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作者：Maxim Integrated戰(zhàn)略應(yīng)用工程師Bill Laumeister 循環(huán)邏輯 “這是猜謎語(yǔ)嗎？”您會(huì)問(wèn)。當(dāng)然不是。這個(gè)標(biāo)題聽(tīng)起來(lái)像是一種循環(huán)，真正的循環(huán)邏輯，但它說(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題。典型值(typ)往往是集成電路(IC)測(cè)試中最容易誤解的詞，可以用其它詞來(lái)說(shuō)明其概念：代表性、象征性、一般、正常、標(biāo)準(zhǔn)、主流、平均、中等、慣常。糊涂了？在IC世界中，典型值通常定義為具有器件組的特性。好吧，但就像老話(huà)說(shuō)的那樣，這真是“拐彎抹角”。我告訴您一個(gè)IC測(cè)試的小花招。IC數(shù)據(jù)資料中的“典型值”意味著未經(jīng)測(cè)試。秘密被揭穿了！那么IC制造商為什么要費(fèi)勁地給出典型值呢？我來(lái)解釋一下。 典型值與變化范圍 IC典型值是統(tǒng)計(jì)值，所以不能直接測(cè)試得到。例如，就好比說(shuō)成人的平均身高為5英尺5英寸。測(cè)量任何單個(gè)人都不能確定中等、平均或典型身高。人類(lèi)學(xué)家可測(cè)量每種人種的身高或者以統(tǒng)計(jì)方式測(cè)量人口樣本，然后統(tǒng)計(jì)學(xué)家在已知樣本量的情況下可計(jì)算得到平均值的置信度。IC的統(tǒng)計(jì)過(guò)程與此相同。IC設(shè)計(jì)者可根據(jù)模擬測(cè)試結(jié)果以統(tǒng)計(jì)方式預(yù)測(cè)典型值。同樣，對(duì)典型值進(jìn)行平均，為電路設(shè)計(jì)者提供一般指導(dǎo)。 IC數(shù)據(jù)資料列出的技術(shù)指標(biāo)通常有以下幾類(lèi)： ●絕對(duì)最大值意味著不得超過(guò)該值，否則器件可能損壞。 ●電氣特性是一般測(cè)試條件，除非另有說(shuō)明。 ●最小值(min)、典型值(typ)和最大值(max)指標(biāo)為規(guī)定單位和條件下的測(cè)量值。注意，“條件”是對(duì)“除非另有說(shuō)明”的補(bǔ)充。 ●注釋變更、限制和聲明被測(cè)項(xiàng)目及測(cè)試方法。 為幫助理解，我們舉一個(gè)常見(jiàn)的例子。以下內(nèi)容是不同IC制造商各種數(shù)據(jù)資料中的一般規(guī)則。 除非另有說(shuō)明，按照電氣特性一般條件的規(guī)定測(cè)試最小值和最大值。表達(dá)方式可能為：“TA = TMIN至TMAX，除非另有說(shuō)明。典型值為T(mén)A = +25℃時(shí)的值�！边@意味著環(huán)境溫度(TA)等于工作溫度列出的最小和最大溫度，除非制造商另有說(shuō)明。典型值僅為T(mén)A = +25℃時(shí)的值。隨后有注釋?zhuān)Ｒ?jiàn)的有： 注1：所有器件在+25℃條件下 100%經(jīng)過(guò)生產(chǎn)測(cè)試，所列出的TA = TMIN至TMAX條件由設(shè)計(jì)保證。 注2：在GND+20mV和AVDD-20mV之內(nèi)進(jìn)行線(xiàn)性度測(cè)試，允許存在增益和失調(diào)誤差。 注3：高于2047的編碼保證在±8 LSB(最低有效位)之內(nèi)。 注4：在GND+100mV和AVDD-100mV之內(nèi)進(jìn)行增益和失調(diào)測(cè)試。 注5：設(shè)計(jì)保證。 注1和注5的末尾說(shuō)明“由設(shè)計(jì)保證”。這句話(huà)意味深長(zhǎng)。所有IC制造(fab)工藝都存在變化。由于元件和多層都非常小，幾乎任何因素都會(huì)引起變化。這些偏差屬于正常的變化范圍。 我們將借用MAX5134至MAX5137數(shù)據(jù)資料的部分內(nèi)容(圖1)解釋這些注釋。 
圖1. 摘自MAX5134至Ma x5137數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)系列數(shù)據(jù)資料。 注1意味著無(wú)論數(shù)據(jù)資料中之前所述的溫度是多少，僅在室溫(+25℃)下測(cè)試統(tǒng)計(jì)精度。其它工作溫度范圍則由“設(shè)計(jì)保證”涵蓋。(我們將對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹)。 注2和注4常見(jiàn)于滿(mǎn)擺幅運(yùn)算放大器和緩沖輸出DAC。注意輸出電壓范圍的計(jì)算條件為“空載”。這是因?yàn)樗^的滿(mǎn)擺幅工作，坦白講，是一廂情愿。這并不完美，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于較早的器件，這些器件的輸出電路在輸出電流時(shí)會(huì)偏離電源電壓。 注3常見(jiàn)于DAC。當(dāng)編碼低于接近底部(通常為地)的某個(gè)數(shù)及高于接近頂部電壓軌的某個(gè)數(shù)時(shí)，其線(xiàn)性度低于中間編碼。這里，總編碼為65,536，底部編碼2047的INL(積分非線(xiàn)性)為±10 LSB；高于2047時(shí)，INL僅為±8 LSB。 容我插一句題外話(huà)。想象一下為家里買(mǎi)油漆的情況。家居城建議您挑一塊色布，以便在其配色機(jī)上準(zhǔn)確配色。然后他們采用白色底漆，配色機(jī)自動(dòng)添加多種顏料，得到“精確配色”。對(duì)購(gòu)買(mǎi)的每一罐油漆重復(fù)這一過(guò)程。所有油漆精確匹配后，他們告訴您怎么做？專(zhuān)業(yè)的油漆工會(huì)怎么做？將所有罐內(nèi)的油漆混合在一起。為什么？人眼和大腦分辨顏色的能力更精確，因此能夠看到“精確配色”機(jī)上不同混合油漆的顏色誤差。這不全是機(jī)器的過(guò)錯(cuò)�；旌蠙C(jī)的計(jì)量閥、分色過(guò)濾器、增益和失調(diào)校準(zhǔn)都不完美。甚至顏料本身也存在可接受的顏色和黏度范圍。隨著噴涂過(guò)程的不斷進(jìn)行，會(huì)發(fā)生各種容限疊加、組合，有時(shí)甚至發(fā)生倍增，從而產(chǎn)生微小但可見(jiàn)的誤差——變化范圍、標(biāo)準(zhǔn)偏差。 圖2所示為常見(jiàn)的可接受標(biāo)準(zhǔn)偏差或鐘形曲線(xiàn)。黑色實(shí)線(xiàn)表示正態(tài)分布，是我們所希望的情況。綠色虛線(xiàn)表示過(guò)程向中心右側(cè)移動(dòng)——希望我們了解引起偏差的原因，從而可將其修正。藍(lán)色的破折號(hào)虛線(xiàn)為分叉曲線(xiàn)，可能有兩個(gè)參數(shù)變化。多種不同因素變化時(shí)，會(huì)形成更復(fù)雜的曲線(xiàn)。這就是專(zhuān)業(yè)油漆工在粉刷墻壁之前將所有罐內(nèi)的油漆混合在一起的原因。平均誤差是不是很奇妙？
圖2. 過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)偏差或鐘形曲線(xiàn)。變化因素越多，曲線(xiàn)越復(fù)雜。 補(bǔ)償過(guò)程變化 為確保IC滿(mǎn)足其指標(biāo)，IC制造工藝中設(shè)計(jì)了多層工程化安全措施對(duì)可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行平均。沒(méi)有哪個(gè)工程化小組愿意供應(yīng)“不符合指標(biāo)”的器件。所以，設(shè)計(jì)者在器件指標(biāo)上留有足夠的回旋余地，而測(cè)試和QA工程師則希望預(yù)期變化滿(mǎn)足“6σ規(guī)格限值”。最后得到的性能指標(biāo)是非常保守的。 設(shè)計(jì)過(guò)程彌補(bǔ)了許多設(shè)計(jì)、制造和過(guò)程差異。所以設(shè)計(jì)者利用仿真工具研究制造工藝的變化“工藝角”。推理很簡(jiǎn)單。如果他們擔(dān)心工藝角，說(shuō)明過(guò)程中心很好。然后他們修改電路，使其盡量不受這些工藝角的影響。最極端的工藝角是快熱和慢冷(見(jiàn)圖3)。熱和冷指的是溫度。快指的是高增益、高電子遷移率；慢則相反。設(shè)計(jì)者可優(yōu)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但不能優(yōu)化所有因素。所以，不解決沒(méi)有規(guī)定的參數(shù)。
圖3. IC制造工藝變化。 理解6σ2 6σ的概念最早由摩托羅拉的比爾˙史密斯在1986年提出，是一套設(shè)計(jì)用于改善制造工藝和避免缺陷的標(biāo)準(zhǔn)。西格瑪(小寫(xiě)希臘字母σ)用于表示統(tǒng)計(jì)群體的標(biāo)準(zhǔn)偏差(即表示變化的參數(shù))。術(shù)語(yǔ)“6σ流程”是指，如果在過(guò)程均值與最接近規(guī)格限值之間有6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，那么就幾近完美地滿(mǎn)足規(guī)格要求。這一結(jié)論基于過(guò)程能力分析中采用的計(jì)算方法。 在能力分析中，過(guò)程均值與最近規(guī)格限值之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)量以σ單位給出。隨著過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)偏差增大，或者過(guò)程均值遠(yuǎn)離容限中心值，均值與最近規(guī)格限值之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)量將減小，這就降低了σ數(shù)量。 1.5σ偏移的角色 經(jīng)驗(yàn)表明，過(guò)程的長(zhǎng)期性能往往不如短期性能。所以，過(guò)程均值與最近規(guī)格限之間的σ數(shù)量很可能隨時(shí)間推移而下降。通過(guò)對(duì)初始短期分析證明確實(shí)如此�？紤]到隨時(shí)間推移發(fā)生的過(guò)程偏移實(shí)際增大，在計(jì)算中引入了基于經(jīng)驗(yàn)的1.5σ偏移。根據(jù)這一前提，某個(gè)過(guò)程在短期分析中過(guò)程均值與最近規(guī)格限值之間為6σ時(shí)，長(zhǎng)期則對(duì)應(yīng)4.5σ。發(fā)生這一現(xiàn)象的原因是過(guò)程均值將隨時(shí)間發(fā)生移動(dòng)，或過(guò)程的長(zhǎng)期標(biāo)準(zhǔn)偏差將大于短期觀(guān)察到的標(biāo)準(zhǔn)偏差，或者兩者皆然。 所以，被廣泛接受的6σ過(guò)程的定義為在每一百萬(wàn)個(gè)機(jī)會(huì)中有3.4個(gè)瑕疵(DPMO)。該定義基于的事實(shí)是，對(duì)于呈正態(tài)分布的過(guò)程，比均值高或低4.5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的點(diǎn)為百萬(wàn)分之3.4。(為單邊能力分析)。所以，6σ的3.4 DPMO實(shí)際對(duì)應(yīng)4.5σ，名義上為6σ，減去1.5σ偏移，以考慮長(zhǎng)期變異。設(shè)計(jì)該理論的目的是防止實(shí)際工作中很可能發(fā)生的低估瑕疵率現(xiàn)象。 考慮1.5σ偏移時(shí)，短期σ水平對(duì)應(yīng)以下的長(zhǎng)期DPMO值(單邊)。 ●1 σ = 690,000 DPMO = 31%效率 ●2 σ = 308,000 DPMO = 69.2%效率 ●3 σ = 66,800 DPMO = 93.32%效率 ●4 σ = 6,210 DPMO = 99.379%效率 ●5 σ = 230 DPMO = 99.977%效率 ●6 σ = 3.4 DPMO = 99.9997%效率 結(jié)論 相信以上討論有助于解釋晶圓測(cè)試背后的原因，以及典型值到底有多典型(即多正常)。 現(xiàn)在，我們?cè)偕钊胍徊�。假如我們要設(shè)計(jì)一種用于測(cè)試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的測(cè)量?jī)x器。為設(shè)定儀器指標(biāo)，我們需要理解和控制元件制造變化。如果知道所用IC的精度為6σ，將有助于增強(qiáng)我們對(duì)最終儀器指標(biāo)的信心。這里，我們限定儀器的工作環(huán)境為室溫。您可能已經(jīng)忽略了，但上文中我們規(guī)定了“測(cè)試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境”。這是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。如果儀器供現(xiàn)場(chǎng)使用，則必須明確限定特定工作現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度和大氣壓。對(duì)于醫(yī)療用途，我們必須說(shuō)明那些患者相關(guān)的部分，例如需要進(jìn)行消毒或者是一次性的。如果儀器可用于太空或火箭，需要什么樣的振動(dòng)、大氣壓力、耐輻射性、耐溫性？ 簡(jiǎn)而言之，如果確信我們開(kāi)始使用的就是6σ IC，IC數(shù)據(jù)資料提供的典型指導(dǎo)將使我們具備“典型的信心”。 |
