Емкостной датчик для съема диагностической информации с цифровых микросхем

 

Изобретение относится к технике контроля микросхем. Цель изобретения - повышение достоверности встроенного контроля. Металлический электрод 1, на поверхность которого нанесен диэлектрический слой 2 переменной толщины, расположен на корпусе 3 микросхемы и перекрывает контактные площадки. Металлическая крышка 5 служит электростатическим экраном. Сигналы поступают на выход датчика через блок 6 согласования. 1 з.п.флы, 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 R 31/28

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

°ЪИ

C)

C)

Ql

С>

Apucmonn

Риг f

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4725606/21 (22) 27.07.89 (46) 23.12.91. Бюл, N. 47 (72) В.А. Линьков, Г.А. Филин и В.И. Антошкин (53) 621.317.799(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР ,М 1182415, кл. G 01 R 19/00, 1985.

Авторское свидетельство СССР

М 1492323, кл. G 01 R 31/28, 1987. (54) ЕМ КОСТНОЙ ДАТЧИК ДЛЯ СЪЕМА ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ С ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ

„„SU ÄÄ 1700500 А1 (57) Изобретение относится к технике контроля микросхем. Цель изобретения — повышение достоверности встроенного контроля. Металлический электрод 1, на поверхность которого нанесен диэлектрический слой 2 переменной толщины, расположен на корпусе 3 микросхемы и перекрывает контактные площадки. Металлическая крышка 5 служит электростатическим экраном, Сигналы поступают на выход датчика через блок 6 согласования. 1 з.п.флы, 6 ил.

1700500

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и Может быть использовано в качестве встроенного устройства для съема информации с цифровых микросхем для контроля и диагно- 5 стики.

Целью изобретения является повышение достоверности контроля микросхем, На фиг. 1 показан емкостной датчик, выполненный в корпусе микросхемы; на фиг,2- 10 сечение А-А на фиг, 1; на фиг, 3 — сечение

Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 — графики зависимости постоянной времени т от номера i контролируемого вывода для разных значений и — общего числа контролируемых выводов; 15

1 на фиг. 5 — графики зависимости d{i) толщины первого диэлектрического слоя от номера! контролируемой контактной площадки; на фиг, 6 — графики зависимости разрешающей способности от числа контролируемых 20 выводов для предлагаемого и известного датчиков.

Датчик содер>кит металлический электрод 1, выполненный в виде тонкого проводника с круглым сечением, на поверхность 25 которого нанесен первый диэлектрический слой 2 с переменной толщиной по его длине.

Металлический электрод 1 с нанесенным первым диэлектрическим слоем 2 располагается в корпусе микросхемы 3, перекрывая 30 контролируемые контактные площадки 4, При этом роль электростатического экрана выполняет металлическая крышка 5 микросхемы 3, а второго слоя — воздушная прослойка между металлическим электродом 35

1 с нанесенным первым диэлектрическим слоем 2 и крышкой 5, Через блок согласования б электрод 1 соединен с выходной клеммой.

Между металлическим электродом и 40 корпусом включается резистор, Резистор может располагаться в блоке 6 согласования, обладающем большим входным сопротивлением и малой входной емкостью, конструктивно выполненной в виде ручного 45 щупа, с помощью которого осуществляют съем и контроль результирующей ичформации с датчика.

Закон изменения толщины первого диэлектрического слоя 2, обеспечивающий максимальную разрешающую способ- 50 ность датчика, определяется следующим образом.

Известный датчик дифференцирует и суммирует на резисторе R первоначальные прямоугольные импульсы, т,е, преоб- 55 разует форму импульсов по закону е где r;- =BC„..

Наиболее похожими будут результирующие сигналы, соответствующие кодовым комбинациям с одинаковым числом логических единиц (комбинации вида 0111, 1110, 1101, 1011). Причем наиболее неблагоприятная ситуация с точки зрения распознавания будет при одинаковой амплитуде логических единиц и при совпадении передних и задних фронтах импульсов в подобных комбинациях.

В формальной постановке задачи рассматривают множество из и функций

-1,Г-„ е i = 1n, где n — количество выводов микросхемы, с которых снимается информация. Это множество линейно независимо и представляет собой базис и-мерногго векторного пространства V с векторами — функциями вида ае а;е

1=1

Так как мы имеем дело с цифровой информацией в виде логических нулей и единиц, то в векторном пространстве V выделим подпространство V с коэффициентами а) =

=(0,1},, содержащее 2" векторов.

Известно, что среднее значение любой функции f(x) на интервале от а до Ь определяется выражением ь т (х) dx. а

Тогда в качестве критерия или меры рэзличимости двух функций иэ векторного подпространства Ч удобно взять среднее расстояние Лмежду этими функциями, равное модулю разности средних значений этих функций на интервале t = (О,Т), где Т— минимальная длительность контролируемых импульсов. При

1 и

4=1 ; а) (е т) дав о l =1

1 и — Д, а;®е dtl (1) о I=1

i= Х= (л(- ") ! ал

>P) =ст))) — a(k)) =,Лл К =|,г" ) Ф К ! = 1 2яс -1 "; ф) = т- 1.0.1 ).

Использование величины 6 удобно тем, что минимальная ееличина мичч = мин th,l = 2 " — 2) т.е. среднее расстояние между наиболее блиэколежэщими кривыми из подпространства V как раз характеризует разреша)ощую способность датчика и может использоваться, например, для определения шага квантования Н

1700500. и количества уровней квантования на один сигнал, если предполагается преобразование результирующего сигнала в код с помощью АЦП.

Разрешающая способность датчика при прочих равных условиях определяется законом изменения емкости по длине металлического электрода.

Исследования данного критерия для датчиков с линейным и гиперболическим законом (датчик с линейно изменяющейся толщиной диэлектрика) изменения емкости показали, что для датчика с гиперболическим законом изменения емкости величина разрешающей способности в два раза выше.

Очевидно, существует некоторый оптимальный закон изменения емкости, обеспечивающий максимальную разрешающую способность датчика.

Таким образом, задача сводится к опреДЕЛЕНИЮ таКОГО ВЕКтОРа Т = (Т1 Тг,....Тп );

ГДЕ Т1 = Тмин И Тп = Тмакс ЗаДаны,тмин < т! < Тмакс = 2, jj 1, при котором минимальное среднее расстояние «будет максимальным. Сначала эта задача,была решена как задача оптимизации с целевой функцией и мин!, у()т (1 — e ®) - макс, j =1 (2) при логическом ограничении на сравнение результирующих сигналов, соответствующих кодовых комбинациях с одинаковым числом единиц: ф=о: y =<-1.о.1j;

j — 1

"- 2п (3) (берутся вектора у, в которых количество 1 равно количеству — 1, т,е, вида 1, -1, -1, 1, О, 1, О, -1, — 1, 1 и т.д,).

Но решение задачи в таком виде. не позволило обьяснить полученные результаты, Это можно сделать, если определить сначала оптимальные средние значения а; i = 1п, базисных функций е, при которых

-1/Т; п мин! > ф)a l макс, (4) ! =1 с теми же ограничениями (2) на вектора, а затем путем решенья трансцедентных уравнений

tj(1 — е т )=а, i =2n — 1 (5) определить значения ть

ЗНаЧЕНИЯ а1 И ап ОПРЕДЕЛЯЮТСЯ ПУТЕМ постановки в (5) значений тмин и тмакс, а

ОП-16 дд гл д

010 0 0 Я ае а„, при котором

ai = à i — s + 0 i — 1 Л:1- 2, a - 1: (6)

15 ап — a1 п

n — 1 где S „— 1 =, Ui — сумма и-1 первых

j =1

20 чисел Фибоначчи;

Ц = Ui-z+ Ui-1. U1 = Uz = 1 — рекуррентное уравнение, определяющее J-й член последовательности чисел Фибоначчи. Эти результаты (формулу 6) можно получить так25 же путем цепочки индуктивных рассуждений исходя иэ теории чисел Фибоначчи.

Таким образом, при заданном п и извеСтНЫХ ЗНаЧЕНИЯХ а1 И ап МОЖНО СНаЧаЛа ПО формулам (7) и (6) определить Ли à j, i - 2, 30 п-Т, а затем, решая трансцендентные уравнения (5), например, методом итерации, найти значения постоянных времени rj .

На фиг. 4 показаны графики зависимости постоянной времени т от номера конт35 ролируемого вывода для разных значений и. Частота контролируемой информации 1 мГц, Тмин =0,1мкс, r»« =10MKc, Кривая т (1) плавно возрастает до! =

=n — 1, а затем резко взмывает вверх. Значе40 ние тп при любом и на порядок превышает значение т„— 1. Обратная же зависимости — (i ) характеризуется плавным измене1

z нием значения функции при всех значениях

Поскольку толщина d первого диэлектрического слоя 2 обратно пропорциональна т, то можно записать

50 cIj = —

К (8)

Tj

Поскольку максимальная толщина бмакс первого диэлектрического слоя ограничена размерами контактных площадок 4 в корпусе микросхемы 3. то при определении коэффициента k необходимо исходить иэ бмакс, тогда

К = бмакс Тмин. (9)

Подставляя (9) в (8), получаем формулу для определения толщины первого диэлекостальные aj — путем решения задачи (4).

После анализа решения было установЛено, что полученные значения аь i - 1, и отстают друг от друга на величины, пропорциональ-.

5 ные числам Фибоначчи. Одним из вариантов такого расположения оптимальных значений а является следующий:

1700500 трического слоя 2 в точке перекрытия металлического электрода 1 и i-й контактной площадки

6i ° омакс (10)

На фиг. 5 приведены графики зависимости d(i) толщины первого диэлектрического слоя 2 от номера контролируемой площадки, На фиг. 6 показаны зависимости ф, (n) для предлагаемого датчика, а такх1е для известного при тмин = 0,1 мкс, « иакс = 10 МКс.

Из графиков видно, что разрешающая способность данного датчика при любом и во много раз выше, чем у известных. Исходными данными для расчетов параметров датчика являются бракс «мин «макс, бнин, 1макс и бмин определяются размерами контактных площадок в микросхеме. «м „, и

4 кс определяются частотой, на которой работает конкретная микросхема, и зависят от величины Смин и Ctgayc (емкости связи 1-го и и-ro участков) и резистора R.

Очевидно, что См ц должно быть как можно меньше, а С а с как можно больше.

Смака выбирается такой, чтобы не происходило взаимного искажения сигналов, проходящих по двум соседним выводам микросхемы, и может быть определена .Экспериментально. Из эквивалентной схемы известного датчика видно„что между каждого парой дорожек включено последовательно по две ейкости, поэтому величина результирующей емкости согласно

С1 Сг формуле Срез = С + С будет меньше из

С1+ С2 двух, Минимальная величина емкости С ив

Определена величиной входной емкости схемы согласования.

Предлагаемый датчик характеризуется оптимальным законом изменения емкости от одной контактной площадки к другой, что позволяет получить максимальную разрешающую способность датчика и значительно повысить достоверность снимаемой информации. Малые габариты, и вес и гибкость позволяют выполнить датчик в корпусе микросхемы что дает возможность получить всю информацию о ее работе по одному дополнительному выводу. Датчик позволяет получать информацию не только о наличии совокупностей логический "1" и

"0", но и об их форме и длительности, дрейфе или уменьшении логических уровней и быстродействия, т.е. получать дополнительную информацию, по которой можно судить о вероятности безотказной работы микросхемы. Кроме того, металлический электрод с первым диэлектрическим слоем, дополненный электростатическим экраном. можно использовать и для контроля плат печатного монтажа, приклеив его в любом

5 необходимом месте платы.

Датчик может быть выполнен и в виде ручного безконтактного щупа для съема информации с нескольких выводов микросхемы или дорожек платы, 10 Формула изобретения

1. Емкостной датчик для съема диагностической информации с цифровых микросхем, содержай ий металлический электрод, первый диэлектрический слой, отделяющий

15 металлический электрод от контактных площадок, электростатический экран, второй диэлектрический слой; отделяющий металлический электрод с нанесенным первым диэлектрическим слоем от электростатиче20 скогоэкрана, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности контроля микросхем, металлический электрод выполнен в виде проводника с круглым сечением. на поверхность которого нане25 сен первый диэлектрический слой с переменной толщиной, причем толщина di первого диэлектрического слоя в точке перекрытия металлического электрода с i-й контактной площадкой (i = 1, и, где ив

ЗО число контролируемых выводов микросхемы) определяется по формуле

МИН

О1 «бмзкс

«(. где бараке — толщина nepaoro диэлектричеЗ5 ского слоя, соответствующая 1-й контактной площадке;

«1 — постоянная времени, соответствующая i-му участку, является решением трансцендентного уравнения

1 — а1 /« -1/«1 в котором ап -а1

ai =а1 — 1 +Ui — 1

Sn-1

45 где Ui-1 — (i 1)-й член последовательности чисел Фибоначчи;

n — 1

S и — 1 =, U;. — сумма первых n — 1

1=1

50 чисел Фибоначчи; а1 =«мин(1 — е 1 «""") где тмин v, «макс — минимальное и максимальное значения постоянной времени, соответствующее 1-му и и-му участкам.

2, Датчик по и. 1, отл ич а ю щи йс я тем, что металлический электрод с первым диэлектрическим слоем располагается в корпусе микросхемы с перекрытием

1700500

6g контролируемых контактных площадок и соединен с дополнительным вы-, водом микросхемы, я вляющимся выходом датчика, металлическая крышка микросхемы является электростатиче- 5 ским экраном, а воздушная прослойка между металлическим электродам с первым диэлектрическим слоем и металлической крышкой — вторым диэлектрическим слоем;

7 8 g Ю „r Q 6 .r4 ю 1б

Составитель 8.Степанкин

Редактор M,Ëèêîàè÷ Техред М.Моргентал Корректор О.Кравцова

Заказ 4465 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035,Москва,Ж-35, Раушская наб„ 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101