Cách thức thiết kế RAM, SRAM, DRAM

[hithere123]

Chào bạn Rommel.de,

Không biết mình hiểu có đúng ý bạn không, nhưng mô tả của bạn về eFuse hình như là có chút nhầm sang Fuse thông thường. Theo mình biết eFuse không phải là dùng dòng điện cao để "đốt" kim loại "bay hơi". Loại đốt kim loại là Fuse thông thường và mình cũng không thấy nó bay hơi. Chip đầu tiên trong đời của mình làm là LDO với dòng tiêu thụ thấp (1uA) và để thay đổi điện áp ra mình dùng Fuse để trim khối điện trở hồi tiếp. Fuse của mình có cấu tạo giống như hai đầu bút chì đấu đầu vào nhau, và khi có một dòng điện chạy qua thì phần tiết diện giữa hai đầu "bút chì" đó tiêu thụ công suất lớn nhất (điện trở lớn) và làm "đứt/tách rời" tiết diện (không bay hơi, làm đứt chủ yếu do co dãn của kim loại), do đó điện trở thay đổi từ 0 tới vô cùng. Nguyên lý giống hệt cầu chì trong các mạng điện chỉ khác là không ngửi thấy khói (tức là không bay hơi). Cách này rất cũ rồi và gần như hiện nay không ai dùng nữa do các yếu tố ký sinh.
Còn eFuse mà bạn đề cập tới là công nghệ mới (gần đây thôi) chủ yếu dùng trong thiết kế số. Vật liệu dùng làm Fuse không hoàn toàn là kim loại mà là Poly được dope liều cao. Do đó tính dẫn điện của nó tốt gần bằng kim loại, khi có điện áp đặt vào hai đầu thì đặc tính dẫn điện của lớp vật liệu gần kim loại này thay đổi (cấu trúc tinh thể) làm cho nó không còn là kim loại nữa (tính dẫn điện kém đi). Mình chắc là bạn đề cập tới loại mới này. Tuy nhiên mình chưa từng làm qua nên cũng không thể nói nhiều hơn, hy vọng bác Paddy sẽ kiếm được ai rành về eFuse để mọi người cùng học hỏi theo.

Thân mến.

[Rommel.de]

Chào bạn Hithere123,

Cám ơn thông tin bạn đưa. Đúng là tớ nhầm. Efuse người ta làm bằng polysilicon chứ không phải điện trở. Tớ thấy người ta dùng một đường poly rất mảnh để làm fuse, còn 2 đầu thì mạch rất to. Cái này cũng không có gì lạ vì khi ta đặt một dòng lớn lên đây mật độ dòng điện tại fuse rất cao nhưng tại mạch ngoài thì nhỏ hơn. Tớ tưởng nó cũng giống như laser fuse là sau khi bị một dòng điện lớn chạy qua thì nó bị bốc hơi nên điện trở tăng lên. Bạn nói nó thay đổi cấu trúc tinh thể nên tớ mới biết là không phải.

Tớ nói laser fuse đốt kim loại bốc thành hơi là tớ cũng nghe nói vậy thôi chứ tớ có nhìn thấy bao giờ đâu. Nhưng dù sao nghe cũng có lý phải không bạn. Tớ thấy bạn biết nhiều hơn tớ, cả thiết kế lẫn chế tạo. Tớ chỉ biết thiết kế thôi.

Anh Paddy, em nói laser fuse làm tăng điện trở là vì em biết mạch đọc laser fuse phân biệt mức 0, và 1 qua điện áp được tạo ra từ dòng điện chạy qua fuse. Em nghĩ có lẽ người ta không dám đốt 100% vì sợ đốt luôn xuống bên dưới. Còn nhôm thì đúng là bị oxi hóa nhưng ý của em là nhôm không sợ oxi hóa vì nó chỉ bị ở một lớp mỏng bề mặt, phần bên trong không sao. Còn đồng thì bị oxi hóa dần dần từ ngoài vào trong. Vậy nên công nghệ dùng dây đồng phải bọc kín lại.

[hithere123]

Chào bạn Rommel.de,

Poly chính là vật liệu để làm điện trở đấy, chứ không phải như bạn hiểu ở trên: polysilicon chứ không phải điện trở.

Bạn đề cập việc dùng laser để đốt kim loại bốc hơi thì có lẽ nó giống thế này: Giả sử sau khi silicon out, IC có lỗi, người kỹ sư phải debug và đôi khi cần cắt vài dây nối chẳng hạn. Nếu chỉ phải cắt dây thôi và các dây đó nằm trên diện tích oxide cách ly giữa các linh kiện tích cực và không bị che ở phía trên bởi bất cứ lớp nào thì trên máy probe có gắn súng laser, bạn có thể điều chỉnh năng lượng để bắn xuyên thủng lớp oxide ở trên và bắn đứt đường dây nối kim loại luôn. Cái này chính là cách laser trim mà bác Paddy đã nói ở trên, chỉ có điều mình nói tới ứng dụng trong việc debug IC mà mấy anh em thiết kế thường gặp. Còn khi cần nối dây thì cần mở lớp oxide trước sau đó mới dùng dòng ion để nối dây, cái này gọi là đi làm FIB.

Vài dòng trao đổi thêm,

Thân mến.

[Rommel.de]

Chào bạn Hithere123,

Bài trước tớ viết nhầm. Tớ định viết efuse làm từ polysilicon chứ không phải kim loại mà không hiểu sao lại viết thành điện trở. Fib chip thì tớ cũng có biết nhưng không rõ người ta làm thế nào. Bạn có thể viết một bài để mọi người cùng tìm hiểu không.

Nhân tiện tớ nói thêm một chút về test mode với các bạn. Ngoài mạch test để kiểm tra xem chip chạy đúng hay không người ta còn làm mạch burn in mode nữa. Mạch này chỉ dùng trong quá trình burn in. Tớ nghĩ bạn nào làm thiết kế cũng đều biết cái này rồi nhưng tớ muốn nói một chút để các bạn sinh viên có thể tìm hiểu.

Người ta thấy nhiều chip thường hỏng trong thời gian sử dụng rất ngắn. Nếu trong thời gian này mà chip không hỏng thì nó sẽ sống rất lâu. Vậy nên người ta muốn chạy chip lúc đầu (giống như chạy rốt đa cho xe máy vậy) sau đó sẽ test lại. Nhưng nếu cứ chạy vậy thì lâu quá nên người ta phải làm ra cách chạy nhanh hơn đó là burn in mode. Trong chế độ burn in mode, điện áp được tăng cao, và mạch chạy hết công suất. Nó giống như ở nhà mọi người muối dưa, nếu trời ấm thì dưa sẽ chua nhanh hơn vậy. Người ta cho chip chạy chế độ burn in mode trong một thời gian, rồi test lại xem chip có chết không.

Thiết kế burn in mode tương đối đơn giản. Trước hết phải thiết kế lại nguồn, vì ta cần cung cấp điện áp cao hơn cho mạch. Còn lại ta cứ để mạch chạy tối đa, đọc ghi dữ liệu thoải mái, và cũng không cần kiểm tra dữ liệu vào ra, vì sau khi burn in xong ta mới đem ra test lại. Nếu tớ không nhầm thì burn in cho waffer khá nhanh chỉ vài phút, đến vài chục phút, còn burn in cho package khá lâu, lên đến hàng giờ. Cái này chắc anh Paddy biết rõ hơn tớ.

[Paddy]

Chào bạn Rommel.de,

Poly chính là vật liệu để làm điện trở đấy, chứ không phải như bạn hiểu ở trên: polysilicon chứ không phải điện trở.

Bạn đề cập việc dùng laser để đốt kim loại bốc hơi thì có lẽ nó giống thế này: Giả sử sau khi silicon out, IC có lỗi, người kỹ sư phải debug và đôi khi cần cắt vài dây nối chẳng hạn. Nếu chỉ phải cắt dây thôi và các dây đó nằm trên diện tích oxide cách ly giữa các linh kiện tích cực và không bị che ở phía trên bởi bất cứ lớp nào thì trên máy probe có gắn súng laser, bạn có thể điều chỉnh năng lượng để bắn xuyên thủng lớp oxide ở trên và bắn đứt đường dây nối kim loại luôn. Cái này chính là cách laser trim mà bác Paddy đã nói ở trên, chỉ có điều mình nói tới ứng dụng trong việc debug IC mà mấy anh em thiết kế thường gặp. Còn khi cần nối dây thì cần mở lớp oxide trước sau đó mới dùng dòng ion để nối dây, cái này gọi là đi làm FIB.

Vài dòng trao đổi thêm,

Thân mến.

FIB hay Focused Ion Beam.

Nó dùng để cắt hoặc đắp các dây điện. Và còn dùng để cắt qua lớp dielectric nữa.

FIB chỉ là một trong những thứ máy móc dùng trong phần debug thôi. Tên của nhóm debug là FA hay Failure Analysis.


Các bác có thể đọc thêm tại link dưới hay kiếm trên mạng dùng Focused Ion Beam
http://en.wikipedia.org/wiki/Focused_ion_beam

[Paddy]

Burn in I

Chào bạn Hithere123,

Bài trước tớ viết nhầm. Tớ định viết efuse làm từ polysilicon chứ không phải kim loại mà không hiểu sao lại viết thành điện trở. Fib chip thì tớ cũng có biết nhưng không rõ người ta làm thế nào. Bạn có thể viết một bài để mọi người cùng tìm hiểu không.

Nhân tiện tớ nói thêm một chút về test mode với các bạn. Ngoài mạch test để kiểm tra xem chip chạy đúng hay không người ta còn làm mạch burn in mode nữa. Mạch này chỉ dùng trong quá trình burn in. Tớ nghĩ bạn nào làm thiết kế cũng đều biết cái này rồi nhưng tớ muốn nói một chút để các bạn sinh viên có thể tìm hiểu.

Người ta thấy nhiều chip thường hỏng trong thời gian sử dụng rất ngắn. Nếu trong thời gian này mà chip không hỏng thì nó sẽ sống rất lâu. Vậy nên người ta muốn chạy chip lúc đầu (giống như chạy rốt đa cho xe máy vậy) sau đó sẽ test lại. Nhưng nếu cứ chạy vậy thì lâu quá nên người ta phải làm ra cách chạy nhanh hơn đó là burn in mode. Trong chế độ burn in mode, điện áp được tăng cao, và mạch chạy hết công suất. Nó giống như ở nhà mọi người muối dưa, nếu trời ấm thì dưa sẽ chua nhanh hơn vậy. Người ta cho chip chạy chế độ burn in mode trong một thời gian, rồi test lại xem chip có chết không.

Thiết kế burn in mode tương đối đơn giản. Trước hết phải thiết kế lại nguồn, vì ta cần cung cấp điện áp cao hơn cho mạch. Còn lại ta cứ để mạch chạy tối đa, đọc ghi dữ liệu thoải mái, và cũng không cần kiểm tra dữ liệu vào ra, vì sau khi burn in xong ta mới đem ra test lại. Nếu tớ không nhầm thì burn in cho waffer khá nhanh chỉ vài phút, đến vài chục phút, còn burn in cho package khá lâu, lên đến hàng giờ. Cái này chắc anh Paddy biết rõ hơn tớ.

Tớ chưa nghe thấy burn in trên wafer vì làm sao mà đem điện vô một wafer mà có vài chục ngàn dice.

Trong kỹ nghệ kêu mấy con chip chết non là infant mortality. Tùy theo kỹ nghệ (CMOS, Bipolar) và loại chíp, khoảng 20 năm trước thì RAM hay chết non trong khoảng 20-30 giờ đầu tiên. Sau đó thì đa số là chết già (chục năm dùng liên tục). Một số rất ít chết trong khoảng giữa.

Để cho loại những con chết non, thì người ta dùng burn in. Kiểu như dân Thượng đem con mới sinh ra suối tắm. Đứa nào yếu là tỏi liền, không thì sống tới già luôn.

Burn in có 2 lối chính. Dynamic và static.

Dynamic: có xung vô chân input. Còn static thì mỗi chân được gắn vào nguồn như Vcc hay Gnd.

Cả 2 đều có mục đích là tạo stress cho chip coi nó có mau chết không. Tuy nhiên nếu chỉ có stress không thì phải tốn rất nhiều thời gian để qua tuổi chết non (20-30 giờ). Để rút ngắn thời gian, người ta nâng nhiệt độ lên cao làm cho chip bị stress cao hơn. Cứ 1 giờ tại nhiệt độ X thì bằng vài giờ tại nhiệt độ thường (25C). Cái bảng nhiệt độ này tùy theo loại chip và kỹ nghệ cũng như hãng làm ra nó.

Với 1 con SRAM thì burn in time cho đồ commercial là 12 giờ tại 128 C. Tại sao lại dùng 128C ? Vì kỹ nghệ lúc ấy đòi hỏi chip burn in tại 125C. Nếu dưới 125 độ bất cứ lúc nào trong 12 tiếng ấy thì phải làm lại từ đầu, 128C là để "trừ hao". Tức là 12h tại 125 độ mà không bị giảm nhiệt độ. Vcc thì thường là tại 5.75V. Ngoải ra mỗi con chip tại nhiệt độ ấy cần vài mA. Trên một bo burn in có vài trăm chip thì cần , thí dụ, 4.5A. Với con số này thì họ sẽ dùng cầu chì 5A. Nếu trong thời gian 12h mà cầu chì chết thì phải lập lại từ đầu. Tại sao không dùng 10A fuse ? Vì họ muốn biết coi con chip có chạy đúng với design không. Vì có nhiều con chip nâng nhiệt độ lên mà chạy quá giòng thì sẽ gây họa cho cái bo.

Trong quá trình 12 tiếng, nhân viên phải mở cứa lò nướng (kêu là oven) để coi signal có đúng không khi nhiệt độ lên 128C và ngay sau khi xong 12h. Nếu mất xung, mất điện, cháy fuse, thì phải làm lại từ đầu.

Có một hãng tớ làm burn in cho hàng SRAM của họ, số chết non là 80%. Cái này là kỹ nghệ 20 năm trước, bây giờ thì không biết.

Cho đồ quân sự thì 153C (vì đòi hỏi tại 150C).

Có loại burn in kêu là 85/85 tức là 85C tại độ ẩm 85%.