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Monolithisch integrierte Groß schaltung
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Stand der Technik Bei monolithisch integrierten Schaltungen sind
die Fertigungskosten pro Halbleiterkristall und die Zuverlässigkeit im wesentlichen
von der Anzahl der äußeren Anschlüsse bestimmt. Da bei Digitalschaltungen mit unregelmäßiger
innerer Struktur die Anzahl der äußeren Anschlüsse nur etwa mit der Quadratwurzel
aus der Anzahl der enthaltenen Gatterschaltungen zunimmt und somit mit steigender
Komplexität die Kosten und die Fehlerrate pro Gatterschaltung abnimmt, geht die
Entwicklung zu immer umfangreicheren und damit komplexeren integrierten Schaltungen.
Derartige Schaltungen werden in der englischsprachigen Literatur mit der Abkürzung
VLSI für t'very large scale integrated" bezeichnet, welche Abkürzung auch bei uns
schon üblich geworden ist. Eine annehmbare Über setzung in die deutsche Sprache
ist die obengewählte Bezeichnung "Monolithisch integrierte Großschaltung".
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Wie aus der Zeitschrift "Electronics", 08.12.1977,Seiten 65 und 66
hervorgeht, besteht eines der Hauptprobleme derartiger Großschaltungen in deren
Prüfung nach der Herstellung. Dies trifft sowohl auf die digitale Funktionsprüfung
(bei Digitalschaltungen) als auch auf die Parameterprüfung gegen gftausfall (bei
Digitalschaltungen und auch bei Linearschaltungen) zu. Aus dem genannten Aufsatz
geht ferner hervor, daß Prüfprogramme für die digitale Funktionsprüfung in ihrem
Umfang exponentiell mit steigender Gatterschaltungszahl des zu prüfenden Komplexes
zunehmen, wenn keine zusätzlichen Prüfpunkte eingeführt werden. Dies führt dazu,
daß ein erheblicher Teil der möglichen Fehler von den Funktionsprüfprogrammen überhaupt
nicht entdeckt wird. Die Einführung von Prüfpunkten in größerer Zahl kann daher
die Fehlerer kennungsrate wesentlich erhöhen.
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Damit ist aber das Problem der erwähnten verdeckten Fehler noch nicht
gelöst. Diese Fehler werden dadurch hervorgerufen, daß Schaltungselemente, wie z.B.
Gatterschaltungen oder Flipflop-Schaltungen, am Rande der Funktionsfähigkeit sein
und bei einer kleinen Parameterdrift eines Schaltungselements vollends außer Funktion
geraten können, ohne daß dies wegen der Nichtlinearitäten der vor- und nachgeschalteten
Schaltungselemente bei Messungen von den äußeren Anschlüssen her erkannt werden
kann. Auch Fehler dieser Art lassen sich durch geeignete Prüfpunkte erkennen, deren
Zahl jedoch hierfür beträchtlich sein muß.
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Da diese zusätzlich vorzusehenden Prüfpunkte jedoch Schaltungspunkte
innerhalb der Schaltung der integrierten Groß schaltung sind, müssen diese, damit
sie elektrisch überhaupt zugänglich sind, mindestens zu Anschlußflecken am Rande
des Halbleiterkristalls geführt werden. Aus dieser Tatsache ergibt sich sofort eine
wesentliche Beschränkung der Anzahl, denn die Randlänge eines Halbleiterkristalls
ist begrenzt und in den meisten Fällen werden diese Randbereiche auch für die zum
Betrieb erforderlichen Anschlußflecke schon benötigt. Dieselbe Überlegung gilt im
übrigen auch für die äußern Anschlüsse der fertigen, mit einem Gehäuse versehenen
integrierten Großschaltung.
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Aufgabe Die Aufgabe der in den Ansprüche gekennzeichneten Erfindung
besteht daher darin, monolithisch integrierte Großschaltungen derart auszugestalten,
daß sie mit einem minimalen Aufwand an
zusätzlichen äußeren Anschlüssen,
jeoch mit beliebig großer Genauigkeit prüfbar sind.
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Darstellung der Erfindung Die Erfindung wird anhand der Figuren der
Zeichung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch den Prinzipaufbau einer integrierten Großschaltung
nach der Erfindung, Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer integrierten Großschaltung
nach einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung, Fig. 3 zeigt schematisch den
Aufbau einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung und Fig. 4 zeigt schematisch
den Aufbau einer dritten Ausführungsvariante der Erfindung.
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In Fig. 1 ist der Grundgedanke der Erfindung schematisch dargestellt.
So wird durch die Bezugsziffer 1, die auf das gezeigte Rechteck sich bezieht, die
integrierte Großschaltung repräsentiert. Durch die gestrichelte waagrechte Linie
ist die in ihr enthaltene Prüfschaltung 2 von ihrem funktionellen Teil abgetrennt.
Die innere Struktur des funktionellen Teils ist nicht dargestellt, da sie jede beliebige
denkbare Form haben kann und für den Grundgedanken der Erfindung im übrigen auch
unwesentlich ist. Wichtig ist nämlich lediglich die Tatsache, daß der funktionelle
Teil über seine äußeren Anschlüsse El, E2,E3,Em (Eingangsanschlüsse) und A1,A2,A3,An
(Ausgangsanschlüsse) nicht ausreichend, wie eingangs geschildert, geprüft werden
kann. Der funktionelle Teil der integrierten Großschaltung
1 kann
somit beispielsweise eine reine Digitalschaltung sein, die vorzugsweise in der Technik
isolierter Feldeffekttransistoren oder mittels der bekannten sogenannten I2L-Technik
(integrierte Injektionslogik) realisiert werden kann. Beim funktionellen Teil kann
es sich jedoch auch um eine integrierte Analogschaltung, beispielsweise eine Teilschaltung
von Rundfunk- oder Fernsehgeräten,handeln, die dann mit Vorteil in der Technik der
bekannten Bipolar-Schaltungen realisiert wird. Es ist jedoch auch jede beliebige
Kombination der heute gängigen Realisierungstechniken für integrierte Schaltungen
möglich, insbesondere auch eine Kombination von Digital- und Analog-Schaltungen.
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Für den Grundgedanken der Erfindung ist es ferner wesentlich, daß
im funktionellen Teil Prüfpunkte P1,P2,P3,Pp vorgesehen sind, die mit der Prüfschaltung
2 elektrisch in Verbindung stehen. Schließlich ist für die Prüfschaltung 2 noch
wesentlich, daß sie je nach Ausführungs- und Ansteuervariante lediglich ein , zwei
oder drei äußere Anschlüsse Z1,Z2,Z3 aufweist.
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Die Prüfpunkte P1...Pp selbst können dabei entweder zum Einspeisen
von Signalen, z.B. zum Setzen von Flipflop-Schaltungen, als Signalausgänge, ggf.
mit nachgeordneten Verstärkern, zum Messen von statischen und/oder dynamischen Schaltungselementparametern,
also z.B. zum Messen von Strom-Spannungskennlinien, oder zu digitalen Überprüfungn,
also z.B. zur Feststellung , ob Signale eine vorgebenen Schwellwert über- oder unterschreiten,
dienen.
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Die Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsvariante
der Erfindung, wobei die Prüfschaltung 2 in vorteilhafter Weise den gezeigten Aufbau
aufweist. Wesentliche Bestandteile der Prüfschaltung sind der Zähler 3, die Verknüpfungsschaltung
4, und die Auswahlschalter 51,52,53,54,5p. Als
Zähler 3 können sämtliche
bekannte Zähler eingesetzt werden, wobei die Wahl eines bestimmten Zählertyps von
den speziellen Gegebenheiten abhängig ist. So wird man beispielsweise bei Realisierung
des Funktionsteils der Groß schaltung in der erwähnten Feldeffekttransistortechnik
auch die gesamte Prüfschaltung in dieser Technik realisieren und demzufolge Zählerarten
wählen, die in der Feldeffekttransistortechnik besonders vorteilhaft sind, wie z.B.
Johnson- oder Kettenzähler. Die gleichen Überlegungen gelten auch für die Verknüpfungsschaltung
4 und die Auswahlschalter 51...5p.
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Die Zählerstandausgänge 31,32,33!34,3q werden mittels der Verknüpfungsschaltung
4 derart kombiniert, daß über deren Ausgänge 41, 42,43,44,4p die Auswahlschalter
51...5p entsprechend sequentiell aktiviert werden. Im Ausführungsbeispiel der Fig.
2 sind die Auswahlschalter 51...5p durchweg als Arbeitskontakte gezeichnet, die
natürlich als elektronische Schalter realisiert sind. Über die Auswahlschalter 51...5p
sind die Prüfpunkte P1...Pp des funktionellen Teils der integrierten Groß schaltung
1 mit der zum zweiten Zusatzanschluß Z2 führenden gemeinsamen Leitung verbunden.
Da dem Zähleingang 30 des Zählers 3 über den ersten Zusatzanschluß 1 ein zu zählendes
Signal, also beispielsweise eine von einem äußeren Taktgenerator stammende Impulsfolge,
zugeführt wird, werden somit die Prüfpunkte P1...Pp in der von der Verknüpfungsschaltung
4 vorgegebenen und vom beabsichtigten Prüfprogramm bestimmten Reihenfolge mit dem
zweiten Zusatzanschluß Z2 verbunden, an den ein geeignetes Meßgerät gelegt wird.
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Fig. 2 zeigt ferner noch eine Variante der Ansteuerschaltung. Sie
enthält das Zeitglied 60, das mit dem Rückstelleingang 39 des Zählers 3 verbunden
ist. Das Zeitglied 60 seinerseits wird über den ersten Zusatzanschluß Z1 angesteuert
und kann beispielsweise ein monostabiles Flipflop sein, das nur
bei
am ersten Zusatzanschluß Z1 anliegenden Impulsen den Rückstelleingang 39 freigibt,
d.h. nicht aktiviert. Damit kann erreicht werden, daß der Zähler 3 rückgestellt
ist und die Auswahlschalter 51...5p geöffnet sind, wenn am ersten Zusatzanschluß
Z1 kein Signal anliegt. Falls erforderlich können zur besseren Unterdrückung von
Funktionsstörungen , die über die Prüfschaltung 2 in den funktionellen Teil der
integrierten Großschaltung gelangen können, dem Zähleingang 30 des Zählers 3 eine
ein bestimmtes vorgegebenes Codewort entschlüsselnde Decodiereinrichtung vorgeschaltet
werden, die nur bei Anliegen dieses Codeworts zu zählende Impulse in den Zähler
3 gelangen läßt.
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Eine weitere Variante dieser Ansteuerschaltung ergibt sich, wenn an
den ersten Zusatzanschluß Z1 Impulse angelegt werden und anschließend dessen Potential
für länger Zeiten als deren Impulsdauer auf einen hohen Wert H oder niederen Wert
L gehalten wird, wobei nur beim niederen Wert L eine Zählerrücksetzung erfolgt.
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Bei der in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsvariante der Erfindung
besteht die Prüfschaltung wiederum aus den drei Teilen Zähler 3, Verknüpfungsschaltung
4 und Auswahlschalter 51...5p, wobei in Fig. 3 die Laufzahl p gleich 4 ist. Gegenüber
der Variante nach Fig. 2 werdenmittels der Auswahlschalter 51...54 di& Prüfpunkte
P1...P4 an den schon vorhandenen äußeren Anschluß Al der integrierten Großschaltung
1 gelegt, die wiederum durch die Verknüpfungsschaltung 4 über deren Ausgangsleitungen
41...44 sequentiell angesteuert werden.
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Der funktionelle Teil der integrierten Großschaltung 1 besteht bei
der Ausführungsvariante nach Fig. 3 aus den Teilschaltungen A,B,C odie untereinander
und mit den Eingangsanschlüssen E1...E4 sowie mit den Ausgangsanschlüssen A1...A6
über die dick eingezeichneten Leitungen verbunden sind, während die von den
Prüfpunkten
P1...P4 zu den Auswahlschaltern 51...54 und zu den Ausgängen 41...44 der Verknüpfungsschaltung
4 führenden Leitungen dünn gezeichnet sind. Als Ausgangsanschluß, auf den die Prüfpunkte
P1...P4 sequentiell durchgeschaltet werden, ist ein solcher, nämlich der Ausgangsanschluß
Al gewählt, der bei der Prüfung nicht dauernd benötigt wird.
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Auch wurde eine weitere Variante der Ansteuerschaltung gewählt.
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Während nämlich nach Fig. 2 die Prüfpunkte P1,Pp sequentiell über
den zweiten Zusatzanschluß Z2 abfragbar sind, wird nach der Variante der Fig. 3
über den ersten Zusatzanschluß Z1 wiederum der Zähleingang 30 des Zählers 3 angesteuert
und über den zweiten Zusatzanschluß Z2 dessen Rückstelleingang 39.
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Die Ausführungsvariante nach Fig. 4 zeigt schließlich, daß es nach
der Erfindung auch möglich ist, Teilschaltungen des Funktionsteils der monolithisch
integrierten Großschaltung 1 auf ihre Funktionsfähigkeit hin zu überprüfen. Hierzu
dienen wiederum der Zähler 3 und die Verknüpfungsschaltung 4 sowie die entsprechende
Zahl an Auswahlschaltern, in Fig. 4 die Auswahlschalter 51...58. Diese sind im Gegensatz
zu den anderen Ausführungsvarianten jedoch nunmehr elektronische Umschalter, die
von den Ausgängen 41...48 der Verknüpfungsschaltung 4 in noch zu schildernder Weise
betätigt werden. Die Verknüpfungsschaltung 4, die beispielsweise als Festwertspeicher
(ROM) realisiert sein kann, ist derart programmiert, daß in-der Nullstellung des
Zählers 3 die Auswahlschalter 51...58 die gezeichnete Stellung einnehmen , d.h.
die Teilschaltungen A,B,C sind entsprechend den dick gezeichneten Leitungsführungen
untereinander und mit den Eingangsanschlüssen E1...E4 und den Ausgangsanschlüssen
A1...A6 verbunden.
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In der ersten Zählstellung 31 des Zählers 3 werden gegenüber der Nullstellung
die Auswahlschalter 51,56,57 umgeschaltet. Dadurch kann die Teilschaltung A über
die Eingangsanschlüsse E1,E2,E3 und die Ausgangsanschlüsse A1,A2,A3 getrennt von
der
übrigen Schaltung geprüft werden. In der zweiten Zählstellung
32 des Zählers 3 werden gegenüber der Nullstellung, die Auswahlschalter 52,55,58
umgeschaltet, wodurch die Teilschaltung B über die Eingangsanschlüsse E1g3 und die
Ausgangsanschlüsse A1...A5 separat prüfbar wird. Schließlich werden in der dritten
Zählstellung 33 des Zählers 3 die Auswahlschalter 53, 54 umgeschaltet, so daß über
die Eingangsanschlüsse E1,E2,E4 und die Ausgangsanschlüsse A5,A6 die Teilschaltung
C getrennt prüfba ist.
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Das es im allgemeinen aus wirtschaftlichen Gründen nicht sinnvoll
ist, die erforderlichen Teilschaltungen alle jeweils getrennt zu prüfen, läßt sich
eine erhebliche Reduzierung der aufzuwendenden Prüfzeit dadurch erreichen, daß die
Varianten nach Fig. 3 und 4 miteinander kombiniert werden, d.h. daß das Umschalten
auf äußere Anschlüsse und das sequentielle Durchschalten zu äußeren Anschlüssen
gemeinsam angewendet wird.
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In der Ausführungsvariante nach Fig. 4 wird eine weitere Variante
der Ansteuerschaltung gezeigt. Hierzu ist eine Hilfsschaltung 61 mitnintegriert,
die nach Durchlauf aller Zählerstände des Zählers 3 an die zum Rückstelleingang
39 führende Leitung einen Impuls abgibt, der dort,d.h. über den zweiten Zusatzanschluß
Z2,abgenommen werden kann und mittels dem die einwandfreieFunktion des Zählers 3
geprüft werden kann.
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Die Ausführungsvariantetnach den Fig. 3 und 4 kommen mit einem Zusatzanschluß
Z1 aus, wenn man sie mit der Ansteuerschaltung kombiniert, die in Fig. 2 gezeigt
wird.
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Es gibt jedoch auch Fälle, in denen alle drei Zusatzanschlüsse erforderlich
sind.
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3 Blatt Zeichnung mit 4 Figuren