一種基于反熔絲結構的FPGA測試技術研究

耿 爽

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

一種基于反熔絲結構的FPGA測試技術研究

耿 爽

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

介紹了一種基于反熔絲結構的FPGA電路結構及特點，闡述了該電路的功能、直流參數、交流參數的測試方法，并著重研究了該電路功能測試的測試要點及編程技巧。

反熔絲；可編程；測試

1 引 言

反熔絲FPGA具有保密性強、功耗低、抗輻射能力強、耐高低溫等優點，因此反熔絲FPGA在保密通信產品中具有特殊應用。由于反熔絲FPGA為一次性可編程器件，如何在未編程的情況下完成反熔絲FPGA功能及參數測試是反熔絲FPGA測試的關鍵。下面以我所研制的一款反熔絲FPGA產品為例，介紹反熔絲FPGA的測試技術。

2 電路簡介

2.1 功能框圖

該電路由可編程邏輯單元CELL、可編程輸入輸出單元I／O及互連資源組成。通過編程，實現用戶需要的邏輯功能。電路功能框圖如圖1所示。

2.2 電路特點

反熔絲控制的FPGA器件是用反熔絲單元來控制可編程器件內可編程節點的通斷，使芯片中每一部分具有應有的邏輯功能，以實現器件的設計功能。反熔絲單元是一個被動的兩端器件中，通常情況下處于開路狀態，在施加充足的電壓后，介質會被擊穿，把兩層導電材料連通，接通電阻小于1k歐姆。反熔絲在硅片上只占一個通孔的面積，在一個2000門的器件，可以設置186000個反熔絲，平均每門接近100個反熔絲。因此，反熔絲元件占用的硅片面積很小，十分適宜做集成度很高的可編程器件的編程元件。其特點是工作穩定可靠，但只允許編程一次。

圖1 電路功能框圖

3 電路測試

測試在集成電路的研制過程中起到了舉足輕重的作用。通過測試可以驗證版圖，進行故障定位。電路的測試包括功能測試、直流參數測試和交流參數測試三部分。其中，功能測試是電路測試的關鍵。

3.1 功能測試

電路的功能測試包括編程前功能測試和編程后功能測試。編程前功能測試包括器件ID測試、移位寄存器鏈測試、輸入／輸出端口測試、邏輯單元功能測試、反熔絲陣列查空測試。編程后功能測試按照編程電路的實際功能進行測試。編程前功能測試是反熔絲FPGA功能測試的重點。

（1）編程點狀態測試

編程點狀態測試是電路出廠之前必須通過的檢查，包括ID讀取，反熔絲陣列檢查等測試，通過測試程序完成查空測試。

反熔絲點數字信號檢測方法是通過下載測試指令，選擇相應的反熔絲點，加載一定的電壓，讀取相應的信號狀態，來判斷反熔絲點是否導通。

（2）寄存器鏈測試

通過SDI端口寫入測試數據，以DCLK為時鐘，從PRA、PRB端口讀出相應數據。

（3）I／O輸出狀態測試

通過下載測試指令，將通用I／O置成三態輸出狀態、“1”輸出狀態或“0”輸出狀態，并進行端口測試，判斷I／O端口的功能是否正確，每個I／O端口對應一組測試碼點。

（4）互聯通道測試

互聯通道測試包括垂直通道和水平通道測試，是對通道內的連線分段晶體管結構的測試。

（5）邏輯單元功能測試

電路中有兩個專用的探測端口PRA和PRB（Action Peobes）。在測試模式下，選擇任何一個內部邏輯模塊的輸出，通過專用的垂直互連線，輸出到PRA或PRB端口。通過這種方式，可以實現邏輯單元功能測試。

上述測試碼點覆蓋了電路中的所有邏輯結構，按此測試程序，完成了電路的編程前功能測試。

3.1.1 測試要點

該電路編程前功能測試使用串行數據的測試方法，數據由SDI端口讀入，DCLK端口作為時鐘。數據下載到內部邏輯和I／O模塊的輸入端，完成邏輯功能測試，結果通過PRA、PRB端口輸出。

該電路的編程前功能測試使用串行時序，故編程時必須注意SDI、DCLK、PRA、PRB的時序關系。DCLK為輸入時鐘信號，時鐘上升沿將SDI端口信號輸入、時鐘下降沿將數據輸出到PRA或PRB端口上。

3.1.2 編程技巧

因為反熔絲FPGA只能一次編程，因此編程前功能測試是檢驗電路的關鍵。通過對電路邏輯的分析和仿真，實現了對電路內部所有邏輯功能和邏輯結構的100%覆蓋測試，如內部寄存器鏈、IO端口、內部邏輯單元、內部互連線、反熔絲點狀態等，并開發出了相應的測試向量，全部測試向量有近萬條。

由于測試向量較多，根據測試的內容不同進行分類，將測試相同模塊的測試向量歸為一類，形成一個測試子程序，利用ETS770測試系統的MACRO命令在主程序中調用子程序，這樣減少了測試時間，提高了測試效率。測試語句如下：

3.2 參數測試

3.2.1 直流參數測試

直流參數測試是按照器件詳細規范的要求，對所測項目施加相應的測試條件，從而得出所測參數值。器件的直流參數如表1所示。

3.2.2 交流參數測試

Binning電路延遲是指通過Binning電路的特殊路徑輸入（BIN）到輸出（BOUT）的延遲。采用搜索法進行測試。

表1 直流參數

4 結束語

介紹了一種基于反熔絲結構的FPGA電路的特點和測試技術，并著重介紹了該電路功能測試的測試要點及編程技巧。其測試程序是在ETS770集成電路測試系統上調試開發的，它可以實現對版圖進行快速驗證和準確的故障定位，從而縮短了電路設計周期，保證電路順利地研制成功。

［1］ Actel Corporation.RadHard／RadTolerant Programming Guide［S］.Actel Corporation August，2001.

［2］ 國家標準局.GB 3834-83半導體集成電路CMOS電路測試方法的基本原理［S］.中國標準出版社，2007.

Research of Test Technology Based on Antifuse FPGA

GENG Shuang
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

In this paper，the structure and the characteristics of an antifuse FPGA，the testmethods of function，DC，AC parameter of the circuit are introduced.The test essential and programming skill of the circuit function test are researched in detail.

Antifuse；Programmable；Test

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.02.005

TN4

B

1002-2279（2014）02-0013-02

耿爽（1974-），女，吉林省吉林市人，高級工程師，主研方向：集成電路測試技術。

2013-09-6

·微機網絡與通信·