подают напряжение питания, на входы одного или более логических элементов микросхемы подают переключающие импульсы, предварительно устанавливают один из непереключаемых логических элементов в заданное логическое состояние, измеряют электрические температурочувствительные параметры этого логического элемента, по результатам измерения определяют тепловое сопротивление переход-корпус интегральной микросхемы, и отличается тем, что с целью уменьшения времени измерения частоту следования переключающих импульсов изменяют по линейному закону и через время задержки, превышающее три тепловых постоянных времени переход-корпус микросхемы, после начала изменения частоты следования переключающих импульсов измеряют скорость изменения температурочувствительного параметра, по величине которой и определяют тепловое сопротивление переход-корпус интегральной микросхемы. 1 ил.

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

Известен способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем (См. авторское свидетельство СССР N 1310754. Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем. - Опубл. в бюл. N 18, 1987 г.) заключающийся в том, что логическое состояние одного или нескольких логических элементов (ЛЭ) микросхемы изменяют путем подачи на их входы переключающих импульсов и измеряют температурочувствительный параметр того ЛЭ, логическое состояние которого не изменяется, при этом частоту следования переключающих импульсов изменяют (модулируют) по гармоническому закону с известной амплитудой и периодом Т_М, превышающим на порядок тепловую постоянную времени переход-корпус данного типа микросхем, и измеряют переменную составляющую температурочувствительного параметра на частоте модуляции Ω_м = (2πT_м)^-1. Недостатком известного способа является большое время измерения, которое составляет несколько (3-5) периодов модуляции Т_М, то есть на 1,5-2 порядка превышает тепловую постоянную времени переход-корпус данного типа микросхем.

К недостаткам известного способа можно отнести также сложность аппаратурной реализации способа.

Технический результат - уменьшение времени измерения.

Технический результат достигается тем, что логическое состояние одного или нескольких ЛЭ изменяют путем подачи на их входы переключающих импульсов и измеряют температурочувствительный параметр того ЛЭ, логическое состояние которого не изменяется. Отличие от известного способа состоит в том, что частоту следования переключающих импульсов изменяют по линейному закону с заданной скоростью нарастания частоты S_F и через некоторое время задержки t_изм (превышающее по крайней мере три тепловых постоянных времени переход-корпус данного типа микросхем) после начала изменения частоты температурочувствительного параметра, по величине которой и определяют искомую величину теплового сопротивления переход-корпус микросхемы.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Известно (см., например, Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 2. Пер. с англ. - 4-е изд., перераб. И доп. - М.: Мир, 1993. - с. 103-104), что мощность P, рассеиваемая МОП- и КМОП-микросхемами, линейно возрастает с ростом частоты переключения F: P = P₀ + K_pF, (1) где P₀ - средняя мощность, рассеиваемая микросхемой при частоте переключения F₀, стремящейся к нулю; K_р - крутизна частотной зависимости рассеиваемой мощности P(F). В частности, для МОП- и КМОП-микросхем P₀ ≈ 0, а K_{Р МОП} = CU²_Т и K_{Р МОП} = C_НU²_П соответственно, где C - емкостная нагрузка шины синхросигналов; U_Т - амплитуда синхросигналов; C_Н - емкость нагрузки микросхемы; U_n - напряжение источника питания микросхемы.

Известно также (см. Обеспечение тепловых режимов изделий электронной техники / А. А. Чернышев и др. - М.: Энергия, 1980. - с. 10 - 27), что при измерении рассеиваемой полупроводниковым прибором или микросхемой мощности по некоторому закону P(t) измерение температуры ΔТ активной области (или p-n перехода) микросхемы будет описываться формулой: где T₀ - температура окружающей среды, h(t-τ)- функция отклика температуры на δ-подобный импульс мощности. В приближении двухэлементной тепловой модели микросхемы: где R_Тп-к и R_Тс-с - тепловые сопротивления переход-корпус и корпус-среда соответственно, тепловые постоянные времени переход-корпус и корпус-среда соответственно, причем, обычно, τ_Tк-с≫10τ_Tп-к. (4) Заметим, что постоянной составляющей рассеиваемой мощности для МОП- и КМОП-микросхем практически можно пренебречь (с погрешностью не более 1%) на частотах ниже 10² Гц.

В частности, при изменении частоты следования переключающих импульсов по линейному закону
F = F₀ + S_Ft (5)
мощность, рассеиваемая микросхемой, будет изменяться также по линейному закону
P(t) = P₀ + K_pF₀ + K_pS_Ft, (6)
а изменение температуры перехода будет описываться выражением:

При t>3τ_Тп-к и с учетом (4) с погрешностью не более 5% выражение (7) существенно упрощается:
T_n(t) = T₀+K_PS_FR_Тп-кt+K_PS_FR_Тп-кτ_Тп-к. (8)
Очевидно, что по такому же закону будет изменяться температурочувствительный параметр U микросхемы:

где K_Т - температурный коэффициент температурочувствительного параметра. Таким образом по скорости V=R_TK_pS_FR_nп-к изменения температурочувствительного параметра (или по тангенсу угла наклона зависимости ΔU(t)) нетрудно определить искомую величину теплового сопротивления переход-корпус.

Для увеличения полезного сигнала, то есть скорости изменения температурочувствительного параметра, а следовательно, и точности измерения, необходимо увеличить скорость S_F изменения частоты переключения ЛЭ. Однако при этом время достижения граничной частоты переключения F_гр не должно быть меньше 3 - 4 тепловых постоянных времени переход-корпус микросхемы. Поэтому скорость S_F изменения частоты переключения ЛЭ следует выбирать из условия а начальную частоту F₀ не более 10⁴ Гц.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволял установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощения, уменьшения массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности и пр.)
- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
- выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется ввиду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на чертеже.

Устройство содержит контактную колодку 1 для подключения цифровой интегральной микросхемы, содержащей n > 1 логических элементов; 1 источник питания 2; устройство управления 3, представляющее собой ждущий мультивибратор, вырабатывающий управляющий импульс заданной длительности t_изм; генератор 4 переключающих импульсов с линейно возрастающей частотой переключения; дифференцирующую цепь 5; цифровой вольтметр 6 с внешним запуском.

Способ осуществляют на примере этого устройства следующим образом.

На микросхему, включенную в контактную колодку 1, подают напряжение от источника питания 2. По команде "Пуск" устройство управления 3 вырабатывает управляющий импульс в момент времени t₁. Этим импульсом запускают генератор 4 переключающих импульсов и подают на входы нескольких k (k < n) ЛЭ переключающие импульсы с линейно возрастающей частотой переключения. При помощи дифференцирующей цепи 5 вырабатывают сигнал, пропорциональный скорости изменения температурочувствительного параметра, в качестве которого используется напряжение логической единицы на выходе n-ого ЛЭ, и измеряют этот сигнал цифровым вольтметром 6 в момент времени t₂ (t₂ - t₁ = t_изм - время задержки). Путем выбора соответствующего коэффициента передачи (усиления) дифференцирующей цепи 5 можно добиться показаний вольтметра 6 в единицах теплового сопротивления в выбранном масштабе.

В качестве температурочувствительного элемента может быть использовано как напряжение логической "1" так и напряжение голического "0". Температурный коэффициент K_т может быть определен по известным температурным зависимостям указанных напряжений.

Формула изобретения

Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем, заключающийся в том, что логическое состояние одного или нескольких логических элементов контролируемой микросхемы изменяют путем подачи на их входы переключающих импульсов и измеряют температурочувствительный параметр того логического элемента, логическое состояние которого не изменяется, отличающийся тем, что частоту следования переключающих импульсов изменяют по линейному закону с заданной скоростью нарастания частоты и через некоторое время задержки, превышающее три тепловых постоянных времени переход-корпус данного типа микросхем, после начала изменения частоты следования переключающих импульсов, измеряют скорость изменения температурочувствительного параметра, по величине которой и определяют искомую величину теплового сопротивления переход-корпус микросхемы.

РИСУНКИ

Рисунок 1