PROCEDIMIENTO HETERODINO PARA LA REALIZACIóN DE MEDICIONES DE TEMPERATURA

Sector de la técnica:

La presente invención se refiere a un procedimiento para realizar mediciones de temperatura en circuitos integrados. El sector de la técnica al que se refiere es ' al de la instrumentación electrónica para la medición de temperatura en circuitos integrados. Específicamente, mediciones de la temperatura en circuitos integrados en régimen permanente sinusoidal o "lock-in".

Estado de la técnica:

La realización de mediciones de la temperatura en regiones de circuitos , integrados es una técnica habitual' para observar la potencia disipada en circuitos o dispositivos y hacer una medición indirecta de los niveles de tensión y corriente presentes en los mismos. Las mediciones de temperatura en circuitos integrados se pueden clasificar en tres categorías: estáticas, transitorias , y en régimen permanente sinusoidal. En mediciones estáticas se mide la componente continua del incremento de temperatura generado por la componente continua de la potencia disipada por los circuitos o dispositivos ubicados en el chip. Medidas transitorias del incremento de temperatura consiste en medir la evolución temporal de la temperatura desde un tiempo inicial hasta un tiempo final. Finalmente, medir ^' incrementos de temperatura en régimen permanente sinusoidal (mediciones denominadas "lock-in" en inglés) consiste en medir el módulo y la fase de la componente espectral a una

frecuencia F_T del incremento de temperatura que se produce en una región del circuito integrado. Este tipo de mediciones se caracterizan por permitir medir incrementos de temperatura provocados por disipaciones de potencia de baja amplitud, tales como la potencia disipada por corrientes de fuga en circuitos digitales, y permiten realizar mediciones con mucha inmunidad al ruido [I].

Esta frecuencia F__T tiene un valor máximo que denominaremos F_MAX_T y que _t viene determinado por la condición más restrictiva entre: frecuencia máxima de trabajo del sensor de temperatura utilizado y ancho de banda del acoplo térmico. El acoplo térmico es la función de transferencia que relaciona la potencia disipada por el dispositivo o circuito con el incremento de temperatura que dicha disipación provoca en la región del circuito integrado en dónde se quiere realizar la medición.

Para realizar mediciones en régimen permanente sinusoidal del incremento de temperatura a la frecuencia F_T, el circuito o dispositivo que genera estos incrementos tiene que disipar una potencia que tenga una componente periódica a la misma frecuencia F_T. Para generar esta componente espectral de la potencia disipada, el circuito o dispositivo se activa con una señal eléctrica periódica de frecuencia F_S. Esta señal eléctrica se aplica al circuito bien por alguna entrada de alimentación del mismo, bien por alguna entrada de señal.

Existe una relación matemática entre el valor de F_S y F_T, verificando normalmente alguna de las siguientes igualdades: F_S = F_T/2, F_T o 2-F_T. La relación exacta entre F_S y F_T depende de la particular naturaleza del

circuito o dispositivo que genera el incremento de temperatura. Como consecuencia de esta relación entre ambas frecuencias, existirá también una frecuencia máxima de la señal de excitación, que denominaremos F_MAX_S, a la que se puede excitar el circuito o dispositivo y que permite realizar una medición del incremento de temperatura que éste provoca en régimen permanente sinusoidal.

La referencia [2] presenta un procedimiento heterodino para la observación de componentes espectrales de la temperatura a una frecuencia F=f2-fl utilizando un reflectómetro láser como sensor de temperatura. En esta referencia el circuito que genera el incremento de temperatura se excita con una señal periódica de frecuencia f2. La amplitud de la luz láser que incide sobre el circuito integrado se modula con una señal periódica de frecuencia fl., La frecuencia de excitación f2 está limitada por el ancho de banda de la función de transferencia del acoplo térmico en el circuito integrado.

[1] 0. Breitenstein, M. Langenkamp, "Lock-in Thermography: Basics and Use for Functional Diagnostics of Electronic Components"., Springer, Berlin, 2003.

[2] S. Grauby, B. C. Faorget, S. Holé, D. Fournier, Review of Scientific Instruments, 70 (9), 3603-3606, ^' (1999)

Explicación de la invención

Una limitación que presentan las técnicas utilizadas hasta ahora para realizar mediciones de incremento de temperatura en régimen permanente sinusoidal es el bajo valor de la máxima frecuencia a la que se 'excita el circuito,

denominada F_MAX_S . Este valor depende del tipo de sensor de temperatura utilizado. Por ejemplo,- si se utilizan cámaras infrarrojas como sensores de temperatura, el estado actual del arte permite hacer mediciones . con un .valor de F_MAX_T de decenas de kilohercios, siendo estas cámaras de un coste muy elevado. La utilización de cámaras de más bajo conste implica tener valores máximos de F_MAX_T de unas decenas o centenas de hercios. Otros sistemas de medición de temperatura, tales como la utilización de sensores electrónicos integrados en el mismo chip o sustrato semiconductor en el que se realizan las mediciones, o la utilización de sensores basados en técnicas láser, permiten ¹ hacer- mediciones con una. anchura de banda mayor. No ^• obstante,; el valor de F_MAX_T .(y por lo tanto, el de F_MAX_S) tendrá como cota superior el ancho de banda del acoplo térmico inherente a los circuitos integrados. Este ancho de banda depende de las características del circuito integrado (geometría y materiales que lo constituyen) y la distancia que existe entre el- dispositivo o circuito que genera el incremento de temperatura y la región del chip en donde se ^' realiza la medición. Si la limitación de F_MAX__T viene dada por el ancho de banda del acoplo térmico, valores típicos de F_MAX_T pueden ser de unas centenas de kilohercios en tecnologías basadas en el silicio y cuando se realizan las medidas del incremento de temperatura en el mismo sustrato semiconductor donde está ubicado el circuito o dispositivo que disipa potencia. El valor de ,F_MAX_S tendrá, consecuentemente, una cota superior de unos cientos de kilohercios. Este valor contrasta con las altas frecuencias a las que trabajan los circuitos digitales CMOS actuales (del orden de GHz) , valor que va en aumento gracias a la continua reducción de las dimensiones de los dispositivos que constituyen los circuitos integrados y los

avances tecnológicos en los materiales utilizados para su fabricación. ^•

Bajos valores de F_MAX_S y F_MAX_T limitan los fenómenos que se pueden 'estudiar en los circuitos integrados a partir de mediciones de incrementos de temperatura. A titulo de ejemplo: una de las aplicaciones clásicas de utilización de medición de los incrementos de temperatura es la detección de puntos calientes en circuitos digitales fabricados con tecnología CMOS. Puntos calientes son dispositivos que- disipan magnitudes anormales de potencia ^' debido, por ejemplo, a la presencia de un defecto estructural en el circuito. La detección y localización del punto caliente se utiliza para detectar y localizar el defecto en el circuito. ^{; •}

El aumento de la densidad de integración y la reducción de las dimensiones entre conexiones y de dispositivos, provoca que los materiales aislantes tengan cada vez dimensiones menores, con lo ,que ^' aumenta la posibilidad de tener un defecto de fabricación. A titulo de ejemplo, si la pérdida de calidad afecta a los materiales aislantes entre lineas metálicas de conexionado, un modelo aceptado de dicho defecto es suponer que estas lineas están conectadas con una capacidad en serie con una resistencia. Sin defecto, estas lineas deberían ' estar aisladas. A frecuencias suficientemente elevadas la capacidad se comporta como un cortocircuito y dos lineas quedan unidas . por un elemento resistivo. Esta perdida de aislamiento puede generar un incremento de los niveles de corriente, a altas frecuencias, hecho que provoca un aumento de la amplitud de la potencia disipada a altas frecuencias. Si la frecuencia del trabajo a la que se manifiesta el defecto es superior a F_MAX_S,

las componentes , espectrales de la potencia disipada no serian detectables a partir de mediciones del incremento de temperatura en régimen permanente sinusoidal .

El procedimiento .propuesto en la presente invención tiene por objetivo el realizar la medición del incremento de- temperatura en régimen permanente sinusoidal a bajas frecuencias mientras el dispositivo o circuito que genera dicho incremento está trabajando a altas frecuencias, permitiendo la observación térmica de efectos ^• eléctricos que se manifiestan para señales de excitación del circuito de frecuencias elevadas. El procedimiento consiste en hacer circular a través del circuito o dispositivo dos corrientes eléctricas que sean funciones sinusoidales de frecuencias fl y f2 respectivamente. Esto se puede lograr excitando el circuito con .dos generadores de funciones periódicas de frecuencias fl y f2. Gracias a la naturaleza no lineal del efecto Joule, la potencia disipada por los dispositivos por donde fluya dicha corriente tendrá componentes espectrales a las frecuencias heterodinas o de batimiento, es decir, F=f2.-fl (si f2 > fl) y f2+fl. Las frecuencias de excitación del circuito fl y f2 pueden valer megahercios o giga hercios. No obstante, si el valor de la frecuencia _. F es menor que F_MAX_T esta componente espectral de la potencia disipada generará una componente espectral de incremento de temperatura a la misma frecuencia F que podrá ser medida con un sensor- de temperatura, siempre y cuando este incremento sea mayor que la mínima sensibilidad de dicho sensor.

La aplicación de este procedimiento permitirla observar niveles anormales de tensión o corriente ¹ que hubiese en el circuito o dispositivo a las frecuencias fl y f2 a partir

de mediciones de temperatura a la frecuencia F. El valor de la frecuencia F vendrá limitado por los recursos y montaje especifico diseñado para excitar el circuito. No hay razón fundamental para que fl y f2 estén, por ejemplo, en el rango de los GHz y que F en el rango de los hercios, pudiendo ser medido con sensores de temperatura de reducido ancho de banda y de bajo costo.

Adicionalmente a las propiedades no lineales del efecto Joule, si a través de un circuito o dispositivo no lineal fluye una corriente eléctrica que contiene dos funciones sinusoidales de frecuencias fl y f2, estos circuitos o dispositivos pueden disipar potencia a las frecuencias n-F, donde n es un entero que va desde uno hasta el orden de no linealidad del circuito o dispositivo. En el caso de que el valor de las frecuencias de estas componentes espectrales de la potencia disipada sea menor que F_MAX_T, los incrementos de temperatura que generan también se podrian observar a partir de mediciones de temperatura en régimen ' permanente sinusoidal.

La ventaja del método propuesto es que permite realizar mediciones de la amplitud y fase de componentes espectrales del incremento de temperatura a baja frecuencia, siendo , la magnitud medida dependiente de la magnitud de las señales eléctricas que circulan en el circuito o dispositivo a las frecuencias fl y f2. Por ejemplo, esta técnica se podria utilizar para detectar valores anormales de tensión y corriente a las frecuencias fl y f2 generadas por un malfuncionamiento del circuito excitado (puntos calientes a alta frecuencia) a partir de mediciones del incremento de temperatura en régimen permanente sinusoidal a la frecuencia F.

Descripción de los dibujos

La Fig. 1 muestra un circuito integrado (5) con un circuito o dispositivo (2) que es activado con una señal eléctrica (4) que contiene dos funciones sinusoidales de frecuencias fl y f2 : Esta excitación provoca que en el circuito o dispositivo circule una corriente eléctrica que se puede expresar como dos funciones sinusoidales de frecuencias fl y f2. La disipación de potencia provocada por .la circulación de esta corriente genera en (3) un incremento de temperatura, a la frecuencia F=f2-fl que puede ser medido con un sensor de temperatura. ^]

La Fig. 2 muestra un circuito integrado ( _. 1) que contiene. un inversor lógico (2) . Debido a un defecto de fabricación, la linea de conexión de la salida del inversor está deficientemente aislada de la linea de tierra. Este defecto se modela con una impedancia (3) formada por una capacidad en serie con una resistencia. El inversor se excita con una señal cuadrada de frecuencia fl (4) (Gracias a la descomposición en serie de Fourier, esta señal contiene una seno'ide a la frecuencia fl). La tensión de alimentación del circuito está compuesta de una componente continua (5) en serie con una componente alterna ^{' •} sinusoidal de frecuencia f2 (6) . Cuando la salida del inversor esté a nivel alto, la corriente eléctrica que circulará a través del inversor y por la impedancia (3) que modela el defecto contendrá dos componentes espectrales a las frecuencias f1 y f2. Esta circulación de corriente provocará que tanto la resistencia como los dispositivos que constituyen el inversor disipen potencia a la frecuencia F=f2-fl, que a su vez generará en el circuito integrado un incremento de temperatura de igual frecuencia. En la región (7) del circuito integrado se

realiza una medición de la componente espectral de frecuencia F=f2-fl del incremento de temperatura.

Descripción de la aplicación preferida

La presente invención se- refiere a un procedimiento heterodino para la realización de mediciones de temperatura en circuitos, integrados activados con señales de alta frecuencia. La figura 2 muestra un circuito integrado de tecnología CMOS (1) que contiene un inversor lógico (2).Debido a un defecto de fabricación, la linea de conexión de la salida del inversor está deficientemente aislada de la liríea de tierra. Este defecto se modela con una impedancia- (3) formada por una capacidad en serie con una resistencia.

Tradicionalmente, la detección de defectos se ha realizado con mediciones de incrementos de temperatura estáticos. En mediciones de temperatura estáticas, el inversor ¡sé polarizarla con un ^y 0' lógico en la entrada (nivel bajo de. tensión) , hecho que producirla un nivel alto de ^' tensión a la salida del inversor. Esto provocarla un transitorio de corriente para cargar la- capacidad parásita asociada al defecto. Una vez cargada, la corriente que pasarla por su través seria cero y este defecto no producirla ni errores lógicos en la salida del inversor ni valores de corriente quiescente anormales que pudieran originar un punto caliente. .El defecto seria indetectable con mediciones estáticas de incremento de temperatura.

Con mediciones en ^' régimen, permanente sinusoidal del incremento de temperatura utilizando el método clásico, el inversor se activarla con una señal cuadrada \ de frecuencia F S aplicada a su entrada. Esto generarla una señal

cuadrada de igual frecuencia a la salida del inversor. La impedancia (3) tiene un valor finito para frecuencias diferentes de 0. A través del inversor y de la impedancia que modela el defecto circularla una corriente con una componente espectral a la frecuencia F_S, que provocará una disipación de potencia en la resistencia y dispositivos del inversor a la frecuencia F_T=2 -F_S. El módulo de la potencia disipada a la frecuencia F_T será mayor cuanto mayor sea el valor de F_S, ya que la impedancia tiene menor módulo para mayores valores de frecuencia. Dependiendo de" la topología del circuito, características del defecto y características del sensor de temperatura utilizado, para valores de la frecuencia F_S de la señal cuadrada menores de F_MAX_S puede no producirse un incremento de temperatura suficientemente elevado que nos indique la presencia del defecto, siendo este defecto indetectable con mediciones de temperatura en régimen permanente sinusoidal. Para corregir este hecho se necesitarla tener una disipación de potencia de mayor amplitud (hecho que implica trabajar a mayores frecuencias para tener un valor menor del módulo de la impedancia que modela el defecto) y que genere un incremento elevado de temperatura (hecho que implica que la disipación se tiene que generar a bajas frecuencias, ya que el acoplo térmico se comporta como un filtro paso bajos) .

El procedimiento de la presente invención propone excitar el circuito de forma que a su través circule una corriente eléctrica que contenga dos funciones sinusoidales de altas frecuencias, de valor fl y f2 respectivamente. Para ello se utilizan dos generadores de funciones periódicas: uno aplicado a la entrada del inversor (4) y otro conectado a la entrada de polarización en continua del circuito (6) . Las frecuencias fl y f2 se seleccionan de forma que la

capacidad del modelo del defecto (3) pueda considerarse como un cortocircuito. Adicionalmente, fl y f2 están dentro del rango habitual de trabajo del circuito integrado. Adicionalmente, el valor absoluto de F=f2-fl verifica que es menor que F_MAX_T .- Este valor de F_MAX_T se ha obtenido considerando el sensor de temperatura particular utilizado en esta aplicación y la distancia que existe entre el inversor (2) y defecto (3) y la región (7) en dónde se va a medir el incremento de temperatura. Un valor bajo de F nos garantiza un mayor incremento de temperatura a igual amplitud de potencia disipada a dicha frecuencia, a la vez que implica el necesitar un mayor tiempo para realizar la medición del incremento de temperatura con una relación señal/ruido fijada. Las componentes espectrales a las frecuencias fl y f2 de la corriente eléctrica que circula a través del inversor y el defecto generará una potencia disipada a la frecuencia F, que a su vez generará en (7) un incremento de temperatura a la misma frecuencia F. Si la resistencia que modela el defecto tiene un valor suficientemente bajo, el incremento de temperatura que se producirá en (7) puede ser utilizado para detectar la presencia del defecto.