CN103364099B - 预测设备温度的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种预测温度的方法，包括将温度预测电路可操作地耦合到包括半导体芯片的设备，确定温度预测电路的电流和电压之间的相关性，以及使用确定的相关性来预测相对于施加到设备的电力的温度。

Description

预测设备温度的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年3月28日向韩国知识产权局提交的第10-2012-0031819号韩国专利申请的优先权，其公开通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明构思的示范性实施例涉及一种预测设备温度的***和方法。
背景技术
随着半导体器件的大小变得更小而且并随着处理需求增加，半导体器件通常使用更高的电量。随着供应给半导体器件的电量增加，半导体器件的温度也增加。这种温度的增加可以导致半导体器件的性能的退化。
发明内容
本发明构思的示范性实施例提供了一种预测设备的温度的方法，其可以提高设备的运行效率。
根据示范性实施例，预测温度的方法包括提供与包括半导体芯片的设备相对应的温度预测电路，建立温度预测电路的电流-电压相关性，以及使用温度预测电路的电流-电压相关性来预测相对于施加到设备的电力的温度。
温度预测电路可以包括至少一个电阻器和/或电容器、以及多个节点。
温度预测电路的电阻器的电阻和/或电容器的电容可以被设置以使得施加到设备的电力和施加到温度预测电路的电流彼此之间具有线性关系，而且设备的温度和从温度预测电路测量的电压彼此之间具有线性关系。
温度预测电路可以被设置在设备的内部或外部，并且可以与设备一起被安装在基板上。
温度预测电路可以是福斯特(Foster)型电阻器-电容器(RC)网络电路或考尔(Cauer)型RC网络电路。
预测相对于施加到设备的电力的温度可以包括收集与根据设备的操作施加到设备的电力有关的数据，通过将与对应于收集的电力数据的电流有关的数据施加到温度预测电路来测量电压量，以及通过将从温度预测电路测量的电压量转换为对应于设备的温度来预测设备的温度。
所述方法还可以包括，在预测相对于施加到设备的电力的温度之后，基于预测的温度调整施加到设备的电力。
所述电力可以被调整以使得预测的温度不超过临界温度，而且施加到设备的电量是最大的。
所述设备可以包括：基板；半导体芯片，其安装在基板上；连接件，其电连接基板和半导体芯片；以及成型件，其被形成以部分地覆盖半导体芯片和基板。
根据示范性实施例，一种预测温度的方法包括：通过向包括半导体芯片的设备施加电力来测量时间-温度的单位阶跃响应，计算设备的时间-温度的脉冲响应，收集与根据设备的操作所施加的时间-电力有关的数据，以及通过对收集的时间-电力数据和时间-温度的脉冲响应执行卷积积分来预测根据设备的操作的温度。与根据设备的操作施加的时间-电力有关的数据可以被收集一次。
根据设备的操作的温度可以通过在施加电力之前测量设备的初始温度并且将测量的设备的初始温度与通过卷积积分得到的温度进行求和来预测。
半导体芯片可以是非存储器芯片。
设备的操作可以包括引导或者执行应用。
在预测相对于施加到设备的电力的温度之后，所述方法还可以包括调整施加到设备的电力，以使得基于预测的温度施加到设备的电量是最大的而且设备的操作温度不超过临界温度，并且将调整的电力施加到设备。
所述电力可以被调整以使得在将最大电力施加到设备之前所施加的电量被降低，而且在设备的温度没有超过临界温度的时间段期间施加最大电力。
根据示范性实施例，预测温度的方法包括将温度预测电路可操作地耦合到包括半导体芯片的设备，确定温度预测电路的电流和电压之间的相关性，以及使用确定的相关性来预测相对于施加到设备的电力的温度。
根据示范性实施例，预测温度的方法包括通过向包括半导体芯片的设备施加电力来测量温度相对于时间的单位阶跃响应，计算设备的温度相对于时间的脉冲响应，收集根据设备的操作所施加的电力数据，以及通过对收集的电力数据和脉冲响应执行卷积积分来预测根据设备的操作的温度。
根据示范性实施例，预测温度的方法包括将温度预测电路可操作地耦合到包括半导体芯片的设备，将电流施加到温度预测电路，在温度预测电路的节点处测量温度，其中所述节点对应于设备的半导体芯片，以及基于施加到温度预测电路的电流和在温度预测电路的节点处测量的电压来预测设备的温度。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明构思的示范性实施例，本发明构思的以上和其他特征将变得更加明显，在附图中：
图1是描述根据本发明构思的示范性实施例预测包括半导体芯片的设备的温度的方法的流程图；
图2是示出根据本发明构思的示范性实施例的、根据电力的施加所预测的设备的温度的曲线图；
图3是示出根据本发明构思的示范性实施例的、通过调整施加到设备的电量所预测的温度的曲线图；
图4是示出根据本发明构思的示范性实施例的、包括安装在其上的温度预测电路的基板的平面图；
图5是示出根据本发明构思的示范性实施例的、沿图4的线I-I获得的半导体封装的剖视图；
图6和图7是示出根据本发明构思的示范性实施例的、温度预测电路(例如，模拟电路)的电路图。
图8是描述根据本发明构思的示范性实施例的、确定施加到包括半导体芯片的设备的电力的方法的流程图；
图9是示出根据本发明构思的示范性实施例的、通过对在CPU执行特定操作时收集的时间-电力数据和在图8的方框S12处计算的脉冲响应执行卷积积分来预测CPU的温度差的曲线图；
图10示出根据本发明构思的示范性实施例的包括温度预测电路的***；以及
图11是采用根据本发明构思的示范性实施例制造的设备的电子装置的透视图。
具体实施方式
下面将参照附图更充分地描述本发明构思的示范性实施例。遍及附图，相同的附图标记可以指代相同的元件。
图1是描述根据本发明构思的示范性实施例预测包括半导体芯片的设备的温度的方法的流程图。参照图1，在方框S1提供与包括至少一个半导体芯片的设备相对应的模拟电路(例如，温度预测电路)。温度预测电路可操作地耦合到该设备。在方框S2，建立温度预测电路的电流和电压之间的相关性。在方框S3，使用在方框S2确定的温度预测电路的电流和电压之间的相关性来预测相对于设备的施加的电力的温度。
设备的至少一个半导体芯片可以在其中包括集成电路。例如，集成电路可以是存储器电路或逻辑电路。例如，当该设备包括一个以上的半导体芯片时，半导体芯片中的一些可以是存储器芯片，而且其他半导体芯片可以是非存储器芯片。可替换地，设备中的所有半导体芯片可以是存储器芯片，或者设备中的所有半导体芯片可以是非存储器芯片。
设备可以是，例如，智能电话。然而，本发明构思的示范性实施例不限于此。例如，设备可以是包括温度可以预测的至少一个半导体芯片的任何类型的电子设备。即，根据示范性实施例的模拟电路可以被设置和利用在各种电子设备中。
当设备是智能电话时，智能电话可以包括非存储器芯片，其可以是例如中央处理单元(CPU)。当智能电话***作以运行特定应用时，CPU可以根据一系列字序列控制输入/输出操作。
在上述一系列处理中，预定量的电力被施加到CPU，并且CPU的温度根据施加的电量改变。当CPU的温度达到可允许的最高温度(例如，临界温度)时，随着电力被施加到CPU，施加的电量可以迅速降低以防止损坏CPU。施加的电力的这种快速降低可以导致CPU性能的退化，和智能电话的延迟操作。
因此，如果可以提前迅速地预测CPU的温度(其在应用的操作期间响应于工作序列中所施加的电力而改变)，则可以降低或防止由于电力的迅速降低导致的CPU性能的退化，并且可以提高CPU的运行效率。
可以通过向温度预测电路施加电流而不是直接向设备施加电流来预测设备的温度。然后可以在特定节点处测量电压量。
根据示范性实施例，温度预测电路可以包括至少一个电阻器和/或电容器、以及多个节点。例如，当设备的CPU是双核CPU时，温度预测电路可以包括两个或更多个节点，其可以被用于预测每个CPU的温度。例如，可以基于在每个节点测量的电压来预测每个CPU的温度。
可以按照联合电子设备工程委员会(JEDEC标准第51-14号)的规范来设计温度预测电路。温度预测电路是对应于设备的电路，并且可以被用于通过向温度预测电路施加电流来建立电流和电压之间的相关性。例如，不是通过直接向设备施加电力来测量设备的温度，而是可以在不直接向设备施加电力的情况下使用温度预测电路来迅速地预测设备的温度。
例如，施加到设备的电力可以对应于施加到温度预测电路的电流。在设备处测量的温度可以对应于在温度预测电路处测量的电压。设备的热阻可以对应于温度预测电路的电阻。然而，本发明构思的示范性实施例不限于此。例如，施加到设备的电力可以替代地对应温度预测电路的电压，而且在设备处测量的温度可以替代地对应温度预测电路的电流。
温度预测电路可以是，例如，包括电阻器和/或电容器的模拟电路。温度预测电路可以通过向温度预测电路施加电流来测量特定位置的电压。施加到温度预测电路的特定电流值可以对应施加到设备的电力，如上所述，因此，使用温度预测电路可以建立电流和电压之间的相关性。
根据电流和电压之间建立的相关性，在不直接向设备施加电力的情况下可以在设备的特定操作期间预测设备的温度。
例如，在执行设备的特定操作的一系列处理中，当存在关于施加到设备的CPU的、相对于时间的电力的数据时，可以通过将对应于电力的电流施加到温度预测电路来测量电压。另外，通过将测量的电压转换为设备的温度，可以在不直接向设备施加电力的情况下迅速地预测根据该处理的温度。下面描述可以通过设备执行的不同操作。
当设备被引导时，通过将与在设备的引导期间所施加的电力相对应的电流施加到与CPU相对应的温度预测电路的节点，可以测量电压。测量的电压被转换为温度，从而可以迅速地预测根据引导操作的温度。
当数据被存储时，通过将与在数据的存储期间所施加的电力相对应的电流施加到与存储器半导体芯片(例如，数据将被存储在其中的存储器半导体芯片)相对应的温度预测电路的节点，可以测量电压。测量的电压被转换为温度，从而可以迅速地预测根据存储操作的温度。
当数据被擦除时，通过将与在数据的擦除期间所施加的电力相对应的电流施加到与存储器半导体芯片(例如，数据将从其中擦除的存储器半导体芯片)相对应的温度预测电路的节点，可以测量电压。测量的电压被转换为温度，从而可以迅速地预测根据擦除操作的温度。
在以上描述中，相对于与在运行特定操作(例如，引导设备)期间所使用的设备的非存储器芯片相对应的节点、以及相对于与在运行特定操作(例如，将数据存储在设备的存储器中以及从设备的存储器擦除数据)期间所使用的设备的存储器芯片相对应的节点来预测温度。然而，本发明构思的示范性实施例不限于此。例如，在运行特定操作期间可以预测与设备的存储器芯片相对应的位置处的温度，而且在数据存储/擦除操作期间可以预测与设备的非存储器芯片相对应的位置处的温度。
图2是示出根据本发明构思的示范性实施例的、根据电力的施加所预测的设备的温度的曲线图。图3是示出根据本发明构思的示范性实施例的、通过调整施加到设备的电量所预测的温度的曲线图。
参照图2，尽管施加到设备的电力值增加直到约t＝2.2，其中t以秒为单位测量，在约在t＝2.2处达到设备的最大可允许温度(例如，临界温度)。因此，施加到设备的电力值从约2W锐减至约1W。施加的电力的这种锐减发生是因为当设备的温度超过临界温度时设备可能无法正确操作(例如，在设备的操作期间可能发生错误)。因此，当达到临界温度时施加的电力锐减以降低或防止设备性能的退化。
参照图3，当基于图2中预测的温度调整施加到设备的电量时，改变设备的温度。例如，在图3中，从约t＝1至约t＝2施加到设备的电量从约2W降低至约1.7W(参照图2)，并且调整电力值以便从约t＝2至约t＝2.5施加约3W的电力。因此，当通过减小从约t＝1至约t＝2施加到设备的电量来降低温度增加范围时，与图2相比，向设备施加约3W电力的持续时间可以从约0.2秒增加至约0.5秒。
因此，基于图2的温度预测的结果，在不超过临界温度的情况下，可以向设备供应相对较大的电量。另外，由于可以延长向设备施加最大电量的时间，因此可以提高设备的性能。另外，由于可以预测温度达到临界温度的时间，因此在达到临界温度之后可以施加较大的电力值，例如图3中的约1.7W，而不是实施快速的电力降低。结果，设备可以更稳定，并且可以更有效地操作。
图4是示出根据本发明构思的示范性实施例的、包括安装在其上的温度预测电路3的基板1的平面图。图5是示出根据本发明构思的示范性实施例的、沿图4的线I-I获得的半导体封装2的剖视图。
参照图4和图5，半导体封装2和温度预测电路3可以一起安装在基板1上。半导体封装2可以包括安装在基板1上的半导体芯片22、电连接半导体芯片22和基板1的连接端子23、以及覆盖半导体芯片22和基板1的成型件(molding member)24。尽管图5示出具有单一半导体芯片22的半导体封装2，但是根据示范性实施例的半导体封装2可以包括多个半导体芯片22。连接端子23可以利用各种装置，包括例如球栅阵列(BGA)。
半导体芯片22可以在其中包括集成电路，并且集成电路可以包括存储器电路或逻辑电路。例如，半导体芯片22可以是存储器芯片或非存储器芯片。温度预测电路3可以是半导体封装2的模拟电路，并可以按照JEDEC标准第51-14号设计。然而，本发明构思的示范性实施例不限于此。
虽然在图4中温度预测电路3被示出为安装在基板1上并与半导体封装2分离布置，但是本发明构思的示范性实施例不限于此。例如，在示范性实施例中，温度预测电路3可以被安装在半导体封装2内。
图6和图7是示出根据本发明构思的示范性实施例的、图4的温度预测电路3(例如，模拟电路)的电路图。例如，图4的温度预测电路3可以是网络电路，其是通过设计与热结构等效的电子电路来获得的。
温度预测电路3可以是，例如，如图6所示的福斯特(Foster)型电阻器-电容器(RC)网络电路，或如图7所示的考尔(Cauer)型RC网络电路。电路可以按照JEDEC标准第51-14号设计。
在示范性实施例中，温度预测电路3可以包括完整网络，然而，本发明构思的示范性实施方式不限于此。
在图6和图7中，可以选择电阻器的电阻值R1、R2、...、Rn和电容器的电容值C1、C2、...、Cn，从而施加到半导体封装2的电量和施加到RC网络电路的电流量彼此具有线性关系，而且从RC网络电路测量的电压和从半导体封装2预测的温度彼此具有线性关系，然而，示范性实施例不限于此。如图6和图7所示，温度预测电路3包括多个节点，其可以被用来预测设备的温度。例如，在不同位置处的设备的温度可以基于在每个节点处测量的电压进行预测。
例如，当施加到半导体封装2的电量和施加到RC网络电路的电流量彼此具有这样的关系I＝k1×P+a时，其中I是施加到RC网络电路的电流量，k1和a是常数，而且P是施加到半导体封装的电量，可以通过将施加到半导体封装2的电量转换为施加到RC网络电路的电流量将电流值施加到RC网络电路。
此外，当从RC网络电路测量的电压和从半导体封装2预测的温度具有这样的关系T＝k2×V+b时，其中T是从半导体封装2预测的温度，k2和b是常数，而且V是从被施加电流的RC网络电路测量的电压，通过将从RC网络电路测量的电压转换为半导体封装2的温度可以预测半导体封装2的温度。
图8是描述根据本发明构思的示范性实施例的、确定施加到包括半导体芯片的设备的电力的方法的流程图。参照图8，确定施加到包括半导体芯片的设备的电力的方法包括通过向包括半导体芯片的设备施加电力来测量温度相对于时间的单位阶跃响应(方框S11)、计算设备的温度相对于时间的脉冲响应(方框S12)、收集根据设备的操作所施加的电力数据(方框S13)和通过对收集的电力数据和脉冲响应执行卷积积分来预测根据设备的操作的温度(方框S14)。
在示范性实施例中，该方法还可以包括基于预测的温度来调整施加到设备的电力以便最大化施加到设备的电量(方框S15)，并且将调整后的电力施加到设备(方框S16)。在方框S15中，电力可以被调整以使得设备的操作温度不超过临界温度。
例如，可以将约1W的电力施加到设备以测量设备的温度相对于时间的单位阶跃响应(方框S11)。可以相对于所施加的1W的电力来测量随着时间的推移逐渐增大的温度曲线(例如，单位阶跃响应)(方框S11)。
通过对测量到的单位阶跃响应相对于时间进行微分可以计算脉冲响应(方框S12)。例如，当设备是CPU时，CPU可以执行智能电话或计算机的引导操作、或运行特定应用的操作。CPU是设备的例子，而且本发明构思的示范性实施例不限于此。
在引导设备或运行特定应用的过程期间，电力被施加到CPU。施加的电力可以根据时间而变化。当施加到CPU的电力增加时，CPU的性能得到提高。然而，当CPU的温度上升超过临界温度时，CPU的性能可能退化。因此，当向CPU施加电力时考虑CPU的性能和临界温度。
在方框S13收集数据，该数据指示根据CPU的操作施加到CPU的电力。该数据可以被收集一次。虽然这里描述运行特定应用作为CPU的示范性操作，但是本发明构思的示范性实施例不限于此。
当运行特定应用时，通过对施加到所收集的CPU的时间-电力曲线图和脉冲响应进行卷积积分，可以测量根据时间的CPU的温度差。
通过在施加电力之前测量CPU的初始温度并且将测量的CPU的初始温度与通过已执行的卷积积分所测量的温度差进行求和，可以预测根据施加的电力的CPU的温度。
如上所述，随着施加到CPU的电量的增加，CPU的操作性能得到改善。然而，当CPU的温度上升超过临界温度时，CPU的性能可能退化(例如，可能发生错误或速度下降)。
因此，为了最大化施加到CPU的电量同时保持CPU的操作温度以使得它不超过临界温度，可以基于测量的CPU的温度来调整施加到CPU的电力。
图9是示出通过对在CPU执行特定操作时收集的时间-电力数据和在图8的方框S12处计算的脉冲响应执行卷积积分来预测CPU的温度差的曲线图。当向CPU施加电力之前测量的CPU的初始温度是大约30℃而且CPU的临界温度是大约130℃时，在约t＝70预测CPU的温度是大约130℃。另外，在约t＝70之后施加到CPU的电力是约0W，这导致CPU的温度不超过临界温度。
施加到CPU的最大电力是约10W。例如，在施加最大电力之前，从约t＝30至约t＝60约1W的电力被施加到CPU。紧接在约10W的最大电力被施加到CPU(例如，在大约t＝60)之前的温度对应于约50℃。
因此，当最大化施加到设备的电量而不超过约130℃的临界温度时，从约t＝30至约t＝60施加到CPU的电量可以被调整为低于约1W。然而，本发明改善构思的示范性实施例不限于此，而且调整电力的间隔可以根据应用的类型和运行时间而改变。
例如，当从约t＝30至约t＝60约0.8W的电力被施加到CPU时，可以预测在t＝60处CPU的温度，并因此在CPU没有超过临界温度的时间段，基于预测的温度，约10W的最大电力可以被施加到CPU。因此，在增加施加到CPU的电量的同时，在不超过临界温度的范围内，可以增加施加最大电力的时间，因此可以提高CPU的性能，并且可以减少或防止CPU的性能的退化。
在上面描述的示范性实施例中，通过在施加最大电力之前立即减少施加到CPU的电量，增加了施加最大电力的时间。然而，本发明构思的示范性实施例不限于此。例如，用户可以反复进行以下操作来确定是否调整施加到CPU的电量：通过在期望的时间点调整电力、通过对调整的电力和图9的脉冲响应进行卷积积分来预测温度、重新调整电力、或对重新调整的电力和脉冲响应执行卷积积分。
因此，可以尽可能长地在CPU处保持最大允许电力，从而改善CPU的性能。另外，由于调整施加的电力以保持CPU的温度从而温度不超过临界温度，因此可以提高CPU的稳定性。在上面描述的示范性实施例中，调整施加的电力以便尽可能长地保持最大允许电力。然而，本发明构思的示范性实施例不限于此。例如，电力可以被调整以具有最大电量，同时根据操作目的和CPU的类型而降低最大允许电力。
图10示出根据本发明构思的示范性实施例的包括温度预测电路的***30。参照图10，***30可以包括控制器31、输入/输出设备32、存储器33和接口34。***30可以是，例如，移动***或者用于发送或接收信息的***。移动***可以是，例如，个人数字助理(PDA)、便携式计算机、平板计算机、无线电话、移动电话、数字音乐播放器或存储卡。
控制器31可以运行程序并控制***30。控制器31可以包括，例如，微处理器、数字信号处理器或微控制器。控制器31还可以包括根据本发明构思的示范性实施例的温度预测电路。通过根据本发明构思的示范性实施例的温度预测方法可以预测控制器31的温度。
输入/输出设备32可以用于输入或输出***30的数据。***30可以被连接到外部设备，诸如，例如个人计算机或网络，以便相互交换数据。输入/输出设备32可以是，例如，键区、键盘或显示器。
存储器33可以存储用于控制器31的操作的代码和/或数据，和/或由控制器31处理的数据。存储器33可以包括根据本发明构思的示范性实施例的温度预测电路。通过根据本发明构思的示范性实施例的温度预测方法可以预测存储器33的温度。
接口34可以在***30和外部装置之间提供数据传输路径。控制器31、输入/输出设备32、存储器33和接口34可以经由总线35彼此通信。***30可以是，例如，移动电话、MP3播放器、导航设备、便携式多媒体播放器(PMP)、固态硬盘(SSD)或家用电器。
图11是采用根据本发明构思的示范性实施例制造的设备的电子装置的透视图。例如，在图11中，图10的***30被实现为移动电话40。
虽然已经参照本发明构思的示范性实施例详细示出和描述了本发明构思，但是本领域技术人员应当理解，可以在形式和细节上对其进行各种改变而不脱离如下面的权利要求所限定的本发明构思的精神和范围。

Claims (12)

1.一种预测温度的方法，包括：
将温度预测电路可操作地耦合到包括半导体芯片的设备；
将电流施加到温度预测电路；确定温度预测电路的电流和电压之间的相关性；以及
使用确定的相关性来预测相对于施加到设备的电力的温度,
其中，所述温度预测电路包括至少一个电阻器和至少一个电容器、以及多个节点，
其中，所述电阻器的电阻和所述电容器的电容每一个都具有值以使得施加到设备的电力和施加到温度预测电路的电流彼此之间具有实质的线性关系，而且设备的温度和在温度预测电路处测量的电压彼此之间具有实质的线性关系。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述温度预测电路与设备一起被安装在基板上，而且所述温度预测电路被布置在所述设备内或与所述设备分离。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述温度预测电路是福斯特(Foster)型电阻器-电容器(RC)网络电路或考尔(Cauer)型RC网络电路。
4.如权利要求1所述的方法，其中，预测温度包括：
收集指示根据设备的操作施加到设备的电量的数据；
通过基于收集的数据将电流施加到温度预测电路来测量温度预测电路处的电压量；以及
通过将测量的电压量转换为对应于设备的温度来预测设备的温度。
5.如权利要求1所述的方法，还包括基于预测的温度调整施加到设备的电力。
6.如权利要求5所述的方法，其中，施加到设备的电力被调整到没有超过临界温度的最大电力值。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述设备包括：
基板；
半导体芯片，其安装在基板上；
连接件，其电连接基板和半导体芯片；以及
成型件，其覆盖半导体芯片和基板。
8.一种预测温度的方法，包括：
将温度预测电路可操作地耦合到包括半导体芯片的设备；
将电流施加到温度预测电路；
在温度预测电路的节点处测量温度，其中，所述节点对应于设备的半导体芯片；以及
基于施加到温度预测电路的电流和在温度预测电路的节点处测量的电压来预测设备的温度。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述半导体芯片是多个半导体芯片之一，所述节点是多个节点之一，而且所述多个节点中的每一个对应于所述多个半导体芯片中的一个不同的半导体芯片，以及
基于施加于温度预测电路的电流和在所述多个节点处测量的电压来预测温度。
10.如权利要求8所述的方法，还包括基于预测的温度调整施加到设备的电力。
11.如权利要求10所述的方法，其中，施加到设备的电力被调整到没有超过临界温度的最大电力值。
12.如权利要求8所述的方法，其中，所述温度预测电路包括至少一个电阻器和至少一个电容器、以及多个节点。
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