AN1019
基礎
EEPROM の「書き込み耐性」を一言で明確に定義して 理解する事はできません。以下で説明するように、メー カーごとに定義が異なります。全てのメーカー ( および 一部のユーザ ) は、製品で障害が発生するまでに実行可 能な「書き込みサイクル」の回数を定義するために、 「書き込み耐性サイクル」試験を実施しています。 マイクロチップ社は、製品で障害が発生するまでに最 低限実行可能な書き込みサイクルの回数を「書き込み 耐性」と定義しています。 「障害」とは曖昧な定義です。なぜならば、ユーザのシ ステムで使われているデバイスがユーザの期待通りに 動作しなくってはじめて実際の「障害」となるからで す。このため「障害」は、最も楽観的なものから最も 厳しいもの(この場合データシート内の全ての仕様を満 たさない限り障害とみなす ) まで、どのようにも定義で きます。例えば、デバイスがある特定のアドレスにだ けデータを正しく保存できない場合、メーカーの機能 試験では障害が発生しても、ユーザが実際にそのアド レスを使わない限りデバイスは正常に動作します。同 様に、経時劣化によってデバイスの引き込み電流が データシートの仕様値を超えたとしても、ユーザ アプ リケーションが必要な電流を供給できる限り、デバイ スはそのアプリケーションで動作し続けます。しかし この場合も、そのデバイスはメーカーが定めたパラ メータ試験に合格しません。 マイクロチップ社は、下記のように最も厳しい定義を 採用しています。 データシートに記載した「仕様」動作レンジ ( 温度と電 圧 ) の全域で、デバイスがデータシートの仕様条件を 1 つでも満たさない状態を「障害」とする。 特定の「書き込み耐性」基準よりも前に障害が発生す る可能性のあるデバイスの比率も、メーカーによって 定義が異なります。どのように品質に厳しいメーカー の製品でも、そのようなデバイスを完全に排除する事 はできないため、故障率水準が定義されます。さまざ まな信頼性試験に対して、各種の業界標準条件が存在 します。例えば IEEE-Std-1005-1998 は、最大累積故障 率を 1% と定義しています。JEDEC ( 電子素子技術連 合評議会 ) が定める JESD47 では、77 ユニットを 1 ロッ トとし、目標とする耐久条件で 3 ロットを試験した時 に障害が発生しなければ、目標を達成しているとみな します ( これは、1% の LPTD ( ロット許容不良率 ) と等 価です )。 マイクロチップ社は、さらに厳しい下記の耐久性基準 を採用しています。 製品あたり 256 ユニット、同一技術を使う製品群あた り 256 ユニット x 3 ロットをサンプリングし、それらが 全て障害なく一定の目標耐久条件を満たす事 ( これは 0/768 (LTPD で 0.3% 未満 ) と等価です )。 「書き込みサイクル」もまた曖昧な定義です。なぜなら ば、ユーザごとにデバイスに書き込む方法が異なるか らです。例えば、ユーザ アプリケーションが変数デー タの保存用にアレイの先頭から 3 バイトだけを使い、そ のアレイの残りをルックアップ テーブル用に使う場 合、3 個のデータバイトを書き換えるたびに、1 回の書 き込みサイクルを実行します。 ほとんど全ての EEPROM 方式は、データをアレイに書 き込む前に「自動消去」を実行するため、しばしば「書 き込みサイクル」の事を「消去 / 書き込みサイクル」と 呼ぶ事があります。マイクロチップ社も「消去 / 書き込 みサイクル」という用語を使いますが、自動消去はユー ザにとって不可視であり、ユーザはこの動作を抑制で きないため、本書では「書き込みサイクル」と呼ぶ事 にします。 「書き込みサイクル」または「消去 / 書き込みサイクル」 のかわりに「データ書き換え」という用語を使う場合 もあります。データ書き換えは、自動消去サイクルの 開始時に 1 回発生し、書き込みサイクルでもう 1 回発 生します。従って、1 回の「消去 / 書き込みサイクル」 あたり 2 回の「データ書き換え」が発生します。「デー タ書き換え」という用語は、「消去 / 書き込みサイクル」 とは異なるタイプのサイクルを意味する場合もありま す。これについても後述します。 「書き込みサイクル」という用語は、特に明記のない限 り、サイクルを実行した時の条件も実行方法も規定し ません。書き込み耐性サイクルは、ユーザ アプリケー ションの実際の条件に関係なく、任意数の電圧および 温度条件 ( 例 : 85 ℃ /5.5 V、25 ℃ /5.0 V) で実施されま す。書き込み耐性サイクルでどの書き込みモードを使 うかによっても、製品の書き込み耐性が異なる可能性 があります。これらの影響についても後述します。マ イクロチップ社は、書き込み耐性サイクルの評価に妥 当と考えられる最も厳しい条件として、85 ℃ /5.5 V で バイトモードまたはページモードのサイクルを採用し ています。本書に記載するデータには、特に明記のな い限り、全てこの条件を適用します。システム設計での配慮
書き込み耐性によってアプリケーションが制約を受け る場合、EEPROM デバイスの書き込み耐性を最大限に 高めるために、システムを設計する際に各種の配慮が 可能です。Author: David Wilkie
Microchip Technology Inc.
AN1019
そのような配慮として、下記の基本的ガイドラインに 沿って、可能な限り、環境条件または動作条件を制限 する必要があります。 • アプリケーションの温度を可能な限り下げる • アプリケーションの電圧 ( または EEPROM の VCC 電圧 ) を可能な限り下げる • 書き込みバイト数を可能な限り少なくする • 可能な限りページ書き込み機能を使う • データの書き込み頻度を可能な限り下げる これらの基本的ガイドラインに可能な限り従う事によ り、EEPROM 型デバイスの書き込み耐性を仕様値 ( 最 低限の耐性)よりも延ばす事ができます。マイクロチッ プ社製シリアル EEPROM は、特定条件で は 1 億サイ クル以上の書き込み耐性を示し、1000 万サイクル レ ベルのアプリケーションであれば問題なく使えます。EEPROM の書き込みモード
EEPROM 型デバイスのアレイ全体のデータの書き換え には、3 種類の方法 ( バイトモード、ページモード、ブ ロック ( バルク ) モード ) が存在します。3 種類のモー ドの全てを使えるデバイスもあれば、一部のモードだ けを使えるデバイスもあります。書き込みモードは、 EEPROM 型デバイスの長期的な耐久性に影響します。 バイトモード書き込みは、アレイの内容を 1 度に 1 バ イトずつ書き換えます。この書き込みモードしか使え ないデバイスもあります。この方法で 512K シリアル EEPROM の全体の内容を書き換えるには、約 6 分 ( バ イトあたり 5 ms) を要します。ページモード書き込み機 能は、EEPROM メモリ製品の多くが採用しています。 この機能を使うと、1 バイトの書き込みに通常要するの と同じ時間で 128 byte のデータを書き込む事ができま す。このモードを使った場合、512K シリアル EEPROM のアレイ全体への書き込み時間は、バイトモードの 6 分 から 3 秒に短縮できます。ブロックサイクルは、 EEPROM 製品の検査を容易にするためのものであり、 一般的にメーカーのための機能です。この書き込み モードをユーザ オプションとして選択できる EEPROM 型製品もあります ( 例 : 93LXXX 製品の ERAL および WRAL モード ) が、一般的にユーザはこのモー ドを選択できません。1 回のブロック書き込みは 1 ms 程度で実行でき、数 100 万サイクルの書き込みを数時 間で完了できます。 これらの書き込みモードは、「1 命令で書き込めるバイ ト数が多いほどデバイスの書き込み耐性は延びる」と いう一般的規則に従います。例えば、特定の条件下で このような挙動は、全ての EEPROM 型製品が採用し ている内部構造に起因します。これらのデバイスが内 蔵する「チャージポンプ」は、供給された VCC 電圧 ( 一般的に 1.8 ～ 5.5 V) を 15 ～ 20 V に昇圧します。 この電圧は、EEPROM 型デバイスが書き込み / 消去に 利用する「ファウラー - ノルドハイム トンネリング」 効果を誘起するために必要です。 チ ャ ー ジ ポ ン プ の 電 圧 は、書 き 込 み 先 の 複 数 の EEPROM セルに印加されます。例えばバイトモード の場合、1 バイト内の全てのセル (8 または 16 個のセ ル ) をチャージポンプ電圧でバイアスします。ブロッ クモードの場合、アレイ内の全てのセル ( 最大 1M、デ バイスによって異なる ) をチャージポンプ電圧でバイ アスします。チャージポンプは高負荷条件下の電流源 のように働き、書き込みバイト数が増えるにつれて チャージポンプの出力電圧は少しずつ低下します。ア レイ全体に書き込む場合、チャージポンプの電圧は大 幅に低下します。 一般的に、チャージポンプの電圧が下がるほど書き込 み耐性は向上するため、ブロックモードの書き込みサ イクルを使った時に最も高い書き込み耐性が得られま す ( ただし、セルに書き込むにはある程度以上の電圧 が必要であるため、電圧の低減には限界があります )。 ページモードの書き込み耐性はブロックモードよりも 劣りますが、バイトモードよりは優れます。ブロック モードはアレイ全体のデータを全て同じ値 ( 一般的に 00 または FF) に書き換えてしまうため、一般的なエン ドユーザにとって便利なモードではありません。マイ クロチップ社は、EEPROM 型製品を試験する際に、 ページモードを備えていない製品にのみバイトモード 書き込みサイクルを使い、ページモードを備えた製品 にはページモード書き込みサイクルを使います。書き 込み耐性を最大限に高めるために、ページモードを備 える全ての製品では、ページモード書き込みの使用を 推奨します。書き込み耐性試験の方法
メーカーごとに EEPROM 型製品の評価に使うサイク ルと試験方法が異なります。書き込み耐性試験に使う サイクルまたはサイクル実施後のデバイスの試験方法 に関して、一定の基準は定められていません。 マイクロチップ社は、全ての製品で 2 種類の試験セッ ト ( 認定試験と量産出荷試験 ) を実施しています。認 定試験は、全ての新型製品に対して実施するとともに、 既存製品の設計または生産プロセスに大きな変更が あった場合にも実施しています。生産試験は、お客様つまり、書き込み耐性サイクルを上記の条件で実施し た後に、データ保持性試験を実施するという事です。 6 週間を要するデータ保持ストレス試験を終えた後 に、デバイスを再度試験し、その動作がデータシート の仕様を全て満たしている事を確認します。マイクロ チップ社は、書き込み耐性試験またはデータ保持スト レス試験 (55 ℃で 200 年以上に相当するストレス ) を 経たデバイスに対して、一切の障害を許容しません。 生産試験は、お客様に出荷する全てのデバイスで実施 しています。生産試験はウェハーロット工程の直後か ら始まり、デバイスの出荷までに、各種の製造工程で 実施します。 マイクロチップ社では、EEPROM 型製品で実施する 最初の生産試験を「ウェハーソート」(wafer sort) と呼 んでいます。この試験は、アセンブリ工程に向けてウェ ハーをダイスに分割する前に実施します。ここでは、 脆弱なデバイスを以降の工程から取り除くために、ブ ロックモード サイクル ( 最大 5,000 サイクル ) を含む 一連の試験を実施します。アセンブリ工程の後に、再 度完全な試験を実施して、極度の温度条件でデバイス の動作を確認します。 マイクロチップ社の試験プロセスは他に類を見ませ ん。マイクロチップ社は、そのような試験プロセスが 業界最高水準の品質と信頼性を保証するものと確信し ています。
EEPROM の書き込み耐性に対する温度
の影響
書き込み耐性サイクルを実行する時の温度条件は、デ バイスで障害が発生するまでに実行可能な書き込みサ イクル数に影響します。温度が高いほど、書き込み耐 性は低下します。大まかに言って、一般的に 25 ℃の 条件において 1,000 万サイクルで障害を発生するデバ イスは、85 ℃において約 200 万サイクル、125 ℃にお いて約 100 万サイクルで障害を発生します。この原因 については、各種の理論が提唱されていますが、最終 的な結論には至っていません。しかし、EEPROM セ ルの障害の様相 ( シールドおよび絶縁破壊を引き起こ すトンネル誘電体内の電子捕獲 ) が温度に強く影響さ れる事は明らかです。 マイクロチップ社のデータによると、25 ℃の温度条件 において 1,000 万サイクル (typical) で障害を発生する EEPROM 型製品の場合、温度と平均的な障害発生サ イクル数の関係は表 1のようになります。 この表は、マイクロチップ社の FLOTOX ( ファウラー - ノルドハイム トンネリング ) 型 EEPROM でのデー タに基づきます。このデータは、Total Endurance™ モ デルを作成する際にデータセットの一部として採用し ています。他のタイプの EEPROM では、特性が異な る可能性があります。以上から、アプリケーションが 例えば 55 ℃という厳しい温度条件で 1,000 万サイク ルの書き込みを必要とする場合、25 ℃における書き込 み耐性をそのまま適用できない事は明らかです。EEPROM の書き込み耐性に対する電圧
の影響
デバイスに書き込む時の電圧も書き込み耐性に影響し ます。これは、単純に、電圧が高いほど EEPROM セ ルの書き込みおよび消去に使うチャージポンプの電力 供給能力が高くなるためです。これによりチャージポ ンプの出力電圧が高くなり、既に述べたようにプログ ラミング電圧が高いほど EEPROM セルの書き込み耐 性は低下します。 マイクロチップ社の比較的新しいEEPROM製品では、 このような効果を最小限に抑える事により、書き込み 耐性に対する VDD電圧の影響を緩和しています。 マイクロチップ社のデータによると、5.5 V の電圧条 件において 100 万サイクル (typical) で障害が発生する EEPROM 型製品の場合、電圧と平均的な障害発生サ イクル数の関係は表 2のようになります。 表 1: 温度と平均的な障害発生サイクル数の関係 書き込みサイクルの 温度条件 平均的な 障害発生サイクル数 -40 ℃ 3,710 万 0 ℃ 1,670 万 25 ℃ 1,000 万 40 ℃ 740 万 55 ℃ 540 万 70 ℃ 400 万 85 ℃ 290 万 100 ℃ 220 万 125 ℃ 130 万AN1019
表 2: 電圧と平均的な障害発生サイクル数の関係 この表は、マイクロチップ社の FLOTOX ( ファウラー - ノルドハイム トンネリング ) 型 EEPROM でのデー タに基づきます。このデータは、Total Endurance モデ ルを作成する際にデータセットの一部として採用して います。他のタイプの EEPROM では、特性が異なる 可能性があります。TOTAL ENDURANCE
予測ソフトウェア
マイクロチップ社は、Windows®上で動作するモデル として、Total Endurance™ ソフトウェアを提供してい ます。このプログラムは、ユーザが指定した耐久性パ ラメータに基づいて、アプリケーションが寿命に達し た時の故障率水準を予測します。このツールは、書き 込み耐性を重視するアプリケーションの最適化に非常 に役立ちます。このツールはマイクロチップ社のウェ ブサイト (www.microchip.com) でダウンロードできま す。 書き込みサイクルの 電圧条件 平均的な 障害発生サイクル数 5.5 V 100 万 5.0 V 120 万 4.5 V 140 万 4.0 V 170 万 3.5 V 200 万 3.0 V 240 万 2.5 V 280 万 2.0 V 330 万本書に記載されているデバイス アプリケーション等に関する 情報は、ユーザの便宜のためにのみ提供されているものであ り、更新によって無効とされる事があります。お客様のアプ リケーションが仕様を満たす事を保証する責任は、お客様に あります。マイクロチップ社は、明示的、暗黙的、書面、口 頭、法定のいずれであるかを問わず、本書に記載されている 情報に関して、状態、品質、性能、品性、特定目的への適合 性をはじめとする、いかなる類の表明も保証も行いません。マ イクロチップ社は、本書の情報およびその使用に起因する一 切の責任を否認します。マイクロチップ社の明示的な書面に よる承認なしに、生命維持装置あるいは生命安全用途にマイ クロチップ社の製品を使用する事は全て購入者のリスクと し、また購入者はこれによって発生したあらゆる損害、クレー ム、訴訟、費用に関して、マイクロチップ社は擁護され、免 責され、損害うけない事に同意するものとします。暗黙的あ るいは明示的を問わず、マイクロチップ社が知的財産権を保 有しているライセンスは一切譲渡されません。 商標 マイクロチップ社の名称と Microchip ロゴ、dsPIC、KEELOQ、 KEELOQロゴ、MPLAB、PIC、PICmicro、PICSTART、rfPIC、 UNI/O は、米国およびその他の国におけるマイクロチップ・ テクノロジー社の登録商標です。
FilterLab、Hampshire、HI-TECH C、Linear Active Thermistor、 MXDEV、MXLAB、SEEVAL、Embedded Control Solutions Company は、米国におけるマイクロチップ・テクノロジー 社の登録商標です。
Analog-for-the-Digital Age,Application Maestro、chipKIT、 chipKIT logo、CodeGuard、dsPICDEM、dsPICDEM.net、 dsPICworks、dsSPEAK、ECAN、ECONOMONITOR、 FanSense、HI-TIDE、In-Circuit Serial Programming、ICSP、 Mindi、MiWi、MPASM、MPLAB Certifiedr ロ ゴ、MPLIB、 MPLINK、mTouch、Omniscient Code Generation、PICC、 PICC-18、PICDEM、PICDEM.net、PICkit、PICtail、REAL ICE、 rfLAB、Select Mode、Total Endurance、TSHARC、 UniWinDriver、WiperLock、ZENA は、米国およびその他の 国におけるマイクロチップ・テクノロジー社の登録商標です。 SQTP は、米国におけるマイクロチップ・テクノロジー社の サービスマークです。
その他、本書に記載されている商標は各社に帰属します。 © 2011, Microchip Technology Incorporated, All Rights Reserved. ISBN: 978-1-62076-024-6 在市場に流通している同種製品の中でも最も高度であると考えています。 • しかし、コード保護機能を解除するための不正かつ違法な方法が存在する事もまた事実です。弊社の理解ではこうした手法は、 マイクロチップ社データシートにある動作仕様書以外の方法でマイクロチップ社製品を使用する事になります。このような行 為は知的所有権の侵害に該当する可能性が非常に高いと言えます。 • マイクロチップ社は、コードの保全性に懸念を抱くお客様と連携し、対応策に取り組んでいきます。 • マイクロチップ社を含む全ての半導体メーカーで、自社のコードのセキュリティを完全に保証できる企業はありません。コー ド保護機能とは、マイクロチップ社が製品を「解読不能」として保証するものではありません。 コード保護機能は常に進歩しています。マイクロチップ社では、常に製品のコード保護機能の改善に取り組んでいます。マイクロ チップ社のコード保護機能の侵害は、デジタル ミレニアム著作権法に違反します。そのような行為によってソフトウェアまたはそ の他の著作物に不正なアクセスを受けた場合は、デジタル ミレニアム著作権法の定めるところにより損害賠償訴訟を起こす権利が あります。
マイクロチップ社では、Chandler および Tempe ( アリゾナ州 )、Gresham ( オレゴン州 ) の本部、設計部およびウェハー製造工場そしてカリフォ ルニア州とイドのデザインセンターが ISO/TS-16949:2009 認証を取得 しています。マイクロチップ社の品質システム プロセスおよび手順は、 PIC® MCU および dsPIC® DSC、KEELOQ®コード ホッピング デバイス、 シリアル EEPROM、マイクロペリフェラル、不揮発性メモリ、アナロ グ製品に採用されています。さらに、開発システムの設計と製造に関 するマイクロチップ社の品質システムは ISO 9001:2000 認証を取得し ています。
北米 本社 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ 85224-6199 Tel:480-792-7200 Fax:480-792-7277 技術サポート : http://www.microchip.com/ support URL: www.microchip.com アトランタ Duluth, GA Tel:678-957-9614 Fax:678-957-1455 ボストン Westborough, MA Tel:774-760-0087 Fax:774-760-0088 シカゴ Itasca, IL Tel:630-285-0071 Fax:630-285-0075 クリーブランド Independence, OH Tel:216-447-0464 Fax:216-447-0643 ダラス Addison, TX Tel:972-818-7423 Fax:972-818-2924 デトロイト Farmington Hills, MI Tel:248-538-2250 Fax:248-538-2260 インディアナポリス Noblesville, IN Tel:317-773-8323 Fax:317-773-5453 ロサンゼルス Mission Viejo, CA Tel:949-462-9523 アジア / 太平洋 アジア太平洋支社 Suites 3707-14, 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel:852-2401-1200 Fax:852-2401-3431 オーストラリア - シドニー Tel:61-2-9868-6733 Fax:61-2-9868-6755 中国 - 北京 Tel:86-10-8569-7000 Fax:86-10-8528-2104 中国 - 成都 Tel:86-28-8665-5511 Fax:86-28-8665-7889 中国 - 重慶 Tel:86-23-8980-9588 Fax:86-23-8980-9500 中国 - 杭州 Tel:86-571-2819-3187 Fax:86-571-2819-3189 中国 - 香港 SAR Tel:852-2401-1200 Fax:852-2401-3431 中国 - 南京 Tel:86-25-8473-2460 Fax:86-25-8473-2470 中国 - 青島 Tel:86-532-8502-7355 Fax:86-532-8502-7205 中国 - 上海 Tel:86-21-5407-5533 Fax:86-21-5407-5066 中国 - 瀋陽 Tel:86-24-2334-2829 Fax:86-24-2334-2393 中国 - 深圳 Tel:86-755-8203-2660 Fax:86-755-8203-1760 中国 - 武漢 アジア / 太平洋 インド - バンガロール Tel:91-80-3090-4444 Fax:91-80-3090-4123 インド - ニューデリー Tel:91-11-4160-8631 Fax:91-11-4160-8632 インド - プネ Tel:91-20-2566-1512 Fax:91-20-2566-1513 日本 - 大阪 Tel:81-66-152-7160 Fax:81-66-152-9310 日本 - 横浜 Tel:81-45-471- 6166 Fax:81-45-471-6122 韓国 - 大邱 Tel:82-53-744-4301 Fax:82-53-744-4302 韓国 - ソウル Tel:82-2-554-7200 Fax:82-2-558-5932 または 82-2-558-5934 マレーシア - クアラルンプー ル Tel:60-3-6201-9857 Fax:60-3-6201-9859 マレーシア - ペナン Tel:60-4-227-8870 Fax:60-4-227-4068 フィリピン - マニラ Tel:63-2-634-9065 Fax:63-2-634-9069 シンガポール Tel:65-6334-8870 Fax:65-6334-8850 台湾 - 新竹 Tel:886-3-5778-366 Fax:886-3-5770-955 台湾 - 高雄 Tel:886-7-536-4818 ヨーロッパ オーストリア - ヴェルス Tel:43-7242-2244-39 Fax:43-7242-2244-393 デンマーク - コペンハーゲン Tel:45-4450-2828 Fax:45-4485-2829 フランス - パリ Tel:33-1-69-53-63-20 Fax:33-1-69-30-90-79 ドイツ - ミュンヘン Tel:49-89-627-144-0 Fax:49-89-627-144-44 イタリア - ミラノ Tel:39-0331-742611 Fax:39-0331-466781 オランダ - ドリューネン Tel:31-416-690399 Fax:31-416-690340 スペイン - マドリッド Tel:34-91-708-08-90 Fax:34-91-708-08-91 イギリス - ウォーキンガム Tel:44-118-921-5869 Fax:44-118-921-5820
