Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru rezystancji termicznej monolitycznych pólprzewod¬ nikowych ukladów scalonych.Pomiar rezystancji termicznej Rth polega na po¬ miarze przyrostu temperatury AT okreslonego ob¬ szaru aktywnego przyrzadu pólprzewodnikowego spowodowanego przylozeniem lub wydzieleniem w tym obszarze znanej mocy PQ. Rezystancja ter¬ miczna moze byc wtedy obliczona z zaleznosci: AT Rth " Po • Istotna trudnosc tego pomiaru w przypadku mikroukladów pólprzewodnikowych polega na nie¬ mozliwosci bezposredniego pomiaru przyrostu tem¬ peratury przy pomocy termometru zewnetrznego — stykowego. Ograniczenie to wynika z powodu bra¬ ku dostepu do ezesto hermetycznie zamknietego elementu pólprzewodnikowego oraz z powodu ma¬ lych wymiarów mierzonego obszaru. Z tych przy¬ czyn przy pomiarach zmian temperatury w przy¬ rzadach pólprzewodnikwych, wykorzystuje sie na¬ turalne wlasciwosci tych przyrzadów polegajace na uzaleznieniu parametrów elektrycznych od tempe¬ ratury. ¦.''¦-•;} Z wielu wzgledów parametrem termoczulym ]esV zazwyczaj wybrane napiecie diody zlaczowej spo¬ laryzowanej stalym pradem w-: kierunku przewo¬ dzenia. Parametr ten jest wykorzystywany zarów¬ no przy pomiarze rezystancji termicznej pólprze¬ wodnikowych elementów indywidualnych, jak rów- II 15 30 niez przy pomiarach ukladów scalonych. W tym ostatnim przypadku czesto uniemozliwia pomiar brak bezposredniego elektrycznego doistejpu do jakiejkolwiek pojedynczej diody umieszczonej we¬ wnatrz ukladu scalonego. Producenci ukladów sca¬ lonych problem ten rozwiazuja w prosty sposób — wytwarzaja specjalnie osobna diode na plytce pól¬ przewodnika i zaopatruja ja w elektryczne odjpro- wadzenie. Umozliwia to oczywiscie pomiar przy¬ rostu temperatury plytki' pólprzewodnikowej, a tym samym pomiar rezystancji termicznej wed¬ lug" wyzej podanej zaleznosci.Niezaleznie od podanego sposobu pomiaru tem¬ peratury powierzchni pólprzewodnika, stosowane sa metody termograficzne bezstykowe. Oparte sa one w zasadzie o pomiary za posrednictwem mi¬ kroskopu podczerwieni* Zasadnicza wada stosowanych dotychczas roz¬ wiazan jest koniecznosc wytworzenia w plytce pól¬ przewodnikowej specjalnego zlacza p-n dla celów pomiaru temperatury plytki oraz mala uniwersal¬ nosc znanych sposobów, gdyz przy braku specjal¬ nego zlacza p-n, a takze niemozliwosci wykorzy¬ stania dla celów pomiarowych temperatury, zlacz bedacych integralna czescia ukladu scalonego, nie istnieje w ogóle mozliwosc pomiaru rezystancji cieplnej gotowego wyrobu.W przewazajace} wiekszosci wspólczesnie produ¬ kowanych ukladów scalonych nie istnieje mozli¬ wosc pomiaru rezystancji termicznej z podanych 120091120 091 wyzej przyczyn. Rezygnuje sie wobec tego z po¬ miaru rezystancji termicznej, a wartosc jej szacuje sie na podstawie podobienstwa cech konstrukcyj¬ nych i technologicznych do innych ukladów, w któ¬ rych pomiar taki moze byc wykonany. Czasem, w pewnej ilosci egzemplarzy specjalnie wykonuje sie dodatkowe wyprowadzenie, aby dokonac po¬ miarów termicznych prótlki statystycznej z produ¬ kowanej serii.Przedstawione wyzej sposoby pioirmiaru nie poz¬ walaja zatem na pomiar rezystancji termicznej dowolnie wybranego ukladu scalonego, gdyz w wiekszosci przypadków zachodzi potrzeba specjal¬ nego przygotowania ukladu do pomiaru.Rozwiazanie w postaci pomiarów temperatury przy pomocy mikroskopu podczerwieni ma istotna" wade, polegajaca na tym, iz uklad rmieirzony nie ;moze *byc zamkniety calkowicie w swojej obudo¬ wie. Powierzchnia aktywna' plytki pólprzewodniko¬ wej musi byc calkowicie dostepna dla obiektywu mliikroskopu. Pomiar zatem nie moze byc wyko¬ nany w warunkach idemtycznych w jakich uklad jest eksploatowany, a tym samym z praktycznego punktu widzendaobarczony jest znacznym - bledem. " Istota sposobu wedlug wynalazku polega na wy¬ korzystaniu wlasciwosci diody podlozowej, spola¬ ryzowanej w kierunku p-rzewodizeinia. Do diody podlozowej utworzonej z warstwy podlozowej oraz obszaru dowolnego kolektora tranzystora, stano¬ wiacego element badanego ukladu scalonego, po¬ siadajacego bezposrednie wyprowadzenie elektrycz¬ ne, przyklada sie napiecie o polaryzacji zapewnia¬ jacej pirzewodzenie diody podlozowej pochodzace z generatora pradowego o malej wydajnosci pra¬ dowej i dokonuje sie kalibracji termicznej tej dio¬ dy. Nastepnie do mierzonego ukladu scalonego do¬ prowadza sie w sposób ciagly lub w postaci im¬ pulsu o zadanym czasie trwania, poprzez dostepne wyprowadzenie elektryczne moc elektryczna PQ podgrzewajaca obszary przyzlaczowe ukladu scalo¬ nego do temperatury Tjmax po czym temperature te mierzy sie poprzez wykorzystanie zmian napie¬ cia uprzednio wylkalibrowanej termicznie diody podlozowej/Nastepnie dokonuje" sie obliczenia wiel- AT kosci rezystancji termicznej Rth~ p gdzie AT = Tjamx — TQ, przy czym TQ stanowi tempera¬ ture obudowy. Obliczen tych dokonuje sie dla dowolnie ustalonej sekwencji czasowej zasilania ukladu scalonego umozliwiajacej pomiar rezystan¬ cji termicznej statycznej lub przejsciowej a takze poprzez zmiane miejsca dolaczenia generatora po¬ miarowego pozwalajacego na pomiar temperatury w kilku miejscach powierzchni ukladu scalonego.IW odróznieniu od innych sposobów pomiaru re¬ zystancji termicznej glówna zaleta sposobu opisa¬ nego wyzej jest jego uniwersalnosc. Jak pokazuje doswiadczenie opasanym sposobem mozna dokonac pomiaru rezystancji termicznej praktycznie kaz¬ dego pólprzewodnikowego obwodu scalonego. Wnio¬ sek ten oparty jest o fakt, ze zawsze istnieje elek¬ tryczne wyprowadzenie obszaru podloza jak tez wyprowadzenie co najmniej jednego kolektora.Opisana metoda pozwala na pomiar temperatury maksymalnej w róznych miejscach powierzchni pólprzewodnika, przy tym samym sposobie dostar¬ czania mocy PQ. Metoda pozwala w pewnym sen¬ sie na pomiar „rozkladu temperatury" na po¬ wierzchni krysztalu pp dla stalych warunków za- 5 silania ukladu.Nie zmieniajac miejsca dolaczenia generatora pradu pomiarowego Ip, sposób wedlug wynalazku umozliwia pomiar temperatury maksymalnej w wybranym obszarze lub rezystancji termicznej io w funkcji róznych warunków zasilania ukladu scalonego. Chodzi tu zarówno o zmiane bezwzgled¬ nej wartosci mocy czynnej PQ, stosunku IQ do U , jak tez zmiane sekwencji czasowych zasilania, tzn. stosunku czasu wlaczenia mocy PQ do czasu 15 wylaczenia. Te ostatnie zmiany pozwalaja na po¬ miary tak zwanej przejsciowej rezystancji ter¬ micznej.Pirzedmiot wynalazku jest blizej objasniony na podstawie rysunku, który przedstawia schemat blo- 20 kowy ukladu.AT Jak wynika ze wzoru: Rth = ^— dla dokonania o pomiaru rezystancji termicznej Rih nalezy doko¬ nac pomiaru przyrostu temperatury AT tego ob- 25 szaru pólprzewodnika w którym nastepuje wy¬ dzielenie znanej mocy elektrycznej P , przy czym AT =.Tjmax — TQ, gdzie TQ oznacza temperature obudowy a Tjmax maksymalna temperature pól¬ przewodnika ogrzewanego moca PQ. 30 W celu pomiaru temperatury Tjmax wykorzy¬ stuje sie wlasciwosci diody podlozowej spolaryzo¬ wanej w kierunku przewodzenia.Typowa cecha ukladów scalonych pólprzewodni¬ kowych jest izolowanie obszarów aktywnych ukla- 33 du od podloza za posrednictwem spolaryzowanych wstecznie zlacz p-n. Taka polaryzacja ma miejsce w przypadku normalnych warunków pracy ukladu.W sposobie wedlug wynalazku do ukladu scalo¬ nego przyklada sie do odpowiednio wybranych do- 40 prowadzen napiecie spolaryzowane odwrotnie i uzyskuje sie przewodzenie diody podlozowej.Polaryzacji takiej dokonuje sie za posrednictwem generatora pradowego o odpowiednio malej wy¬ dajnosci pradowej i ze zmian napiecia polaryzacji 45 odczytuje sie po wykaiibrowaniu temperature zla¬ cza tej diody.Opisany sposób mozna zatem wykorzystac w tych ukladach scalonych gdzie istnieja naturalne funkcjonalne wyprowadzenia elektryczne z podlo- 00 za i z warstwy tworzacej z podlozem zlacze p-n.Przykladem takiej warstwy w ukladzie scalonym sa obszary kolektora, z których przynajmniej jeden ^posiada wyprowadzenie elektryczne.Zasade pomiaru ilustruje jrysunek. Mierzony 85 uklad scalony 1 znajduje sie w termostacie 2 za¬ pewniajacym stala temperature jego obudowy TQ.Do odpowiednich wyprowadzen mierzonego ukladu scalonego 1 dolaczany jest generator pradu pomia¬ rowego 3 poprzez klucz KI i zaisilacz mocy grzej- 60 nej 4 poprzez klucz K2. Uklad zasilany jest zgod¬ nie z wymaganiami elektrycznymi wlasciwymi dla mierzonego typu ukladu scalonego.Pomiar odbywa sie wedlug nastepujacej kolej¬ nosci. Najpierw dokonuje sie kalibracji termicznej ** zlacza koletetoripodiaze, w celu uzyskania zalez-120 091 nosci: Up = UD = «T)Ip=;on?t; gdzie UD — oznacza napiecie panujace ma diodzie podlozowej spolary¬ zowanej w kierunku przewodzenia istalym pradem o wartosci Ip =* const. Kalibracji tej dokonuje sie przy zamknietym kluczu KI i otwartym kluczu K2, poprzez powolna zimiane temperatury obudowy ukladiu scalonego. Nastepnie ogrzewa sie uklad scalony — poprzez doprowadzenie mocy PQ o od¬ powiednich parametrach. Otwarty wtedy jest klucz KI a zamkniety K2. W tym okresie nastepuje ogrzewalnie ukladu scalonego do temperatury wy- AT nikajacej z zaleznosci Rth =-p—. Obudowa zmaj- o duje sie w temperaturze TQ.W kolejnym etapie nastepuje szybkie przelacze¬ nie kluczy: otwarcie klucza K2 i zamkniecie klu¬ cza KI i odczytanie napiecia pomiarowego Up a tym samym temperatury zlacza podlozowego ukladu scalonego wywolanego ogrzewaniem moca PQ. Odczytanie wartosci mocy PQ, temperatury obudowy TQ, a takze zmierzonej podana metoda temperatury zlacza Tjmax pozwala obliczyc AT a tym samym wartosc rezystancji termicznej Rth.Opisany cykl pomiarowy moze byc powtarzany w róznych sekwencjach czasowych LtmozKwiajac zarówno pomiar statycznej rezystancji termicznej jak tez i przejsciowej ^rezystancji termicznej.Ogólna cecha .sposobu wedlug wynalazku jest to, ze czas przelaczenia kluczy KI i K2 w etapie po¬ lo 18 20 miarowym, w którym dokonuje 'sie odczytania temperatury zlacza podlozowego musi nastapic szybciej niz wynosi najmniejsza termiczna stala czasowa mierzonego ukladu.Zastrzezenie patentowe Sposób pomiaru rezystancji termicznej monoli¬ tycznych pólprzewodnikowych ukladów scalonych, która wyznacza sie ze stosunku przyrostu tempera¬ tury AT okreslonego obszaru aktywnego ukladu pólprzewodnikowego spowodowanego przylozeniem lub wydzieleniem w tym obszarze znanej mocy PQ do wielkosci tej mocy PQ, znamienny tym, ze do pomiaru przyrostu temperatury AT wykorzystuje sie wlasciwosci diody podlozowej stanowiacej ob¬ szar kolektora dowolnie wybranego tranzystora badanego ukladu, przy czym diode podlozowa po¬ laryzuje isie w kierunku przewodzenia generato¬ rem pradowym o malej wydajnosci pradowej i do¬ konuje sie kalibracji termicznej tej diody a na¬ stepnie do mierzonego ukladu scalonego doprowa¬ dza sie w sposób ciagly lub w postaci impulsów o zadanym czasie trwania, poprzez dostepne wy¬ prowadzenie elektryczne, moc elektryczna PQ ogrzewajaca obszary przylaczowe badanego ukladu do temperatury Tjmax, po czym wylacza sie moc ogrzewajaca PQ i mierzy sie temperature Tjmax poprzez wykorzystanie zmian napiecia uprzednio wykalibrowanej diody podlozowej.U "V: ! k, Po -\ 0 0 PL