JP5693546B2 - 集積回路への電力供給方法、システム及びそれに使用される集積回路 - Google Patents

Description

本発明は集積回路への電力供給方法およびシステムに関し、前記集積回路は組立パッケージ内にチップを有し、チップは、各々が所定の最大動作電圧を超えた電圧を受信しない電力入力端子を少なくとも１つ有する複数の論理回路を備える。

さらに正確に言えば、本発明は集積回路に電力を供給する方法に関し、
集積回路に供給されている電圧を測定するステップと、
測定した電圧と基準電圧との差を可能な限り小さく維持するためにこの電圧を調節するステップと、を含む。

本発明は、特に上述した方法が使用されるように特別に設計された集積回路にも関する。

より早く演算を実行する早い集積回路を設計するための公知の解決法は、早い論理回路で集積回路を作ることである。しかし、早い論理回路は通常の論理回路よりも大きい。従って、この解決法はサイズの大きくなった集積回路に帰結する。

もう一つの解決法は集積回路の電圧を上げることである。実際に、電圧が高くなると、集積回路は早くなる。

しかし、電圧は公称最大動作電圧を超えてはならない、超えた場合には確実に損傷を受けた集積回路に帰結するだろう。

集積回路に公称最大動作電圧にできるだけ近い電圧を供給するために、アクティブフィードバックを有する電力供給システムが使用される。

このようなシステムもまた“遠隔検知”回路として公知である。

典型的な従来のシステムによると、アクティブフィードバックは集積回路であり得る負荷に電力が送られることによる導体のインピーダンスによって起こる電圧降下を補償する電源に使用されている。電源は、負荷に送られた電圧を遠隔検知することによりこのような電圧降下を補償する回路を含んでもよい。通常、計測した電圧は電源の基準電圧と比較される。もし集積回路での電圧が基準電圧と異なった場合は、電源は検出された電圧が基準電圧と等しくなるまで出力電圧を上方か下方のどちらかに調整する。

実際問題として、集積回路の製造者によって定められた集積回路の公称最大動作電圧は典型的には集積回路の実際の最大動作電圧より動作マージン電圧の分低く、最大動作電圧は集積回路のトランジスタや論理が損傷するような電圧レベルを超えている。異なる動作条件での集積回路の連続動作をより良く保証するには、集積回路の製造者はチップ内での理論上の最小電圧降下及びチップの電気的接合部での理論上の最小電圧降下を考慮に入れて動作マージン電圧を選ぶ。動作マージン電圧の値は集積回路が動作し続ける最大電圧を見積もる検査機器の不正確さも考慮して選ばれる。

集積回路のチップ内での電圧降下はしばしば“オンチップ損失”と言われ、チップが作られた半導体材料の固有のインピーダンスによる電圧降下を含んでいる。オンチップ損失は、同じ集積回路の設計によって作られた半導体チップでもそれぞれ変わる。事実、特定の半導体チップの実際のオンチップ損失は動作マージン電圧を含んだ最高の条件のオンチップ損失よりはるかに大きくなり得て、このことは、もし実際のオンチップ損失が知られていたならば、このような半導体チップに供給する電圧を公称最大動作電圧を超えて増加できることを意味する。

集積回路のチップの電気的接合部での電圧降下はしばしば“パッケージ損失”と言われ、結合線のインピーダンス、パッケージリードのインピーダンス、結合線と半導体チップの間の接合部、結合線とパッケージリードの間の接合部及びパッケージのリードとプリント基板との間の接合部によって起きる電圧降下を含む。オンチップ損失のように、特定の半導体チップの実際のパッケージ損失は動作マージン電圧を含んだ最高の条件のパッケージ損失より悪くてもよく、それは、もし実際のパッケージ損失が知られていたならば、このような半導体チップに供給する電圧を公称最大動作電圧を超えて増加できることを意味する。

それゆえ、遠隔検知を用いる方法やその他の公知の方法は最適ではない。

従って、本発明の目的は、各々の集積回路に実際の最大動作電圧に極めて近い電圧を供給する方法を提供することである。

上記及びその他の目的を考慮して、本発明は
組立パッケージ内にチップを備え、前記チップは複数の論理回路を有し、各論理回路は所定の最大動作電圧を超えない電源電圧で動作するようにされた少なくとも一つの電力入力を有する集積回路への電力供給方法において、前記論理回路の選択された１つの論理回路の電力入力において、次の条件（ｉ）（ｉｉ）にしたがって第１の電源電圧を決定するステップ、
（ｉ）前記論理回路の1つにおける電力入力において前記チップ内に位置する計測点で第２の電源電圧を直接測定すること、および
（ｉｉ）前記計測点と前記選択された１つの論理回路の電源入力間の電圧降下、並びに、
前記第１の電源電圧を、前記第１の電源電圧が前記論理回路の前記選択された１つにおける所定の最大動作電圧に調節されるような値を有する基準電圧に調節するステップ、
を備えた方法を提供する。

上記の方法では、集積回路に供給される電圧を調節するために用いられる電圧は集積回路のチップ内の計測点で直接測定され、それゆえ少なくともパッケージ損失は回避する。集積回路へ供給される調整された電圧は実際のパッケージ損失を補償するために上方向へ自動的に調節される。

それゆえ、上記の方法によって集積回路に供給される電圧は公知の方法によるものより高く、集積回路は従来のものより高速動作する。

請求項２乃至３で定義された特性はオンチップ損失も補う方法であるという利点を有する。

請求項４で定義された特性は既存の集積回路に使用できる方法であるという利点を有する。

請求の範囲の他の特性は従属項に列挙される。

本発明はまた上記の方法で集積回路に電力供給するシステムに関する。

本発明はまた上記の方法で電力供給されるよう設計され、所定の最大動作電圧を超えた場合に損傷する第１の論理回路の電力入力端子での計測点を有する集積回路に関する。

図１は集積回路の断面である。 本発明によるリモートセンシングのシステムの配線図である。 本発明による集積回路への電力供給方法のフローチャートである。

図１は集積回路２の断面を示す。この集積回路はマイクロプロセッサ、メモリ回路や同様のものでもよい。

集積回路２は組立パッケージ６内に半導体チップ４を備える。

半導体チップ４はボンディングワイヤ１０を介してパッケージリード８に接続される。
各ボンディングワイヤは一端がパッケージリード８に接続され、他端がボンディングパッド１２に接続される。

ここで、ボンディングパッド１２はパッケージリード８を介して電源により供給される電圧を受けることを意図されている。

チップ４は多数の論理回路を有する。各論理回路は正電圧が供給されるために導線を介してボンディングパッド１２に接続される正電圧入力端子を有する。

以下、“論理回路”は、トランジスタレベルで実施されたとき、少なくとも一つの正電圧入力端子を含む論理素子または論理回路のことを言うものと理解されるだろう。このような論理回路は、例えば、ＯＲゲート、ＡＮＤゲート、ＮＯＲゲート、ＮＡＮＤゲート等の論理ゲートやＮチャネルやＰチャネルのトランジスタでよい。

図１を簡略化すると、導線２０及び２２（図２）を介してそれぞれパッド１２に接続される２つの論理回路１６及び１８だけが表される。

図２は集積回路２に接続され、調整回路３３を有する電源３２を備える遠隔検知システム３０を示す。図１で既に説明された集積回路２の素子には同じ参照番号が付されている。

電源３２は供給線３６を介してリード８へ電圧Ｖｃｃを供給するＶｃｃ出力ピン３４を含む。

電源３２は接地線４２を介して集積回路２のパッケージリード４０へシステム接地電圧Ｖｓｓを供給するＶｓｓ出力ピンをさらに含む。パッケージリード４０は各論理回路の接地電圧入力端子が接続されているボンディングパッド４４にボンディングワイヤを介して接続される。

電源３２は計測入力ピン５０およびＶｒｅｆ入力ピン５２をさらに含む。

入力ピン５０は入力線５６を介して集積回路２の計測パッケージリード５４へ接続される。

計測リード５４はボンディングワイヤ６０を介してチップ４のボンディングパッド５８に接続される。ボンディングパッド５８は導線６２を介して計測点６１に接続される。計測点６１は電圧が上昇した場合に最初に損傷することが知られているチップ４内の論理回路の電力入力端子に置かれる。これは図３を参照してさらに詳細に説明される。

入力ピン５０の入力インピーダンスは極めて高く、そのため計測線５６から計測ピン５０への伝導経路は開回路のように見え、電流フローはほとんどないか全くない。それゆえ、ボンディングワイヤ６０および導線６２のインピーダンスによるオンチップ損失やパッケージ損失は事実上ない。

ピン５２は一定基準電圧Ｖｒｅｆに接続されている。基準電圧Ｖｒｅｆは論理回路１６の所定の最大動作電圧と等しく設定されている。論理回路の所定の最大動作電圧はチップ４の設計工程中に製造者によって定められる。典型的には、決定に際しオンチップ損失およびパッケージ損失を考慮に入れないので、論理回路の所定の最大動作電圧は集積回路２の公称最大動作電圧より高い。

リモートセンシングシステム３０の設計手法と動作を、チップ４のすべての論理回路が同じ所定の最大動作電圧１．２Ｖの場合について図３を参照して説明する。

集積回路２の設計中のステップ８０では、各論理回路の各入力端子からボンディングパッド１２へ導線の経路が定められる。これらの導線のインピーダンスは同じではない。例えば、実際導線２２の方が導線２０より長いので、導線２２のインピーダンスの方が導線２０のインピーダンスより高いだろう。それゆえ、論理回路１６の入力端子での電圧Ｖ１の方が論理回路１８の入力端子での電圧Ｖ２より高いだろう。それゆえ、計測点６１はチップ４の中の最も小さいオンチップ損失と結びつけられる論理回路の入力端子に配置される。言い換えれば、これは最大電圧が供給されるよう設計された論理回路の入力端子に相当する。概して、最短の電力供給線はチップ４の外周に近い論理回路をパッド１２に接続するものである。

例えば、計測点６１は手順８２にて論理回路１６の入力端子に配置される。

導線６２は手順８４にて計測点６１と計測パッド５８の間の経路が定められ、手順８６にて計測パッド５８はボンディングワイヤ６０を介して計測リード５４に接続される。

遠隔検知システム３０の組み立てのステップ８８では、手順９０にて計測リード５４は入力ピン５０に接続される。

そして手順９２にて、調整回路３３の基準電圧Ｖｒｅｆの値が論理回路１６の所定の最大動作電圧と等しく設定される。

一旦システム３０が組み立てられると、次の通りに動作する。

電源オン時、リード８に供給される電圧Ｖｃｃは低く、集積回路２の各論理回路の所定の最大動作電圧より低い。

そしてステップ９６にて調整回路３３が電圧Ｖｃｃを基準電圧Ｖｒｅｆと等しくなるように調整する。

より正確には、調整回路は手順９８にて計測点６１での電圧Ｖ１を測定する。

そして手順１００にて測定された電圧と基準電圧Ｖｒｅｆが比較される。

もし測定された電圧Ｖ１が基準電圧Ｖｒｅｆより低ければ、ステップ１０２にて電圧Ｖｃｃは増加される。

さもなければ、調整回路は手順１０４にて電圧Ｖｃｃを維持するかまたは低減する。

手順１０２または１０４の後、調整回路３３は集積回路２へ供給される電圧Ｖｃｃを継続的に調節するため手順９８に戻る。

システム３０の集積回路２に論理回路１６の所定の最大動作電圧が供給されるため、すべての論理回路は最高速度で動作し、集積回路２は公知の方法によるものより速く動作する。

代替例として、集積回路２をＵＳ５，６７２，９９７に記載の集積回路に置き換えてもよい。この文献に開示されている集積回路は集積回路のチップ内での最小電圧を測定するためにチップ内の計測点に接続された計測リードを開示している。

もしこのような集積回路が使用される場合、図３の手順９２は２つの工程に置き換えられる。第１の工程は、計測点と電圧が上昇した場合に最初に損傷を受けることが知られている論理回路の入力端子との間のオンチップ損失により起こる電圧降下の値を定めることである。例えば、もし計測点が論理回路１８の入力端子に配置され、最初に損傷を受けた論理回路が論理回路１６であったら、電圧Ｖ２とＶ１の間の電圧降下が測定される。ここでは、この電圧降下は０．１Ｖに等しいと仮定される。

第２の工程は基準電圧Ｖｒｅｆの値を論理回路１６の所定の最大動作電圧からすでに測定された電圧降下を引いたものと等しくなるよう設定することである。従って、この代替的実施形態によれば電圧Ｖｒｅｆの値は１．１Ｖに設定される。

この代替的実施形態は、このような集積回路の供給電力を最小限にするために用いられる計測リードと同じものを用いるという利点がある。しかし電圧Ｖ２とＶ１の間の電圧降下は極めて高い精度では測定できない。そのため、このような集積回路で達成できる速度の上昇は、主の実施形態の集積回路２によるものほど良くはない。

調整ステップ９６の精度に依存して、集積回路の設計中に定められた所定の最大動作電圧より低いままにしておくために、基準電圧Ｖｒｅｆの値を、論理回路１６の所定の最大動作電圧より動作マージン電圧の分低くした値と等しくなるように設定してもよい。

Claims (15)

1. 組立パッケージ内にチップを備え、前記チップは複数の論理回路を有し、各論理回路は所定の最大動作電圧を超えない電源電圧で動作するようにされた少なくとも一つの電力入力を有する集積回路への電力供給方法において、前記方法は、
   前記論理回路の選択された１つの論理回路の電力入力において、次の条件（ｉ）（ｉｉ）にしたがって第１の電源電圧を決定するステップ、
   （ｉ）前記論理回路の1つにおける電力入力において前記チップ内に位置する計測点で第２の電源電圧を直接測定すること、および
   （ｉｉ）前記計測点と前記選択された１つの論理回路の電源入力間の電圧降下、並びに、
   前記第１の電源電圧を、前記第１の電源電圧が前記論理回路の前記選択された１つにおける所定の最大動作電圧に調節されるような値を有する基準電圧に調節するステップ、
   を備え、
   前記計測点は、前記集積回路の少なくとも一つの電力入力リードの電圧が上昇した場合に最初に損傷を受けることが知られている論理回路の電力入力にあることを特徴とする方法。
2. 前記計測点は、前記チップ内で得られる最大電源電圧を供給されることが知られている論理回路の電力入力にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記基準電圧は、集積回路の少なくとも一つの電力入力リードで電圧が上昇した場合に最初に損傷を受けることが知られている、前記論理回路中の第２の論理回路の所定の最大動作電圧から前記選択された1つの論理回路と第２の論理回路のそれぞれの間の電圧降下に相当するマージン電圧を引いた値を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 組立パッケージ内にチップを備え、前記チップは複数の論理回路を備え、各論理回路は所定の最大動作電圧を超えない電源電圧での動作のための少なくとも一つの電力入力を有し、パッケージは少なくとも一つの電力入力リードを備える集積回路と、
   前記少なくとも一つの電力入力リードに電圧を供給する電源であって、基準電圧と前記選択された1つの論理回路の電力入力で決定される第１の電源電圧の差に基づいて供給電圧を調整できる電源と、
   を備え、
   前記第１の電源電圧を、
   （ｉ）前記論理回路の選択された1つにおける電力入力において、前記集積回路の前記チップ内に位置する計測点で直接測定される第２の電源電圧、および
   （ｉｉ）前記計測点と前記選択された１つの論理回路の電源入力間の電圧降下、に基づいて決定し、
   前記基準電圧は、第１の電源電圧が前記論理回路の前記選択された１つにおける所定の最大動作電圧に調節されるような値を有し、
   前記少なくとも一つの入力リードの電源電圧が上昇した場合に最初に損傷を受けることが知られている前記論理回路の電力入力に計測点が配置されることを特徴とする電力供給システム。
5. 組立パッケージ内にチップを備え、前記チップは複数の論理回路を備え、各論理回路は所定の最大動作電圧を超えない電源電圧での動作のための少なくとも一つの電力入力を有し、前記組立パッケージは外部回路基板に接続される複数のリードを備え、これらのリードの一つはチップ内の計測点で直接電圧を測定する計測リードであり、別のリードは電力入力リードであり、前記複数の論理回路の中で、電力入力リードで電圧が上昇した場合に最初に損傷を受けることが知られている論理回路の電力入力に計測点が位置している集積回路。
6. 前記チップは電力入力パッドを備え、前記各論理回路の前記電力入力は前記電力入力パッドにそれぞれのトラックにより接続され、各トラックはインピーダンスを有し、前記計測点は、前記電力入力パッドに最低のインピーダンスを持つトラックにより接続された前記論理回路の電力入力に位置する、請求項４に記載のシステム。
7. 前記チップは電力入力パッドを備え、前記各論理回路の前記電力入力は前記電力入力パッドにそれぞれのトラックにより接続され、各トラックは長さを有し、前記計測点は 前記電力入力パッドに最短の長さを持つトラックにより接続された前記論理回路の電力入力に位置する、請求項４に記載のシステム。
8. 前記基準電圧と前記第１の電源電圧間の差を決定するコンパレータを備え、このコンパレータは前記集積回路の外に位置する、請求項４に記載のシステム。
9. 前記計測点は、チップ内で利用できる最高の電源電圧が供給されることで知られる前記論理回路の電力入力に位置する、請求項４に記載のシステム。
10. 前記チップは電力入力パッドを含み、各論理回路の電力入力は前記電力入力パッドにそれぞれのトラックにより接続され、各トラックはインピーダンスを有し、前記第１の電源電圧は前記論理回路の電力入力におけるものであり、前記電力入力は前記電力入力パッドに最低のインピーダンスを持つトラックにより接続された、請求項１に記載の方法。
11. 前記チップは電力入力パッドを含み、各論理回路の電力入力は前記電力入力パッドにそれぞれのトラックにより接続され、各トラックは長さを有し、前記第１の電源電圧は前記論理回路の電力入力におけるものであり、前記電力入力は前記電力入力パッドに最短の長さを持つトラックにより接続された、請求項１に記載の方法。
12. 前記チップは電力入力パッドを含み、各論理回路の電力入力は前記電力入力パッドにそれぞれのトラックにより接続され、各トラックはインピーダンスを有し、前記第２の論理回路の電力入力は、前記電力入力パッドに最低のインピーダンスを持つトラックにより接続された、請求項３に記載の方法。
13. 前記チップは電力入力パッドを含み、各論理回路の電力入力は前記電力入力パッドにそれぞれのトラックにより接続され、各トラックは長さを有し、前記第２の論理回路の電力入力は、前記電力入力パッドに最短の長さを持つトラックにより接続された、請求項３に記載の方法。
14. 前記基準電圧と、前記集積回路の外に位置するコンパレータを使用して前記第1の測定された電圧との間の差を決定することをさらに備えた、請求項３に記載の方法。
15. 前記第２の論理回路の電力入力にはチップ内で利用できる最高の電源電圧が供給される、請求項３に記載の方法。

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