反熔丝FPGA的后端设计与实现

作     者：毛宇 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任敏;袁思彤

授予年度：2017年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080902[工学-电路与系统] 08[工学] 

主      题：反熔丝 FPGA 全定制版图 自定义器件 可靠性 

摘      要：FPGA (Field Programming Gate Array,现场可编程门阵列)作为一种半定制专用集成电路(ASIC),相比全定制ASIC,具有更加灵活、快速、低成本等特点,广泛应用于超大规模集成电路(Very Large Scale Integration Circuit,VSLI)的外围电路中。反熔丝FPGA是一种一次可编程FPGA,具有非易失性、高保密性、高可靠性、抗辐照等优势,被广泛应用于军工、航天航空和通讯卫星领域。而在国内,反熔丝FPGA研究起步晚,远远落后于国际先进水平,反熔丝FPGA的使用非常依赖进口。目前,国家在军事、航空航天、卫星通讯等领域发展迅速,对反熔丝FPGA的需求日益激增,过度依赖进口对国家的发展绝对是起抑制作用的。因此,反熔丝FPGA的研发工作重要,也尤为急迫。本文从反熔丝FPGA后端方向着手,完成其设计与实现。本文首先介绍了当前的反熔丝技术,对两种常用的反熔丝的结构、工作原理和优缺点进行了分析。介绍了本款反熔丝FPGA芯片设计采用的工艺。分析了本款反熔丝FPGA的整体架构,反熔丝FPGA由1O、逻辑模块、反熔丝布线资源、时钟网络和其他部分电路结构构成。本文工作重点是从后端方向完成反熔丝FPGA的设计与实现。首先介绍了反熔丝FPGA的高压编程通路,然后分析这些高压通路上需要的额外的器件,在工艺库中并没有这些器件。接着针对高压编程通路上的每一种场景,设计了满足其需求的自定义器件,并给出了自定义器件的设计规则。在完成自定义器件设计之后,本文开始进行反熔丝FPGA的全定制版图设计,首先明确反熔丝FPGA的布局布线规划,分析并制定反熔丝FPGA电源/地、编程通路、逻辑模块等主要部分的布局布线规划。然后在版图设计时针对可能出现的可靠性问题,给出解决的办法。接着将完成的版图,整合成一个PCM大版图,进行最后的版图出带工作。最后设计芯片的封装方案和测试方案,便于待芯片流片回来进行封装测试。通过本文的工作,成功设计出了一款反熔丝FPGA芯片。经过多项测试,本款反熔丝FPGA的所有功能正确,物理和电学参数基本满足要求。