TW200406587A - System and method of measuring low impedances - Google Patents

Description

2〇〇4〇6587 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 發明領域 本發明一般係關於電子電路領域，並且尤其是關於用 以量測低阻抗之方法。 【先前技術3 發明背景 在電腦系統和電子電路，例如，微處理機晶片、列印 電路板、以及電子封裝之發展的許多因素歸因於在這些系 10統之功率分配網路中寬頻寬上較低阻抗之需求。減少電源 供應位準、信號轉移時間和晶圓大小，以及電源供應電流 和時脈速率之穩定地增加均需要功率分配網路具有非常低 阻抗位準。電腦系統之典型的目標阻抗是以每兩年5倍因數 減少。在千分之一歐姆和千分之一歐姆以下範圍之低阻抗 15 時需將雜訊產生、電磁輻射以及干擾最小化。 儘管證實高速信號之信號整體性的技術已被廣泛地使 用’但需要精碟地測量在高頻率中之非常低的千分之一歐 姆和千分之一歐姆以下範圍阻抗仍然是未令人滿意。時間 領域反射測定儀器已被使用於測量功率分配網路阻抗。但 20是，由於這方法所使用之示波器的雜訊和非線性，使得該 時間領域反射測定量測不適用於量測千分之一歐姆範圍之 阻抗。RLC(電阻、電感和電容)計量器無法測量上百兆赫頻 率下之次歐姆阻抗。向量網路分析器也已被使用以測量電 路參數，但是它們僅可存取半導體晶片之外部的點並且無 5 200406587 法測量内部阻抗。更進一步地，向量網路分析器利用供應 及迫使電流進入系統而測量阻抗，但是電流無法均勻地被 推動經過電路而並且達成滿意的量測。這些習見方法的一 種共同缺點也包含在系統操作時無法得到晶圓上的阻抗量 5 測。 【發明内容】 發明概要 依據本發明之一實施例，一種方法包含產生一組第一 電流位準、量測該第一電流位準、產生一組第二電流位準 10 、以及量測該第二電流位準。該方法進一步地包含重複交 替地產生該第一和該第二電流位準以產生一週期電流波形 ，並且多次地量測在系統中之至少一埠上面的電壓以得到 多組電壓量測。該等多組電壓量測被平均。該方法進一步 地包含重複交替地以一預定數目之不同的時脈頻率產生該 15 第一和該第二電流位準、決定被平均之電壓量測的傅立葉 成分以決定時脈頻率相關雜訊、移除該時脈頻率相關雜訊 以產生被濾波的平均電壓、並且利用將一組被濾波的平均 電壓之傅立葉成分除以具有交替的第一和第二電流位準之 週期電流波形的傅立葉成分而決定一組阻抗。 20 依據本發明之另一實施例，一種決定具有微處理機之 系統中操作阻抗之方法包含：在該微處理機中執行一組第 一多數個電腦指令以在該系統中產生一組高電流位準、量 測該高電流位準、在該微處理機中執行一組第二多數個電 腦指令以在該系統中產生一組低電流位準、並且量測該低 τ ’_*·位準。4方法進_步地包含：重複交替地執行該 =個電腦指令和該第二多數個電腦指令以產生-週期: 心形、並且多次地量測在系統中之至少一淳上面， =多組電壓量測。該等多組電壓量測被平均。該‘ 二：Μ預疋數目之不同時脈頻率交替地連續執行該第 =二多數個電腦指令叫定時脈頻率相 關雜訊，以及移 1=脈頻率相關―皮的 ;利，波的平均電壓之傅立葉成分除以一組具有： =與低電流位準的_電錢形之傅立 2 —組作為頻率函數之阻抗。 决弋 依據本發明之另一警价 實苑例，一種系統，其包含用以i 二: 先中產生一組第一電流位準之裝置、用以量— 位準，裝置、用以在該系統中產生第二電流位準之; 用以置測該第二電流 又 生％ h ^料之裝置rn複交替地產 位準和該第二電流位準以產生-週期電流ί 、、用以多次地量測在系統中至少 ::，皮形的電树到多組電*量測之裝置二予： 頻率產生今第預定數目之不同時脈 平= 電位準之袭置、用以決定一組 =句電壓量測的傅立葉成分以決定時脈頻率相_訊之裝 ^多除该時脈頻率相關雜訊以產生—組被遽波的平均電 、置、以及利用將被滤波之平均電塵的傅立葉成分除 傳立1 且具有㈣的第-和第二電流位準之週期電流波形的 、葉成分而決定一組阻抗之裝置。 圖式簡單說明 為了更完全地了解本發明之目的和優點，接著將參考 下面的附圖而予以說明，其中： 第1圖是依據本發明技術之低阻抗量測系統之實施例 的方塊圖和分解圖； 第2圖是依據本發明技術之低阻抗量測的實施例之流 程圖； 第3圖是依據本發明技術之低阻抗量測系統的另一實 施例之方塊圖和分解圖； 第4圖是依據本發明技術之低阻抗量測的另一實施例 之流程圖； 第5圖是依據本發明技術而利用冷(COLD)、熱(hot) 和跳動(THROB)演算法之實施例所產生的電壓和預期電流 及電壓波形之平面圖；以及 第6圖是利用本發明實施例而產生的阻抗計算平面圖。 【實施方式3 較佳實施例之詳細說明 本發明之較佳實施例以及其優點將參看第1至6圖之圖 ^而有最佳的了解，其中相同s虎碼被使用於各圖形中相同 以及對應部份。 第1圖是展示依據本發明技術用以量測低阻抗系統之 實施例的方塊圖和分解圖。為展示目的，第1圖展示本發明 之系統及方法應料—組t腦處理單元(CPU)印刷電路板 、、且存在於印刷電路板10上的半導體晶片封裝12、以 200406587 及-組在封裝咖部之半導體晶圓14。彻τ面方程式被 表示的歐姆定律，被制简出作為頻率函數之阻抗⑺·· z(f) =

其中Ff(g(t))疋在頻率f之函數g⑴的傅立葉成分，V是電 5壓，I是電流’而t是時間。作為時間函數之電麼可精確地被 量測，但非常不容易在相同時間測量電流變化。本發明實 施例利用產生在相關頻率範圍内具習知特點之_可^制電 流而達成這工作。所產生之電流具有一簡單波形以避免在 量測中介入額外的雜訊。 10 三組可操作以在微處理機操作時產生-週期電流之

電腦演算法被提供以供在阻抗量測時使用。該電流具有一 簡單波形，例#，-階形或梯形波形。該等電腦演算法各 包含一争列的電腦指令碼。該第一演算法是HOT指令碼， 其包含一組預定數目之電腦指令，例如，四組整數加法組 15合語言指令，以產生高功率。其他電腦指令也可被使用， 例如整數減法’以及邏輯操作，例如，AND、〇R、N〇R、 XOR、專專。该苐二演异法是C〇LD指令碼，其包含一預定 數目之電腦操作，例如，四組整數無操作組合語言指令， 以產生低功率。當執行時，該HOT和C0LD指令碼產生兩組 20不同的固定電流位準，其中HOT指令碼產生比COLD指令碼 車父鬲的電流。該HOT和COLD指令碼可交互地並且連續地被 组合以產生一THROB指令碼。在HOT及COLD之間的轉移 覓度決定量測阻抗之高頻率範圍。最好是，HOT及COLD 9 200406587 指令碼存在於備妥立即執行的微處理機指令快取記憶體中 以避免有擷取指令時引起之困境。進一步地，需要具有足 夠長的HOT制㈣並且接著足夠長的料週期以 減小低頻率脑。這可於指令巾_迴路而被達成。

量測，如第2圖方塊22之展示。Idd(H0T)和Idd(c〇LD)可藉由 1〇使用耦合至被置放在列印電路板1〇上面之電壓調整器模組 (VRM)25的感測電阻器24之電壓計23而被衫，以測量跨 越電阻器24的f壓降。在方塊26和27巾，交#預定贿及 COLD週期長度之THR0B指令接著被執行，以及有多數個

至坪η所量測的電壓降。在埠丨之電壓％⑴是晶片上電壓降 的一組量測，並且藉由制特別地被提供在晶片上面以供 v/d-vss感測用之所提供的測試墊而量測。這些測試墊是可 操作以與儀器連接，例如，高阻抗主動式差動探針Μ疋該 電壓量測是由示波器36(例如，被輕合至差動探針34)所達: 參看至第2圖，其是依據本發明技術用 之程序的實施例之流程圖，該Η〇τ指今妯

15上面的Vdd和Vss(電源和接地)墊28-32之間的Vi(t)，v<t)

簡要地參看至第5圖， 在較佳實施例中，THROI 第5圖，對於Vl⑴之範例波形37被展示。 THROB指令提供5〇%義務週期和大⑽ 200406587 微秒（//s)週期之HOTAC〇LD波形38，如第5圖之展示。利 用不波器36所提供的一組長期平均數學功能，被使用以平 均多數的量測而減低隨機雜訊，如方塊4〇之展示。一平均 電壓波形42之範例，在示波器上25000次掃視之平均結果， 5展示於第5圖。隨機雜訊一般產生自系統操作環境並且通常 是任意的和非週期性的。 10 15

返回至第2圖，在方塊44中，HOT、COLD、以及THROB 指令連續地以不同的時脈頻率被執行，如方塊22至4〇之展 示，以測量電流及在那些時脈頻率的電壓。利用應用快速 傅立葉轉換(FFT)以得到被量測電壓波形的傅立葉成分，隨 著改變時脈頻率而變化之週期雜訊可被分離。這時脈相關 雜訊接著從平均之電壓量測被過濾出，如方塊46之展示。 利用指令中之迴路分歧而產生波形中之小的週期尖端。一 組被濾波的範例平均電壓波形48展示於第5圖中。在第之圖 方塊5〇中，阻抗，Zli(其中卜，由下列方程式所決^ Z\n(f) = ~Ffm)

其中Ff是電壓或電流之傅立葉成分，並且Zli是微處理 機之電源供應迴路雜抗’ZI2是當電流是對於埠i所預 在電子封裝上狀和㈣雜抗，z#tf流是對於蜂 1所預期時在電子封裝上面蟑3的轉移阻抗，等等。使用财 、COLD和TH膽指令在有關頻率範圍之上被得 阻抗波形52展示於第6圖中。 已例 最好是，提供-些具不同週期的不同thr〇b指令㈣ 20 200406587 蓋-寬的頻率範圍。較大週期之階梯形或梯形波形改進較 低頻率時的量測精確度，並且較小週期改進較高頻率時的 精確度。 第3圖是-種方塊圖和分解圖，其展示依據本發明技術 5之低阻抗量測系統的另一實施例。其不使用電腦指令吻 、COLD和THROB以產生-梯形週期電流波形，而使用内 建被除以N”之微處理機晶片的操作模式以產生所需之波 形。當被提供FCLK或FCLK/N時脈頻率時，微處理機利用保持 其重置線52於低位而於重置模式，其中Fclk是取決於微處 1〇理機之操作範目，且N是-組正整數。除以N之操作模式可 藉著使用在系統功率向上序列時發生之晶片上相位鎖定迴 路(PLL)測試模式而被存取。梯形電流波形之週期最好是藉 著使用在預定義務週期，例如50%，而提供一波形的外部 脈波產生器54而被控制。 15 參看至第4圖，其是依據本發明技術之一組低阻抗量測 程序56的第二實施例之流程圖。在方塊57和58中，當“電 流被量測時系統被保持重置，並且時脈頻率被設定在匕认 。當Idd再次地被量測時，系統再次地被保持在重置，但是 時脈頻率被設定在fclk/n，如方塊59和60之展示。方塊62 20中，系統再次地被保持重置而時脈頻率在FCLK^nFCLK/N之間 被變動。使用示波器36，多組電壓，％至1，從半導體晶 圓14、封裝12、以及印刷電路板1〇上的各種測試墊28_32被 量測，如方塊63之展示。在匕以和Fclk/n以及上升和下降時 間之Idd電流決定隨時間變化之〗⑴電流波形。週期電流波形 12 間可以利用反應於除以N之模式所產生電流的電壓 葉轉換而被蚊，並且該反向之上升 間對應至傅立葉轉換之最小頻率。 u下降時 以㈣的平均數學功能，被示波器36提供，接著被使用 雜訊’如方塊64之展示。為了適當_出隨機 ^ ^的錢n掃财使腾平均魏& Γ產生自系統操作環境源，並且是任意的和非週= 10 到二在=中：不_率的電壓量測被得 被量㈣快速傳立葉轉換(FFT)以得到各種時脈頻率之 川電昼波形的傅立葉成分，隨著時脈頻 期雜訊可被分離。例如，時脈頻率可犯百^化之週 至十億赫(GHZ)。時脈相關雜訊從被平 1Hz)變化 15 掉。方塊咐，阻抗，⑽中心），利用2形中被據 而被決定·· 下面之方程式 其中心是電麼或電流之傅立葉成分， 機之電源供應迴路的阻抗％是當電流是對 在電子封裝上面之物轉移阻抗，&是當電;= 1所預期時在電子封裝上面物轉移阻抗，等等^用^ 、二_議指令在有闕頻率範圍之上柳 阻抗波形70展示於第6圖中。 乾例 在電从令之上使用除㈣方法之電流激勵優點包括 13 20 200406587 排除量測中之額外雜訊。熟f本技術㈣了解，當 機正操=會由於基本的操作系統或系統的其他附屬構件 =二:之Γ步地，電腦指令它們本身亦引介可能扭 曲電纽狀独_外雜訊。_免㈣脈，操 此處皮明之本發明的各種實施例，提供在半導體晶圓 上面、電子日日日片封裝中、以及印刷電路板之各點上的寬頻 率範圍内’ a量觀祕應迴路之料恤抗的系統及 方法。 或量測儀器相__雜訊，使用示波器之電壓波形的長 期平均是所需求的，其觸發梯形波形的陡斜邊緣。、 ίο 【阐式4簡單^親^明】 第1圖是依據本發明技術之低阻抗量測系統之實施例 的方塊圖和分解圖； 第2圖疋依據本發明技術之低阻抗量測的實施例之流 15 程圖， 第3圖是依據本發明技術之低阻抗量測系統的另一實 施例之方塊圖和分解圖； 第4圖是依據本發明技術之低阻抗量測的另一實施例 之流程圖； 20 第5圖是依據本發明技術而利用冷(COLD)、熱(HOT) 和跳動（THROB)演算法之實施例所產生的電壓和預期電流 及電壓波形之平面圖；以及 第6圖是利用本發明實施例而產生的阻抗計算平面圖。 【圖式之主要元件代表符號表】 14 200406587 10…系統 37···範例波形 12…導體晶片封裝 38…COLD波形 14…半導體晶圓 42…電壓波形 23…電壓計 48…平均電壓波形 24…感測電阻器 52···阻抗波形 25…電壓調整器模組 54…外部脈波產生器 28-32···電源和接地墊 34…高阻抗作用差動探針 36…示波器 70···範例阻抗波形 15

Claims (1)

1. 拾、申請專利範圍： 1. 一種量測具有微處理機（14)之系統中阻抗的方法(20)， 其包含： 在系統中產生一組第一電流位準(22); 量測該第一電流位準(22); 在該系統中產生一組第二電流位準(22); 量測該第二電流位準(22); 重複交替地產生該第一電流位準和第二電流位準 以產生一週期電流波形(26); 多次地量測在該系統中至少一埠之所給予週期電 流波形中之電壓，以得到多組電壓量測(27); 平均該等多組電壓量測(40); 以一預定數目之不同時脈頻率（44)，產生該第一和 第二電流位準； 決定一組平均電壓量測之傅立葉成分以決定時脈 頻率相關雜訊(46); 移除該時脈頻率相關雜訊以產生一組被濾波的平 均電壓（46);並且 利用將被濾波的平均電壓的傅立葉成分除以一組 具有交替的第一和第二電流位準之週期電流波形的傅 立葉成分而決定一組阻抗(47)。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中產生一組第一電流 位準包含在該系統（10)之一微處理機（14)中執行一組第 一多數個電腦指令(22)以在該系統中產生該第一電流位 200406587 準。 3.如申請專利範圍第1項之方法，其中產生—組第二電流 位準包含在該系統（10)之一微處理機（14)中執行一組2 二多數個電腦指令(22)以在該系統中產生該第二電节立 5 準。 机 4·如申請專利範圍第丨項之方法，其中重複交替地產生該 第一和第二電流位準包含重複交替地執行一組第一多 數個電腦指令和一組第二多數個電腦指令(26)。 5·如申請專利範圍第1項之方法，其中量測該等第一和第 0 二電流位準包含量測在該系統（10)中一電壓調整器（25) 内感測電阻器（24)上的分別電壓降。 6·如申請專利範圍第1項之方法，其中該至少一組埠包含 被置放在該微處理機之一半導體晶圓（14)、該微處理機 之一封裝（12)、以及該系統之一印刷電路板（1〇)上的電 ί5 源和接地墊(28-32)。 7·如申請專利範圍第丨項之方法，其中決定一阻抗包含利 用下面之方程式而決定該阻抗： Z(f) =

   Ff(m) 其中FKg(t))是在頻率f之函數g⑴的傅立葉成分、v 是電壓、1是電流、且t是時間。 8·如申請專利範圍第2項之方法，其中該第—多數個電腦 才曰令包含多數個可操作以產生高功率的指令。 9·如申請專利範圍第3項之方法，其中該第二多數個電腦 17 200406587 指令包含多數個可操作以產生低功率的指令。 10· -種決定在具有微處理機（14)之系統中之操作阻抗的彳 ‘ 法，其包含： - 在該U處理機中執行一組第一多數個電腦指令以 在。亥系統中產組高電流位準，並且量測該高電流位 準(22); 在該微處理機中執行一組第二多數個電腦指令以 在該系統中產生-組低電流位準，並且量測該低電流位 準(22) ; % 重複乂替地執行該第一多數個電腦指令以及該第 二多數個電腦指令以產生—週期電流波形(26)，並且多 次地量測在該系統中至少一埠之電壓以得到多組電壓 量測(27); 平均該等多組電壓量測(40); 在一預定數目之不同的時脈頻率，交替地連續執行 該等第-和第二多數個電腦指令以決定時脈頻率相關 _ 雜訊(4句，且移除該時脈頻率相關雜訊以產生一組被濾 波的平均電壓(46);並且 利用將被攄波的平均電壓之傅立葉成分除以一組 =有交替的第-和第二電流位準之週期電流波形的傅 立葉成分，而決定一組作為頻率函數之阻抗(4乃。 18 200406587 柒、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（2 )圖。 (二) 本代表圖之元件代表符號簡單說明： 20…執行步驟 22…執行步驟 26…執行步驟 27…執行步驟 40…執行步驟 44…執行步驟 46…執行步驟 50…執行步驟 捌、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：