CC BY
12ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ INTEGRATED ELECTRONICS ELEMENTS
Научная статья УДК 621.3.049.774
doi:10.24151/1561-5405-2023-28-1-79-87
Исследование влияния электрического переходного процесса на результаты измерения теплового сопротивления ИС косвенным методом на основе термочувствительного параметра
Е. Н. Белов1'2, М. А. Королёв2
1 АО «ПКК Миландр», г. Москва, Россия
2
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Belov.e@milandr.ru
Аннотация. При проектировании теплоотвода мощных ИС, а также ИС специального назначения и при расчете длительности ускоренных испытаний на надежность и долговечность применяется такой параметр, как тепловое сопротивление. Данный параметр измеряется различными методами. В работе рассмотрен метод измерения теплового сопротивления системы кристалл - корпус микросхемы, основанный на использовании термочувствительного параметра для контроля температуры кристалла. Особенность рассматриваемого метода - определение задержки между греющими и измерительными импульсами. Экспериментально показано, что электрический переходной процесс по окончании греющего импульса может длиться от десятков до сотен микросекунд. Исследовано влияние задержки измерительного импульса на точность измерения теплового сопротивления методом постоянной температуры кристалла для разных ти-пономиналов схем. Установлено, что для схем с большими габаритами, имеющими низкое значение теплового сопротивления, минимизация задержки несущественна.
Ключевые слова: тепловое сопротивление, интегральная микросхема, термочувствительный параметр
Для цитирования: Белов Е. Н., Королёв М. А. Исследование влияния электрического переходного процесса на результаты измерения теплового сопротивления ИС косвенным методом на основе термочувствительного параметра // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 1. С. 79-87. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-1-79-87
© Е. Н. Белов, М. А. Королёв, 2023
Original article
Investigation of an electrical transient process effect on the results of measuring the thermal resistance of IC by an indirect method based on a thermally sensitive parameter
E. N. Belov1,2, M. A. Korolev2
1 "ICC Milandr" JSC, Moscow, Russia
2
National Research University of Electronic Technology MIET, Moscow, Russia
Belov.e@milandr.ru
Abstract. Thermal resistance is a microcircuit parameter used in the development of a heat sink for powerful ICs, special purposes ICs, as well as in computation of the accelerated tests for reliability and durability. Various methods of thermal resistance measuring are known. In this work, a method of measuring the thermal resistance of a chip-package system based on the use of a thermally sensitive parameter to control the temperature of the chip is considered. The peculiarity of this method is determined by the delay between the heating and measuring pulses. It was shown by experiments that the electrical transient process at the end of the heating pulse can last from tens to hundreds of microseconds. The measuring pulse delay effect on the accuracy of the thermal resistance measurements was studied for different types of circuits by the method of the crystal's constant temperature. It has been established that for circuits with large crystal size and low value of thermal resistance, delay minimization is insignificant.
Keywords, thermal resistance, integrated microcircuit, thermally sensitive parameter
For citation. Belov E. N., Korolev M. A. Investigation of an electrical transient process effect on the results of measuring the thermal resistance of IC by an indirect method based on a thermally sensitive parameter. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 1, pp. 79-87. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-1-79-87
Введение. Тепловое сопротивление ^ полупроводниковых приборов и микросхем относительно корпуса или окружающей среды используется при выборе и разработке системы теплоотвода мощных ИС, например микропроцессоров, микроконтроллеров, силовых ключей, микросхем, работающих в условиях, когда не происходит естественной конвекции, например в космосе, а также при расчете длительности ускоренных испытаний на надежность и долговечность. Формула для расчета сопротивления имеет вид
Т - Т
п _ ]_х_
КТ}---р-,
где ^ - внутренняя температура рабочей области прибора, °С; ^ - температура корпуса или окружающей среды, °С; P - рассеиваемая тепловая мощность, Вт.
Для ИС температура перехода ^ определяется согласно ОСТ 11 0944-96 [1] либо непосредственно с помощью ИК-микропирометра или термоэлектрического преобразователя, либо косвенным способом на основе измерения термочувствительного параметра (ТЧП). Обычно в качестве ТЧП используется прямое падение напряжения на защитных диодах (ESD-диодах), предохраняющих микросхему от статических разрядов и перенапряжений на ее выводах.
Методы измерения теплового сопротивления. Известны различные методы измерения теплового сопротивления. Так, например, в работе [2] описано измерение ^
с использованием ИК-излучения для определения температуры кристалла, что требует удаления крышки ИС. Для реализации данного метода необходимы прецизионный тепловизор и макрообъектив со встроенной системой охлаждения. Часть стенда, содержащая вскрытый кристалл и тепловизор, должна быть термоизолирована для исключения влияния естественной конвекции. Также требуются такие дополнительные операции по подготовке образца, как определение коэффициента излучения рабочей области кристалла либо нанесение на кристалл тонкого слоя теплопроводящего материала с известным коэффициентом излучения.
В работе [3] представлена методика измерения ^ косвенным способом на основе
ТЧП, включающая в себя статические методы измерения согласно стандарту [1] и динамические методы, основанные на стандартах [4, 5]. Эти методы также не лишены недостатков. Так, метод постоянной температуры кристалла плохо поддается автоматизации: система машинного обучения [6] не обеспечивает достаточного уровня сходимости, а пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор [7] требует настройки коэффициентов для каждого типа микросхемы отдельно, так как при использовании универсальных (усредненных) коэффициентов достижение сходимости происходит на порядок дольше. Статический метод на основе измерения при двух разных мощностях не требует достижения одинаковой температуры кристалла, однако для него необходимо снятие температурной зависимости ТЧП. Преимуществом динамических методов перед статическими является более высокая скорость измерения, но они тоже требуют измерения ТЧП, обеспечения термостабилизации корпуса [8] и более прецизионного оборудования для достижения высокой точности измерения.
Косвенные методы на основе ТЧП ввиду принадлежности их к неразрушающим методам контроля, условий измерений, близких к эксплуатационным, меньших требований, предъявляемых к оснастке, более перспективны в массовом применении, чем методы, основанные на прямом измерении температуры кристалла. Особенность всех косвенных методов на основе ТЧП - наличие электрического переходного процесса между окончанием греющего импульса и началом измерительного импульса, за время которого кристалл остывает, в связи с чем снижается точность измерения. У большинства ИС данный электрический переходной процесс протекает достаточно быстро -десятки микросекунд - и не оказывает существенного влияния на результат измерения. Также у ИС может быть предусмотрена специальная структура, не имеющая электрической связи с остальным кристаллом, в том числе и ЕББ-защиты. При измерениях статическим методом данная структура может быть использована для контроля температуры без необходимости прерывания греющего воздействия, что ускоряет процесс измерений и повышает точность результата. Однако бывают случаи, когда электрический переходной процесс продолжается сотни микросекунд и более.
Задержка перед измерительным импульсом меньше минимально допустимой для данной ИС приводит к наложению измерения ТЧП на еще не закончившийся электри-
ческий процесс, вызванный окончанием греющего импульса. В таком случае вся дальнейшая математическая обработка результатов теряет смысл: результаты измерения будут неверные, а слишком большая задержка приведет к снижению точности измерения, так как кристалл успеет остыть. Для анализа данного переходного процесса снимают кривую охлаждения - зависимость ТЧП от времени, прошедшего с момента окончания греющего импульса. Кривая охлаждения позволяет детектировать наличие аномальных выбросов, связанных как с особенностью схемы, которые требуется учесть, так и с дефектами стенда, которые необходимо исправить.
Особенность временной зависимости ТЧП в том, что электрический переходной процесс зависит от внутренней емкости самой схемы и от паразитных параметров стенда и оснастки, а также от крутизны фронта используемого источника. Тепловой переходной процесс зависит от эффективности теплоотвода. Другими словами, данная характеристика актуальна только при снятии на реальном стенде при эксплуатационных параметрах.
Программно-аппаратный комплекс для измерения теплового сопротивления.
Для снятия кривой охлаждения предлагается доработанный программно-аппаратный комплекс для измерения ^ , реализующий косвенный метод на основе ТЧП [3] -
метод постоянной температуры кристалла. Рассматриваемый метод соответствует действующему стандарту ОСТ 11 0944 - 96 [1]. В качестве ТЧП использовали ЕББ-структуру одного из сигнальных выводов микросхемы в обратном включении.
Структура комплекса представлена на рис. 1. Аппаратная часть комплекса включает в себя прибор для задания температуры, использующийся для нагрева и стабилизации температуры корпуса исследуемой ИС; прибор контроля температуры, позволяющий точно определять температуру корпуса в месте крепления радиатора - на дне или крышке корпуса (зависит от конструкции корпуса ИС); прибор, совмещающий в себе источник греющих и измерительных импульсов.
Рис. 1. Блок-схема программно-аппаратного комплекса для измерения теплового сопротивления статическим методом с возможностью снятия кривой охлаждения Fig. 1. Block diagram of a hardware-software complex for measuring thermal resistance by a static method with the capability to measure the cooling curve
Программно выполнены следующие блоки:
- драйверы, обеспечивающие взаимодействие с аппаратной частью;
- блоки управления приборами, хранящие настройки приборов и обеспечивающие взаимодействие с ними посредством драйверов;
- формирователь сценариев, зависящих от конфигурации, отвечающий за подготовку управляющих последовательностей для источника, формирующего греющие и измерительные импульсы, и обрабатывающий полученные от источника результаты;
- блок конфигурации, содержащий параметры измерений;
- пользовательский интерфейс;
- блок управления, объединяющий все блоки программы воедино и включающий в себя не попавшие на данную диаграмму блоки математической обработки результатов, анализа достижения терморавновесия, сохранения результатов и т. д.
В соответствии со схемой, благодаря наличию аппаратной низкоуровневой синхронизации источников импульсов и измерительных приборов, для возможности снятия кривой охлаждения без прерывания измерений потребовалось внести всего три модификации: добавить блок конфигурации кривой охлаждения, содержащий необходимые параметры; реализовать вывод кривой охлаждения и ее параметров в пользовательском интерфейсе; добавить альтернативный формирователь сценариев, формирующий необходимое количество последовательных измерительных импульсов заданной длительности и скважности синхронизированно с греющими импульсами. Доработка существующего комплекса позволила проводить снятие кривой охлаждения для анализа переходных процессов в произвольные моменты времени без необходимости прерывания измерений.
Результаты и их обсуждение. На рис. 2 представлены графики температуры, построенные путем пересчета ТЧП кривой охлаждения для четырех разных типономина-лов ИС. Для сравнения представлен результат моделирования [9] процесса охлаждения одной из схем средствами САПР. Для наглядности по оси Y графики приведены к относительному диапазону [1, 2] для образца 3 (из-за обратной полярности выброса) и [0, 1] для остальных.
Рис. 2. Графики зависимости пересчитанной на основе ТЧП температуры кристалла для разных
типономиналов ИС: кривые 1-4 - образцы 1-4 соответственно; кривая 5 - расчет Fig. 2. Dependences of the temperature of the crystal recalculated on the basis of thermally sensitive parameter for different part types of IC: curves 1-4 - samples 1-4, respectively; curve 5 - calculation
Кривая, полученная расчетным методом, монотонно убывает, причем с течением времени скорость изменения функции уменьшается - за рассматриваемые 300 мкс температура падает на 3 %, хотя переходной процесс длится несколько секунд. Кривые, полученные экспериментальным путем, не являются монотонными. На начальном отрезке имеются выбросы, обусловленные электрическим переходным процессом. Электрический переходной процесс у образцов 1, 2, 3, 4 занимает соответственно около 30, 270, 40, 60 мкс. Из чего следует, что задержку между греющим и измерительным импульсами для каждого типономинала схем требуется подбирать отдельно.
На рис. 3 представлен график зависимости температуры кристалла от времени, прошедшего с момента окончания электрического переходного процесса. Температура кристалла измерена косвенным методом на основе ТЧП относительно начального момента времени. Функция монотонно убывает, причем скорость убывания обратно пропорциональна времени с момента окончания греющего импульса, что объясняется законом теплопроводности Фурье[10]:
где О - тепловой поток, Вт; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); grad(7) -градиент температурного поля, К/м; S - площадь поверхности теплообмена, м2.
С уменьшением разницы температур снижается и тепловой поток, т. е. скорость теплопередачи. Таким образом, наибольшая скорость остывания приходится на начало переходного процесса. Соответственно, чтобы кристалл не успел существенно остыть, задержка между греющим и измерительным импульсами должна быть минимально возможной, но при этом фронты импульсов не должны перекрываться. В работе [1] указан рекомендуемый диапазон задержек между импульсами, составляющий 2-200 мкс. У образца 2 время электрического переходного процесса составило 270 мкс, что не попадает в рекомендуемый диапазон, а значит могут быть схемы и с более длительным электрическим переходным процессом. Для оценки влияния задержки на результат измерения Rт проводили дополнительные измерения при разных задержках между греющими импульсами (таблица).
Разница остывания кристалла в исследуемых диапазонах задержек составила 0,42-0,98 °С. На тепловом сопротивлении образцов 2 и 4 данное падение температуры кристалла практически никак не сказалось в силу больших габаритов кристалла и корпуса и низкого значения Rт. Тепло от корпуса отводится достаточно эффективно, соответственно, скорость изменения температуры перехода корпус - радиатор близка к скорости изменения температуры кристалла.
Образцы 1 и 3 менее мощные, имеют меньшие габариты и большее
значение :
увеличение задержки до 1 мс привело к отклонению Rт на 12 и 9 % соответственно. Следовательно, у ИС с низким значением ^ (хорошим теплоотводом) увеличение
Время, с
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Рис. 3. График экспериментально полученной кривой охлаждения кристалла ИС Fig. 3. Experimentally obtained cooling curve graphics of the IC crystal
Влияние увеличения задержки между импульсами на результаты измерения теплового сопротивления
Effect of increase of delay between pulses on thermal resistance measurement results
Параметр Образец
1 2 3 4
Мощность, Вт 0,27 0,80 0,25 2,7
Площадь кристалла, мм 7,27 45,76 2,45 131,03
Температурный коэффициент ТЧП, мВ/°С 1,65 0,72 1,81 0,87
Тепловое сопротивление микросхемы Л , °С/Вт 9,42 1,86 8,78 0,78
Задержка, мкс 30-1000 270-1000 40-1000 60-1000
ЛТЧП, мВ 1,56 0,57 0,76 0,85
Л1 кристалла, °С 0,95 0,80 0,42 0,98
Измеренное отклонение Л , °С/Вт 1,17 0,04 0,80 0,03
Относительное отклонение Л, , % 12 2 9 4
задержки между греющим и измерительным импульсами, приводящее к охлаждению кристалла, оказывает меньшее влияние на результат измерения при условии теплоизоляции стенда, обеспечивающей единственный путь тепловому потоку - через радиатор, на границе контакта которого с микросхемой проводится измерение температуры корпуса. У менее крупных схем с высоким значением Л увеличение задержки может
привести к существенному искажению результатов вследствие невозможности эффективного отвода тепла от корпуса. Соответственно, для точного измерения может потребоваться источник импульсов, обеспечивающий более резкие фронты.
Заключение. Проведенные исследования показали, что модернизация существующего программно-аппаратного комплекса для измерения теплового сопротивления на основе ТЧП методом постоянной температуры кристалла позволила проводить снятие кривой охлаждения без прерывания измерений с большей вариативностью в плане синхронизации импульсов. Полученные в результате измерений зависимости имеют форму, близкую к расчетной, за исключением электрического переходного процесса, искажающего результаты. Установлено, что имеют место схемы, требующие большей задержки между греющим и измерительным импульсами (относительно рекомендуемого диапазона задержек между импульсами, составляющего 2-200 мкс), а также что задержка между импульсами влияет на результат измерения. Это влияние прогнозируется не в полной мере, так как зависит от геометрических размеров кристалла и корпуса, использованных материалов, технологии монтажа кристалла и т. д.
Таким образом, при использовании косвенных методов для более точных измерений теплового сопротивления требуется снимать кривую охлаждения на измерительной оснастке с целью определения минимально допустимой задержки, обеспечивающей протекание электрического переходного процесса, что актуально для ИС с высоким значением теплового сопротивления и/или небольшими габаритами.
Литература
1. ОСТ 11 0944-96. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы расчета, измерения и контроля теплового сопротивления. М.: НПП Пульсар, 1997. 110 с.
2. Мартынов И. А. Измерение теплового сопротивления кристалл - корпус микросхем и полупроводниковых приборов с использованием тепловизора // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2016. № 4. С. 3-6.
3. Смирнов В. И., Савостин Ю. А., Гавриков A. A., Шорин А. М. Методы и средства измерения теплового сопротивления интегральных микросхем // Автоматизация процессов управления. 2018. № 1 (51). С. 73-82.
4. EIA/JEDEC standard JESD51-1. IC thermal measurement method - electrical test method (single semiconductor device) // JEDEC [Электронный ресурс]. URL: https://www.jedec.org/standards-documents/docs/ jesd-51-1 (дата обращения: 10.07.2022).
5. JEDEC standard JESD51-14. Transient dual interface test method for the measurement of the thermal resistance junction-to-case of semiconductor devices with heat flow through a single path // JEDEC [Электронный ресурс]. URL: https://www.jedec.org/standards-documents/docs/jesd51-14-0 (дата обращения: 10.07.2022).
6. The adoption of machine learning in the measurement of copper contact on the main chip in advanced 3D NAND technology nodes / M. Meng, A. Li, A. Zhang et al. // 2020 31st Annual SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference (ASMC). Saratoga Springs, NY: IEEE, 2020. P. 1-5. https://doi.org/ 10.1109/ASMC49169.2020.9185390
7. Automatic voltage regulator design based on fractional calculus plus PID controller / J. Sahu, P. Satapathy, M. K. Debnath et al. // 2020 International Conference on Computational Intelligence for Smart Power System and Sustainable Energy (CISPSSE). Keonjhar: IEEE, 2020. P. 1-4. https://doi.org/10.1109/ CISPSSE49931.2020.9212263
8. Сравнительный анализ стандартного и модуляционного методов измерения теплового сопротивления мощных биполярных транзисторов / В. И. Смирнов, В. А. Сергеев, А. А. Гавриков и др. // Журнал радиоэлектроники. 2019. № 1. Ст. 6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.L3
9. Gao J., Wang S., Wang J. Thermal resistance model of packaging for RF high power devices // 2020 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). Shanghai: IEEE, 2020. P. 1-3. https://doi.org/10.1109/ICMMT49418.2020.9386437
10. 2-D-nonlinear electrothermal model for investigating the self-heating effect in GAAFET transistors / M. Belkhiria, F. Echouchene, N. Jaba et al. // IEEE Transactions on Electron Devices. 2021. Vol. 68. Iss. 3. P. 954-961. https://doi.org/10.1109/TED.2020.3048919
Статья поступила в редакцию 18.07.2022 г.; одобрена после рецензирования 21.10.2022 г.;
принята к публикации 29.11.2022 г.
Информация об авторах
Белов Егор Николаевич - инженер-программист АО «ПКК Миландр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, Георгиевский пр-т, 5), аспирант кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), Belov.e@milandr.ru
Королёв Михаил Александрович - доктор технических наук, профессор кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), ieem@miee.ru
References
1. OST 11 0944-96. Integrated circuits and semiconductor devices. Methods of calculation, measurement and control of thermal resistance. Moscow, NPP Pul'sar Publ., 1997. 110 p. (In Russian).
2. Martynov I. A. Die-case thermal resistance of ICs and semiconductor devices measurement with thermal image camera. Izv. SPbGETU "LETI" = Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University, 2016, no. 4, pp. 3-6. (In Russian).
3. Smirnov V. I., Savostin Iu. A., Gavrikov A. A., Shorin A. M. Methods and means for measuring the thermal resistance of integrated circuits. Avtomatizatsiya protsessov upravleniya = Automation of Control Processes, 2018, no. 1 (51), pp. 73-82. (In Russian).
4. EIA/JEDEC standard JESD51-1. IC thermal measurement method - electrical test method (single semiconductor device). JEDEC. Available at: https://www.jedec.org/standards-documents/docs/jesd-51-1 (accessed: 10.07.2022).
5. JEDEC standard JESD51-14. Transient dual interface test method for the measurement of the thermal resistance junction to case of semiconductor devices with heat flow through a single path. JEDEC. Available at: https://www.jedec.org/standards-documents/docs/jesd51-14-0 (accessed: 10.07.2022).
6. Meng M., Li A., Zhang A., Tu L., Zhou H., Mi J., Zou X. The adoption of machine learning in the measurement of copper contact on the main chip in advanced 3D NAND technology nodes. 2020 31st Annual SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference (ASMC). Saratoga Springs, NY, IEEE, 2020, pp. 1-5. https://doi.org/10.1109/ASMC49169.2020.9185390
7. Sahu J., Satapathy P., Debnath M. K., Mohanty P. K., Sahu B. K., Padhi J. R. Automatic voltage regulator design based on fractional calculus plus PID controller. 2020 International Conference on Computational Intelligence for Smart Power System and Sustainable Energy (CISPSSE), Keonjhar, IEEE, 2020, pp. 1-4. https://doi.org/10.1109/CISPSSE49931.2020.9212263
8. Smirnov V. I., Sergeev V. A., Gavrikov A. A., Kulikov A. A., Shorin A. M. Comparative analysis of standard and modulation methods for measuring thermal resistance of power bipolar transistors. Zhurnal Radioelektroniki = Journal of Radio Electronics, 2019, no. 1, art. no. 6. (In Russian). https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.L3
9. Gao J., Wang S., Wang J. Thermal resistance model of packaging for RF high power devices. 2020 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). Shanghai, IEEE, 2020, pp. 1-3. https://doi.org/10.1109/ICMMT49418.2020.9386437
10. Belkhiria M., Echouchene F., Jaba N., Bajahzar A., Belmabrouk H. 2-D-nonlinear electrothermal model for investigating the self-heating effect in GAAFET transistors. IEEE Transactions on Electron Devices, 2021, vol. 68, iss. 3, pp. 954-961. https://doi.org/10.1109/TED.2020.3048919
The article was submitted 18.07.2022; approved after reviewing 21.10.2022;
accepted for publication 29.11.2022.
Information about the authors
Egor N. Belov - Software Engineer, "ICC Milandr" JSC (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Georgievsky ave., 5), PhD student of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Belov.e@milandr.ru
Mikhail A. Korolev - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), ieem@miee.ru
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Полные тексты статей журнала с 2007 по 2022 гг. доступны на сайтах Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru и журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»: http://ivuz-e.ru
