Procedimiento heterodino para la realización de mediciones de temperatura.

Procedimiento para la observación de la amplitud y fase de componentes espectrales del aumento de temperatura en regiones (3) de un circuito integrado (5) provocado por el funcionamiento de un circuito o dispositivo (2) ubicado en el cristal semiconductor (1). Dicho circuito o dispositivo (2) se activa con una señal eléctrica (4) que contiene la suma de dos funciones sinusoidales de frecuencias f1 y f2. La frecuencia de la componente espectral de la temperatura medida es F=f2-f1

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 FT 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 [1].

Esta frecuencia F_T tiene un valor máximo que denominaremos F_MAX_T y que 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-f1 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 f1. 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] O. 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 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 título 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 título de ejemplo, si la pérdida de calidad afecta a los materiales aislantes entre líneas metálicas de conexionado, un modelo aceptado de dicho defecto es suponer que estas líneas están conectadas con una capacidad en serie con una resistencia. Sin defecto, estas líneas deberían estar aisladas. A frecuencias suficientemente elevadas la capacidad se comporta como un cortocircuito y dos líneas 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 serían 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...

1. Un procedimiento heterodino para la realización de mediciones de temperatura en régimen permanente sinusoidal en circuitos integrados activados con señales de alta frecuencia que comprende llevar a cabo las siguientes etapas:

i) Excitar al circuito o dispositivo que genera el incremento de temperatura de forma que por su través circule una corriente que contenga dos funciones sinusoidales de frecuencias f1 y f2.

ii) Medir módulo y fase de la componente espectral del incremento de temperatura en el circuito integrado a la frecuencia f2-f1, donde f2 sea mayor que f1.

2. Un procedimiento heterodino para la realización de mediciones de temperatura en régimen permanente sinusoidal en circuitos integrados activados con señales de alta frecuencia basado en la reivindicación 1, en que las mediciones de temperatura se realizan mediante mediciones de cualquier magnitud física (por ejemplo, dilatación, variación de índices de reflexión, velocidad de propagación del sonido) cuya causa de variación sea un incremento de la temperatura.