运用FPGA技术对芯片的可靠性进行研究

[摘 要]本文采用电子散斑干涉技术对芯片进行检测，并使用现场可编程门阵列（FPGA）对电子散斑实验进行环境温度的自动控制，能够高速采集数据，具有实时性特点，能够更好的控制循环检测温度，减小测量误差，更加准确的推算芯片在不同环境下的寿命。

[关键词]FPGA技术可靠性ESPI温度控制

中图分类号：TN406 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0271-01

1 FPGA结构概述

现场可编程门阵列FPGA作为集成度和复杂程度最高的可编程ASIC。是ASIC的一种新型门类，它建立在创新的发明构思和先进的EDA技术之上。运算器、乘法器、数字滤波器、二维卷积器等具有复杂算法的逻辑单元和信号处理单元的逻辑设计都可选用FPGA实现。以Xilinx的FPGA器件为例，它的结构可以分为3个部分：可编程逻辑块CLB（Configurable Losic Blocks）、可编程I/O模块IOB（Input/OutputBlock）和可编程内部连接PI（Programmable Interconnect）。CLB在器件中排列为阵列，周围环形内部连线，10B分布在四局的管脚上。Xilinx的CLB功能很强。不仅能够实现逻辑函数。还可以配置成R～M等复杂的形式。

2 检测原理及方法

2.1 ESPI原理

ESPI系统是由双光束干涉系统为基本框架构成，系统的一个重要特点是被照射物体经透镜成像后的像平面要在CCD接收面上。当一束激光直接照射在粗糙物体表面后，反射经透镜成像的像平面坐落在CCD摄像机的接收面上，这束光波称为物光波。另一束与物光波对应的相干参考光经系统分光获得。散斑的产生必须具备物体表面粗糙和入射光相干强度高两点。

2.2 实验方法

被测电子元件固定在电路板上，电路板被放在一个一侧开口的恒温箱中，恒温箱的温度由外接电路控制，根据测试的需要对恒温箱的温度进行自动调节。本实验应用加速寿命实验，芯片处于工作状态。为了对实验最后处理有对比度，采取了两种测试方法：1.恒定应力加速寿命实验：测试芯片处在恒定温度环境下进行测试。2.循环应力加速寿命实验；测试芯片所处的环境应力反复循环变换。本实验的应力就是温度，恒定加速寿命实验温度恒定在60℃，而循环应力加速寿命实验温度在28℃～120℃之间循环，由电路自动控制。当需要控制在恒温时，继电器会不停的断开和闭合，当时要把温度准确控制在一个点是不可能的，肯定会有所误差，但是相比单片机的控制误差有很大的减小。需要循环温度时控制相对较易实验一些，由于加热中温度会有余热的作用，经过反复测试，大约余热在120℃为3.8℃，在28℃大时为1.3℃，因此在11.62℃和2.93℃时断开继电器。根据示波器上的波形和电子散斑上条纹的变化情况综合判断是否已经失效。

3 温度自动控制

3.1 软件开发平台

本设计的软件开发系统采用ALTERA公司的QuaurtsⅡ7.1软件包，设计输入使用硬件描述语言Veilrog。Veilrog源程序的综合过程由FPGA Express综合工具来完成。整个软件设计包括一系列转换程序、功能模拟、自动布局布线、定时仿真等过程。

3.2 硬件结构图

FPGA芯片选用ALTER公司EP1C3T144C8具有2910个逻辑单元；支持TTL、CMOS标准电平；支持外部寄存器包括DDR SDRAM，FCRAM，（SDR）SDRAM；支持多重IP核；具有104个可用I/O口。对于最低成本和高速功能的综合考虑而选用这款芯片。温度传感器使用DS18B20数字芯片。测量温度在-55℃～+125℃之间；可编程的温度转换分别率可根据应用需要在9bit～12bit之间选取；用户可编程自设置报警温度存入片内非易失性存储器中，显示温度上、下限自动报警；电源供电3.3V～5V；温度范围和精度满足实验要求，并且为单总线器件可以占用较少的I/O口资源。显示部分采用最传统的数码管显示。成本低，视角大，观察方便。

3.3 编程设计思想

此设计的难点和重点在对DS18B20的时序控制上，DS18B20采用单总线技术，在引脚方面具有很大优势。硬件电路中温度传感器采用外部电源供电，且只需一个温度传感器，所以时序操作步骤为：

Reset（复位脉冲）―Presence（应答脉冲）―SkipROM命令（跳过命令）―Convert（温度转换命令）―Reset（复位脉冲）―Presence（应答脉冲）―SkipROM命令（跳过命令）―Read（读取温度）此过程即是一个状态转换的过程，所以采用了状态机的方式编写DS15B20通信模块的程序。

3.4 DS18B20通信模块在QuartusⅡ环境下的时序仿真：

写时隙有两种：写“1”和“0”。所有的读写时隙至少需要60μs，且每两个独立的时隙之间至少需要1μs的恢复事件。在写时隙中，主机将在拉低总线15μs内释放总线，并像DS18B20写“1”；若主机拉低总线后能保持至少60μs的低电平，则向单总线写“0”。便于观察，在程序中把60μs时隙用6个时钟周期来表示，1μs的恢复时间即一个时钟周期作为恢复时隙。其总线（bus_1wire）时隙为跳过命令（即11001100），其中能看到有一个时钟的时间总线处于高阻状态，就是模拟的1μs的恢复时隙cnt_bit为对一个字节的位的计数寄存器变量，cnt_delay为延时变量。

4 实验结果

本文以TL082作为测试对象，分别在60℃恒温，28℃～100℃循环温度下检测记录失效时间。温度显示和计时显示是分时读取的。

5 结论

温度的准确控制对于芯片可靠性的研究具有至关重要的意义。本文在电子散斑干涉技术测量芯片寿命的实验中使用FPGA技术对测量中的温度实行自动控制，较大程度上减小测量误差，与传统的单片机控制电路相比在温度控制方面具有高速的优点，并且源程序具有较好的移植性，作为控制电路具有实时性和准确性的优点。FPGA正在迅猛发展，渗透着各个行业和领域，在数据采集、电路控制和源代移植性方面具有很大的优势。

参考文献

[1] 孙建刚.改进的电子散斑干涉法[J].山东大学学报，2005，35（4）：115―120.

[2] 李喜德.散斑检测技术及其应用[J].理化检验.物理分册，2004，40（5）：245―252.

[3] 李振伟.基于EDA技术的FPGA设计探究[J].科技信息（科学教研），2008，18：412.