集成电路的温度测试系统

摘 要

目前集成电路的发展日新月异,电路的复杂程度也越来越高,对于配套的测试系统也提出了很高的要求,本文主要研究的就是对于复杂器件的温度测试系统的设计

【关 键 词】集成电路温度测试感应器控制电路

在科技飞速发展的今天,半导体电子产品的集成度也在飞速提高,产品复杂程度与之前有较大的增加,所以对整个产品的设计制造和后期的封装测试都提出了更高的要求,其中就包括了温度测试的部分.

温度对于电子产品的性能的影响是巨大的,根据费米能级的公式就可以看出,对于特定材料的电子半导体产品,温度是唯一影响其器件性能的因素,所以新一代电子产品的温度测试系统也需要改进,以满足其测试精度的要求,从而对整个自动化温度系统进行高精度的温度控制,下面就将研究提出一些新的温度测试系统及其具体的实现方案.

1研究

对于VLSI电路来说,其电路上的芯片在工作的时候它的各部位的发热是不均匀的,同时它的各部分对于温度控制的要求也是不一样的.我们在测试温度的时候就会遇到这样的问题,测试温度需要在电子器件表面去分布一些热电阻二极管来进行温度采样,但是前面提到由于产品的复杂性,不管在产品的哪个点去分布测试温度的二极管,测出来的温度都是不准确的,因为温度测试的点是单一的,但是在进行温度控制时,加热冷却的头却是一种面接触的方式,所以需要采用新的温度测试的方案来解决这一问题.

我们之前所用的热阻二极管是将二极管的两端接到芯片的边缘来进行温度的测试,这样一来问题就出现了,首先如我们之前所提到的那样,这样一种方式采集温度的方法有点单一,其次这样附在芯片表面,所测量到的温度本身就有很大的误差,这边提出两种测试方案,首先,对于那些较为复杂的集成电路,或者本身就结构复杂及晶体管数目庞大的集成芯片来说,能不能在芯片中设置一个内建的温度感应器,通过这个内建的温度感应器来感应温度,并反馈到怎么写作器,然后进行温度的调节控制.对于这个模块的要求是必须是独立完整的,并且温度测试感应的过程必须是简单的,也就是说就用一个较为简化的模块就够了,还有非常重要的一点就是这个内建模块占用的位置必须足够的小,不能影响到芯片原有的性能,并且最好不要有多余的pin脚引出.

那针对这两个想法下面进行两个实验,首先用原先的温度测试二极管来进行测试,本文研究的温度测试系统是针对高集成度,高复杂度的的器件,所以这边所选用的芯片是一个普通的处理器芯片,用一台ATE（AutomaticTestEquipment,自动检测设备）机器进行测试并监控温度.根据之前的构想,选择3个点来进行温度检测,第一：温控控制头的温度,这个温度是机器对电路进行温度控制时的标准温度；第二：芯片表面的热阻二极管的温度,这个温度反应的是测试得到的实时的芯片温度；第三：处理器中的二极管的温度,这个温度是由于芯片中二极管特性变化,通过计算得到的处理器内部的二极管温度.实验的过程也很简单,对芯片通电,增加电压,使得温度上升,检测打开测试槽（DUT）监控界面,对以上3个温度进行实时监控.从而得到测试结果如图1所示.

从实验结果可以清楚的看到两点,第一：之前用来感应温度的热阻二极管的温度值与机器的热接触头的值不相符,存在明显的误差.第二：处理器内部的温度和热接触头的温度误差较小.

上面的实验中给出了2点启发：（1）芯片内部的温度,比附在芯片边缘的热阻二极管的温度来的可靠的多.（2）如果单纯的在芯片中加入内建的温度感应器,依然存在一定的误差,这就需要一些特别的设计.这边提出一个想法,既然一个内建温度感应器不够,那就多设计几个温度感应器,在电路的几个核心的部位,这样多点采集,再进行比较,取得温度值最高的那个,反馈到控制系统,这样就准确许多.图2所示的是处理器芯片内部的温度感应器的分布示意图,在芯片内部各个重要模块中都有设置.

这边同样一个很明显的问题就是,当我的这些感应器得到相应的各点的温度时,怎样对得到的每个温度信号进行计算校准,这就需要设计一个温度计算控制电路.

这个温度计算电路的结构相对是比较简单的,符合之前提出的尽量简化系统的要求.各个模块上的感应器得到温度,经过逻辑控制中心转换成数字信号然后通过一个比较器得到最大值,将信号传输到温度控制中心进行控制.将整个系统实施到温度测试系统当中之后,再对测试温度,温度控制头的温度以及得到的芯片内部二极管温度值进行测试观察得到如图4所示的曲线图：

从图中可以清楚的看到,除了在测试的开始和结束有少许的温度波动,整个测试过程中,感应器得到的温度和机器的温度控制头的温度是比较吻合的,所以整个设计构想也得到了验证.

2总结

本篇文章主要针对现在的复杂电路和器件中温度测试较为不稳定的问题,提出了新的测试元件,测试电路的设计,结构也表明了新的方案的是有效的,但是问题依然存在,整个系统相对于之前的单一的温度测试元件的测试方法,它的可靠性问题依然存在,后面的研究中需要针对可靠性的问题需要进行相应的改进.