非晶硅反熔絲FPGA提升系統(tǒng)可靠性

　現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）技術(shù)因其提供的設(shè)計(jì)靈活性,已為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員廣泛采用。非晶硅反熔絲FPGA技術(shù)尤其有用,它可以提供一種高電路密度與低功耗,以及非易失性編程和高可靠性的組合。為了充分發(fā)揮其可靠性,FPGA廠商需要考慮反熔絲的崩潰（wear-out）機(jī)制,并通過(guò)一種設(shè)計(jì)、測(cè)試、軟件工具和編程控制的組合來(lái)避免崩潰。

　　非晶硅反熔絲的最基本要素是利用非晶硅作為一種電介質(zhì)將兩個(gè)電極分開（圖1）。在一般情況下,這種電介質(zhì)可表現(xiàn)出GΩ級(jí)的阻抗,可有效地隔離電極。不過(guò),在施加一個(gè)合適的編程電壓和電流時(shí),非晶硅的一個(gè)區(qū)域會(huì)形成一個(gè)連接電極的傳導(dǎo)通道（＜100Ω）。

　　已編程反熔絲在其工作范圍內(nèi)的表現(xiàn)像一個(gè)穩(wěn)定、可靠的線性電阻器,而且在器件的壽命期間始終可以保持其低阻值。不過(guò),如果已編程反熔絲單元遭損壞,它會(huì)呈現(xiàn)一種非線性行為,其電阻就會(huì)變得不穩(wěn)定。一個(gè)損壞的已編程反熔絲的阻值可能出現(xiàn)從上百到上萬(wàn)歐姆的變化,當(dāng)巨大的電流通過(guò)它時(shí),還可能從根本上改變其使用壽命期限。

　　如果所使用的器件包含損壞的反熔絲單元,就可能造成這種不穩(wěn)定的現(xiàn)場(chǎng)故障。如果反熔絲是用來(lái)連接一個(gè)高或低邏輯門,那么,損壞的反熔絲仍然會(huì)使其門保持在適當(dāng)?shù)倪壿嬰娖?。不過(guò),線路電阻和負(fù)載電容具有CMOS邏輯電路的信號(hào)傳播和切換速度的功能。那么,在一個(gè)高速電路中,損壞的反熔絲的不穩(wěn)定阻值可能引起電路時(shí)序的變化。延遲的變化可能從幾納秒到幾微秒,從而導(dǎo)致難以診斷的現(xiàn)場(chǎng)故障。

　　流經(jīng)反熔絲的過(guò)大的工作電流是引起損壞的常見原因。圖2所示已編程反熔絲單元的平均故障時(shí)間是直流電流密度的函數(shù),即用實(shí)際電流除以反熔絲傳導(dǎo)路徑的截面積。該路徑的截面積是編程電流與編程算法,以及編程脈沖的高度、寬度和極性的函數(shù),通常為幾百平方納米。從直流數(shù)據(jù)顯示,增加電流密度流經(jīng)已編程反熔絲可顯著加速故障的出現(xiàn)。這種巨大的依賴性也意味著減少工作電流可以顯著延長(zhǎng)已編程反熔絲的壽命。

　　在FPGA的正常工作條件下,不會(huì)出現(xiàn)這樣的直流電流。通常,一個(gè)設(shè)計(jì)中的已編程反熔絲需要將一個(gè)CMOS驅(qū)動(dòng)電路連接到一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下,只有交流容性電流流過(guò)已編程反熔絲。作為開關(guān)頻率、負(fù)載電容、反熔絲電阻和驅(qū)動(dòng)器輸出的函數(shù)的峰值交流電流,可能對(duì)已編程反熔絲造成影響,并導(dǎo)致在使用壽命期限內(nèi)出現(xiàn)故障。圖3所示為在作為電流密度函數(shù)的故障發(fā)生之前,反熔絲所能保持的時(shí)鐘周期數(shù),從而顯示出對(duì)直流電流同樣的巨大的依賴性。

　　控制工作條件,可以充分提高器件的可靠性。除此以外,邏輯設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)布線、反熔絲程序排序和測(cè)試期間的各種因素都可能影響可靠性。在以下步驟當(dāng)中適當(dāng)?shù)匦⌒木涂梢詼p少損壞已編程反熔絲的可能性：

　　● 設(shè)計(jì)——在邏輯設(shè)計(jì)期間,遵循一些簡(jiǎn)單的規(guī)則可能有助于通過(guò)避免風(fēng)險(xiǎn)處境保證可靠性。防止正常工作過(guò)程中反熔絲單元的編程疏忽,例如,避免把反熔絲直接連接到任何外部信號(hào)或電源總線上。電源和接地總線的外部信號(hào)或瞬變?cè)肼暱赡茉跊]有編程的和正在編程的反熔絲之間產(chǎn)生過(guò)高的電壓。
　　● 制造測(cè)試——須在晶圓級(jí)對(duì)沒有編程的反熔絲進(jìn)行全面測(cè)試,以保證它們的編程電壓不會(huì)過(guò)低,并使它們?nèi)匀槐３制涓咦柚档姆蔷幊虪顟B(tài)。在最后測(cè)試過(guò)程中透過(guò)類似的檢查,可保證沒有編程的反熔絲不會(huì)在封裝期間受到損壞。晶圓級(jí)測(cè)試和最后測(cè)試應(yīng)該驗(yàn)證編程電路可以通過(guò)適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏?。最后檢查會(huì)在編程之前,在編程器里進(jìn)行,以保證反熔絲不會(huì)在最終測(cè)試之后損壞。
　　● 設(shè)計(jì)布線——設(shè)計(jì)布線是在創(chuàng)建最后的電路網(wǎng)絡(luò),可以依次確定每個(gè)已編程反熔絲的有效的下游電容。若電容保持在設(shè)置閾值以下將會(huì)限制流經(jīng)已編程反熔絲的峰值交流電流,因此,設(shè)計(jì)布線軟件可以通過(guò)限制下游電容來(lái)減少在大電流條件下工作的反熔絲單元的數(shù)目。對(duì)于不同速度的應(yīng)用,可以選擇容性線路更短的布線,或?qū)Υ蟮木W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行緩沖來(lái)創(chuàng)建更小的容性網(wǎng)絡(luò)。減少工作在大電流條件下的反熔絲單元的數(shù)目可以增加已編程元件的可靠性。
　　● 反熔絲排序——對(duì)已編程反熔絲的狀態(tài)的控制是一個(gè)經(jīng)常被忽略的步驟。隨著器件的編程,網(wǎng)絡(luò)開始形成。施加到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的編程脈沖可以對(duì)連接到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任何反熔絲進(jìn)行容性編程。所以,反熔絲可能出現(xiàn)損壞,從而導(dǎo)致生產(chǎn)甚至是可靠性方面的問題。時(shí)序控制器軟件應(yīng)該可以防止這些情況的發(fā)生,并找出一種替代的時(shí)序。
　　● 編程——編程電流的控制對(duì)保證反熔絲的可靠性非常關(guān)鍵?？煽啃员仁怯闪鹘?jīng)一個(gè)已編程反熔絲的最差情況下的峰值交流工作電流與用于編程算法的編程電流之間的比率決定的 ：

　　設(shè)置這個(gè)比率需要充分理解編程算法和建立在反熔絲導(dǎo)電細(xì)絲（conductive filament）上的電流的影響。

　　為了使這個(gè)比率得以保持,在對(duì)每個(gè)反熔絲進(jìn)行編程時(shí),編程器應(yīng)該控制其輸出的電流。如果每個(gè)脈沖期間的編程電流低于設(shè)置最小值,元件的編程就會(huì)失敗。同樣,編程電流應(yīng)該再一次以較低的電壓進(jìn)行測(cè)量,以保證已編程反熔絲的IV特性,并使編程路徑符合規(guī)范。當(dāng)測(cè)量的電流之一超出了該規(guī)范的限制時(shí),盡管元件可能發(fā)揮適當(dāng)?shù)淖饔?但可能使反熔絲連接變得不可靠。通過(guò)編程期間對(duì)元件的抑制,編程器就可以防止可能出現(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)故障。

　　將非晶硅FPGA技術(shù)與ASIC集成在一起作為嵌入式應(yīng)用的開發(fā)人員,應(yīng)該保證他們的設(shè)計(jì)和工具最大限度地減少對(duì)已編程反熔絲單元的壓力和因此而降低可靠性的可能性。反熔絲技術(shù)廠商正在繼續(xù)努力使人們了解和減少其技術(shù)的故障機(jī)制。那些與其技術(shù)廠商進(jìn)行密切合作的ASIC設(shè)計(jì)人員可以利用這種理解創(chuàng)建內(nèi)部設(shè)計(jì)規(guī)則,以優(yōu)化基于反熔絲的設(shè)計(jì)的運(yùn)行壽命。

　　使用現(xiàn)有FPGA元件的開發(fā)人員可以期待,這些可靠性原則已經(jīng)融入了反熔絲技術(shù)廠商提供的器件設(shè)計(jì)、布局及布線和編程工具當(dāng)中。