EEPROM 耐擦写能力教程 作者 : 基本术语 David Wilkie Microchip Technology Inc. 耐擦写能力 (Endurance) ( 指 EEPROM) 的定义中包含一些需要明确定义和理解的词语和短语 从以下段落可以看出, 不同厂商使用不同的标准 耐擦写循环 (Endurance Cycling) 是所有厂商 ( 和一些客户 ) 采用的测试方法, 用以确定产品经过多少次 写循环 (Write Cycle) 才会失效 Microchip 对 耐擦写能力 的定义是 : 产品失效前能经受的写循环次数的最小值 失效 (Failure) 在某种程度上是一个值得商榷的定义, 因为一个器件只有不再能达到客户的期望值并不再能在客户的系统中正常工作时, 它才真正失效 失效可以被定义成最宽松的定义, 或者最严格的定义 ( 器件达不到数据手册中的任一参数值即被认为失效 ), 也可以宽泛地介于两者之间 例如, 如果器件无法正确地将数据存入某个未使用的特定地址, 那么客户可以正常使用器件, 但该器件通不过厂商的功能测试 同样地, 如果器件在经过一段时间的使用后, 其电流消耗大于数据手册的指定值, 但客户应用能够提供所需电流, 那么器件可以在客户应用中正常使用, 但通不过厂商的参数测试 Microchip 使用了最严格的定义, 如下 : 当器件在任何指定的温度和电压工作条件下无法达到数据手册所列的参数值时, 就称为失效 在某个耐擦写能力标准不被满足前就可能失效的器件个数也是有弹性的 即使最注重质量的厂商有时也会发生失效, 因此需要对失效水平进行定义 有几种行业标准的测试条件适用于各类可靠性测试 例如, IEEE-Std- 1005-1998 定义最大累计失效率为 1% JEDEC (The Joint Electronic Device Engineering Council) 的 JESD47 中定义 : 如果在给定耐擦写能力的目标下, 每批次 77 件, 共三批器件不失效 ( 相当于 LTPD 为 1%), 就认为是达标的 Microchip 使用更严格的耐擦写能力标准, 如下 : 每种产品抽取 256 件样品无失效, 每种技术抽取 3 批, 每批 256 件无失效, 就视为达到了特定的耐擦写能力目标 这相当于 0/768 或小于 0.3% LTPD 写循环 也是一个较为有弹性的定义, 因为每个客户写入器件的方式都不同 例如, 如果客户应用只使用阵列的前三个字节储存可变数据, 而阵列的其余部分用作查找表, 那么当这三个数据字节被重写入新数据后, 写循环就完成了 写循环常常被描述为擦写循环, 因为几乎所有 EEPROM 技术都在阵列被实际写入前进行了 自动擦除 Microchip 也使用自动擦除, 但我们使用 写循环 一词, 因为自动擦除对客户来说是不可见的, 而且也不能被客户禁止 数据改变 (Data Change) 一词有时被用来替换 写循环 或 擦写循环 自动擦除循环开始时会发生一次数据改变, 而写循环开始时则会发生第二次数据改变, 因此, 一次 擦写循环 相当于两次 数据改变 数据改变 一词还有一个隐含的意思, 即使用了不同于 擦写循环 的另外一种循环 这将在后面加以介绍 写循环 一词并未定义该循环是在什么条件下进行的 ( 除非明确说明 ), 它也未定义所进行的循环的类型 耐擦写循环可在任意多的电压和温度条件下进行 ( 如 85 C 和 5.5V, 或 25 C 和 5.0V), 这些条件可能达到, 也可能达不到客户应用的要求 耐擦写循环中的循环模式可能会影响产品的耐擦写能力 所有这些影响将在后面加以介绍 Microchip 采用合理进行耐擦写循环的最严格条件 : 即字节或页写模式循环的条件为 85 C 和 5.5V 未明确定义为其他条件时, 所有数据均在此条件下得到 系统设计考虑事项 如果耐擦写能力是限制某个应用的因素, 那么系统设计人员可使用一些设计考虑事项, 以最大限度地延长基于 EEPROM 的器件的耐擦写能力 2006 Microchip Technology Inc. DS01019A_CN 第 1 页
如后述, 设计人员如能控制某些环境状况或工作条件, 应遵守以下基本指导思想 : 尽可能降低应用的温度 尽可能降低应用的电压 ( 或 EEPROM 上的 VCC 电压 ) 尽可能减少写入的字节数 尽可能多地使用页写功能 尽可能降低写入数据的频繁程度 如果能完全遵循上述指导思想, 那么基于 EEPROM 的器件的耐擦写能力将大大超过规范中规定的最小耐擦写能力 在某些极其特别的条件下, 有数据显示, Microchip 的串行 EEPROM 能超过 1 亿次擦写循环, 而在应用中则常常能达到 1,000 万次 EEPROM 中的写模式 有三种方法可改变基于 EEPROM 的器件的整个阵列的数据内容, 分别为 : 字节模式 (Byte Mode), 页写模式 (Page Mode) 和块写 (Block)( 也称批写 (Bulk)) 模式 有些器件支持所有上述三种模式, 而其他器件则可能只支持一种或两种 用来写基于 EEPROM 器件的方法可能会影响产品的长期耐擦写能力 当阵列内容每次只改变一个字节时, 采用字节模式写入 对于有些器件, 这种模式是用户惟一能使用的写模式 用这种方法改变串行 EEPROM 的整个内容将耗时长达 6 分钟 (512K 串行 EEPROM, 每字节 5 ms) 页写模式写入是许多 EEPROM 存储器产品的一种很受欢迎的特性 我们再次以 512K 串行 EEPROM 为例, 使用这种特性时, 在通常写入一个字节的时间里能写入多达 128 字节 这种模式下, 写入 512K 串行 EEPROM 的时间可从 6 分钟缩短为 3 秒 块写循环一般是 EEPROM 厂商用来测试产品的一种测试模式 有些基于 EEPROM 的产品将这些模式作为用户选项 ( 如 93LXXX 产品中的 ERAL 和 WRAL 模式 ), 但一般情况下用户无法使用块写模式 块写只需 1 ms, 这使几百万次的写循环可以在几个小时内完成 选择写入模式的一般法则是, 一个指令能够写入的字节数越多, 器件的使用寿命越长 例如, 在字节模式下, 器件在某特定条件下可能擦写 300,000 次后就开始失效 但在同等条件下, 如果采用页写模式, 则可能经受 600,000 次擦写循环 而在块写模式, 器件在同等条件下可能经受 100 万次擦写循环 其原因与基于 EEPROM 的产品的内部设计有关 在这些器件中, 一个内部 电荷泵 将 VCC 电压 ( 通常为 1.8V 至 5.5V) 提升至 15V 至 20V 需要此电压来取得 Fowler-Nordhiem 隧道效应 (Tunneling) 用于编程和擦除基于 EEPROM 的器件 不论有多少 EEPROM 单元需要编程, 都使用电荷泵的电压来进行 例如, 在字节模式下, 一个字节中的所有单元 (8 个或 16 个 ) 被电荷泵电压偏置 在块写模式下, 阵列中的所有单元 ( 根据器件不同, 可多达 1M 个 ) 均被电荷泵电压偏置 电荷泵就象重载时的电流源, 因此当同时写多个字节时, 来自电荷泵的电压会稍有下降 而如果整个阵列同时被编程, 那么电荷泵的电压会显著下降 一般而言, 电荷泵的电压越低, 器件的耐擦写能力越好 ( 这有一个极限, 因为电荷泵需要达到一定电压才能对单元进行编程 ), 因此使用块写循环模式时, 耐擦写能力达到最大值 页写模式比块写模式差, 但比字节模式好 块写模式一般对终端用户没有多大用处, 这是因为这个模式将整个阵列的数据内容改变为相同的值 ( 一般为 00 或 FF) 当 Microchip 测试基于 EEPROM 的产品时, 我们使用字节模式写入没有页写模式的器件, 使用页写模式写入有页写模式的器件 我们鼓励我们的客户使用页写模式写入所有具有页写模式的器件, 这样能得到最大的耐擦写能力 耐擦写能力测试方法 不同厂商采用不同的方法擦写和测试基于 EEPROM 的产品 耐擦写循环或测试循环后的器件没有可遵循的标准 Microchip 对所有产品进行两组测试, 分别为 : 审核 (Qualification) 测试和生产测试 所有新产品以及产品或制造工艺有重大更改时都要进行审核测试 而所有交付给我们客户的产品均要进行生产测试 Microchip 的审核测试用来确保器件的可靠性 我们做了大量测试, 包括对所有基于 EEPROM 的产品的耐擦写能力测试 耐擦写循环一般在 85 C 下进行 经过额定循环数后, 会对样品实施完整的生产测试方案 耐擦写能力测试后, 器件将进行 数据保存 (Data Retention) 测试, 完成最大循环后即可确保器件可达到 200 年的数据保存期的要求 DS01019A_CN 第 2 页 2006 Microchip Technology Inc.
耐擦写循环在前述条件下进行, 而数据保存测试在耐擦写循环之后进行 数据保存测试完成后 ( 用时长达六周 ), 对器件再次测试以确保器件的功能达到所有数据手册标明的参数值 耐擦写测试和数据保存测试完成后 ( 相当于 55ºC 时超过 200 年 ), 不允许出现失效 交付给客户的所有器件均需进行生产测试 在一个批次的晶圆加工完成时, 生产测试就立即开始, 继续完成几个阶段后器件即可交付给客户 Microchip 对基于 EEPROM 产品进行的第一批测试称为晶圆分拣 (Wafer Sort) 晶圆被切割成小片进行组装前该测试就完成了 这批测试有一系列测试, 包括块写循环 ( 高达 5000 次 ), 这样就剔除了质量较差的器件, 使其不被运出以确保可靠性 组装后, 将再进行一次完整测试, 以确保器件在极限温度下功能正常 Microchip 所作的测试是独一无二的 Microchip 坚信, 我们的测试是最优质 最可靠产品的强大保障 温度对 EEPROM 耐擦写能力的影响 写循环进行时的温度将影响写入器件直到其失效的写入次数 温度越高, 耐擦写能力越差 一般而言, 在 25 C 时擦写约 1,000 万次后失效的器件, 在 85 C 时只要约 200 万次, 而在 125 C 时, 只要约 100 万次就会失效 个中原因尚无定论 ( 尽管有大量的技术文档支持不同的理论 ), 但可明显看出,EEPROM 单元的失效模式 ( 滞留在隧道电介质中的电子导致屏蔽和电介质击穿 ) 在很大程度上取决于温度 Microchip 得到的数据显示, 如果在 25 C 时, 基于 EEPROM 器件的典型失效循环为 1,000 万次, 则在其他温度下其平均失效循环将如下表所示 : 表 1: 不同温度下的平均失效次数 写循环温度 平均失效循环 ( 百万次 ) -40 C 37.1 0 C 16.7 25 C 10.0 40 C 7.4 55 C 5.4 70 C 4.0 85 C 2.9 100 C 2.2 125 C 1.3 上列数据取自 Microchip FLOTOX Fowler-Nordhiem 隧道效应 EEPROM, 是 Microchip 赖以创建 Total Endurance ( 总耐擦写能力 ) 模型的数据集的组成部分 其他技术可能会得到不同的特性值 从以上我们可清楚地看出, 对于一个需要器件在 55 C 时达到 1,000 万次擦写循环的应用, 给出任何在 25 C 时得到的循环数将极大地误导用户 电压对 EEPROM 耐擦写能力的影响 器件被写入时的电压也会影响耐擦写能力 这就是因为 ( 用于编程和擦除 EEPROM 单元的 ) 电荷泵在电压较高时能量较大 如前所述, 编程电压越高,EEPROM 单元的耐擦写能力越低, 而电荷泵能量越大, 则产生的电压越高 Microchip 近期设计的串行 EEPROM 产品已将此影响降至最低, 这是为了在整个 VDD 电压范围内提供一个相对较一致的耐擦写能力 Microchip 得到的数据显示, 如果在 5.5V 时对基于 EEPROM 器件进行耐擦写循环, 得到的循环数是 100 万次, 则在其他电压下其平均失效循环将如下表所示 : 2006 Microchip Technology Inc. DS01019A_CN 第 3 页
表 2: 不同电压下的平均失效次数 耐擦写循环电压 平均失效循环 ( 百万次 ) 5.5V 1.0 5.0V 1.2 4.5V 1.4 4.0V 1.7 3.5V 2.0 3.0V 2.4 2.5V 2.8 2.0V 3.3 预测总耐擦写次数的软件 Microchip 发布了一个基于 Windows 的模型, 称为 Total Endurance 软件 该程序基于所有客户的耐擦写能力参数, 能预测应用的预期使用寿命结束时器件的失效水平 对于希望根据耐擦写能力来精确调整其应用的系统设计人员来说, 这一工具可谓是无价之宝 该工具可从 Microchip 的网站 www.microchip.com 下载 上列数据取自 Microchip FLOTOX Fowler-Nordhiem 隧道效应 EEPROM, 是 Microchip 赖以创建 Total Endurance 模型的数据集的组成部分 其他技术可能会得到不同的特性值 写模式对 EEPROM 耐擦写能力的影响 如前所述, 写入一个基于 EEPROM 的器件有三种基本方法 : 字节模式 页写模式 块写模式这与电荷泵的强度, 即对 EEPROM 单元施加所需的电压有关 Microchip 得到的数据显示, 如果在字节模式下进行耐擦写循环测试, 一枚基于 EEPROM 器件的典型失效循环为 100 万次, 那么在其他模式下的平均失效循环将如下表所示 : 表 3: 耐擦写能力的平均失效次数 耐擦写循环模式 平均失效循环 ( 百万次 ) 字节 2.3 页 2.8 上列数据取自 Microchip FLOTOX Fowler-Nordhiem 隧道效应 EEPROM, 是 Microchip 赖以创建 Total Endurance 模型的数据集的组成部分 其他技术可能会得到不同的特性值 此数据来源于对 Microchip 的 24LC256 器件的测试结果 我们不再提供块写循环数据 DS01019A_CN 第 4 页 2006 Microchip Technology Inc.
请注意以下有关 Microchip 器件代码保护功能的要点 : Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标 Microchip 确信 : 在正常使用的情况下, Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一 目前, 仍存在着恶意 甚至是非法破坏代码保护功能的行为 就我们所知, 所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的操作规范来使用 Microchip 产品的 这样做的人极可能侵犯了知识产权 Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作 Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性 代码保护并不意味着我们保证产品是 牢不可破 的 代码保护功能处于持续发展中 Microchip 承诺将不断改进产品的代码保护功能 任何试图破坏 Microchip 代码保护功能的行为均可视为违反了 数字器件千年版权法案 (Digital Millennium Copyright Act) 如果这种行为导致他人在未经授权的情况下, 能访问您的软件或其他受版权保护的成果, 您有权依据该法案提起诉讼, 从而制止这种行为 提供本文档的中文版本仅为了便于理解 请勿忽视文档中包含的英文部分, 因为其中提供了有关 Microchip 产品性能和使用情况的有用信息 Microchip Technology Inc. 及其分公司和相关公司 各级主管与员工及事务代理机构对译文中可能存在的任何差错不承担任何责任 建议参考 Microchip Technology Inc. 的英文原版文档 本出版物中所述的器件应用信息及其他类似内容仅为您提供便利, 它们可能由更新之信息所替代 确保应用符合技术规范, 是您自身应负的责任 Microchip 对这些信息不作任何明示或暗示 书面或口头 法定或其他形式的声明或担保, 包括但不限于针对其使用情况 质量 性能 适销性或特定用途的适用性的声明或担保 Microchip 对因这些信息及使用这些信息而引起的后果不承担任何责任 如果将 Microchip 器件用于生命维持和 / 或生命安全应用, 一切风险由买方自负 买方同意在由此引发任何一切伤害 索赔 诉讼或费用时, 会维护和保障 Microchip 免于承担法律责任, 并加以赔偿 在 Microchip 知识产权保护下, 不得暗中或以其他方式转让任何许可证 商标 Microchip 的名称和徽标组合 Microchip 徽标 Accuron dspic KEELOQ microid MPLAB PIC PICmicro PICSTART PRO MATE PowerSmart rfpic 和 SmartShunt 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的注册商标 AmpLab FilterLab Migratable Memory MXDEV MXLAB SEEVAL SmartSensor 和 The Embedded Control Solutions Company 均为 Microchip Technology Inc. 在美国的注册商标 Analog-for-the-Digital Age Application Maestro CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks ECAN ECONOMONITOR FanSense FlexROM fuzzylab In-Circuit Serial Programming ICSP ICEPIC Linear Active Thermistor Mindi MiWi MPASM MPLIB MPLINK PICkit PICDEM PICDEM.net PICLAB PICtail PowerCal PowerInfo PowerMate PowerTool REAL ICE rflab rfpicdem Select Mode Smart Serial SmartTel Total Endurance UNI/O WiperLock 和 ZENA 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的商标 SQTP 是 Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有 2006, Microchip Technology Inc. 版权所有 Microchip 位于美国亚利桑那州 Chandler 和 Tempe 位于俄勒冈州 Gresham 及位于加利福尼亚州 Mountain View 的全球总部 设计中心和晶圆生产厂均于通过了 ISO/TS-16949:2002 认证 公司在 PICmicro 8 位单片机 KEELOQ 跳码器件 串行 EEPROM 单片机外设 非易失性存储器和模拟产品方面的质量体系流程均符合 ISO/TS-16949:2002 此外, Microchip 在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了 ISO 9001:2000 认证 2006 Microchip Technology Inc. DS01019A_CN 第 5 页
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