一种基于反熔丝结构的FPGA测试技术研究

耿 爽

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

一种基于反熔丝结构的FPGA测试技术研究

耿 爽

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

介绍了一种基于反熔丝结构的FPGA电路结构及特点，阐述了该电路的功能、直流参数、交流参数的测试方法，并着重研究了该电路功能测试的测试要点及编程技巧。

反熔丝；可编程；测试

1 引 言

反熔丝FPGA具有保密性强、功耗低、抗辐射能力强、耐高低温等优点，因此反熔丝FPGA在保密通信产品中具有特殊应用。由于反熔丝FPGA为一次性可编程器件，如何在未编程的情况下完成反熔丝FPGA功能及参数测试是反熔丝FPGA测试的关键。下面以我所研制的一款反熔丝FPGA产品为例，介绍反熔丝FPGA的测试技术。

2 电路简介

2.1 功能框图

该电路由可编程逻辑单元CELL、可编程输入输出单元I／O及互连资源组成。通过编程，实现用户需要的逻辑功能。电路功能框图如图1所示。

2.2 电路特点

反熔丝控制的FPGA器件是用反熔丝单元来控制可编程器件内可编程节点的通断，使芯片中每一部分具有应有的逻辑功能，以实现器件的设计功能。反熔丝单元是一个被动的两端器件中，通常情况下处于开路状态，在施加充足的电压后，介质会被击穿，把两层导电材料连通，接通电阻小于1k欧姆。反熔丝在硅片上只占一个通孔的面积，在一个2000门的器件，可以设置186000个反熔丝，平均每门接近100个反熔丝。因此，反熔丝元件占用的硅片面积很小，十分适宜做集成度很高的可编程器件的编程元件。其特点是工作稳定可靠，但只允许编程一次。

图1 电路功能框图

3 电路测试

测试在集成电路的研制过程中起到了举足轻重的作用。通过测试可以验证版图，进行故障定位。电路的测试包括功能测试、直流参数测试和交流参数测试三部分。其中，功能测试是电路测试的关键。

3.1 功能测试

电路的功能测试包括编程前功能测试和编程后功能测试。编程前功能测试包括器件ID测试、移位寄存器链测试、输入／输出端口测试、逻辑单元功能测试、反熔丝阵列查空测试。编程后功能测试按照编程电路的实际功能进行测试。编程前功能测试是反熔丝FPGA功能测试的重点。

（1）编程点状态测试

编程点状态测试是电路出厂之前必须通过的检查，包括ID读取，反熔丝阵列检查等测试，通过测试程序完成查空测试。

反熔丝点数字信号检测方法是通过下载测试指令，选择相应的反熔丝点，加载一定的电压，读取相应的信号状态，来判断反熔丝点是否导通。

（2）寄存器链测试

通过SDI端口写入测试数据，以DCLK为时钟，从PRA、PRB端口读出相应数据。

（3）I／O输出状态测试

通过下载测试指令，将通用I／O置成三态输出状态、“1”输出状态或“0”输出状态，并进行端口测试，判断I／O端口的功能是否正确，每个I／O端口对应一组测试码点。

（4）互联通道测试

互联通道测试包括垂直通道和水平通道测试，是对通道内的连线分段晶体管结构的测试。

（5）逻辑单元功能测试

电路中有两个专用的探测端口PRA和PRB（Action Peobes）。在测试模式下，选择任何一个内部逻辑模块的输出，通过专用的垂直互连线，输出到PRA或PRB端口。通过这种方式，可以实现逻辑单元功能测试。

上述测试码点覆盖了电路中的所有逻辑结构，按此测试程序，完成了电路的编程前功能测试。

3.1.1 测试要点

该电路编程前功能测试使用串行数据的测试方法，数据由SDI端口读入，DCLK端口作为时钟。数据下载到内部逻辑和I／O模块的输入端，完成逻辑功能测试，结果通过PRA、PRB端口输出。

该电路的编程前功能测试使用串行时序，故编程时必须注意SDI、DCLK、PRA、PRB的时序关系。DCLK为输入时钟信号，时钟上升沿将SDI端口信号输入、时钟下降沿将数据输出到PRA或PRB端口上。

3.1.2 编程技巧

因为反熔丝FPGA只能一次编程，因此编程前功能测试是检验电路的关键。通过对电路逻辑的分析和仿真，实现了对电路内部所有逻辑功能和逻辑结构的100%覆盖测试，如内部寄存器链、IO端口、内部逻辑单元、内部互连线、反熔丝点状态等，并开发出了相应的测试向量，全部测试向量有近万条。

由于测试向量较多，根据测试的内容不同进行分类，将测试相同模块的测试向量归为一类，形成一个测试子程序，利用ETS770测试系统的MACRO命令在主程序中调用子程序，这样减少了测试时间，提高了测试效率。测试语句如下：

3.2 参数测试

3.2.1 直流参数测试

直流参数测试是按照器件详细规范的要求，对所测项目施加相应的测试条件，从而得出所测参数值。器件的直流参数如表1所示。

3.2.2 交流参数测试

Binning电路延迟是指通过Binning电路的特殊路径输入（BIN）到输出（BOUT）的延迟。采用搜索法进行测试。

表1 直流参数

4 结束语

介绍了一种基于反熔丝结构的FPGA电路的特点和测试技术，并着重介绍了该电路功能测试的测试要点及编程技巧。其测试程序是在ETS770集成电路测试系统上调试开发的，它可以实现对版图进行快速验证和准确的故障定位，从而缩短了电路设计周期，保证电路顺利地研制成功。

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

［2］ 国家标准局.GB 3834-83半导体集成电路CMOS电路测试方法的基本原理［S］.中国标准出版社，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，高级工程师，主研方向：集成电路测试技术。

2013-09-6

·微机网络与通信·