CN110553748B - 芯片布线层温度传感电路、温度检测方法及对应芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种芯片布线层温度传感电路，主要包括金属布线层温度检测模块、脉冲延迟探测模块和温度转换模块，金属布线层温度检测模块为位于芯片的金属布线层的金属互联结构，与脉冲延迟探测模块电学连接；脉冲延迟探测模块包括系统高速时钟，利用系统高速时钟检测脉冲通过所述金属布线层温度检测模块后产生的延时数据；温度转换模块根据延时数据计算金属布线层温度。本发明还公开采用这种芯片布线层温度传感电路的芯片布线层温度传感方法，一种具有多层金属布线层的芯片布线层温度传感电路，一种芯片立体温度传感器，以及采用芯片立体温度传感器所设计的芯片。本发明可以通过对每一金属布线层的温度检测来实现对整个芯片内部的立体温度检测。
Description
技术领域
本发明涉及模拟及数模混合电路中的温度传感器技术领域，尤其涉及一种芯片布线层温度传感电路、温度检测方法、芯片立体温度传感器及对应芯片。
背景技术
随着片上计算、5G技术和光通信等技术的发展，单芯片上集成的器件越来越多，且芯片功耗更大，单位体积产生更多热量，科研人员提出了各种芯片散热方法以保证芯片稳定在正常温度范围，然而，由于芯片本身的限制，散热控制的温度信号主要来源为芯片基底温度，其无法反应芯片中层与顶层走线金属的实际温度，实际应用时，散热片大都布局在芯片的顶层或PCB的底层，发热严重时，在芯片上会形成一个非线性的热度梯度，当发热严重且导热不足时，衬底温度与芯片顶层温度差可高达六十度，在高速应用中，走线金属随着温度的增加会大大增加信号传输延时程度，造成无法恢复的错误结果，或导致性能降低，而在某些低速应用中，由于安装等限制，被测结构的温度梯度也难以测量。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺点，提出一种芯片布线层温度传感电路，包括：金属布线层温度检测模块、脉冲延迟探测模块和温度转换模块，所述金属布线层温度检测模块为位于芯片的金属布线层的金属互联结构，且所述金属互联结构与脉冲延迟探测模块电学连接；所述脉冲延迟探测模块包括系统高速时钟，利用系统高速时钟检测脉冲通过所述金属布线层温度检测模块后产生的延时数据，将延时数据发送到温度转换模块；所述温度转换模块根据所述延时数据计算金属布线层温度；
所述金属互联结构为铜互联结构。
可选地，所述金属布线层温度检测模块的金属互联结构位于芯片的同一金属布线层内，且金属互联结构的两端通过导电通孔与衬底的脉冲延迟探测模块电学相连。
可选地，所述脉冲延迟探测模块还包括数字缓冲器、一异或门，所述数字缓冲器的输入端连接脉冲输入端，所述数字缓冲器的输出端分别与异或门的第一输入端和金属布线层温度检测模块的第一端电学连接，所述金属布线层温度检测模块的第二端与异或门的第二输入端电学连接，所述异或门的输出端与系统高速时钟的输入端相连，输出延时数据。
可选地，所述金属互联结构呈回字形或蛇形分布。
本发明还提出一种利用前面所述的芯片布线层温度检测电路的芯片布线层温度检测方法，包括：检测脉冲通过金属布线层温度检测模块后产生的延时数据；将所述延时数据与基准延时数据进行比对，获取对应金属布线层当前的温度。
可选地，还包括：获取芯片布线层温度传感电路在一预知温度下的延时数据作为基准延时数据。
本发明还提出一种芯片布线层温度检测电路，包括多个金属布线层温度检测模块、多个脉冲延迟探测模块和温度转换模块，所述金属布线层温度检测模块和脉冲延迟探测模块一一对应，所述金属布线层温度检测模块为位于芯片的金属布线层的金属互联结构，且所述金属互联结构与脉冲延迟探测模块电学连接，且每一个金属布线层温度检测模块位于芯片的不同金属互联层内；所述脉冲延迟探测模块包括系统高速时钟，利用系统高速时钟检测脉冲通过所述金属布线层温度检测模块后产生的延时数据，将延时数据发送到温度转换模块；所述温度转换模块根据所述延时数据计算不同层的金属布线层温度。
本发明还提出一种芯片立体温度传感器，包括：衬底温度传感模块和前面所述的芯片布线层温度传感电路，所述衬底温度传感模块与所述芯片布线层温度传感电路的温度转换模块电学连接，将衬底温度传感模块获得的衬底温度信号通过温度转换模块计算衬底温度。
本发明还提出一种具有前面所述的芯片立体温度传感器的芯片。
本发明提出一种芯片布线层温度传感电路，可以通过在芯片的金属布线层上设计金属互联结构，由金属互联结构来监测金属布线层的温度变化；即利用脉冲通过金属互联结构后产生的延时数据来计算金属布线层的温度；现有技术中常因温度增加过大而导致芯片上具有非线性的温度梯度，且会因为金属布线的信号传输延时程度过大而影响定位；因此，相比于现有技术只能测量芯片基底温度而不能掌控芯片的中层或高层金属布线温度的缺陷，本发明可以将芯片布线层温度传感电路设计在芯片立体结构上的任意一层，可以根据实际的应用需求来检测某个位置的温度变化。同时，本发明还提出在多个金属布线层设计金属互联结构，即在芯片的不同金属互联层内设计金属布线层温度检测模块，可以实现同时监测芯片不同位置的温度变化，从而掌握整个芯片内部各层位置温度变化而带来的温度梯度，实现对芯片各位置的温度监测，从而对实现芯片更好的维护提供温度观测条件。
附图说明
图1为本发明提出的一种单芯片立体温度传感器设计的铜的电阻率与温度的关系示意图；
图2为本发明中的芯片上各层金属通过导电通孔连接示意图；
图3为本发明中的布线金属与导电通孔连接示意图；
图4为本发明中的呈回字形或蛇型分布金属布线层的连接示意图；
图5为本发明中读取芯片各层金属布线层温度的模块连接示意图；
图6为本发明中延迟探测电路的连接示意图；
图7为本发明中读取芯片各层金属布线层温度以及衬底温度的模块连接示意图；
其中，100-金属布线层温度检测模块，200-脉冲延迟探测模块，300-温度转换模块，400-衬底温度传感模块，500-导电通孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一：
本发明公开一种芯片布线层温度传感电路的实施例，如附图5所示，包括金属布线层温度检测模块100，脉冲延迟探测模块200和温度转换模块300。其中，金属布线层温度检测模块100为位于芯片的金属布线层上的金属互联结构，同时，该金属互联结构与脉冲延迟探测模块200电学连接；脉冲延迟探测模块200包括系统高速时钟，脉冲通过金属布线层温度检测模块100后产生的延时数据可由系统高速时钟来检测；温度转换模块300则根据被系统高速时钟检测到的延时数据来计算金属布线层温度。
如附图2～附图4所示，金属布线层温度检测模块100的金属互联结构位于芯片的同一金属布线层内，并且，金属互联结构的两端通过导电通孔500与衬底上的脉冲探测模块进行电学连接。在附图2的实施例中，金属布线层一共有9层，其中，金属布线层温度检测模块100的金属互联结构可以位于芯片的任意一层金属布线层内，例如可以位于第一层至第九层的任意一层内。具体地，当金属布线层温度检测模块100的金属互联结构位于芯片的第一层时，即用于检测第一层对应金属布线层位置的温度；当金属布线层温度检测模块100的金属互联结构位于芯片的第九层时，即用于检测第九层对应金属布线层位置的温度。通过合理设置金属互联结构的位置(位于第几层和位于芯片的什么区域)，可以选择性的获取相应金属布线层在芯片工作过程的温度。
如附图6所示，本发明的脉冲延迟探测模块200还包括数字缓冲器和异或门。其中，数字缓冲器的输入端连接脉冲输入端，而数字缓冲器的输出端则与异或门的第一输入端电学连接，同时，数字缓存器也与金属布线层温度检测模块100的第一端进行电学连接。金属布线层温度检测模块100的第二端与异或门的第二输入端进行电学连接；同时，异或门的输出端又与系统高速时钟的输入端相连，并且，从系统高速时钟的输出端输出延时数据。具体地，如附图6所示的延迟探测电路示意图，当输入一个低速脉冲时，该脉冲通过数字缓存器后，与通过金属布线层温度检测模块100检测过后的延时数据一起通入异或门的输入端，两个信号在经过异或门后便得到主要由金属布线层内温度引起的延时数据，该延时数据在经过系统高速时钟后便将数据转换为数字信号输出，该数字信号随后经过温度转换模块300的计算得出金属布线层的温度。在本实施例中，系统高速时钟设于芯片本身的内部电路中。在其他实施例中，系统高速时钟可根据芯片的实际电路结构单独设置而设于芯片外部，并不局限于本实施例。
在本实施例中，金属互联结构为铜互联结构，并且呈回字形或蛇型分布。本实施例采用铜作为金属互联结构，主要利用铜相比于传统的铝布线材料，铜可以通过较小的电阻性能来实现较高的常温工作性能。制造芯片所用的布线材料可以有铝或铜，若采用铝作为布线材料，则因为铝具有较大的电阻率(约为2.8微欧姆每微米)，哪怕在细微的布线尺寸变动的情况下，也可能造成相对于芯片而言较大的电阻变动。因此，采用铜作为布线材料，可以利用铜的小电阻率(约1.7微欧姆每微米)，可以实现在细微布线尺寸变动的情况下，金属布线的电阻也不会有较大的变化，从而使金属布线可以实现较高的常温性能。此外，由于铜的温度系数同铝相当，故当温度变化时，如温度升高后对采用了两者金属布线的芯片的性能恶化的程度也相当。
如附图1所示，本附图为金属铜的电阻率与温度的关系曲线图，从图中可以得知，在芯片的正常温度下，即在200K至400K之间，铜的电阻率随温度的增加而呈线性增加，铜的这一温度特性，使其成为温度感应器件的优良选择。同时，由于金属铜的电阻率随温度变化的波动较小，故直接进行电阻的检测是较为困难的，因此，在进行实际金属铜的布线长度与布线横截面积选择时，应当与系统高速时钟匹配。如在本实施例中，本实施例采用的高速时钟能分辨0.1ns的延时，但脉冲通过金属布线层温度检测模块100后，金属铜每1℃的温度变化仅能产生0.05ns的延时，故本实施例的系统高速时钟能分辨2℃温度变化的延时。在本实施例的实际应用中，对金属互联结构的温度灵敏度保持在2℃至5℃范围即可；即在对金属铜的布线长度与布线横截面积进行选择，需要满足温度灵敏度条件，对金属铜的布线进行适当延长。在其他实施例中，则根据系统高速时钟的型号要求进行合理的金属铜布线选择。
本实施例的金属互联结构呈回字形或蛇型分布，如附图4所示，这种布线方式可以实现在单位面积内，通过增加金属布线的长度来增加金属布线的电阻值，从而提高温度传感的灵敏度。因此，本实施例将铜作为金属互联结构，可以使在一层金属布线层内，金属布线层温度检测模块100的工作性能得到有效提高。此外，金属互联结构的两端还通过导电通孔500与衬底上的脉冲探测模块进行电学连接，直接通过这种电学连接可以读取电路数据，能够避免受到芯片上的其他层或其他电路结构的影响。
同时，由于芯片的立体的温度分布的精度与分辨率要求通常较低，如要求在-5℃至+5℃之间,故在设计时可根据实际的需求来选择系统高速时钟采用的计数时钟频率。
实施例二：
本发明还公开一种利用实施例一的芯片布线层温度传感电路的电路结构所设计的芯片布线层温度传感方法。本实施例的芯片布线层温度传感方法主要包括以下内容：
步骤S1：检测脉冲通过金属布线层温度检测模块100后产生的延时数据。在实施例一中已作介绍，即金属布线层上设有金属互联结构，金属互联结构即为金属布线层温度检测模块100。故在对金属布线层输入脉冲后，金属布线层温度检测模块100便会检测脉冲；在完成脉冲检测后，金属布线层温度检测模块100会产生并输出一延时数据，该延时数据与原输入的脉冲一起在经过脉冲延迟探测模块200内部的异或门的选择后，仅输出主要由金属布线层内温度变化引起的延时数据，此时的延时数据再次经过脉冲延迟探测模块200内的系统高速时钟的数据转换而成为数字信号输出。
步骤S2：将延时数据与基准延时数据进行比对，获取对应金属布线层当前的温度。步骤S1产生的已转换为数字信号输出的延时数据随后进入温度转换模块300中，在温度转换模块300中该延时数据将与基准延时数据进行比对，经过计算可以获取对应金属布线层的当前温度。
其中，由于芯片的制造偏差、寄生效应等不可避免的自身因素影响，各层金属在常温下的基准脉冲宽度在单芯片或芯片与芯片之间不一致，需要进行简单的校准。在校准时，芯片需在保持在低功耗的工作模式以便产生较大的温度场，即需要在某一固定的预知温度下，通过系统高速时钟来获取芯片布线层温度传感电路的延时数据，此延时数据即可作为基准延时数据。
实施例三：
多数情况下，对芯片需要进行不同金属布线层的温度监测，因此，本发明还公开一种芯片布线层温度传感电路，包括多个金属布线层温度检测模块100，多个脉冲延迟探测模块200以及温度转换模块300。其中，金属布线层温度检测模块100和脉冲延迟探测模块200一一对应。金属布线层温度检测模块100为位于芯片的金属布线层上的金属互联结构，且金属互联结构与脉冲延迟探测模块200电学连接，且每一个金属布线层温度检测模块100位于芯片的不同金属互联层内；脉冲延迟探测模块200包括系统高速时钟，利用系统高速时钟检测脉冲通过所述金属布线层温度检测模块100后产生的延时数据，将延时数据发送到温度转换模块300；温度转换模块300根据所述延时数据计算不同层的金属布线层温度。其中，芯片各层金属间通过附图2所示的导电通孔500连接，且由于导电通孔500尺寸于金属布线尺寸而言相对较小，因此使用金属布线作为温度感应时，由导电通孔500的电阻引起的电阻变化可忽略不计。故利用不同层的金属制造多个金属布线层温度检测模块100，可以实现对芯片的立体温度感应。但由于实施例一中所介绍的，铜的电阻率较低，在有限的面积与温度梯度下，相邻金属的电阻变化差别较小，该差别较难分辨，因此，本实施例中，优先选择隔层金属制作金属布线层温度检测模块100，如9层金属时，则优先选择在9-7-5-3层金属制备金属布线层温度检测模块100。但在其他实施例中，可不局限于本实施例中的层数选择，可根据实际电路的性能特点和对芯片温度检测的要求来选择需要设置金属布线层温度检测模块100的金属层数。此外，为节省功耗，立体的金属布线层的温度检测只在衬底温度大于50度时，才进行金属布线层温度检测模块100对金属布线层的温度检测。且脉冲延迟探测模块200中的输入与异或门采用低电压设计，并增加一个标准金属电容以增大输入脉冲的长度，从而可以进一步降低其对计数器的要求。
实施例四：
如附图7所示，本发明还公开一种芯片立体温度传感器，包括衬底温度传感模块400和实施例三中所描述的芯片布线层温度传感电路。同时，由于实施例三所公开的芯片布线层温度传感电路为在实施例一的基础上设计的可实现对多个金属布线层温度监测的芯片布线层温度传感电路，故具体的芯片布线层温度传感电路可参照实施例一与实施例二。
具体地，衬底温度传感模块400与芯片布线层温度传感电路中的温度转换模块300电学连接，故本实施例可以将衬底温度传感模块400获得的衬底温度信号通过温度转换模块300来计算衬底温度。同时本实施例还利用实施例二中的芯片布线层温度传感方法来进行芯片立体温度传感器正常工作。在本实施例中，衬底温度传感模块采用温度感应三极管或MOS管。因此，本实施例所公开的芯片立体温度传感器可同时实现对芯片的衬底与芯片立体结构中的任意一层金属布线层的温度监测。
实施例五：
本发明还公开一种采用实施例四所公开的芯片立体温度传感器的芯片立体温度传感器的芯片，通过在芯片内部设计的芯片立体温度传感器，利用芯片立体温度传感器可同时监测衬底温度与立体芯片任意一层金属布线层温度的特性，来实现对芯片内部全方位的温度检测。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种芯片布线层温度传感电路，其特征在于，包括：金属布线层温度检测模块、脉冲延迟探测模块和温度转换模块，
所述金属布线层温度检测模块为位于芯片的金属布线层的金属互联结构，且所述金属互联结构与脉冲延迟探测模块电学连接；
所述脉冲延迟探测模块包括系统高速时钟，利用系统高速时钟检测脉冲通过所述金属布线层温度检测模块后产生的延时数据，将延时数据发送到温度转换模块；
所述温度转换模块根据所述延时数据计算金属布线层温度；
所述金属布线层温度检测模块的金属互联结构位于芯片的同一金属布线层内，且金属互联结构的两端通过导电通孔与衬底的脉冲延迟探测模块电学相连。
2.根据权利要求1所述的一种芯片布线层温度传感电路，其特征在于，
所述脉冲延迟探测模块还包括数字缓冲器、一异或门，所述数字缓冲器的输入端连接脉冲输入端，所述数字缓冲器的输出端分别与异或门的第一输入端和金属布线层温度检测模块的第一端电学连接，所述金属布线层温度检测模块的第二端与异或门的第二输入端电学连接，所述异或门的输出端与系统高速时钟的输入端相连，输出延时数据。
3.根据权利要求1所述的一种芯片布线层温度传感电路，其特征在于，所述金属互联结构呈回字形或蛇形分布。
4.根据权利要求1所述的一种芯片布线层温度传感电路，其特征在于，所述金属互联结构为铜互联结构。
5.一种利用如权利要求1所述的芯片布线层温度传感电路的芯片布线层温度检测方法，其特征在于，包括：
检测脉冲通过金属布线层温度检测模块后产生的延时数据；
将所述延时数据与基准延时数据进行比对，获取对应金属布线层当前的温度。
6.根据权利要求5所述的一种芯片布线层温度检测方法，其特征在于，还包括：获取芯片布线层温度传感电路在一预知温度下的延时数据作为基准延时数据。
7.一种芯片布线层温度传感电路，其特征包括，多个金属布线层温度检测模块、多个脉冲延迟探测模块和温度转换模块，所述金属布线层温度检测模块和脉冲延迟探测模块一一对应，
所述金属布线层温度检测模块为位于芯片的金属布线层的金属互联结构，且所述金属互联结构与脉冲延迟探测模块电学连接，且每一个金属布线层温度检测模块位于芯片的不同金属互联层内；
所述脉冲延迟探测模块包括系统高速时钟，利用系统高速时钟检测脉冲通过所述金属布线层温度检测模块后产生的延时数据，将延时数据发送到温度转换模块；
所述温度转换模块根据所述延时数据计算不同层的金属布线层温；
所述金属布线层温度检测模块的金属互联结构位于芯片的同一金属布线层内，且金属互联结构的两端通过导电通孔与衬底的脉冲延迟探测模块电学相连。
8.一种芯片立体温度传感器，其特征在于，包括：衬底温度传感模块和如权利要求1或7所述的芯片布线层温度传感电路，所述衬底温度传感模块与所述芯片布线层温度传感电路的温度转换模块电学连接，将衬底温度传感模块获得的衬底温度信号通过温度转换模块计算衬底温度。
9.一种具有如权利要求8所述的芯片立体温度传感器的芯片。
Priority Applications (2)
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