通常以典型方式測(cè)試“典型”

典型（典型）通常是集成電路（IC）測(cè)試中最容易被誤解的詞。典型值不能直接測(cè)試，因?yàn)樗鼈兪墙y(tǒng)計(jì)值。我們將討論如何閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)以了解測(cè)試的參數(shù)和條件。突出了制造 （fab） 參數(shù)，包括工藝標(biāo)準(zhǔn)偏差、晶圓廠工藝拐角、六西格瑪質(zhì)量保護(hù)帶和百萬(wàn)分之幾缺陷零件 （DPMO） 概念。

循環(huán)邏輯

“這是一個(gè)謎語(yǔ)嗎？”你說(shuō)。不。這個(gè)標(biāo)題聽(tīng)起來(lái)像是在循環(huán)，真正的循環(huán)邏輯，但它提出了一個(gè)觀點(diǎn)。典型（典型）通常是（啊，是的，現(xiàn)在我和你玩得很開(kāi)心?。┘呻娐罚↖C）測(cè)試中最容易被誤解的詞。還有其他詞來(lái)描述它的概念：代表性、象征性、通常、正常、標(biāo)準(zhǔn)、主流、平均、平均和傳統(tǒng)。困惑？在IC領(lǐng)域，典型被定義為具有一組零件的特性。很好，但正如古老的英語(yǔ)諺語(yǔ)所說(shuō)，這就像“像泥一樣清澈”。1讓我們說(shuō)出IC測(cè)試的一個(gè)狡猾的秘密：IC數(shù)據(jù)手冊(cè)上的典型表示未測(cè)試。在那里，秘密就出來(lái)了。那么，為什么IC制造商要費(fèi)心陳述典型值呢？讓我解釋一下。

典型值和種類(lèi)范圍

典型的IC值不能直接測(cè)試，因?yàn)樗鼈兪且粋€(gè)統(tǒng)計(jì)值。例如，這就像說(shuō)人類(lèi)成年人的平均身高是 5 英尺 5 英寸。測(cè)量任何一個(gè)人都無(wú)法確定平均身高、平均身高或典型身高。人類(lèi)學(xué)家可以測(cè)量人類(lèi)每個(gè)種族的身高，或者統(tǒng)計(jì)測(cè)量人口樣本。然后，統(tǒng)計(jì)學(xué)家知道樣本的大小，可以計(jì)算平均值的置信水平。從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講，IC的此過(guò)程是相同的。IC設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)仿真測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)典型值。同樣，典型旨在為電路設(shè)計(jì)人員提供一般指導(dǎo)。

IC數(shù)據(jù)手冊(cè)通常列出以下幾類(lèi)規(guī)格：

絕對(duì)最大值表示不要超過(guò)，否則零件可能會(huì)斷裂。

電氣特性是一般測(cè)試條件，除非另有說(shuō)明。

最?。?strong>最小值）、典型值（典型值）和最大值（最大值）規(guī)格是具有指定單位和條件的測(cè)量值。請(qǐng)注意，“條件”是“除非另有說(shuō)明”的修改。

注釋修改、限制和闡明測(cè)試的內(nèi)容以及如何進(jìn)行測(cè)試。

看一個(gè)常見(jiàn)的例子會(huì)有所幫助。以下是從不同IC制造商的各種數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲取的一般規(guī)則。

除非另有說(shuō)明，否則將按照電氣特性一般條件的規(guī)定測(cè)試最小值和最大值。您可能會(huì)看到“T一個(gè)= T最低到 T.MAX，除非另有說(shuō)明。典型值為 T一個(gè)= +25°C?！斑@意味著環(huán)境溫度（T一個(gè)） 等于為工作溫度列出的最小值和最大值，除非制造商另有說(shuō)明。典型值為 T一個(gè)僅 +25°C。注釋如下，常見(jiàn)的是：

注 1：所有器件均在 +25°C 下 100% 經(jīng)過(guò)生產(chǎn)測(cè)試，并通過(guò) T 設(shè)計(jì)保證一個(gè)= T最低到 T.MAX，如指定。

注2：線性度在GND和AVDD的20mV范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，允許增益和失調(diào)誤差。

注3：2047以上的代碼保證在±8 LSB（最低有效位）以?xún)?nèi)。

注4：增益和失調(diào)在GND和AVDD的100mV范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。

注5：通過(guò)設(shè)計(jì)保證。

注1和注5的末尾寫(xiě)著“通過(guò)設(shè)計(jì)保證”。這值得更多解釋。所有IC制造（晶圓廠）工藝都有變化。由于組件和多層非常小，幾乎任何東西都會(huì)引起更改。這些偏差是品種的正常范圍。

我們將使用MAX5134–MAX5137數(shù)據(jù)資料的一部分來(lái)解釋這些筆記（圖1）。

圖1.MAX5134–MAX5137數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）系列數(shù)據(jù)資料中的值。

注1表示，無(wú)論數(shù)據(jù)手冊(cè)前面提到的溫度如何，靜態(tài)精度僅在室溫（+25°C）下測(cè)試。其余工作范圍由“設(shè)計(jì)保證”覆蓋。（我們將很快解釋這一點(diǎn)。

筆記2和4常見(jiàn)于軌到軌運(yùn)算放大器和緩沖輸出DAC。請(qǐng)注意，輸出電壓范圍在“無(wú)負(fù)載”條件下被編目。這是因?yàn)樗^的軌到軌運(yùn)營(yíng)，老實(shí)說(shuō)，是一廂情愿的想法。它并不完美，但肯定比具有輸出電路的舊設(shè)備要好得多，這些設(shè)備從電壓軌開(kāi)始耗盡一伏特的電流。

注3對(duì)于DAC很常見(jiàn)。低于底部（通常是接地）的數(shù)字和頂部電壓軌附近的數(shù)字上方的代碼不像中心代碼那樣線性。在這里，在總共 65，536 個(gè)代碼中，底部的 2047 個(gè)代碼的 INL（積分非線性）為 ±10 LSB;在2047年以上，INL只有±8個(gè)LSB。

讓我們暫時(shí)離題?？紤]為您的房屋購(gòu)買(mǎi)油漆。家居中心鼓勵(lì)您攜帶一塊布料，以便他們可以在他們的配色機(jī)上完全匹配其顏色。然后他們?nèi)“咨灼?，機(jī)器會(huì)自動(dòng)添加多種顏料以獲得“完全匹配的顏色”。對(duì)購(gòu)買(mǎi)的每罐油漆重復(fù)此過(guò)程。在所有這些完全匹配之后，他們告訴您該怎么做？專(zhuān)業(yè)畫(huà)家是做什么的？拿起所有的油漆罐并將它們混合在一起。為什么？人眼和大腦可以更精確地比較顏色，因此可以在“精確匹配”機(jī)器上看到不同混合的任何殘留顏色錯(cuò)誤。這并不完全是機(jī)器的錯(cuò)?；旌蠙C(jī)的計(jì)量閥、分色濾光片、增益和偏移的校準(zhǔn)并不完美。顏料本身甚至具有可接受的顏色和粘度范圍。涂裝過(guò)程不斷進(jìn)行，公差增加、組合，有時(shí)還會(huì)相乘，以產(chǎn)生小而可見(jiàn)的誤差——品種范圍、標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖2是普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)偏差或鐘形曲線。黑色實(shí)線代表我們希望看到的正態(tài)分布。綠色虛線表示該過(guò)程已移至居中的右側(cè) - 希望我們了解導(dǎo)致此偏差的原因，以便我們可以糾正它。藍(lán)色長(zhǎng)虛線是一條分叉曲線，可能是兩個(gè)參數(shù)在移動(dòng)。當(dāng)許多不同的因素可以改變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更復(fù)雜的曲線。這就是為什么專(zhuān)業(yè)油漆工在將油漆涂在墻上之前將罐子混合在一起的原因。平均誤差不是很好嗎？

圖2.過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)偏差或鐘形曲線。變化的因素越多，曲線就越復(fù)雜。

補(bǔ)償過(guò)程變化

為了確保IC符合其規(guī)格，在IC制造過(guò)程中設(shè)計(jì)了幾層工程安全因素，以平均可能的誤差。沒(méi)有工程團(tuán)隊(duì)愿意運(yùn)送“不合格”的零件。因此，設(shè)計(jì)人員在零件規(guī)格方面留有充足的回旋余地，然后測(cè)試和QA工程師期望預(yù)期變化的“六西格瑪限制”。由此產(chǎn)生的性能規(guī)格非常保守。

設(shè)計(jì)過(guò)程彌補(bǔ)了許多設(shè)計(jì)、制造和過(guò)程差異。因此，設(shè)計(jì)人員使用仿真工具來(lái)探索晶圓廠工藝變化的“角落”。推理很簡(jiǎn)單。如果他們擔(dān)心角落，那么過(guò)程的中心就會(huì)很好。然后，他們修改電路，使其對(duì)這些過(guò)程角落盡可能免疫。最極端的角落是熱-快和冷-慢（見(jiàn)圖 3）。冷熱是溫度?？焓歉咴鲆妫唠娮舆w移率;慢則相反。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化，但不能優(yōu)化所有內(nèi)容。因此，不會(huì)處理未指定的參數(shù)。

圖3.IC工藝晶圓廠的變化。

了解六西格瑪2

六西格瑪最初由摩托羅拉的比爾史密斯于1986年開(kāi)發(fā)，作為一套旨在改進(jìn)制造工藝和消除缺陷的實(shí)踐。Sigma（小寫(xiě)希臘字母σ）用于表示統(tǒng)計(jì)總體的標(biāo)準(zhǔn)差（即變異度量）。術(shù)語(yǔ)“六西格瑪過(guò)程”的前提是，如果過(guò)程的平均值和最接近的規(guī)格限值之間有六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，那么實(shí)際上就沒(méi)有不符合規(guī)范的項(xiàng)目。該結(jié)論基于過(guò)程能力研究中采用的計(jì)算方法。

在能力算例中，過(guò)程均值與最接近的規(guī)格限之間的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)以西格瑪單位給出。隨著過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)偏差的上升，或者隨著過(guò)程的平均值遠(yuǎn)離公差中心，在平均值和最接近的規(guī)格限之間擬合的標(biāo)準(zhǔn)偏差將減少。這會(huì)減少西格瑪數(shù)。

1.5西格瑪轉(zhuǎn)變的作用

經(jīng)驗(yàn)表明，從長(zhǎng)期來(lái)看，進(jìn)程通常不如短期內(nèi)那么好。因此，過(guò)程均值和最接近的規(guī)格限之間的西格瑪數(shù)量可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。與最初的短期研究相比，這已被證明是正確的。為了解釋過(guò)程變化隨時(shí)間的實(shí)際增加，在計(jì)算中引入了基于經(jīng)驗(yàn)的 1.5 西格瑪偏移。根據(jù)這個(gè)前提，在短期研究中，在過(guò)程均值和最接近的規(guī)格限之間擬合六西格瑪?shù)倪^(guò)程在長(zhǎng)期內(nèi)只能符合4.5西格瑪。發(fā)生這種情況是因?yàn)檫^(guò)程均值將隨時(shí)間移動(dòng)，或者過(guò)程的長(zhǎng)期標(biāo)準(zhǔn)差將大于短期內(nèi)觀察到的標(biāo)準(zhǔn)差，或兩者兼而有之。

因此，廣泛接受的六西格瑪過(guò)程定義是產(chǎn)生百萬(wàn)分之三缺陷零件 （DPMO） 的過(guò)程。此定義基于這樣一個(gè)事實(shí)，即正態(tài)分布的過(guò)程將具有百萬(wàn)分之 3.4 的分?jǐn)?shù)，超出高于或低于平均值 4.5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的點(diǎn)。（這是一個(gè)片面的能力研究。因此，六西格瑪過(guò)程的 3.4 DPMO 實(shí)際上對(duì)應(yīng)于 4.5 西格瑪，即六西格瑪，減去為解釋長(zhǎng)期變化而引入的 1.5 西格瑪偏移。該理論旨在防止低估實(shí)際操作中可能遇到的缺陷水平。

當(dāng)考慮 1.5 西格瑪偏移時(shí)，短期西格瑪水平對(duì)應(yīng)于以下長(zhǎng)期 DPMO 值（單側(cè)）。

1 西格瑪 = 690，000 DPMO = 31% 效率

兩個(gè)西格瑪 = 308，000 DPMO = 69.2% 效率

三西格瑪 = 66，800 DPMO = 93.32% 效率

四西格瑪 = 6，210 DPMO = 99.379% 效率

五西格瑪 = 230 DPMO = 99.977% 效率

六西格瑪 = 3.4 DPMO = 99.9997% 效率

結(jié)論

我們相信，上述討論有助于解釋晶圓廠測(cè)試背后的原因，以及典型值如何真正典型（即正常）。

現(xiàn)在讓我們更進(jìn)一步。假設(shè)我們要設(shè)計(jì)一種將在測(cè)試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用的測(cè)量?jī)x器。為了設(shè)置儀器規(guī)格，我們需要了解和控制組件制造變化。知道我們使用的 IC 是精確的六西格瑪，有助于我們對(duì)最終的儀器規(guī)格充滿信心。在這里我們補(bǔ)充說(shuō)，儀器將在室溫下運(yùn)行。您可能錯(cuò)過(guò)了這一點(diǎn)，但是上面我們指定了一個(gè)“測(cè)試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境”。這是一個(gè)關(guān)鍵規(guī)范。如果該儀器用于現(xiàn)場(chǎng)使用，則必須明確指定特定操作區(qū)域的溫度、濕度和大氣壓力。對(duì)于醫(yī)療用途，我們必須回答哪些患者特定的部分需要消毒或一次性使用。如果儀器可以在太空或火箭上使用，需要什么振動(dòng)、大氣壓力、輻射硬度、耐溫性？

審核編輯：郭婷