ES2332688B1 - Procedimiento heterodino para la realizacion de mediciones de temperatura. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento heterodino para la realización de
mediciones de temperatura.
Procedimiento para la observación de la amplitud
y fase de componentes espectrales del aumento de temperatura en
regiones (3) de un circuito integrado (5) provocado por el
funcionamiento de un circuito o dispositivo (2) ubicado en el
cristal semiconductor (1). Dicho circuito o dispositivo (2) se
activa con una señal eléctrica (4) que contiene la suma de dos
funciones sinusoidales de frecuencias f1 y f2. La frecuencia de la
componente espectral de la temperatura medida es
F=f2-f1.
Description
Procedimiento heterodino para la realización de
mediciones de temperatura.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para realizar mediciones de temperatura en circuitos
integrados. El sector de la técnica al que se refiere es al de la
instrumentación electrónica para la medición de temperatura en
circuitos integrados. Específicamente, mediciones de la temperatura
en circuitos integrados en régimen permanente sinusoidal o
"lock-in".
La realización de mediciones de la temperatura
en regiones de circuitos integrados es una técnica habitual para
observar la potencia disipada en circuitos o dispositivos y hacer
una medición indirecta de los niveles de tensión y corriente
presentes en los mismos. Las mediciones de temperatura en circuitos
integrados se pueden clasificar en tres categorías: estáticas,
transitorias y en régimen permanente sinusoidal. En mediciones
estáticas se mide la componente continua del incremento de
temperatura generado por la componente continua de la potencia
disipada por los circuitos o dispositivos ubicados en el chip.
Medidas transitorias del incremento de temperatura consiste en
medir la evolución temporal de la temperatura desde un tiempo
inicial hasta un tiempo final. Finalmente, medir incrementos de
temperatura en régimen permanente sinusoidal (mediciones
denominadas "lock-in" en inglés) consiste en
medir el módulo y la fase de la componente espectral a una
frecuencia FT del incremento de temperatura que se produce en una
región del circuito integrado. Este tipo de mediciones se
caracterizan por permitir medir incrementos de temperatura
provocados por disipaciones de potencia de baja amplitud, tales
como la potencia disipada por corrientes de fuga en circuitos
digitales, y permiten realizar mediciones con mucha inmunidad al
ruido [1].
Esta frecuencia F_T tiene un valor máximo que
denominaremos F_MAX_T y que viene determinado por la condición más
restrictiva entre: frecuencia máxima de trabajo del sensor de
temperatura utilizado y ancho de banda del acoplo térmico. El
acoplo térmico es la función de transferencia que relaciona la
potencia disipada por el dispositivo o circuito con el incremento
de temperatura que dicha disipación provoca en la región del
circuito integrado en dónde se quiere realizar la medición.
Para realizar mediciones en régimen permanente
sinusoidal del incremento de temperatura a la frecuencia F_T, el
circuito o dispositivo que genera estos incrementos tiene que
disipar una potencia que tenga una componente periódica a la misma
frecuencia F_T. Para generar esta componente espectral de la
potencia disipada, el circuito o dispositivo se activa con una
señal eléctrica periódica de frecuencia F_S. Esta señal eléctrica
se aplica al circuito bien por alguna entrada de alimentación del
mismo, bien por alguna entrada de señal.
Existe una relación matemática entre el valor de
F_S y F_T, verificando normalmente alguna de las siguientes
igualdades: F_S= F_T/2, F_T o 2\cdotF_T. La relación exacta entre
F_S y F_T depende de la particular naturaleza del circuito o
dispositivo que genera el incremento de temperatura. Como
consecuencia de esta relación entre ambas frecuencias, existirá
también una frecuencia máxima de la señal de excitación, que
denominaremos F_MAX_S, a la que se puede excitar el circuito o
dispositivo y que permite realizar una medición del incremento de
temperatura que éste provoca en régimen permanente sinusoidal.
La referencia [2] presenta un procedimiento
heterodino para la observación de componentes espectrales de la
temperatura a una frecuencia F=f2-f1 utilizando un
reflectómetro láser como sensor de temperatura. En esta referencia
el circuito que genera el incremento de temperatura se excita con
una señal periódica de frecuencia f2. La amplitud de la luz láser
que incide sobre el circuito integrado se modula con una señal
periódica de frecuencia f1. La frecuencia de excitación f2 está
limitada por el ancho de banda de la función de transferencia del
acoplo térmico en el circuito integrado.
[1] O. Breitenstein, M. Langenkamp,
"Lock-in Thermography: Basics and Use for
Functional Diagnostics of Electronic Components", Springer,
Berlin, 2003.
[2] S. Grauby, B.C. Faorget, S. Holé, D.
Fournier, Review of Scientific Instruments, 70 (9),
3603-3606, (1999)
Una limitación que presentan las técnicas
utilizadas hasta ahora para realizar mediciones de incremento de
temperatura en régimen permanente sinusoidal es el bajo valor de la
máxima frecuencia a la que se excita el circuito, denominada
F_MAX_S. Este valor depende del tipo de sensor de temperatura
utilizado. Por ejemplo, si se utilizan cámaras infrarrojas como
sensores de temperatura, el estado actual del arte permite hacer
mediciones con un valor de F_MAX_T de decenas de kilohercios,
siendo estas cámaras de un coste muy elevado. La utilización de
cámaras de más bajo conste implica tener valores máximos de F_MAX_T
de unas decenas o centenas de hercios. Otros sistemas de medición
de temperatura, tales como la utilización de sensores electrónicos
integrados en el mismo chip o sustrato semiconductor en el que se
realizan las mediciones, o la utilización de sensores basados en
técnicas láser, permiten hacer mediciones con una anchura de banda
mayor. No obstante, el valor de F_MAX_T (y por lo tanto, el de
F_MAX_S) tendrá como cota superior el ancho de banda del acoplo
térmico inherente a los circuitos integrados. Este ancho de banda
depende de las características del circuito integrado (geometría y
materiales que lo constituyen) y la distancia que existe entre el
dispositivo o circuito que genera el incremento de temperatura y la
región del chip en donde se realiza la medición. Si la limitación
de F_MAX_T viene dada por el ancho de banda del acoplo térmico,
valores típicos de F_MAX_T pueden ser de unas centenas de
kilohercios en tecnologías basadas en el silicio y cuando se
realizan las medidas del incremento de temperatura en el mismo
sustrato semiconductor donde está ubicado el circuito o dispositivo
que disipa potencia. El valor de F_MAX_S tendrá, consecuentemente,
una cota superior de unos cientos de kilohercios. Este valor
contrasta con las altas frecuencias a las que trabajan los
circuitos digitales CMOS actuales (del orden de GHz), valor que va
en aumento gracias a la continua reducción de las dimensiones de
los dispositivos que constituyen los circuitos integrados y los
avances tecnológicos en los materiales utilizados para su
fabricación.
fabricación.
Bajos valores de F_MAX_S y F_MAX_T limitan los
fenómenos que se pueden estudiar en los circuitos integrados a
partir de mediciones de incrementos de temperatura. A título de
ejemplo: una de las aplicaciones clásicas de utilización de
medición de los incrementos de temperatura es la detección de
puntos calientes en circuitos digitales fabricados con tecnología
CMOS. Puntos calientes son dispositivos que disipan magnitudes
anormales de potencia debido, por ejemplo, a la presencia de un
defecto estructural en el circuito. La detección y localización del
punto caliente se utiliza para detectar y localizar el defecto en
el circuito.
El aumento de la densidad de integración y la
reducción de las dimensiones entre conexiones y de dispositivos,
provoca que los materiales aislantes tengan cada vez dimensiones
menores, con lo que aumenta la posibilidad de tener un defecto de
fabricación. A título de ejemplo, si la pérdida de calidad afecta a
los materiales aislantes entre líneas metálicas de conexionado, un
modelo aceptado de dicho defecto es suponer que estas líneas están
conectadas con una capacidad en serie con una resistencia. Sin
defecto, estas líneas deberían estar aisladas. A frecuencias
suficientemente elevadas la capacidad se comporta como un
cortocircuito y dos líneas quedan unidas por un elemento resistivo.
Esta perdida de aislamiento puede generar un incremento de los
niveles de corriente a altas frecuencias, hecho que provoca un
aumento de la amplitud de la potencia disipada a altas frecuencias.
Si la frecuencia del trabajo a la que se manifiesta el defecto es
superior a F_MAX_S, las componentes espectrales de la potencia
disipada no serían detectables a partir de mediciones del
incremento de temperatura en régimen permanente sinusoidal.
El procedimiento propuesto en la presente
invención tiene por objetivo el realizar la medición del incremento
de temperatura en régimen permanente sinusoidal a bajas
frecuencias mientras el dispositivo o circuito que genera dicho
incremento está trabajando a altas frecuencias, permitiendo la
observación térmica de efectos eléctricos que se manifiestan para
señales de excitación del circuito de frecuencias elevadas. El
procedimiento consiste en hacer circular a través del circuito o
dispositivo dos corrientes eléctricas que sean funciones
sinusoidales de frecuencias f1 y f2 respectivamente. Esto se puede
lograr excitando el circuito con dos generadores de funciones
periódicas de frecuencias f1 y f2. Gracias a la naturaleza no
lineal del efecto Joule, la potencia disipada por los dispositivos
por donde fluya dicha corriente tendrá componentes espectrales a
las frecuencias heterodinas o de batimiento, es decir,
F=f2-f1 (si f2 > f1) y f2+f1. Las frecuencias de
excitación del circuito f1 y f2 pueden valer megahercios o giga
hercios. No obstante, si el valor de la frecuencia F es menor que
F_MAX_T esta componente espectral de la potencia disipada generará
una componente espectral de incremento de temperatura a la misma
frecuencia F que podrá ser medida con un sensor de temperatura,
siempre y cuando este incremento sea mayor que la mínima
sensibilidad de dicho
sensor.
sensor.
La aplicación de este procedimiento permitiría
observar niveles anormales de tensión o corriente que hubiese en el
circuito o dispositivo a las frecuencias f1 y f2 a partir de
mediciones de temperatura a la frecuencia F. El valor de la
frecuencia F vendrá limitado por los recursos y montaje específico
diseñado para excitar el circuito. No hay razón fundamental para
que f1 y f2 estén, por ejemplo, en el rango de los GHz y que F en
el rango de los hercios, pudiendo ser medido con sensores de
temperatura de reducido ancho de banda y de bajo costo.
Adicionalmente a las propiedades no lineales del
efecto Joule, si a través de un circuito o dispositivo no lineal
fluye una corriente eléctrica que contiene dos funciones
sinusoidales de frecuencias f1 y f2, estos circuitos o dispositivos
pueden disipar potencia a las frecuencias n\cdotF, donde n es un
entero que va desde uno hasta el orden de no linealidad del
circuito o dispositivo. En el caso de que el valor de las
frecuencias de estas componentes espectrales de la potencia
disipada sea menor que F_MAX_T, los incrementos de temperatura que
generan también se podrían observar a partir de mediciones de
temperatura en régimen permanente sinusoidal.
La ventaja del método propuesto es que permite
realizar mediciones de la amplitud y fase de componentes
espectrales del incremento de temperatura a baja frecuencia, siendo
la magnitud medida dependiente de la magnitud de las señales
eléctricas que circulan en el circuito o dispositivo a las
frecuencias f1 y f2. Por ejemplo, esta técnica se podría utilizar
para detectar valores anormales de tensión y corriente a las
frecuencias f1 y f2 generadas por un malfuncionamiento del circuito
excitado (puntos calientes a alta frecuencia) a partir de
mediciones del incremento de temperatura en régimen permanente
sinusoidal a la frecuencia F.
La Fig. 1 muestra un circuito integrado (5) con
un circuito o dispositivo (2) que es activado con una señal
eléctrica (4) que contiene dos funciones sinusoidales de
frecuencias f1 y f2. Esta excitación provoca que en el circuito o
dispositivo circule una corriente eléctrica que se puede expresar
como dos funciones sinusoidales de frecuencias f1 y f2. La
disipación de potencia provocada por la circulación de esta
corriente genera en (3) un incremento de temperatura a la
frecuencia F=f2-f1 que puede ser medido con un
sensor de temperatura.
La Fig. 2 muestra un circuito integrado (1) que
contiene un inversor lógico (2). Debido a un defecto de
fabricación, la línea de conexión de la salida del inversor está
deficientemente aislada de la línea de tierra. Este defecto se
modela con una impedancia (3) formada por una capacidad en serie
con una resistencia. El inversor se excita con una señal cuadrada
de frecuencia f1 (4) (Gracias a la descomposición en serie de
Fourier, esta señal contiene una senoide a la frecuencia f1). La
tensión de alimentación del circuito está compuesta de una
componente continua (5) en serie con una componente alterna
sinusoidal de frecuencia f2 (6). Cuando la salida del inversor esté
a nivel alto, la corriente eléctrica que circulará a través del
inversor y por la impedancia (3) que modela el defecto contendrá
dos componentes espectrales a las frecuencias f1 y f2. Esta
circulación de corriente provocará que tanto la resistencia como
los dispositivos que constituyen el inversor disipen potencia a la
frecuencia F=f2-f1, que a su vez generará en el
circuito integrado un incremento de temperatura de igual
frecuencia. En la región (7) del circuito integrado se realiza una
medición de la componente espectral de frecuencia
F=f2-f1 del incremento de temperatura.
La presente invención se refiere a un
procedimiento heterodino para la realización de mediciones de
temperatura en circuitos integrados activados con señales de alta
frecuencia. La figura 2 muestra un circuito integrado de tecnología
CMOS (1) que contiene un inversor lógico (2). Debido a un defecto
de fabricación, la línea de conexión de la salida del inversor está
deficientemente aislada de la línea de tierra. Este defecto se
modela con una impedancia (3) formada por una capacidad en serie
con una resistencia.
Tradicionalmente, la detección de defectos se ha
realizado con mediciones de incrementos de temperatura estáticos.
En mediciones de temperatura estáticas, el inversor se polarizaría
con un "0" lógico en la entrada (nivel bajo de tensión), hecho
que produciría un nivel alto de tensión a la salida del inversor.
Esto provocaría un transitorio de corriente para cargar la
capacidad parásita asociada al defecto. Una vez cargada, la
corriente que pasaría por su través sería cero y este defecto no
produciría ni errores lógicos en la salida del inversor ni valores
de corriente quiescente anormales que pudieran originar un punto
caliente. El defecto sería indetectable con mediciones estáticas de
incremento de temperatura.
Con mediciones en régimen permanente sinusoidal
del incremento de temperatura utilizando el método clásico, el
inversor se activaría con una señal cuadrada de frecuencia F_S
aplicada a su entrada. Esto generaría una señal cuadrada de igual
frecuencia a la salida del inversor. La impedancia (3) tiene un
valor finito para frecuencias diferentes de 0. A través del
inversor y de la impedancia que modela el defecto circularía una
corriente con una componente espectral a la frecuencia F_S, que
provocará una disipación de potencia en la resistencia y
dispositivos del inversor a la frecuencia F_T=2\cdotF_S. El
módulo de la potencia disipada a la frecuencia F_T será mayor
cuanto mayor sea el valor de F_S, ya que la impedancia tiene menor
módulo para mayores valores de frecuencia. Dependiendo de la
topología del circuito, características del defecto y
características del sensor de temperatura utilizado, para valores
de la frecuencia F_S de la señal cuadrada menores de F_MAX_S puede
no producirse un incremento de temperatura suficientemente elevado
que nos indique la presencia del defecto, siendo este defecto
indetectable con mediciones de temperatura en régimen permanente
sinusoidal. Para corregir este hecho se necesitaría tener una
disipación de potencia de mayor amplitud (hecho que implica
trabajar a mayores frecuencias para tener un valor menor del módulo
de la impedancia que modela el defecto) y que genere un incremento
elevado de temperatura (hecho que implica que la disipación se
tiene que generar a bajas frecuencias, ya que el acoplo térmico se
comporta como un filtro paso bajos).
El procedimiento de la presente invención
propone excitar el circuito de forma que a su través circule una
corriente eléctrica que contenga dos funciones sinusoidales de
altas frecuencias, de valor f1 y f2 respectivamente. Para ello se
utilizan dos generadores de funciones periódicas: uno aplicado a la
entrada del inversor (4) y otro conectado a la entrada de
polarización en continua del circuito (6). Las frecuencias f1 y f2
se seleccionan de forma que la capacidad del modelo del defecto (3)
pueda considerarse como un cortocircuito. Adicionalmente, f1 y f2
están dentro del rango habitual de trabajo del circuito integrado.
Adicionalmente, el valor absoluto de F=f2-f1
verifica que es menor que F_MAX_T. Este valor de F_MAX_T se a
obtenido considerando el sensor de temperatura particular utilizado
en esta aplicación y la distancia que existe entre el inversor (2)
y defecto (3) y la región (7) en dónde se va a medir el incremento
de temperatura. Un valor bajo de F nos garantiza un mayor
incremento de temperatura a igual amplitud de potencia disipada a
dicha frecuencia, a la vez que implica el necesitar un mayor tiempo
para realizar la medición del incremento de temperatura con una
relación señal/ruido fijada. Las componentes espectrales a las
frecuencias f1 y f2 de la corriente eléctrica que circula a través
del inversor y el defecto generará una potencia disipada a la
frecuencia F, que a su vez generará en (7) un incremento de
temperatura a la misma frecuencia F. Si la resistencia que modela
el defecto tiene un valor suficientemente bajo, el incremento de
temperatura que se producirá en (7) puede ser utilizado para
detectar la presencia del defecto.
Claims (2)
1. Un procedimiento heterodino para la
realización de mediciones de temperatura en régimen permanente
sinusoidal en circuitos integrados activados con señales de alta
frecuencia que comprende llevar a cabo las siguientes etapas:
i) Excitar al circuito o dispositivo que genera
el incremento de temperatura de forma que por su través circule
una corriente que contenga dos funciones sinusoidales de
frecuencias f1 y f2.
ii) Medir módulo y fase de la componente
espectral del incremento de temperatura en el circuito integrado a
la frecuencia f2-f1, donde f2 sea mayor que f1.
2. Un procedimiento heterodino para la
realización de mediciones de temperatura en régimen permanente
sinusoidal en circuitos integrados activados con señales de alta
frecuencia basado en la reivindicación 1, en que las mediciones de
temperatura se realizan mediante mediciones de cualquier magnitud
física (por ejemplo, dilatación, variación de índices de reflexión,
velocidad de propagación del sonido) cuya causa de variación sea un
incremento de la temperatura.
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