某模/數轉換器低溫下輸出異常失效分析

白璐，朱恒靜，高煒祺

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

引言

我單位設計的某10位模/數轉換器在我單位篩選、檢驗過程中未發現任何異常。但是用戶在使用過程中發現了如表1所示的異常現象，此種異常電路占總數的17 %，即：

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

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轉換器，當控制端ST為高電平時，轉換器處于復位狀態，模擬輸入經衰減后進入電荷重分布數/模電路進行采樣。當ST變低后，電荷重分布數/模電路進入保持狀態，控制邏輯控制時鐘開始振蕩，在時鐘的控制下電荷重分布數/模電路從最高權重位開始逐位置“1”，比較器比較置位后的電荷重分布數/模電路輸出，逐次逼近寄存器鎖存比較結果。在12位權重位比較完成后，控制邏輯將轉換結束信號置低，將轉換結果通過三態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

基于上述失效現象和電路工作原理，造成最高位數字輸出隨機變低的現象有幾種可能性，包括：①內部比較器錯誤；②時序沖突。

1.2.1 內部比較器錯誤

如果比較器本身在低溫下比較結果錯誤，則電路會輸出錯誤結果。但在轉換過程中比較器比較錯誤后，最高權重位一旦存貯錯誤結果，則低9位應該為全“1”，而失效電路低9位與正常結果一致，說明此時比較器工作正常，未發生比較錯誤，且轉換過程中存貯（低9位）的所有數據均正常。因此，可以排除比較器比較錯誤的情況。

1.2.2 時序沖突

從測試結果可以觀察到，最高位只會隨機從“1”變為“0”，而未出現從“0”變為“1”的情況當輸入0.4 V模擬信號時，輸出數據始終小于512，說明最高位始終為0，當輸入5.3 V時，有時會出現小于512的情況，說明最高位跳變為0。當出現時序沖突時，在逐次逼近寄存器中會出現誤脈沖，導致鎖存錯誤結果，所以，不能排除由于時序沖突造成電路故障。

1.2.3 小結

電路低溫故障可能是由于時序沖突造成。

2 失效機理分析

2.1 時序沖突機理分析

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

表1 故障電路在用戶整機上的表現情況

圖1 某模數轉換器功能原理圖

圖2 逐次逼近寄存器組電路原理圖

如圖2所示：整個逐次逼近寄存器組由兩層寄存器組成，底層為13個D觸發器，用于依次逐位置“1”，上層為12個電平觸發器，用于鎖存比較器的比較結果。在D觸發器逐位置“1”過程中，若相鄰兩個D觸發器的數據分別為“1”和“0”，則I107異或門會輸出高電平，電平觸發器輸入MOS管導通，輸入比較器比較結果，并置位電平觸發器的輸出。在下一振蕩周期，相鄰兩個D觸發器的數據均被置“1”，I107異或門輸出低電平，電平觸發器關斷輸入MOS管，鎖存比較器比較結果，并將該結果輸出。

當整個轉換完成后，轉換狀態寄存器將復位13個D觸發器，為下一次轉換做準備，如果13個D觸發器的復位速度不一致，就會在I107異或門上形成誤脈沖，導致對應的電平觸發器誤觸發，鎖存錯誤結果。從電路上看，13個D觸發器的電路基本一致，最高位D觸發器的輸出僅多了一個控制采樣的門電路負載。

最高位和次高位D觸發器（見灰色方框）的版圖如圖4所示，由于該轉換器采用的是雙層布線工藝，因此最高位D觸發器輸出驅動控制采樣的門電路時，采用了一段多晶走線（見黑色方框）。當氧化工藝出現圓片間厚度偏差，多晶走線下的氧化層變薄時，該多晶走線到地會形成一較大的寄生電容，降低最高位D觸發器的復位速度。如果最高位D觸發器本身由于MOS管工藝偏差的原因，導致復位速度低于次高位[1]。同時低溫環境下，溫度越低，用于復位的PMOS管閾值電壓越低，充電速度急劇下降，導致D觸發器復位速度進一步降低。這幾個方面影響的疊加，就會使對應的I107異或門出現較高的誤脈沖，導致最高位電平觸發器出現誤動作，鎖存錯誤結果。由于轉換結束后比較器正處于復位狀態，所以最高位會根據比較器的復位速度隨機鎖存數字“0”。其他的D觸發器由于版圖完全一致，因此復位速度僅由MOS管工藝偏差影響，不會引起誤脈沖[2]。

圖3 單個逐次逼近寄存器電路圖

圖4 最高位D觸發器版圖

圖5 模擬寄生電阻和寄生電容的單個寄存器電路圖

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

2.2 仿真試驗

計算逐次逼近寄存器組的D觸發器復位端和最高位D觸發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觸發器復位端根據多晶走線的寬度和長度計算寄生電阻為260～420 Ω，我們取中間值340 Ω，寄生電容計算值3.7～5.2 fF，我們取中間值4.5 fF。最高位D觸發器輸出端根據多晶走線的寬度、長度和負載MOS管長寬比計算寄生電阻為170～276 Ω，我們取中間值223 Ω，寄生電容計算值15～23 fF，由于該寄生電容為影響復位速度的關鍵元件，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，模擬輸入信號每個周期增加1/4LSB，23 fF寄生電容-40 ℃的仿真結果如圖6所示，23 fF寄生電容-55 ℃的仿真結果如圖7所示，19 fF寄生電容-55 ℃的仿真結果如圖8所示。

從圖6中可見，寄生電容為23 fF時，-40 ℃環境下d1～d8輸出位不變，最低兩位d9、d10除起始周期外，每四個轉換周期變化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最高位隨機出現變“0”的情況，與測試結果一致。而圖8，-55 ℃，寄生電容為19 fF時的情況與圖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方框標記處）。

圖6 23 fF寄生電容-40 ℃仿真結果圖

由此可見，當最高位D觸發器輸出端的寄生電容取工藝偏差的最大值時，仿真復現的現象與低溫長線測試的結果完全一致。經詢問用戶，同批次該轉換器共使用34只，有6只出現同樣故障，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，導致寄生電容容值不同，寄生電容較大的電路中本來應該同時復位的寄存器組出現了延時，最高位寄存器滯后復位，從而引起誤脈沖，鎖存數據的電平寄存器出現誤動作，鎖存了錯誤的結果。導致在輸入大信號（大于5 V）時，最高位輸出“0”，數據結果直接減少512，控制器判斷出現欠壓，進入保護狀態。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，導致電平寄存器誤動作，鎖存錯誤結果所致。

3 結論

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

4 后續改進措施及建議

1）經與該用戶現場協商，后續針對提交該用戶的該轉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行加嚴篩選、控制。已交付用戶的原狀態尚未經歷低溫試驗的產品建議用戶返回進行低溫在線測試篩選，剔除不合格品。

2）優化線路結構和版圖，采用三層鋁布線[3]，降低寄生電容效應，從設計上徹底杜絕誤脈沖的產生，更改后的產品送該用戶驗證。

圖7 23 fF寄生電容-55 ℃仿真結果圖

圖8 19 fF寄生電容-55 ℃仿真結果圖