CC BY
12Вследствие падения напряжения на сопротивлении токоведущих шин изменение тока нагрузки приводит к паразитному изменению ТЧП ЛЭ (^ых), которое может существенно превышать изменение ТЧП в результате нагрева [9]. Поэтому для измерения изменения температуры ЛЭ вблизи середины длительности каждой ступеньки синтезатор 5 формирует короткие стробирующие импульсы длительностью тс << ти, на время действия которых нагрев прекращается. Огибающая ¿7ТП импульсного напряжения на выходе ЛЭ изменяется по гармоническому закону, повторяя изменение температуры ЛЭ (см. рис.3). Коммутатором $Л выходы всех ЛЭ, включая разогреваемый, поочередно подключаются ко входу измерителя 6, который фильтрует импульсное напряжение и измеряет амплитуду Отп на выходе ЛЭ. Для построения МТИ измерения повторяют, разогревая поочередно все ЛЭ.
Время измерения ОТП одного ЛЭ определяется временем tуст установления сигнала
на выходе фильтра при выделении огибающей ТЧП: ^ст « 1/АРФНЧ , где А^ФНЧ - полоса фильтра. При использовании в устройстве одного фильтра время контроля одной ЦИС, содержащей N элементов, будет равно N2 ^ст. Используя N фильтров и проводя измерение ТЧП всех ЛЭ параллельно, можно сократить время измерения в N раз. Другой модификацией предлагаемого способа может быть измерение параметров МТИ между группами ЛЭ, при этом порядок группирования определяется топологией ЦИС [10].
Экспериментальные результаты. Измерения проводились на выборке ЦИС типа К155ИР13 (сдвиговый регистр) в количестве 30 шт. На рис.4 показаны фрагменты топологии кристалла ЦИС, содержащей восемь ЛЭ по числу разрядов регистра, по четыре ЛЭ вдоль краев кристалла (ЛЭ пронумерованы слева направо и снизу вверх). Основными тепловыделяющими элементами выходного каскада ЛЭ (рис.5) являются транзистор УТ, диод УП и сопротивление Я в цепи коллектора транзистора УТ. Температурный коэффициент Кт напряжения логической единицы ¿У^ых измерялся стандартным методом [2] с погрешностью не более 5% и для данной выборки изменялся в диапазоне 2,6-2,8 мВ/К. Частота изменения мощности выбиралась равной 10 Гц. В этом случае инерционностью тепловых процессов можно пренебречь и рассматривать только МТС.
+Е,?
Рис.5. Схема принципиальная выходного каскада логического элемента ЦИС типа К155ИР13
Переменная составляющая мощности равна 25 мВт. Погрешность определения температуры равна 4%. По результатам измерения составлялось по восемь уравнений (2) для каждого из восьми узлов тепловой эквивалентной схемы. Далее системы уравнений решались известными методами с использованием стандартных компьютерных программ. Усредненная по выборке ЦИС МТС, рассчитанная по результатам измерений, имеет следующий вид:
Кту -
30 75 514 1813 2521 1338 508 346
91 44 73 542 1354 1016 736 849
406 93 43 70 610 648 955 1623
1292 422 83 38 372 639 1348 3303
1629 1297 543 337 35 69 400 1637
1196 1045 582 752 54 42 77 623
508 653 1018 1565 679 55 37 83
329 882 1700 4339 2436 1784 65 36
(3)
Из (3) видно, что Яту ф Ятр. Это различие объясняется тем, что ЛЭ является пространственно распределенным объектом, в котором расположение источников тепла не совпадает с расположением датчика температуры и в общем случае расстояние от центра источников тепла /-го ЛЭ до центра датчика температуры у'-го ЛЭ не равно расстоянию от центра источников тепла у'-го ЛЭ до центра датчика /-го ЛЭ. Следовательно, и измеренные предлагаемым методом значения ЯТ/у и Ятц будут различны. Величина этого различия определяется размерами ЛЭ и их взаимной пространственной ориентацией.
Поскольку измеряемая величина зависит от температуры корпуса и частоты изменения греющей мощности, то для обеспечения повторяемости результатов необходимо контролировать и поддерживать условия измерения неизменными. Суммарная погрешность определения ЯТу составила по нашим оценкам не более 8%.
Методика контроля качества ЦИС. Для оценки качества ЦИС по результатам измерения параметров МТС на представительной установочной выборке ЦИС стандартными методами определяют средние арифметические значения ЯТ/]- и их средне-
квадратические отклонения (СКО) а^ . Эти значения принимают в качестве опорных
при контроле технологического процесса. Отклонение выборочных средних значений и их СКО от опорных, превышающее заданный уровень, свидетельствует о нарушениях технологического процесса. При индивидуальном выходном или входном контроле качества ЦИС отклонение любого из параметров МТС контролируемой ЦИС от среднего значения более чем на утроенную величину СКО свидетельствует о наличии аномалии в структуре или конструкции контролируемой ЦИС.
Отметим, что некоторые параметры полупроводниковых изделий более чувствительны к отклонениям параметров технологического процесса их изготовления, что может проявляться в заметном возрастании СКО этих параметров при одинаковой погрешности их измерения. Для каждого типа ЦИС также можно определить такую группу ЛЭ, тепловая связь между которыми наиболее чувствительна к макродефектам структуры и качеству сборки ЦИС. Если ограничиться измерением параметров тепловой связи только между этими ЛЭ, то время контроля сократится в {Ы/М)2 раз, где М - число ЛЭ в выбранной группе.
В частности, контроль качества монтажа кристалла на теплоотводящей пластине можно осуществлять по величине значений тепловых сопротивлений ЯТ// на главной диагонали МТС. Разброс тепловых сопротивлений ЯТ// у некоторых ЛЭ ЦИС в рассматриваемой выборке достигает 25%. У ЦИС с повышенными и пониженными средними значениями тепловых сопротивлений на главной диагонали была сошлифована часть корпуса до поверхности кристаллов и контролировалось положение кристалла. У всех образцов наблюдались дефекты монтажа в виде перекоса кристалла относительно теплоотводящей пластины (рис.6). Изменение тепловых сопротивлений при перекосах объясняется неравномерностью толщины эвтектики Ли-Ое, используемой для соединения кристалла с теплоотводящей пластиной.
Описанный способ и устройство косвенного измерения параметров матрицы тепловых импедансов позволяют более адекватно по сравнению со стандартными средствами [1] оценить тепловые свойства ЦИС.
Контроль качества технологического процесса производства ЦИС осуществляется по отклонению выборочных средних значений параметров МТС и их СКО от опорных значений, предварительно определенных на установочной выборке.
Выходной и входной индивидуальный контроль качества ЦИС осуществляется по отклонению значений параметров МТС от выборочных средних более чем на утроенную величину опорного значения СКО.
Апробация метода на выборке ЦИС типа К155ИР13 показала, что отдельные параметры МТС ЦИС более чувствительны к отклонениям параметров технологического процесса изготовления ЦИС, что проявляется в величине выборочных СКО этих параметров. В частности, дефекты монтажа кристалла на теплоотводящей пластине в виде перекосов проявляются в большом отклонении значений диагональных элементов МТС от усредненных по выборке ЦИС значений.
Работа выполнена в рамках проекта № 2.1.2/4606 целевой программы Рособразо-вания РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)».
Литература
1. Чернышев А.А., Тюрин А.А. Контроль тепловых параметров цифровых интегральных микросхем // Зарубежная радиоэлектроника. - 1983. - № 5. - С. 90-95.
2. Закс Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем. - М.: Радио и связь. -1983. - 128 с.
3. Петросянц К.О., Мальцев П.П., Рябов Н.И., Харитонов И.А. Электротепловое проектирование мощных «интеллектуальных» интегральных схем // Изв. вузов. Электроника. - 1998.- № 3. - С. 73-82.
4. Проектирование сверхбыстродействующих цифровых интегральных схем на основе арсенида галлия с учетом тепловых эффектов / К.О.Петросянц, Н.И.Рябов, И.А.Харитонов и др. // Изв. вузов. Электроника. - 2001. - № 4. - С. 37-44.
5. Архангельский А.Я., Савинова Т.А. Электротепловые модели компонентов и модель теплового взаимодействия для расчета интегральных схем // Изв. вузов МВ и ССО СССР. Радиоэлектроника. -1986. - Т. 29. - № 12. - С. 45-50.
Рис.6. Рентгеновский снимок ЦИС (перекос теп-лоотводящей пластины с закрепленным на ней кристаллом указан стрелкой)
6. А.с. 1310754 СССР. G 01 R 31/28. Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем / В.А.Сергеев, Г.Ф.Афанасьев, Б.Н.Романов, В.В.Юдин. - Опубл. -1987. - Бюл. № 18.
7. Юдин В.В., Сергеев В.А. Сравнительный анализ спектров ступенчато изменяющейся электрической греющей мощности//Радиоэлектронная техника: межвуз. сб. науч. тр. - Ульяновск: УлГТУ. - 2008. -С. 56-59.
8. Юдин В.В., Сергеев В.А. Устройство для определения теплового сопротивления переход корпус цифровых интегральных микросхем // Патент РФ 2327178, G 01R 31/317. - 2008. - Бюл. №17.
9. А.с. № 1613978 СССР. G 01 R 31/28. Способ измерения теплового сопротивления цифровых интегральных микросхем и устройство для его осуществления // В.А.Сергеев, В.В.Юдин, Н.Н.Горюнов. -Опубл. - 1990, Бюл. № 46.
10. Сергеев В.А. Диагностика качества СБИС методом температурных волн // Методы и средства измерений физических величин: тез. докл. 5-й Всерос. науч.-техн. конф. - Нижний Новгород: ННГТУ, 2000. - Ч. 2. - С. 22, 23.
Статья поступила после доработки 13 июня 2009 г.
Сергеев Вячеслав Андреевич - доктор технических наук, доцент, заведующий базовой кафедрой радиотехники, опто- и наноэлектроники УлГТУ при УФИРЭ, директор УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Область научных интересов: токорас-пределение и теплофизические процессы в твердотельных структурах, полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах; методы и средства измерения теплофизических параметров изделий электронной техники. E-mail: [email protected]
Юдин Виктор Васильевич - аспирант базовой кафедры радиотехники, опто- и наноэлектроники УлГТУ при УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Область научных интересов: методы и средства контроля качества полупроводниковых приборов и интегральных микросхем по теплоэлектрическим характеристикам.
ЮВ. Калуга,
СЛ. Анчугин, Е.С. Морозова
Мшфшекгртмешлеш! системы
Издательско-полиграфический комплекс Московского государственного института электронной техники
информирует
Вышло в свет учебное пособие Тимошенков С.П., Калугин В.В., Анчутин С.А., Морозова Е.С.
Микроэлектромеханические системы. - М.: МИЭТ, 2009
Раскрыты общие вопросы микросистемной техники. Рассмотрены виды микроэлектромеханических систем, принцип их работы, особенности основных технологических процессов изготовления, материалы, а также области применения.
Предназначено для студентов старших курсов технических вузов и специалистов, интересующихся проблемами микроэлектромеханических систем.
ISBN 978-5-7256-0543-3 Формат 60 ж 84 1/16, ^^ объем 52 е.: ил.
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 623.4.084.2
Схема емкостного преобразователя линейных ускорений
С.П. Тимошенков, А.С.Шалимов
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
С.А.Анчутин Московский авиационный институт
Емкостные преобразователи линейных ускорений (ЕПЛУ) находят широкое применение в современной технике. Использование их в качестве средства для навигации позволяет эффективно управлять работой объектов как военного, так и гражданского назначения, что определяет постоянную востребованность ЕПЛУ и актуальность разработок систем на их основе.
Неотъемлемой частью любого ЕПЛУ является его чувствительный элемент (ЧЭ). Независимо от конструктивной реализации структуры ЧЭ его эквивалентная схема может быть представлена как совокупность переменных конденсаторов, изменяющих свою емкость в зависимости от величины и направления приложенного ускорения. Поэтому можно говорить о наличии соответствия между емкостями ЧЭ и параметрами приложенного ускорения.
Измерение емкостей с высокой разрешающей способностью является задачей, решение которой обеспечивает эффективную оценку ускорений технических средств в пространстве. Создана схема, состоящая из двух генераторов, в которых емкости ЧЭ были использованы в качестве частотозадающих конденсаторов (рис.1). Тогда изменение каждой из емкостей ЧЭ повлечет за собой изменение частот сигналов, формируемых генераторами. Для выявления разницы в частотах проводилась частотная демодуляция с помощью аналогового перемножителя, на один из входов которого подавался сигнал с первого генератора, а на другой - со второго. После проведения низкочастотной фильтрации частота сигнала, равная разнице частот сигналов, формируемых генераторами, служила параметром, несущим информацию о величинах емкостей чувствительного элемента и, соответственно, параметрах приложенного ускорения.
Важная задача - выбор схемы генератора, поскольку его структура будет определять величину масштабного коэффициента и влиять на чувствительность ЕПЛУ. Сравнительно простая и в то же время эффективная схема такого генератора приведена на рис.2.
АП
ФНЧ Преобразователь Выход
Рис.1. Структурная схема ЕПЛУ (АП - аналоговый перемножитель; ФНЧ - фильтр низких частот)
Л С3 ~Т0,1 и
Рис.2. Схема генератора синусоидальных колебаний (Са - одна из емкостей ЧЭ)
© С.П.Тимошенков, А.С.Шалимов, С.А.Анчутин, 2009
Частота синусоидального сигнала, формируемого таким генератором, будет определяться преимущественно колебательным контуром в цепи затвора транзистора УТ1, передаточная функция которого имеет вид
Г (» =
1
- + ]<Ь1 +
1
) •-
1
;<вС2 ]&С1
1
]<С а
- + +
1
1
;<вС2
(1)
На основе выражения (1) можно определить частоту формируемого сигнала
/ = ^
1 С + 2Са
2ку Ц1ССа
Соответственно частота результирующего сигнала, равная разности частот исходных сигналов, будет равна:
/ =± J вых ~
2п
С + 2Са1 1
Ь,ССаХ 2п
С + 2С,
а2
Ц1С Са2
где С' - емкость С1 = С2 = С для первого генератора; С" - емкость С = С2 = С для второго генератора; Са1 - первая емкость ЧЭ; Са2 - вторая емкость ЧЭ;
Такой подход рассмотрен в работах [1, 2] и позволяет добиться значительных величин масштабного коэффициента и, следовательно, потенциально может обладать высокой чувствительностью. Но полоса частот на выходе перемножителя помимо быстродействия ЕПЛУ определяет также и сам масштабный коэффициент. Повышение этого коэффициента с целью повышения чувствительности неизбежно приводит к расширению полосы частот, что в свою очередь, приводит к увеличению уровня шумов и снижению чувствительности. Решение проблемы заключается во введении дополнительного преобразования сигнала с выхода перемножителя и в настоящий момент патентуется. В таблице приводятся результаты испытаний образца, реализующего данное решение. Это позволит более чем в тысячу раз повысить чувствительность ЕПЛУ по сравнению с аналогами.
Результаты измерений параметров ЕПЛУ
До преобразователя После преобразователя
Темпера- Масштабный коэффициент, кГц/? Среднеквад-ратическое Чувстви- Темпера- Чувстви-
тура, Т, °С отклонение, кГц тельность, g тура, Т, °С тельность, g
0 44,8 41,4 0,92 0 0,39Т0-3
25 58,7 39,1 0,66 25 0,42Т0-3
50 43,9 30,3 0,69 50 0,34Т0-3
70 34,4 40,2 1,16 70 0,62Т0-3
Измерения параметров опытного образца проводились на поворотном стенде совместно с термокамерой. При каждой заданной температуре в диапазоне 0-70 °С поворотный стенд 4 раза поворачивает образец на 90°, изменяя таким образом величину и направление ускорения, направленного по измерительной оси ЧЭ. Для каждого из четырех положений при заданной температуре проводились измерения математического ожидания частоты сигнала до преобразователя и математического ожидания напряжения после преобразователя. Также оценивалось среднеквадратическое отклонение сигнала в обоих случаях. Измерения проводились с помощью измерителя частоты и платы сбора данных. На основании полученных данных проводился ориентировочный расчет чувствительности.
В результате проведенных измерений установлено, что чувствительность ЕПЛУ после преобразователя более чем в 1000 раз выше чувствительности до преобразователя (см. таблицу). Таким образом, рассмотренное решение позволяет значительно повысить чувствительность ЕПЛУ по сравнению с аналогами. Это дает возможность использования выходного сигнал для
реализации системы с обратной связью, чего нельзя было сделать в прототипе из-за высокого уровня шумов. Это позволяет говорить о перспективности развития данного решения для дальнейшего улучшения параметров ЕПЛУ.
Литература
1. Баженов В.И, Бахонин К.А., Горбачев Н.А., Ефанов А.А., Мухин А.Н., Рязанов В.А., Соловьев В.Н. /Акселерометр // Патент России №2148831, G01P15/125. - 2000.
2. Ray Franklin Campbell / Flexure plate dual capacitance accelerometer // Pat. US №6865946, G01P 15/18, G01P 15/125, G01P 015/125. - Filed 16.01.2003.
Поступило 17 марта 2009 г.
Тимошенков Сергей Петрович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: технология изготовления МЭМС-структур, материалы электронной техники.
Шалимов Андрей Сергеевич - аспирант кафедры микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: микроэлектромеханические системы. E-mail: [email protected]
Анчутин Степан Александрович - аспирант кафедры 305 МАИ. Область научных интересов: микроэлектромеханические системы.
