熔絲類電路的修調(diào)探索

張鵬輝，王己鋼

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

熔絲（Fuse）結(jié)構(gòu)在AC-DC、DC-DC、LDO等類型的IC中得到了廣泛應(yīng)用，一般用來在圓片測試階段調(diào)整基準電壓或者基準頻率，修調(diào)（Trim）的目的是把熔絲斷路，使Trimpad間的電阻盡可能接近理論值，針對不同的工藝和熔絲結(jié)構(gòu)，需要選擇不同的修調(diào)方式，使電路參數(shù)更精確、一致性更好，同時還要考慮修調(diào)熔絲對良率的影響。

2 熔絲結(jié)構(gòu)

熔絲就是連接在兩個bandpads之間的用金屬或者多晶硅以最小寬度短接在一起的部分，在bandpad之間通過一個大的電流，就會引起熔絲材料熔斷或者氣化，形成斷路。按照制造工藝劃分，熔絲一般可分為金屬和多晶硅兩種，圖1為金屬熔絲與多晶硅熔絲的示意圖。按在管芯上的排列方式又可以分為TrimPad并行連接某bandpad和TrimPad之間串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)，圖2為串行熔絲與并行熔絲示意圖。金屬熔絲與多晶硅熔絲因材料本身的特性有較大區(qū)別，在電阻值上，一般的金屬熔絲阻值接近0 Ω，而多晶硅熔絲的阻值較大，視工藝情況一般在50 Ω到200 Ω左右。在溫度特性上，以常用的鋁熔絲為例，鋁的融化溫度在660℃左右，沸騰溫度約2470℃左右，而多晶硅的融化溫度（約1 410℃）遠高于鋁，但是多晶硅非常脆弱，在熱力場的作用下容易破裂。因此不同的工藝和結(jié)構(gòu)，選擇的修調(diào)方式也不同。

3 熔絲的修調(diào)方式

3.1 常用的修調(diào)方式

一般使用電容或者測試系統(tǒng)的電源提供一個電流，通過繼電器控制，達到熔斷某段熔絲的目的。電容方式在修調(diào)串聯(lián)熔絲時電路結(jié)構(gòu)簡單，修調(diào)時電容的正負兩端接Trimpad，對電路的地沒有干擾，并且采用大電容時可以提供較大的瞬間電流，對某些難以熔斷的熔絲有較好的作用。 而測試系統(tǒng)的電源則可以方便地調(diào)節(jié)鉗位電流，防止因電流過大燒壞電路。圖3是常用的電容修調(diào)方式示意圖。

在修調(diào)時，繼電器先不工作，給TrimPower端加修調(diào)電壓，通過繼電器常閉端給電容C1充電，等待一定時間后，向繼電器UR端發(fā)送低電平控制信號，C1的正負兩端與TrimPower和GND斷開，接到FUSE的兩端，C1放電熔斷熔絲。此時電路的其他管腳特別是GND和C1是隔離的，修調(diào)時對電路的影響較小。

如果采用測試系統(tǒng)的電源直接修調(diào)，可以把圖3中的TrimPower和GND直接連到繼電器UR1公共端。修調(diào)前先用電源使TrimPower端加上電，然后閉合繼電器UR1，Trimpower與Fuse1的一端短接，F(xiàn)use1的另一端與地短接，兩端產(chǎn)生壓差，流過的電流把熔絲熔斷。

3.2 使用MOSFET代替繼電器進行控制

繼電器作為一種機械開關(guān)，其開關(guān)時間是毫秒級的，并且在觸點開閉過程中有可能造成修調(diào)電壓異常。前文介紹過某些熔絲容易破裂，如果修調(diào)電壓上升的時間過慢，有可能在熔絲熔斷前就已經(jīng)破裂，這種破裂有可能造成斷路不徹底，影響電路良率。在實際應(yīng)用中，可以將繼電器替換為MOSFET，以提高響應(yīng)速度。

圖4中，正常情況下UR1為高阻態(tài)，三極管Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)，MOSFET的G端為低電平，MOSFET不導(dǎo)通。修調(diào)時先閉合UR2，使熔絲一端與MOSFET的S端短接，然后向UR1發(fā)送低電平信號，三極管Q2截止，Q1的G端為高電平24V，Q1導(dǎo)通，電流由TrimPower流入將熔絲熔斷，圖4中電阻主要起限流保護作用。由于MOSFET的開關(guān)速度在納秒級，不僅可以使某些熔絲融斷的更徹底，還可以節(jié)約一定的測試時間，降低測試成本。

3.3 選擇合適的修調(diào)條件

普通的鋁熔絲因為其融化溫度低，較易熔斷，一般修調(diào)電壓為3V～5V，如果使用電源直接修調(diào)，鉗位電流在200mA～500mA即可。如果使用電容修調(diào)，可選擇100 μF～470 μF的電解電容。而針對多晶硅熔絲，一般需要較高的電壓和較大的電流，同時對電壓的上升時間有較高要求，考慮電路的耐壓性能，可以選用4V～8V修調(diào)。修調(diào)需要的電壓電流跟熔絲本身的寬度、厚度也有一定關(guān)系，越寬越厚的熔絲可以承載更多的電流，同時需要更多的熱量才能熔斷，一般熔絲寬度是在設(shè)計時決定的，厚度是由工藝條件決定的。實際修調(diào)中并不需要精確計算出熔斷所需的熱量，而是通過實驗觀察熔斷情況而確定具體的電壓電流值。

對于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的熔絲，一般選擇電容方式為宜，如圖2（a）所示。如果選用電源方式修調(diào)fuse3，在PAD1加5V電壓，PAD2接測試系統(tǒng)GND，則PAD1對芯片的GND腳也存在壓差，在某些特殊情況下電流有可能通過fuse1、fuse2而把fuse1、fuse2熔斷。而采用電容方式時，PAD1接電容正極，PAD2接電容負極，電壓差只存在于PAD1與PAD2之間，較為安全。如果必須選擇電源方式修調(diào)熔絲，可在芯片GND腳和測試系統(tǒng)GND之間加一個繼電器，僅在測試其他參數(shù)時閉合，修調(diào)時斷開。

圖5 修調(diào)時損壞的電路照片

如果在修調(diào)時選擇的方式或者電壓電流不恰當(dāng)，有時會造成嚴重后果，如圖5所示。這是一個電路芯片的局部放大照片，可以看到，右邊區(qū)域出現(xiàn)了燒壞的痕跡。造成這個現(xiàn)象的原因有兩個：第一，這個電路使用電源直接加電修調(diào)，在加電壓時電路的GND和測試系統(tǒng)的GND沒有斷開，于是下方的trimpad和芯片周圍的gnd線路產(chǎn)生了壓差；第二，修調(diào)電壓過大，鉗位電流也設(shè)定的過大，大電流通過使電路造成了損壞。所以在選擇修調(diào)條件時一定要謹慎。

總而言之，具體選擇修調(diào)條件時要先針對電路特性和工藝條件進行預(yù)估，然后還需要進行實驗，通過選擇不同的連接方式和電壓電流條件，觀察熔絲的熔斷情況和電路參數(shù)的變化情況，然后選擇一種使熔絲熔斷徹底，同時對電路的其他性能影響最小的方法進行生產(chǎn)。

4 熔絲修調(diào)的程序編寫

4.1 參數(shù)范圍逐個判斷法

以某電路為例，其熔絲與參數(shù)的對應(yīng)表見表1。

表1 某電路熔絲與參數(shù)對應(yīng)表

其修調(diào)程序可以這樣寫：

這種算法的特點是簡單直接，其判斷部分和實際修調(diào)的執(zhí)行部分分開，是對傳統(tǒng)算法的一種改進，這樣簡化了程序行數(shù)，方便閱讀和修改，尤其是在進行修調(diào)實驗時，可以很方便地通過給a、b、c、d等變量賦值來強制修調(diào)某些熔絲，以采集實驗數(shù)據(jù)。但是這樣寫的缺點是程序較為繁瑣，如果熔絲較多，需要較多的if……else指令來判斷范圍。有的電路分為不同的版本，如果用這種寫法，要修改不同的目標值時，就要修改很多條判斷指令。并且，很多電路每段熔絲所能修正的值會依流片批次的工藝差別而略有波動，在修改程序時也要修改很多條指令，容易造成隱患。

4.2 以目標值為中心法

一般情況下，大部分電路的每段熔絲能修調(diào)的值是固定的，如果不同批次間有差異，各段熔絲之間的比例也通常能保持一致。還以表1為例，注意到該電路每根熔絲所能修調(diào)的Iout值呈比例關(guān)系，設(shè)最小一段fuse4的熔絲能修調(diào)的值為LSB，要修調(diào)的目標值為Itarget，修調(diào)前的測試值為Iout，并且fuse3熔斷后的變化值是fuse4的2倍，即2LSB，fuse2和fuse1以此類推。假設(shè)某個批次的該電路熔絲部分發(fā)生了偏差，fuse4的熔斷變化值LSB’=n×LSB，則fuse3的變化值一般為2×LSB’=2×n×LSB，仍然與fuse4呈2倍關(guān)系。具體的修調(diào)判斷可以通過下面的算法進行：

這種算法在需要修改目標值或者修正批次間差異的時候非常方便，只需要更改變量Itarget或LSB的值即可，程序更加簡潔，不易出錯，可維護性更好。

5 結(jié)語

隨著熔絲類電路的普及，測試環(huán)節(jié)在集成電路生產(chǎn)中的重要性越來越高。在熔絲類電路的修調(diào)中，測試人員必須謹慎選擇合適的修調(diào)方法，盡可能提高修調(diào)的成功率，并盡可能使修調(diào)程序簡潔易讀、維護方便，充分滿足客戶穩(wěn)定批量生產(chǎn)的要求，才能在激烈的市場競爭中占有一席之地。

［1］Alan Hastings. The Art of Analog Layout[M]. Pearson Education,Inc. Prentice Hall,Inc. 2001.