RU2613481C1 - Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем - Google Patents
Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем Download PDFInfo
- Publication number
- RU2613481C1 RU2613481C1 RU2015146346A RU2015146346A RU2613481C1 RU 2613481 C1 RU2613481 C1 RU 2613481C1 RU 2015146346 A RU2015146346 A RU 2015146346A RU 2015146346 A RU2015146346 A RU 2015146346A RU 2613481 C1 RU2613481 C1 RU 2613481C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- digital integrated
- integrated circuit
- time
- heating
- power
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
Использование: для контроля тепловых свойств цифровых интегральных схем. Сущность изобретения заключается в том, что способ заключается в разогреве цифровой интегральной схемы ступенчатой электрической греющей мощностью известной величины и в измерении в определенные моменты времени в процессе разогрева цифровой интегральной схемы температурочувствительного параметра с известным температурным коэффициентом, по изменению которого рассчитывают приращение температуры активной области цифровой интегральной схемы, с целью упрощения способа и уменьшения погрешности измерения переходной тепловой характеристики для задания электрической греющей мощности нечетное число (n>1) логических элементов контролируемой цифровой интегральной схемы соединяют по схеме кольцевого генератора, подключают его к источнику питания, в заданные моменты времени ti измеряют мгновенную мощность, потребляемую цифровой интегральной схемой от источника питания, и частоту колебаний кольцевого генератора, а значение переходной тепловой характеристики в момент времени t находят по формуле:
где и - частота колебаний кольцевого генератора в моменты времени t0=0 и ti соответственно, - температурный коэффициент частоты колебаний кольцевого генератора, Рср(ti)=[Р(0)+P(ti)]/2 - средняя мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой за время от начала нагрева t0=0 до момента времени ti, а P(0) и P(ti) - мгновенная мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой в моменты времени t0=0 и ti соответственно. Технический результат: обеспечение возможности упрощения способа и уменьшения погрешности измерения тепловой переходной характеристики цифровых интегральных схем. 2 ил.
Description
Изобретение относится к технике измерения тепловых характеристик полупроводниковых изделий и может быть использовано для измерения переходных тепловых характеристик цифровых интегральных схем как на этапах разработки и производства приборов, так и на входном контроле потребителя или при выборе режимов эксплуатации.
Ключевой задачей контроля тепловых свойств полупроводниковых приборов (ППП) является определение параметров их тепловой эквивалентной схемы, по которым можно рассчитать температуру активной области (p-n-перехода) ППП в любом заданном режиме работы прибора. В приближении одномерной тепловой схемы ППП задача сводится к определению набора значений тепловых сопротивлений (RTi) и теплоемкостей (CTi) или тепловых постоянных времени (τTi=RTi⋅CTi) отдельных элементов и слоев материалов, составляющих конструкцию ППП. Указанные параметры могут быть определены по переходной тепловой характеристике (ПТХ) H(t) полупроводникового прибора, то есть по изменению температуры Δθn(t) активной области прибора при его саморазогреве ступенчатой электрической мощностью заданной величины P0: H(t)=Δθn(t)/P0.
Известен способ измерения ПТХ ППП с p-n-переходами по кривой остывания (см. Давидов П.Д. Анализ и расчет тепловых режимов полупроводниковых приборов. М.: Энергия. 1967. стр. 33), состоящий в том, что исследуемый ППП разогревают заданной электрической мощностью до установившегося теплового режима, затем разогревающую электрическую мощность отключают и в заданные моменты времени измеряют изменение температуры p-n-перехода по изменению температурочувствительного параметра (ТЧП), в качестве которого чаще всего используют прямое падение напряжения на контролируемом p-n-переходе при малом прямом токе. Недостатками этого способа является большое время измерения, обусловленное необходимостью предварительного разогрева ППП до установившегося теплового режима и последующего охлаждения до температуры окружающей среды. Фактически время измерения в два раза превышает длительность ПТХ.
Известен способ измерения ПТХ полупроводниковых изделий с p-n-переходами (см. IC Thermal Measurement Method - Electrical Test Method (Single Semiconductor Device) EIA/JEDEC JESD51-1 standard // http://www.jedec.org/download/search/jesd51-1.pdf), состоящий в том, что на изделие с помощью внешнего генератора подают ступеньку электрической греющей мощности заданной величины, в процессе разогрева изделия в определенные моменты времени ti на короткий временной интервал (длительностью до нескольких десятков микросекунд) греющую мощность отключают, с помощью внешнего источника тока через контролируемый p-n-переход пропускают малый ток в прямом направлении и измеряют ТЧП - прямое падение напряжения на p-n-переходе, температурный коэффициент KT которого известен, приращение температуры Δθn(ti) в момент времени ti определяется по изменению ТЧП:
где Up-n(0) - падение напряжение на p-n-переходе до разогрева изделия, Up-n(ti) - падение напряжения на p-n-переходе в момент времени ti.
Этот метод реализован, в частности, в установке T3Ster - Thermal Transient Tester (см. T3Ster - Thermal Transient Tester // www.mentor.com/micred).
Недостатком указанного способа измерения ПТХ является значительная погрешность измерения ТЧП - прямого падения напряжения на контролируемом p-n-переходе - сразу же после выключения греюшей мощности из-за влияния паразитных переходных электрических процессов, возникающих в p-n-переходе полупроводникового изделия при переключении из греющего режима в измерительный режим (см., например, Сергеев В.А., Юдин В.В. Измерение тепловых параметров полупроводниковых изделий с применением амплитудно-импульсной модуляции греющей мощности // Измерительная техника. - 2010. - №6. - С. 32-39.). Для снижения этой погрешности измерение ТЧП необходимо проводить через некоторое время задержки после выключения греющей мощности, за которое электрический переходный процесс в основном завершится; за это время температура p-n-перехода может заметно измениться. При этом постоянная времени релаксации электрических процессов заранее не известна, сильно зависит от величины греющей мощности и может значительно отличаться от образца к образцу. Кроме этого, для реализации способа необходимы внешний генератор греющей мощности и источник малого прямого тока.
Технический результат - упрощение способа и уменьшение погрешности измерения тепловой переходной характеристики цифровых интегральных схем.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, состоящем в разогреве цифровой интегральной схемы ступенчатой электрической греющей мощностью известной величины и в измерении в определенные моменты времени в процессе разогрева цифровой интегральной схемы температурочувствительного параметра с известным температурным коэффициентом, по изменению которого рассчитывают приращение температуры активной области цифровой интегральной схемы, для задания электрической греющей мощности нечетное число (n>1) логических элементов контролируемой цифровой интегральной схемы соединяют по схеме кольцевого генератора, подключают его к источнику питания с известным напряжением питания, в заданные моменты времени ti измеряют мгновенную мощность, потребляемую цифровой интегральной схемой от источника питания, и частоту колебаний кольцевого генератора, а значение переходной тепловой характеристики в момент времени ti находят по формуле:
где и - частота колебаний кольцевого генератора в моменты времени t0=0 и ti соответственно, - температурный коэффициент частоты колебаний кольцевого генератора, Pср(ti)=[P(0)+P(ti)]/2 - средняя мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой за время от начала нагрева t0=0 до момента времени ti, а P(0) и P(ti) - мгновенная мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой в моменты времени t0=0 и ti соответственно.
В основе предложенного способа лежат два физических процесса: саморазогрев логических элементов (ЛЭ) цифровой интегральной схемы (ЦИС), соединенных по схеме кольцевого генератора (КГ) собственными генерируемыми импульсами, и уменьшение частоты генерации КГ с ростом температуры. Длительность периода следования Tк генерируемых КГ импульсов определяется временем τзад задержки распространения сигнала ЛЭ ЦИС: Tк=2τзадn, где n=(2m-1) - количество ЛЭ в КГ при m=2, 3, … Относительный коэффициент ξ увеличения времени задержки распространения сигнала ЛЭ ЦИС при повышении температуры составляет величину порядка 0,2-0,3%/°C, то есть сравним с температурными коэффициентами электрических параметров ЦИС и является практически постоянным в диапазоне от 0 до 100°C (см., например, Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат, 1986, стр. 75).
Достижение технического результата обеспечивается тем, что в предлагаемом способе не используются внешние генератор греющей электрической мощности и источник малого прямого тока, а цифровая интегральная схема не переключается из режима нагрева в режим измерения, таким образом исключаются погрешности, обусловленные переходными электрическим процессами и падением напряжения на токоведущих шинах микросхемы.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ, а на фиг. 2 - эпюры сигналов, поясняющие сущность способа и принцип работы устройства.
Устройство содержит контролируемую ЦИС 1, три ЛЭ которой соединены по схеме КГ, источник 2 питания с выходным напряжением Uпит, устройство управления 3, токосъемный резистор 4, схему 2И-НЕ 5, используемую для снижения влияния счетчика импульсов на частоту генерации КГ, генератор 6 строб-импульсов, цифровой вольтметр 7, счетчик импульсов 8, вычислитель 9 и индикатор 10.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии счетчик 8 обнулен. Устройство управления 3 в момент времени t0=0 формирует импульс Uy1 цикла измерения длительностью TЦ (рис. 2, а), достаточной для установления стационарного теплового режима данного типа ЦИС, который поступает на вход первого ЛЭ контролируемой ЦИС 1. В момент времени t0=0 КГ начинает генерировать импульсы с частотой следования (фиг. 2, б). Частота колебаний КГ близка к предельно допустимой для данного типа ЦИС, и ЦИС будет заметно разогреваться поглощаемой мощностью. При увеличении температуры активной области ЦИС в результате саморазогрева на величину Δθn(t) время задержки сигнала ЛЭ ЦИС будет возрастать, а частота колебаний КГ соответственно уменьшаться практически линейно с ростом температуры: , где - частота генерации КГ в начале нагрева. Импульсы, генерируемые КГ, поступают на первый вход схемы 2И-НЕ 5.
В течение ТЦ цикла измерения устройство управления в заданные моменты времени ti вырабатывает короткие управляющие импульсы UУ2 (фиг. 2, в), которые поступают на генератор 6 строб-импульсов и управляющий вход цифрового вольтметра 7. Генератор 6 строб-импульсов формирует строб-импульсы Uс длительностью Tс, которые поступают на второй вход схемы 2И-НЕ 5 (фиг. 2, г). За время действия строб-импульса с выхода схемы 2И-НЕ 5 в счетчик 8 поступает ki импульсов КГ (фиг. 2, д), по окончании строб-импульса число ki передается из счетчика в вычислитель 9. Очевидно, что число импульсов ki определяется частотой колебаний КГ и длительностью строб-импульса или .
Падение напряжения UR(ti) на токосъемном резисторе 4, пропорциональное току потребления ЦИС: UR(ti)=R⋅Iпот(ti), где R - сопротивление токосъемного резистора, в моменты времени ti по сигналам UУ2 измеряется цифровым вольтметром 7 и также передается в вычислитель 9.
Вычислитель 9 вычисляет средний потребляемый ЦИС ток по формуле , затем рассчитывает значение тепловой переходной характеристики по формуле и передает массив данных {ti, H(ti)} на индикатор 10, который отображает эту информацию в удобной для оператора форме.
Покажем, что при расчете значений H(ti) ПТХ необходимо использовать не мгновенное значение потребляемой ЦИС мощности, а величину средней потребляемой ЦИС мощности за время от t0=0 до ti.
В линейных тепловых моделях изменение температуры активной области ЦИС Δθn(t) определяется только законом изменения полной рассеиваемой мощности P(t) и выражается интегралом Дюамеля:
где h(t-t') - отклик температуры структуры на δ - подобный импульс мощности в момент времени t'.
Поскольку для КМОП ЦИС греющая мощность пропорциональна частоте колебаний, то в процессе разогрева греющая мощность будет изменяться с тем же температурным коэффициентом, что и частота: , где P0≡P(0) - мощность, потребляемая ЦИС в начале нагрева. Для более точного измерения ПТХ необходимо учесть изменение греющей мощности в процессе цикла измерения. Решение уравнения (1) с учетом температурной зависимости греющей мощности с точностью до членов порядка имеет вид
где решение (1) в отсутствие температурной зависимости греющей мощности, то есть при P(t')=Р0≡P(0)=const:
После подстановки (3) в (2) получим
где выражение и есть средняя мощность, потребляемая ЦИС за время t, откуда и получаем H(t)=Δθn(t)/Pcp(t).
Длительность Tс строб-импульса выбирается исходя из двух условий. С одной стороны, величина Tс должна быть достаточно малой, чтобы температура активной области ЦИС, а значит и частота колебаний КГ, не изменялись сколь-нибудь заметно за время действия строб-импульса. Погрешность, обусловленная изменением температуры за время действия строб-импульса, будет наиболее существенной в начале нагрева и ее можно оценить величиной , где τTкр - тепловая постоянная времени кристалла микросхемы, Δθкр≈0,63RTккP(0) - изменение температуры активной области ЦИС за время, равное тепловой постоянной времени кристалла ЦИС, RTкк - тепловое сопротивление кристалла ЦИС.
Оптимальная длительность строб-импульса , при которой суммарная погрешность измерения частоты колебаний КГ будет минимальна, определяется из условия равенства погрешностей: , откуда
Заметим, что при такой длительности строб-импульса с высокой точностью можно считать, что частота колебаний КГ меняется за время строб-импульса линейно на любом участке цикла измерения. Тогда число импульсов ki, подсчитанное счетчиком за время Tc, начиная с момента ti, будет соответствовать частоте колебаний КГ в моменты времени ti+Tc/2, то есть , учесть конечную длительность Tс можно просто путем смещения всех рассчитанных значений ПТХ по оси времени на величину .
Claims (3)
- Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем, заключающийся в разогреве цифровой интегральной схемы ступенчатой электрической греющей мощностью известной величины и в измерении в определенные моменты времени в процессе разогрева цифровой интегральной схемы температурочувствительного параметра с известным температурным коэффициентом, по изменению которого рассчитывают приращение температуры активной области цифровой интегральной схемы, отличающийся тем, что с целью упрощения способа и уменьшения погрешности измерения переходной тепловой характеристики для задания электрической греющей мощности нечетное число (n>1) логических элементов контролируемой цифровой интегральной схемы соединяют по схеме кольцевого генератора, подключают его к источнику питания, в заданные моменты времени ti измеряют мгновенную мощность, потребляемую цифровой интегральной схемой от источника питания, и частоту колебаний кольцевого генератора, а значение переходной тепловой характеристики в момент времени t находят по формуле
- где и - частота колебаний кольцевого генератора в моменты времени t0=0 и ti соответственно, - температурный коэффициент частоты колебаний кольцевого генератора, Рср(ti)=[Р(0)+P(ti)]/2 - средняя мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой за время от начала нагрева t0=0 до момента времени ti, а P(0) и P(ti) - мгновенная мощность, потребляемая цифровой интегральной схемой в моменты времени t0=0 и ti соответственно.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015146346A RU2613481C1 (ru) | 2015-10-27 | 2015-10-27 | Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015146346A RU2613481C1 (ru) | 2015-10-27 | 2015-10-27 | Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2613481C1 true RU2613481C1 (ru) | 2017-03-16 |
Family
ID=58458481
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015146346A RU2613481C1 (ru) | 2015-10-27 | 2015-10-27 | Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2613481C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108919851A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-11-30 | 深圳市沃特沃德股份有限公司 | 集成电路的温度调节方法、系统及装置 |
RU2697028C2 (ru) * | 2017-11-22 | 2019-08-08 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем |
RU2766066C1 (ru) * | 2020-12-18 | 2022-02-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ измерения переходной характеристики цифровых интегральных микросхем |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7257511B1 (en) * | 2002-12-04 | 2007-08-14 | Xilinx, Inc. | Methods and circuits for measuring the thermal resistance of a packaged IC |
US7408369B2 (en) * | 2004-05-05 | 2008-08-05 | Texas Instruments Incorporated | System and method for determining thermal shutdown characteristics |
RU2463618C1 (ru) * | 2011-04-08 | 2012-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ определения теплового импеданса кмоп цифровых интегральных микросхем |
RU2490657C2 (ru) * | 2011-10-28 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем |
RU2523731C1 (ru) * | 2013-02-05 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Способ и устройство для измерения переходных тепловых характеристик светоизлучающих диодов |
-
2015
- 2015-10-27 RU RU2015146346A patent/RU2613481C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7257511B1 (en) * | 2002-12-04 | 2007-08-14 | Xilinx, Inc. | Methods and circuits for measuring the thermal resistance of a packaged IC |
US7408369B2 (en) * | 2004-05-05 | 2008-08-05 | Texas Instruments Incorporated | System and method for determining thermal shutdown characteristics |
RU2463618C1 (ru) * | 2011-04-08 | 2012-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ определения теплового импеданса кмоп цифровых интегральных микросхем |
RU2490657C2 (ru) * | 2011-10-28 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем |
RU2523731C1 (ru) * | 2013-02-05 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Способ и устройство для измерения переходных тепловых характеристик светоизлучающих диодов |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2697028C2 (ru) * | 2017-11-22 | 2019-08-08 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем |
CN108919851A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-11-30 | 深圳市沃特沃德股份有限公司 | 集成电路的温度调节方法、系统及装置 |
RU2766066C1 (ru) * | 2020-12-18 | 2022-02-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" | Способ измерения переходной характеристики цифровых интегральных микросхем |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Baker et al. | Online junction temperature measurement via internal gate resistance during turn-on | |
Baker et al. | Online junction temperature measurement using peak gate current | |
RU2613481C1 (ru) | Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем | |
US12066335B2 (en) | Single calibration temperature based temperature sensing with differential signal generation | |
Siegal | Practical considerations in high power LED junction temperature measurements | |
RU2724148C1 (ru) | Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов | |
RU2463618C1 (ru) | Способ определения теплового импеданса кмоп цифровых интегральных микросхем | |
RU2639989C2 (ru) | Способ измерения переходной тепловой характеристики полупроводниковых изделий | |
RU2529761C1 (ru) | Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового прибора и устройство для его осуществления | |
RU2504793C1 (ru) | Способ определения теплового импеданса цифровых кмоп интегральных микросхем | |
RU2697028C2 (ru) | Способ измерения переходной тепловой характеристики цифровых интегральных схем | |
RU2609815C2 (ru) | Способ измерения переходной тепловой характеристики светоизлучающего диода | |
RU2685769C1 (ru) | Способ определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус и теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия транзисторов с полевым управлением | |
RU2327177C1 (ru) | Способ определения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем | |
McAfee et al. | Zener Diode Reverse Breakdown Voltage as a Simultaneous Heating and Temperature Sensing Element | |
RU2569922C1 (ru) | Способ определения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем | |
RU2766066C1 (ru) | Способ измерения переходной характеристики цифровых интегральных микросхем | |
RU2561998C2 (ru) | Цифровой измеритель температуры | |
RU2254559C1 (ru) | Устройство для измерения разности температур | |
RU2649083C1 (ru) | Способ измерения теплового импеданса цифровых интегральных микросхем | |
RU2556315C2 (ru) | Способ измерения теплового импеданса светодиодов | |
RU2317531C2 (ru) | Устройство для измерения разности температур | |
RU2561337C1 (ru) | Способ измерения теплового сопротивления кмоп цифровых интегральных микросхем | |
CN103090839B (zh) | 测量封装功率器件芯片面积的方法 | |
SU777585A1 (ru) | Способ измерени параметров газовых и жидких сред |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171028 |