熔丝类电路的修调探索

张鹏辉，王己钢

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

熔丝（Fuse）结构在AC-DC、DC-DC、LDO等类型的IC中得到了广泛应用，一般用来在圆片测试阶段调整基准电压或者基准频率，修调（Trim）的目的是把熔丝断路，使Trimpad间的电阻尽可能接近理论值，针对不同的工艺和熔丝结构，需要选择不同的修调方式，使电路参数更精确、一致性更好，同时还要考虑修调熔丝对良率的影响。

2 熔丝结构

熔丝就是连接在两个bandpads之间的用金属或者多晶硅以最小宽度短接在一起的部分，在bandpad之间通过一个大的电流，就会引起熔丝材料熔断或者气化，形成断路。按照制造工艺划分，熔丝一般可分为金属和多晶硅两种，图1为金属熔丝与多晶硅熔丝的示意图。按在管芯上的排列方式又可以分为TrimPad并行连接某bandpad和TrimPad之间串联两种结构，图2为串行熔丝与并行熔丝示意图。金属熔丝与多晶硅熔丝因材料本身的特性有较大区别，在电阻值上，一般的金属熔丝阻值接近0 Ω，而多晶硅熔丝的阻值较大，视工艺情况一般在50 Ω到200 Ω左右。在温度特性上，以常用的铝熔丝为例，铝的融化温度在660℃左右，沸腾温度约2470℃左右，而多晶硅的融化温度（约1 410℃）远高于铝，但是多晶硅非常脆弱，在热力场的作用下容易破裂。因此不同的工艺和结构，选择的修调方式也不同。

3 熔丝的修调方式

3.1 常用的修调方式

一般使用电容或者测试系统的电源提供一个电流，通过继电器控制，达到熔断某段熔丝的目的。电容方式在修调串联熔丝时电路结构简单，修调时电容的正负两端接Trimpad，对电路的地没有干扰，并且采用大电容时可以提供较大的瞬间电流，对某些难以熔断的熔丝有较好的作用。 而测试系统的电源则可以方便地调节钳位电流，防止因电流过大烧坏电路。图3是常用的电容修调方式示意图。

在修调时，继电器先不工作，给TrimPower端加修调电压，通过继电器常闭端给电容C1充电，等待一定时间后，向继电器UR端发送低电平控制信号，C1的正负两端与TrimPower和GND断开，接到FUSE的两端，C1放电熔断熔丝。此时电路的其他管脚特别是GND和C1是隔离的，修调时对电路的影响较小。

如果采用测试系统的电源直接修调，可以把图3中的TrimPower和GND直接连到继电器UR1公共端。修调前先用电源使TrimPower端加上电，然后闭合继电器UR1，Trimpower与Fuse1的一端短接，Fuse1的另一端与地短接，两端产生压差，流过的电流把熔丝熔断。

3.2 使用MOSFET代替继电器进行控制

继电器作为一种机械开关，其开关时间是毫秒级的，并且在触点开闭过程中有可能造成修调电压异常。前文介绍过某些熔丝容易破裂，如果修调电压上升的时间过慢，有可能在熔丝熔断前就已经破裂，这种破裂有可能造成断路不彻底，影响电路良率。在实际应用中，可以将继电器替换为MOSFET，以提高响应速度。

图4中，正常情况下UR1为高阻态，三极管Q2处于导通状态，MOSFET的G端为低电平，MOSFET不导通。修调时先闭合UR2，使熔丝一端与MOSFET的S端短接，然后向UR1发送低电平信号，三极管Q2截止，Q1的G端为高电平24V，Q1导通，电流由TrimPower流入将熔丝熔断，图4中电阻主要起限流保护作用。由于MOSFET的开关速度在纳秒级，不仅可以使某些熔丝融断的更彻底，还可以节约一定的测试时间，降低测试成本。

3.3 选择合适的修调条件

普通的铝熔丝因为其融化温度低，较易熔断，一般修调电压为3V～5V，如果使用电源直接修调，钳位电流在200mA～500mA即可。如果使用电容修调，可选择100 μF～470 μF的电解电容。而针对多晶硅熔丝，一般需要较高的电压和较大的电流，同时对电压的上升时间有较高要求，考虑电路的耐压性能，可以选用4V～8V修调。修调需要的电压电流跟熔丝本身的宽度、厚度也有一定关系，越宽越厚的熔丝可以承载更多的电流，同时需要更多的热量才能熔断，一般熔丝宽度是在设计时决定的，厚度是由工艺条件决定的。实际修调中并不需要精确计算出熔断所需的热量，而是通过实验观察熔断情况而确定具体的电压电流值。

对于串联结构的熔丝，一般选择电容方式为宜，如图2（a）所示。如果选用电源方式修调fuse3，在PAD1加5V电压，PAD2接测试系统GND，则PAD1对芯片的GND脚也存在压差，在某些特殊情况下电流有可能通过fuse1、fuse2而把fuse1、fuse2熔断。而采用电容方式时，PAD1接电容正极，PAD2接电容负极，电压差只存在于PAD1与PAD2之间，较为安全。如果必须选择电源方式修调熔丝，可在芯片GND脚和测试系统GND之间加一个继电器，仅在测试其他参数时闭合，修调时断开。

图5 修调时损坏的电路照片

如果在修调时选择的方式或者电压电流不恰当，有时会造成严重后果，如图5所示。这是一个电路芯片的局部放大照片，可以看到，右边区域出现了烧坏的痕迹。造成这个现象的原因有两个：第一，这个电路使用电源直接加电修调，在加电压时电路的GND和测试系统的GND没有断开，于是下方的trimpad和芯片周围的gnd线路产生了压差；第二，修调电压过大，钳位电流也设定的过大，大电流通过使电路造成了损坏。所以在选择修调条件时一定要谨慎。

总而言之，具体选择修调条件时要先针对电路特性和工艺条件进行预估，然后还需要进行实验，通过选择不同的连接方式和电压电流条件，观察熔丝的熔断情况和电路参数的变化情况，然后选择一种使熔丝熔断彻底，同时对电路的其他性能影响最小的方法进行生产。

4 熔丝修调的程序编写

4.1 参数范围逐个判断法

以某电路为例，其熔丝与参数的对应表见表1。

表1 某电路熔丝与参数对应表

其修调程序可以这样写：

这种算法的特点是简单直接，其判断部分和实际修调的执行部分分开，是对传统算法的一种改进，这样简化了程序行数，方便阅读和修改，尤其是在进行修调实验时，可以很方便地通过给a、b、c、d等变量赋值来强制修调某些熔丝，以采集实验数据。但是这样写的缺点是程序较为繁琐，如果熔丝较多，需要较多的if……else指令来判断范围。有的电路分为不同的版本，如果用这种写法，要修改不同的目标值时，就要修改很多条判断指令。并且，很多电路每段熔丝所能修正的值会依流片批次的工艺差别而略有波动，在修改程序时也要修改很多条指令，容易造成隐患。

4.2 以目标值为中心法

一般情况下，大部分电路的每段熔丝能修调的值是固定的，如果不同批次间有差异，各段熔丝之间的比例也通常能保持一致。还以表1为例，注意到该电路每根熔丝所能修调的Iout值呈比例关系，设最小一段fuse4的熔丝能修调的值为LSB，要修调的目标值为Itarget，修调前的测试值为Iout，并且fuse3熔断后的变化值是fuse4的2倍，即2LSB，fuse2和fuse1以此类推。假设某个批次的该电路熔丝部分发生了偏差，fuse4的熔断变化值LSB’=n×LSB，则fuse3的变化值一般为2×LSB’=2×n×LSB，仍然与fuse4呈2倍关系。具体的修调判断可以通过下面的算法进行：

这种算法在需要修改目标值或者修正批次间差异的时候非常方便，只需要更改变量Itarget或LSB的值即可，程序更加简洁，不易出错，可维护性更好。

5 结语

随着熔丝类电路的普及，测试环节在集成电路生产中的重要性越来越高。在熔丝类电路的修调中，测试人员必须谨慎选择合适的修调方法，尽可能提高修调的成功率，并尽可能使修调程序简洁易读、维护方便，充分满足客户稳定批量生产的要求，才能在激烈的市场竞争中占有一席之地。

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