白璐，朱恒靜，高煒祺

（1.中國電子科技集團(tuán)第24研究所，重慶 400060； 2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

引言

我單位設(shè)計(jì)的某10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在我單位篩選、檢驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)任何異常。但是用戶在使用過程中發(fā)現(xiàn)了如表1所示的異?，F(xiàn)象，此種異常電路占總數(shù)的17 %，即：

用戶與我單位進(jìn)行電話溝通后，將異常電路退回。收到退貨電路后，我單位按照原測試系統(tǒng)、測試方法進(jìn)行低溫復(fù)測，即：在低溫箱-60 ℃條件下放置30 min后，將電路取出進(jìn)行測試。所有電參數(shù)全部滿足指標(biāo)要求，未發(fā)現(xiàn)用戶反饋的異常現(xiàn)象。但是按照用戶的測試方法，將電路在低溫恒溫下測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)模擬輸入電壓大于5 V時(shí)，故障電路最高位數(shù)字輸出出現(xiàn)隨機(jī)變低的現(xiàn)象，低9位數(shù)字輸出正常，即在低溫恒溫下功能異常，無法正常工作，故障現(xiàn)象得到確認(rèn)。

1 失效原因分析

1.1 功能簡介

此次反饋的異常電路為一款模數(shù)轉(zhuǎn)換器，當(dāng)控制端ST為高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器處于復(fù)位狀態(tài)，模擬輸入經(jīng)衰減后進(jìn)入電荷重分布數(shù)/模電路進(jìn)行采樣。當(dāng)ST變低后，電荷重分布數(shù)/模電路進(jìn)入保持狀態(tài)，控制邏輯控制時(shí)鐘開始振蕩，在時(shí)鐘的控制下電荷重分布數(shù)/模電路從最高權(quán)重位開始逐位置“1”，比較器比較置位后的電荷重分布數(shù)/模電路輸出，逐次逼近寄存器鎖存比較結(jié)果。在12位權(quán)重位比較完成后，控制邏輯將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號置低，將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)寄存器輸出到引出端。其功能原理圖如圖1所示。

1.2 失效原因分析

基于上述失效現(xiàn)象和電路工作原理，造成最高位數(shù)字輸出隨機(jī)變低的現(xiàn)象有幾種可能性，包括：①內(nèi)部比較器錯(cuò)誤；②時(shí)序沖突。

1.2.1 內(nèi)部比較器錯(cuò)誤

如果比較器本身在低溫下比較結(jié)果錯(cuò)誤，則電路會(huì)輸出錯(cuò)誤結(jié)果。但在轉(zhuǎn)換過程中比較器比較錯(cuò)誤后，最高權(quán)重位一旦存貯錯(cuò)誤結(jié)果，則低9位應(yīng)該為全“1”，而失效電路低9位與正常結(jié)果一致，說明此時(shí)比較器工作正常，未發(fā)生比較錯(cuò)誤，且轉(zhuǎn)換過程中存貯（低9位）的所有數(shù)據(jù)均正常。因此，可以排除比較器比較錯(cuò)誤的情況。

1.2.2 時(shí)序沖突

從測試結(jié)果可以觀察到，最高位只會(huì)隨機(jī)從“1”變?yōu)椤?”，而未出現(xiàn)從“0”變?yōu)椤?”的情況當(dāng)輸入0.4 V模擬信號時(shí)，輸出數(shù)據(jù)始終小于512，說明最高位始終為0，當(dāng)輸入5.3 V時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)小于512的情況，說明最高位跳變?yōu)?。當(dāng)出現(xiàn)時(shí)序沖突時(shí)，在逐次逼近寄存器中會(huì)出現(xiàn)誤脈沖，導(dǎo)致鎖存錯(cuò)誤結(jié)果，所以，不能排除由于時(shí)序沖突造成電路故障。

1.2.3 小結(jié)

電路低溫故障可能是由于時(shí)序沖突造成。

2 失效機(jī)理分析

2.1 時(shí)序沖突機(jī)理分析

圖2 是逐次逼近寄存器組的電路原理圖，圖3是單個(gè)逐次逼近寄存器的電路原理圖。

表1 故障電路在用戶整機(jī)上的表現(xiàn)情況

圖1 某模數(shù)轉(zhuǎn)換器功能原理圖

圖2 逐次逼近寄存器組電路原理圖

如圖2所示：整個(gè)逐次逼近寄存器組由兩層寄存器組成，底層為13個(gè)D觸發(fā)器，用于依次逐位置“1”，上層為12個(gè)電平觸發(fā)器，用于鎖存比較器的比較結(jié)果。在D觸發(fā)器逐位置“1”過程中，若相鄰兩個(gè)D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)分別為“1”和“0”，則I107異或門會(huì)輸出高電平，電平觸發(fā)器輸入MOS管導(dǎo)通，輸入比較器比較結(jié)果，并置位電平觸發(fā)器的輸出。在下一振蕩周期，相鄰兩個(gè)D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)均被置“1”，I107異或門輸出低電平，電平觸發(fā)器關(guān)斷輸入MOS管，鎖存比較器比較結(jié)果，并將該結(jié)果輸出。

當(dāng)整個(gè)轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換狀態(tài)寄存器將復(fù)位13個(gè)D觸發(fā)器，為下一次轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備，如果13個(gè)D觸發(fā)器的復(fù)位速度不一致，就會(huì)在I107異或門上形成誤脈沖，導(dǎo)致對應(yīng)的電平觸發(fā)器誤觸發(fā)，鎖存錯(cuò)誤結(jié)果。從電路上看，13個(gè)D觸發(fā)器的電路基本一致，最高位D觸發(fā)器的輸出僅多了一個(gè)控制采樣的門電路負(fù)載。

最高位和次高位D觸發(fā)器（見灰色方框）的版圖如圖4所示，由于該轉(zhuǎn)換器采用的是雙層布線工藝，因此最高位D觸發(fā)器輸出驅(qū)動(dòng)控制采樣的門電路時(shí)，采用了一段多晶走線（見黑色方框）。當(dāng)氧化工藝出現(xiàn)圓片間厚度偏差，多晶走線下的氧化層變薄時(shí)，該多晶走線到地會(huì)形成一較大的寄生電容，降低最高位D觸發(fā)器的復(fù)位速度。如果最高位D觸發(fā)器本身由于MOS管工藝偏差的原因，導(dǎo)致復(fù)位速度低于次高位[1]。同時(shí)低溫環(huán)境下，溫度越低，用于復(fù)位的PMOS管閾值電壓越低，充電速度急劇下降，導(dǎo)致D觸發(fā)器復(fù)位速度進(jìn)一步降低。這幾個(gè)方面影響的疊加，就會(huì)使對應(yīng)的I107異或門出現(xiàn)較高的誤脈沖，導(dǎo)致最高位電平觸發(fā)器出現(xiàn)誤動(dòng)作，鎖存錯(cuò)誤結(jié)果。由于轉(zhuǎn)換結(jié)束后比較器正處于復(fù)位狀態(tài)，所以最高位會(huì)根據(jù)比較器的復(fù)位速度隨機(jī)鎖存數(shù)字“0”。其他的D觸發(fā)器由于版圖完全一致，因此復(fù)位速度僅由MOS管工藝偏差影響，不會(huì)引起誤脈沖[2]。

圖3 單個(gè)逐次逼近寄存器電路圖

圖4 最高位D觸發(fā)器版圖

圖5 模擬寄生電阻和寄生電容的單個(gè)寄存器電路圖

該轉(zhuǎn)換器的模擬輸入范圍為0～10 V，只有當(dāng)模擬輸入電壓高于5 V時(shí)，最高位才為“1”，因此電路將表現(xiàn)為低溫輸入大信號時(shí)，最高位輸出隨機(jī)出現(xiàn)“0”，而對低于5 V的模擬輸入信號則輸出正確轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2.2 仿真試驗(yàn)

計(jì)算逐次逼近寄存器組的D觸發(fā)器復(fù)位端和最高位D觸發(fā)器的輸出端的多晶走線寄生電阻和電容，按照工藝線提供的pdk，多晶走線的方塊電阻為13～21 Ω/□，寄生電容為0.052～0.072 fF/um2，柵氧寄生電容為2.55～3.01 fF/um2，用rpoly1和cpoly兩種元件模擬其效果，模擬的電路如圖5所示，其中，所有D觸發(fā)器復(fù)位端根據(jù)多晶走線的寬度和長度計(jì)算寄生電阻為260～420 Ω，我們?nèi)≈虚g值340 Ω，寄生電容計(jì)算值3.7～5.2 fF，我們?nèi)≈虚g值4.5 fF。最高位D觸發(fā)器輸出端根據(jù)多晶走線的寬度、長度和負(fù)載MOS管長寬比計(jì)算寄生電阻為170～276 Ω，我們?nèi)≈虚g值223 Ω，寄生電容計(jì)算值15～23 fF，由于該寄生電容為影響復(fù)位速度的關(guān)鍵元件，我們分別取中間值19 fF和最大值23 fF。寄生元件位置在方框標(biāo)記處。

模擬輸入外加5.6～10 V的斜坡信號，ST脈沖寬度2 us，周期60 us，模擬輸入信號每個(gè)周期增加1/4LSB，23 fF寄生電容-40 ℃的仿真結(jié)果如圖6所示，23 fF寄生電容-55 ℃的仿真結(jié)果如圖7所示，19 fF寄生電容-55 ℃的仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖6中可見，寄生電容為23 fF時(shí)，-40 ℃環(huán)境下d1～d8輸出位不變，最低兩位d9、d10除起始周期外，每四個(gè)轉(zhuǎn)換周期變化1LSB，與模擬輸入情況完全一致。而在圖7中，-55 ℃，寄生電容為23 fF的情況下，d2～d10位變化情況與圖7一樣，僅初始值不同，但d1最高位隨機(jī)出現(xiàn)變“0”的情況，與測試結(jié)果一致。而圖8，-55 ℃，寄生電容為19 fF時(shí)的情況與圖7基本一致，僅最低兩位d9、d10初始值有所不同（見圖6、圖7、圖8方框標(biāo)記處）。

圖6 23 fF寄生電容-40 ℃仿真結(jié)果圖

由此可見，當(dāng)最高位D觸發(fā)器輸出端的寄生電容取工藝偏差的最大值時(shí)，仿真復(fù)現(xiàn)的現(xiàn)象與低溫長線測試的結(jié)果完全一致。經(jīng)詢問用戶，同批次該轉(zhuǎn)換器共使用34只，有6只出現(xiàn)同樣故障，并非所有電路均存在故障，故障率約17 %。因此，在用戶處轉(zhuǎn)換輸出偏低的原因是，由于局部氧化層厚度和MOS管特性的工藝偏差，導(dǎo)致寄生電容容值不同，寄生電容較大的電路中本來應(yīng)該同時(shí)復(fù)位的寄存器組出現(xiàn)了延時(shí)，最高位寄存器滯后復(fù)位，從而引起誤脈沖，鎖存數(shù)據(jù)的電平寄存器出現(xiàn)誤動(dòng)作，鎖存了錯(cuò)誤的結(jié)果。導(dǎo)致在輸入大信號（大于5 V）時(shí)，最高位輸出“0”，數(shù)據(jù)結(jié)果直接減少512，控制器判斷出現(xiàn)欠壓，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。為此，可以確定失效電路的輸出偏低是由于工藝偏差引起誤脈沖，導(dǎo)致電平寄存器誤動(dòng)作，鎖存錯(cuò)誤結(jié)果所致。

3 結(jié)論

綜上所述，此次異常的電路低溫故障是由于工藝偏差導(dǎo)致復(fù)位PMOS管閾值電壓變低，充電速度下降，最高位寄存器滯后復(fù)位，在電路內(nèi)部觸發(fā)誤脈沖所致[2]。同時(shí)，因測試方法的差異，導(dǎo)致故障電路篩選過程中未能有效剔除而流入用戶。

4 后續(xù)改進(jìn)措施及建議

1）經(jīng)與該用戶現(xiàn)場協(xié)商，后續(xù)針對提交該用戶的該轉(zhuǎn)換器電路需采用輸入固定模擬電壓低溫在線測試的方法進(jìn)行加嚴(yán)篩選、控制。已交付用戶的原狀態(tài)尚未經(jīng)歷低溫試驗(yàn)的產(chǎn)品建議用戶返回進(jìn)行低溫在線測試篩選，剔除不合格品。

2）優(yōu)化線路結(jié)構(gòu)和版圖，采用三層鋁布線[3]，降低寄生電容效應(yīng)，從設(shè)計(jì)上徹底杜絕誤脈沖的產(chǎn)生，更改后的產(chǎn)品送該用戶驗(yàn)證。

圖7 23 fF寄生電容-55 ℃仿真結(jié)果圖

圖8 19 fF寄生電容-55 ℃仿真結(jié)果圖