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Diese Erfindung betrifft im allgemeinen Alarmschaltungen, um
thermische Beanspruchungen in integrierten
Schaltungseinrichtungen zu erfassen, und betrifft insbesonders
eine Schaltung, die von einer Anordnung von
Halbleitereinrichtungen gebildet ist, die schon in der
Geographie der integrierten Schaltungseinrichtung eingeschlossen
ist, die die der Leitungsfähigkeit eigene Veränderlichkeit
gegenüber der Temperatur von solchen Halbleiterkomponenten
ausnutzt, um die Alarmschaltung zu bilden. Eine solche Schaltung
ist von US-A-4243898 bekannt.
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Thermische Beanspruchung ist schon lange als ein bedeutendes
Problem beim Betrieb von integrierten Halbleiterchips anerkannt
worden. Diese Chips haben begrenzte Betriebstemperaturbereiche,
und es kann sein, dar sie in sehr heilen oder sehr kalten
Umgebungen nicht richtig funktionieren. Zusätzlich benutzen die
Chips selbst Leistung und erzeugen Wärme. Wenn sogar die
Temperatur der Umgebung in dem Betriebstemperaturbereich für den
Chip liegt, kann der Chip selbst daher sehr viel heiter sein.
Dieses Problem verschlimmert sich bei neueren Chips, die viel
schneller laufen und daher mehr Wärme erzeugen.
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Thermische Beanspruchung kann verläßlichen Betrieb dieser Chips
verhindern. In vielen Anwendungen solcher Schaltungen, wie in
Steuersystemen von Flugzeugen hoher Geschwindigkeit, ist
irgendeine solche Unverläßlichkeit, wenn sie auch noch so kurz
ist, nicht akzeptierbar. Thermische Beanspruchung kann den Chip
zerstören, was noch schlimmer ist. Betrieb eines Chips, wenn
sein Substrat über einer bestimmten Temperatur liegt, kann die
miniaturisierten Schaltungen zu einem solchen Ausmaß
beschädigen, dar der Chip nie wieder richtig arbeiten wird. Die
Anmelderin hat aber beobachtet, daß, wenn die Chips nun
betrieben werden, während sie heil sind, sie Aussetzung
gegenüber viel höheren Temperaturen überleben können. Daher
könnte die Verläßlichkeit einer bestimmten Schaltung erhalten
werden, falls Betrieb von bestimmten Chips, die einen
überhitzten Zustand erfahren&sub1; stillgelegt werden könnten, und
ihre Arbeit von anderen Chips durchgeführt werden könnte. Da die
integrierten Schaltungschips mit sehr grobem Umfang (wie die in
Mikroprozessoren der neuen Generation benutzten VLSICs) und
einzeln angefertigte Chips für besondere Zwecke jeweils hunderte
oder tausende Dollar kosten können, könnten bedeutende
Einsparungen auch durch Verhindern des Betriebs von solchen
Chips in einer zu heilen Umgebung verwirklicht werden.
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Mit Blick auf das Vorhergehende wäre es wünschenswert, ein sehr
wirksames und billiges Mittel zur Uberwachung der Chiptemperatur
zu haben, so dar der Chip ausgeschaltet werden könnte, ein Alarm
erklingen lassen werden könnte, usw., bevor übermäßig hohe oder
tiefe Betriebstemperaturen verursachen würden, dar der Chip
unverläßlich arbeiten oder beschädigt würde. Die
Umgebungstemperatur eines Chips könnte mit Temperaturfühlern
überwacht werden, die in einer Computereinheit angeordnet würden
oder an dem Chipgehäuse selbst befestigt würden, aber diese
Verfahren wären teuer, da sie Fühler benötigen, die von dem Chip
getrennt sind, und zusätzliche Uberwachungshardware. Zusätzlich
würden Verfahren, die Fühler benutzen, einer weniger verläßliche
Temperaturanzeige liefern. Die Temperatur des Siliciumsubstrats
bestimmt die thermische Beanspruchung darauf, aber die anderen
hier beschriebenen Verfahren erfassen die Chipgehäusetemperatur
oder umgebende Lufttemperatur in einer Computereinheit. Es kann
sein, dar die Temperatur der Chipgehäuse oder der umgebenden
Luft die Temperatur des Schaltungssubstrats nicht genau
reflektiert.
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Es ist auch beim Stand der Technik wohlbekannt, daß der Strom
von Elektronen und Löchern über Halbleiterverbindungspunkte sich
mit der Temperatur ändert. Die Anmelderin hat im allgemeinen in
der Digitalelektronik beobachtet, dar die analoge Eigenschaft
von Transistoren als Betriebsmangel angesehen wird, der umgangen
werden muß, so dar die sich ergebende digitale Schaltung nicht
von solchen Temperaturänderungen beeinflußt wird. Im gewönlichen
Fall benutzt der Halbleiterchipingenieur normalerweise in
solchen digitalen Schaltungen Transistoren nur bei entweder
einer hohen oder einer tiefen Spannung (gewöhnlicherweise 5 Volt
und Null Volt), so dar der Transistor ungeachtet der Temperatur
jeweils "ein"- oder "aus" geschaltet sein wird.
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Die vorliegende Erfindung nutzt vorteilhafterweise die
Temperaturänderungseigenschaft von Transistoren in einer
Schaltung für thermische Beanspruchung aus, die Transistoren
umfasst, die schon in einen Siliciumchip integriert sind, der
benutzt wird, um die thermische Beanspruchung auf dem Chip zu
erfassen. Da sie physikalisch Teil des Substrats des Chips sind,
erfassen die Transistoren die Temperatur auf dem Substrat und
liefern daher sehr genaue Messungen. Da die Zwischenverbindungen
zwischen den Transistoren, die notwendig sind, um die thermische
Erfassungsschaltung zu bilden, sehr leicht durch normale
Photoverfahren zugegeben werden können, kann die Schaltung, die
die Beanspruchung erfasst, dem Chip mit praktisch keiner
Erhöhung der Herstellungskosten zugegeben werden.
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Daher ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine neue und verbesserte integrierte Halbleitereinrichtung
(Chip) mit einer Erfassungsschaltung für thermische
Beanspruchung zu liefern, die Anderung mit der Temperatur, die
der Transistorleitfähigkeit eigen ist, benutzt, um ein
Ausgangssignal herzustellen, das die Temperatur anzeigt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein integrierter
Halbleiterchip geliefert, der mit seinem Substrat integriert
eine Anordnung von temperaturempfindlichen Transistoren
einschließt, die angeschlossen sind, um die Auswirkungen der
Temperatur auf die Ausgangsspannung zu multiplizieren, und eine
Reihe von Invertern oder Gattern. Eine Bezugsspannung wird auf
die Transistoranordnung angewandt, und der mit der Temperatur
veränderliche Ausgang der Anordnung wird dann auf die Inverter
oder Gatter angewandt. Die Inverter oder Gatter ändern Zustände
bei bekannten Temperaturen und Spannungen, so dar der digitale
Zustandsausgang von jedem Inverter oder Gatter anzeigt, ob die
Substrattemperatur größer oder kleiner als die dem Inverter oder
Gatter zugeordnete Schaltungstemperatur ist. Durch Abfrage der
Inverter oder Gatter kann der Chip selbst oder eine
Außeneinrichtung die Temperatur des Substrats in einem
bestimmten Bereich bestimmen. Wenn die Temperatur außerhalb des
sicheren Betriebsbereichs für den Chip liegt, dann unternimmt
der Chip selbst oder eine Außeneinrichtung Schritte, um
unsicheren Betrieb zu verhindern.
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Die Gestaltung und der Betrieb der vorliegenden Erfindung kann
am besten mit Bezug auf die genaue Beschreibung in Verbindung
mit den folgenden Zeichnungen verstanden werden:
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Figur 1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der
Erfassungsschaltung für thermische Beanspruchung in einer
Einrichtung der vorliegenden Erfindung;
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Figur 2 ist eine graphische Darstellung der Ausgangsspannung der
Erfassungsschaltung für thermische Beanspruchung als Funktion
der Eingangsspannung bei verschiedenen Temperaturen;
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Figur 3 ist eine graphische Darstellung der Ausgangsspannung
eines Inverters (der als Ausgangseinrichtung für die
Erfassungsschaltung für thermische Beanspruchung benutzt wird)
als Funktion der Eingangsspannung und der Temperatur;
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Figur 4 ist eine graphische Darstellung der Ausgangsspannung
eines ersten NAND-Gatters (das als Ausgangseinrichtung für die
Erfassungsschaltung für thermische Beanspruchung benutzt wird)
als Funktion der Eingangsspannung und der Temperatur;
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Figur 5 ist eine graphische Darstellung der Ausgangsspannung
eines zweiten NAND-Gatters (das als Ausgangseinrichtung für die
Erfassungsschaltung für thermische Beanspruchung benutzt wird)
als Funktion der Eingangsspannung und der Temperatur;
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Figur 6 ist eine graphische Darstellung der Ausgangsspannung
eines dritten NAND-Gatters (das als Ausgangseinrichtung für die
Erfassungsschaltung für thermische Beanspruchung benutzt wird)
als Funktion der Eingangsspannung und der Temperatur.
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Wenn man zunächst auf Figur 1 Bezug nimmt, dann wird die
Schaltung der vorliegenden Erfindung allgemein bei 2 gezeigt.
Die Schaltung 2 umfasst Bezugsspannungseingang 4,
Erfassungsschaltung 6 für thermische Beanspruchung,
Endwiderstand 8, und Gatteranordnung 10. Die Erfassungsschaltung
6 für thermische Beanspruchung hat einen Eingang 12 und einen
Ausgang 14.
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Der Bezugsspannungseingang 4 ist vorzugsweise eine feste
Gleichstromquelle mit einem Spannungsausgang, der in Verbindung
mit der Gatterauswahl für die Gatteranordnung 10 ausgewählt
wird, wie später genauer erklärt werden wird. Ger
Bezugsspannungseingang 4 hat einen negativen Anschluß 16 und
einen positiven Anschluß 18. Der negative Anschluß 16 ist
geerdet, während der positive Anschluß 18 an den Eingang 12 der
Erfassungsschaltung 6 für thermische Beanspruchung angeschlossen
ist.
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Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Erfassungsschaltung
6 für thermische Beanspruchung zehn seriell angeschlossene NMOS-
Feldeffekttransistoren, deren Leitfähigkeit
temperaturempfindlich ist. Dieser Aufbau wird vorgezogen, da die
Wirkung der Temperatur auf Leitfähigkeit der
Feldeffekttransistoren sich ansammelnd erhöht, während mehr
Transistoren zugegeben werden. Zehn Transistoren reichen aus, um
einen nützlichen Temperaturempfindlichkeitsstand zu liefern,
obwohl es klar sein wird, das ein einziger Transistor oder
irgendeine Anzahl von Transistoren benutzt werden könnte, wenn
geeignete Ausgangserfassungsmittel geliefert werden würden. Es
könnten auch andere temperaturempfindliche
Halbleitereinrichtungen als Feldeffekttransistoren benutzt
werden. Zum Beispiel könnten gewöhnliche Transistoren oder eine
Reihe von Dioden in der Schaltung benutzt werden. Die
Transistoren der Erfassungsschaltung 6 für thermische
Beanspruchung werden durch Standardverfahren auf dem Substrat
des Chips gebildet, der auf thermische Beanspruchung überwacht
werden soll. Die Erfassungsschaltung 6 für thermische
Beanspruchung ist vorzugsweise in der Nähe der Mitte des Chips
gebildet, so dar die gemessene Temperatur die allgemeine
Chiptemperatur darstellt.
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Der Schaltplan der Erfassungsschaltung 6 für thermische
Beanspruchung wird nun genauer beschrieben. Die
Erfassungsschaltung 6 für thermische Beanspruchung schließt
einen ersten Transistor 20 mit einem Steueranschluß 22, einem
Drainanschluß 24 und einem Quellenanschluß 26 ein. Ein letzter
Transistor 28 hat ein Gatter 30, einen Drain 32 und eine Quelle
34, und acht dazwischenliegende Transistoren 36 werden in der
Schaltung gezeigt, jeder mit einem Quellen-, Drain- und
Steueranschluß.
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Das Gatter 22 des ersten Transistors 20, das Gatter 30 des
letzten Transistors 28, und die Gatter jeder der
dazwischenliegenden Transistoren 36 sind alle an den Eingang 12
der Erfassungsschaltung 6 für thermische Beanspruchung
angeschlossen. Der Drain 24 des ersten Transistors 20 ist an den
Ausgang 14 der Erfassungsschaltung 6 für thermische
Beanspruchung angeschlossen, während die Quelle 26 oder der
erste Transistor nur an den Drain einer der dazwischenliegenden
Transistoren angeschlossen ist. Die Quelle 34 des letzten
Transistors 28 ist geerdet, und der Drain 32 des letzten
Transistors 28 ist nur an die Quelle eines dazwischenliegenden
Transistors 36 angeschlossen. Jeder dazwischenliegende
Transistor außer dem dazwischenliegenden Transistor 36, der an
den ersten Transistor angeschlossen ist, hat seinen Drain in
einem isomorphen Verhältnis mit der Quelle eines anderen
dazwischenliegenden Transistors 36 angeschlossen. Daher umfasst
die Erfassungsschaltung 6 für thermische Beanspruchung eine
gestapelte Vielzahl von Feldeffekttransistoren, die ihre
steuernden Gatter an einen gemeinsamen Eingang angeschlossen
haben, und ihre Drains und Quellen zwischen dem Ausgang 14 und
Erde zusammengekettet haben. Es ist experimentell bestimmt
worden, dar der gestapelte Aufbau die maximale
Temperatur/Ausgangskorrelation herstellt.
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Der Endwiderstand 8 ist zwischen einer Gleichspannungsquelle von
fünf Volt und dem Ausgang 14 der Erfassungsschaltung 6 für
thermische Beanspruchung angeschlossen. Der Widerstand 8 ist
vorzugsweise ein Widerstand von 8,2 K Ohm und kann
miniaturisiert werden und in das Chipgehäuse gebracht werden.
Andererseits könnte der Ausgang 14 auf ein Außenteil der
Chippackung gebracht werden, und der Widerstand 8 könnte außen
an die Chippackung angeschlossen werden. Die gezeigte
Erfassungsschaltung 6 für thermische Beanspruchung ist allein
grundsätzliche eine Stromeinrichtung, wobei der Ausgang 14 ein
veränderlicher Stromzug ist. Der Endwiderstand 8 wirkt mit der
Erfassungsschaltung 6 für thermische Beanspruchung zusammen, um
einen Spannungsteiler zu bilden, so dar der Ausgang 14 ein
Spannungsausgang wird.
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Die Ausgangsspannung 14 der Erfassungsschaltung 6 für thermische
Beanspruchung ist in Figur 2 als Funktion der Eingangsspannung
und der Temperatur gezeigt. Wenn man wieder auf Figur 1 Bezug
bnimmt, dann wird die Gatteranordnung 10 gebeten, um diesen
Ausgang 14 zu verarbeiten, ihn in digitale Signale umzuwandeln,
die den Temperaturbereich darstellen, der die
Chipsubstrattemperatur umgibt. Die Gatteranordnung 10 ist
vorzugsweise in dem Substrat in demselben Gebiet wie die
Erfassungsschaltung 6 für thermische Beanspruchung integriert,
so dar die Gatteranordnung 10 dieselben thermischen Auswirkungen
wie die Erfassungsschaltung 6 erfahren wird. So kann der
erwünschte Ausgang bei bestimmten Temperaturen sichergestellt
werden. Die Gatteranordnung 10 oder das Ersatzschaltsystem die
dieselbe Funktion durchführen, könnten auch außen vorgesehen
werden, besonders wenn der Ausgang 14 an einen Außenanschluß der
Chippackung gebracht wird, wie schon vorgeschlagen worden ist.
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Die Gatteranordnung 10 umfasst normale Bibliotheksgatter,
einschließlich Inverter 38, NAND-Gatter 40, NAND-Gatter 42, und
NAND-Gatter 44. Diese Gatter 38, 40, 42, 44 werden so
ausgewählt, dar jedes einen verschiedenen Temperatursollwert
hat; das heißt, jedes Gatter wird den Ausgangszustand in
Reaktion auf einen verschiedenen Spannungseingang ändern, der
einer Temperatur über einem ausgewählten Wert entspricht.
Figuren 3, 4, 5 und 6 zeigen Ausgangsreaktion als Funktion der
Eingangsspannung und der Temperatur für jeweils einen
bevorzugten Satz von Gattern 38, 40, 42 und 44. Die
Eingangsspannung zu jedem Gatter in der Gatteranordnung 10 wird
in diesem Fall die Ausgangsspannung 14 der Erfassungsschaltung 6
für thermische Beanspruchung sein.
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Beim Betrieb wird sich der Widerstand der Transistoren 20, 28
und 36 der Erfassungsschaltung 6 für thermische Beanspruchung
zum Flug des Stroms erhöhen, während sich die Temperatur des
Chipsubstrats erhöht. Diese Widerstandserhöhung wird die
Ausgangsspannung 14 wie in Figur 2 gezeigt erhöhen. Während sich
die Temperatur (und daher die Ausgangsspannung 14) erhöht, wird
das Gatter 44 seine Ausgangsphase von "hoch" zu "tief", ändern.
Wenn sich die Temperatur weiterhin erhöht, werden sich die
Ausgangsphasen der Gatter 42, 40 und 38 nacheinander von hoch zu
tief ändern, während die Temperatur sich erhöht. Daher liefern
die Ausgangsphasen der Gatter 38, 40, 42 und 44 eine Anzeige
eines Temperaturbereichs, der die tatsächliche
Chipsubstrattemperatur enthält. Ein tiefer Ausgang für eines der
Gatter 38, 40, 42 und 44 zeigt an, dar die Substrattemperatur
höher als die Sollwerttemperatur des Gatters ist.
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Die Anschlüsse der Temperatursignalausgänge der Gatter in der
Gatteranordnung 10 werden in den Zeichnungen nicht gezeigt, da
die Anschlüsse von dem erwünschten Betriebsverfahren abhängen.
Diese Ausgänge können benutzt werden, um eine Mannigfaltigkeit
von Funktionen durchzuführen. Eine Anzahl von funktionellen
Beispielen wird hier geliefert werden, aber Fachleute werden
sofort weitere Möglichkeiten sehen, die innerhalb des
Erfindungsumfangs liegen. Die Signale könnten zum Beispiel
benutzt werden, um einen Erhaltungs- oder Zentralsteuerprozessor
zu warnen, der Verarbeitungsfunktionen zu einem Sicherungssystem
ableiten könnte, den Chip abstellen könnte, Leistung zum Chip
verringern könnte, oder den Arbeitszyklus der Chipbenutzung
verringern könnte, indem Systemzugriff zum Chip periodisch
gehemmt wird, bis die Chiptemperatur fällt. Die Signale könnten
auch als Eingang zu einem Alarmsteuergerät benutzt werden, der
in einer wohlbekannten Weise in Reaktion auf die Signalausgänge
arbeiten würde, ein Signalmittel aktivieren würde, und dabei
Personal warnen würde, daß ein Chip bei übermäßiger Temperatur
arbeitet. Chiptemperaturdaten könnten zur Wartungsanzeige und
zur Benutzung bei Versagensanalyse registriert werden. Weiterhin
könnten die Signale in dem Gegenstandschip benutzt werden, um
dieselben Ergebnisse zu erhalten. Der Chip kann zum Beispiel
einen inneren Schaltplan haben, der den Betriebsarbeitszyklus
verringern würde, oder Chipauswahl hemmen würde, wenn die
Substrattemperatur übermäßig ist. Während die vorliegende
Beschreibung hauptsächlich Lösungen für das kommerziell
bedeutendere Problem der Überhitzung in Chips diskutiert hat,
betrachten die Erfinder schließlich auch Anwendung der hier
dargestellten Schaltungen und Konzepte, um Fehler oder Schaden
von dem Chipbetrieb bei tiefen Temperaturen zu verhindern, wie
die, die in polaren Umgebungen oder im Weltall angetroffen
werden.
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Der Wert des Bezugsspannungseingangs 4 und der Gatter 38, 40,
42, 44 werden zusammen ausgewählt, mit Bezug auf die
Übertragungsfunktion der Erfassungsschaltung 6 für thermische
Beanspruchung wie in Figur 2 gezeigt, und mit Bezug auf die
Betriebsfähigkeiten des Chips, so dar die Ausgangszustände der
Gatter bei den erwünschten Chiptemperaturen umschalten. Wenn zum
Beispiel ein Chip durch Betrieb über 100ºC zerstört wird, sollte
eines der Gatter ausgewählt werden, um etwas unter dieser
Temperatur umzuschalten, so dar der Chipbetrieb in Reaktion auf
den Gatterausgang gehemmt werden kann.
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Die Gatteranordnung 10 ist ein einfaches Verfahren zur Lieferung
eines digitalen Signals, wenn die Temperatur des Substrats aus
einem erwünschten Bereich geht. Es wird aber erkannt werden, dar
ein einziges Gatter oder irgendeine Anzahl von Gattern innerhalb
des Erf indungsumfangs benutzt werden könnte, je nach der
Genauigkeit, die für Chiptemperaturinformation gefordert wird.
Es könnten auch zahlreiche andere Mittel zur Erzeugung eines
digitalen Ausgangs, der die Temperatur reflektiert, innerhalb
des Erfindungsumfangs benutzt werden. Wenn es zum Beispiel in
einer bestimmten Anwendung notwendig ist, die Substrattemperatur
zu wissen, könnte der Ausgang 14 an einen Analog-Digital-Wandler
angeschlossen werden, der eine digitale Darstellung des
Spannungsausgangs herstellen würde. Diese digitale Darstellung
könnte dann in eine genaue Substrattemperaturmessung übersetzt
werden.