片上芯片SoC挑戰(zhàn)傳統(tǒng)測試方案

SoC廠商如何在提高復雜器件傳輸速度的同時降低測試成本?

隨著先進的集成電路(IC)設(shè)計方法和高密度生產(chǎn)技術(shù)的使用，半導體廠商能夠把不同的數(shù)字和模擬電路集成在極小芯片上，其尺寸之小、功能之全尚無先例，我們稱之為系統(tǒng)芯片。盡管具有先進的設(shè)計和制造能力，可是IC廠商在對這些多元器件進行快速而又低成本地批量生產(chǎn)時，面對 空前的挑戰(zhàn)。當把若干功能單元結(jié)合在一個單獨器件上時，今天的SoC器件為減少批量生產(chǎn)時間和測試成本，向傳統(tǒng)的測試方法發(fā)起挑戰(zhàn)。結(jié)果是，廠商們將更廣泛地研究新方法，這些新方法通過在設(shè)計和測試之間的有效平衡，提供了一個更有效地從事SoC設(shè)計、生產(chǎn)和測試的方案，并能夠同時做到減少其生產(chǎn)時間和測試費用。

特殊的挑戰(zhàn)

就SoC廠商來說，在一個競爭激烈的市場上，消費者對其在功能、性能和費用等方面的要求，又給他們平添了持續(xù)的壓力。SoC廠商將復雜的數(shù)字核與模擬功能集成在單芯片中，在功能和性能上能夠應(yīng)對市場多種用途的需求?？墒窃谥圃爝^程中，SoC廠商發(fā)現(xiàn)設(shè)計和測試復雜性經(jīng)常會導致故障。隨 工藝技術(shù)的研制費用接近100萬美元，每次故障都使得成本負擔雪上加霜，并且拖延交貨期，加劇經(jīng)

濟受損。工程師們發(fā)現(xiàn)在這樣的壓力下，無法充分發(fā)揮先進的工藝技術(shù)和制造水平的潛力。

對測試工程師來說，他們的測試面對 非常嚴峻的挑戰(zhàn)，一是受測器件龐大的數(shù)量，二是多種受測電路復雜的程度。然而，測試工程師必須保證以最優(yōu)化的測試程序，采用最少最便宜的測試設(shè)備，在短時間內(nèi)完成測試。測試工程師還需要功能更強的混合信號測試儀來處理高端界面。而傳統(tǒng)的連續(xù)開發(fā)方法中測試故障的費用上升首先導致器件開發(fā)延遲，SoC廠商也將為此增加測試時間和費用及生產(chǎn)成本。

SoC測試中當前的困境大多是由于采用早期幾代IC對測試要求不高而造成的。最新的設(shè)計雖提高了易測程度但仍缺乏應(yīng)對當前流程中普遍問題的能力。在傳統(tǒng)的連續(xù)開發(fā)流程中(圖1a)，設(shè)計工程師設(shè)計時所掌握的有關(guān)信息很少，可利用的測試設(shè)備也有限，因而可能在最終開始測試后很久才會發(fā)現(xiàn)所遇到的問題，造成額外費用并拖延時間。

SoC器件目前不斷增加的復雜程度，促使主要的廠商青睞采用更有效的SoC生產(chǎn)導向設(shè)計測試流程法(圖1b)。該方法使各個測試小組分工明確，測試研發(fā)工作平行展開。各測試小組集中攻關(guān)的結(jié)果是同步拿出最優(yōu)化的設(shè)計方案和更有效的測試程序。工程師們在轉(zhuǎn)移到大批量生產(chǎn)之前，就已充分掌握了器件性能。制造商可以有效平衡高配置的SoC平臺的靈活性，使其滿足不同新產(chǎn)品類型組合的需要，在實現(xiàn)快速批量供應(yīng)的同時，全面降低測試成本。

早期試驗進展

新測試流程建立在測試開發(fā)工具和設(shè)計工藝技術(shù)之上。多年來，工程師們倚賴專用的內(nèi)部工具將仿真向量轉(zhuǎn)變成測試設(shè)備使用的模式。SoC顯著地增加了這一轉(zhuǎn)變過程的復雜性。今天，更加先進的測試工具能夠與主要的電子設(shè)計自動化(EDA)供應(yīng)商所提供的流程一起運行。加上先進的循環(huán)運算法則，這些工具能夠把與各種復雜程度的電路相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)組合起來，并且制作一個單獨的測試模式和定時文檔。手頭掌握了這些統(tǒng)一的結(jié)果，測試工程師的工作會更有效。

圖1 生產(chǎn)測試和工程確認的常規(guī)流程(a)和平行流程(b)

新SoC生產(chǎn)導向設(shè)計測試流程法的一個最重要特點是它能夠在開發(fā)循環(huán)的早期校驗測試程序。過去，測試工程師需要獲得第一塊芯片和可以排除故障的測試設(shè)備后才可以開始測試工作，這將把產(chǎn)量拖沿數(shù)星期。而今，由于具有了當前先進的測試開發(fā)環(huán)境，測試工程師能夠利用數(shù)字式虛擬測試儀(DVT)的性能，提前進行調(diào)試試驗。虛擬測試法最適合數(shù)字電路。但EDA軟件現(xiàn)有的能力已有很大提高，EDA公司與測試公司已有很好的協(xié)作。因此，設(shè)計和測試工程技術(shù)能力擴展至模擬設(shè)計也就有了保障。

經(jīng)過改進的測試開發(fā)能力對所有SoC廠商都至關(guān)重要，對于無生產(chǎn)線的IC設(shè)計公司尤為重要。由于相比較而言，IC設(shè)計公司對外界的依賴程度高，因為在設(shè)計和測試之間存在一個地理上的差距，存在 交流困難問題。經(jīng)由外界的設(shè)計方案會加劇測試難題對生產(chǎn)延期和生產(chǎn)費用的影響。虛擬測試法讓IC設(shè)計公司在其現(xiàn)有的設(shè)計環(huán)境下進行調(diào)試試驗，以保證測試程序運轉(zhuǎn)正常并能更好地s了解潛在的測試設(shè)備問題。

交互式工程設(shè)計確證

對不知名的半導體公司和集成器件制造商(IDMs)來說，復雜的設(shè)計和先進的工藝技術(shù)的結(jié)合，要求提高與自動測試儀(ATE)上進行的生產(chǎn)測試截然不同的測試驗證能力。隨 工藝技術(shù)達到0.13μm或更細的線寬，先進的器件展示出不斷增加的效能，事實上也限制了多數(shù)生產(chǎn)用自動測試儀(ATE)在檢測更細微故障時的有效性。對許多廠商而言，復雜的SoC已致使傳統(tǒng)的測試方法愈加無效，并給生產(chǎn)和成本問題造成嚴重的瓶頸影響。

優(yōu)化的工程設(shè)計驗證測試系統(tǒng)的出現(xiàn)，提供了與生產(chǎn)測試儀明顯有別的能力，達到了大幅度提高生產(chǎn)量的要求。工程技術(shù)系統(tǒng)為生產(chǎn)測試儀是非結(jié)果的判斷提供了詳細的原因分析。事實上，今天領(lǐng)先的工程設(shè)計驗證系統(tǒng)具有的記憶特性，能夠保留所有器件管腳上的完整數(shù)據(jù)，以便工程師更容易地對器件功能做解剖研究--這是傳統(tǒng)的生產(chǎn)用自動測試儀(ATE)所無法達到的。

生產(chǎn)用自動測試儀(ATE)適合批量生產(chǎn)的需要，有賴于高度優(yōu)化的測試程序來確保采用最少的測試設(shè)備和花費最短的時間。相比較，工程技術(shù)驗證系統(tǒng)則適合交互式分析，為測試裝置和測量提供圖形用戶界面(GUI)。工程師們在此環(huán)境下可以更有效地進行為最優(yōu)化設(shè)計和調(diào)試所采用的交互式的假設(shè)分析。用在生產(chǎn)過程中，則有助于加速故障分析。當今復雜的SoC需要更加精密復雜的診斷設(shè)備，如皮秒圖象電路分析(picosecond imaging circuit anal-ysis)，激光電壓探針(laser voltage probe)和電子束系統(tǒng)(e-beam systems)。領(lǐng)先的工程設(shè)計系統(tǒng)直接向這類設(shè)備提供界面;工程師們借此利用外部的探頭裝置就能夠測試器件。

圖2 測試程序的核查準備

低成本生產(chǎn)測試

SoC生產(chǎn)技術(shù)的成功，依靠的是廠

商以最低的生產(chǎn)成本實現(xiàn)大量的生產(chǎn)能力。隨 制造商創(chuàng)造了結(jié)合先進數(shù)字電路和模擬功能的SoC，就需要不斷提高自動測試儀(ATE)的強大功能。芯片內(nèi)功能提高了數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸速率。而今，防火墻、千兆赫茲以太網(wǎng)和圖形加速接口等功能都集于芯片上，因此需要測試儀的數(shù)據(jù)速率要達到800Mbps或更高。制造商們正在尋找適應(yīng)性強和容易升級的操作平臺以滿足新要求，而非過去那樣追加投資，開發(fā)新一代產(chǎn)品。

對于混合信號的SoC，可配置的ATE系統(tǒng)在經(jīng)濟上可以承受大批量生產(chǎn)對測試功能和靈活性的要求。模塊式結(jié)構(gòu)是這些系統(tǒng)的核心，為制造商提供了一個適應(yīng)性強的高性能共享測試平臺。就IC電路的總體而言，大功率多性能ATE能夠滿足SoC日益增加的功能條件，如管腳的增加、速度的提高、對液體冷卻的需求等。好在先進的冷卻設(shè)計可以選用空氣冷卻高速高功耗的CMOS電路，而降低了ATE的復雜性。

系統(tǒng)設(shè)計和檢測儀表性能的改善顯著地減少了ATE的費用，加上應(yīng)用了各種程序開發(fā)工具語言，增加了測試開發(fā)環(huán)境的功效。工程師們利用共享圖形用戶界面(GUI)和現(xiàn)有測試程序模板，使現(xiàn)有的測試程序符合特定的測試用途，從而提高了生產(chǎn)效率。這種以模板為基礎(chǔ)的方法把測試開發(fā)時間削減了數(shù)周，這對于把握SoC市場稍縱即逝的機會格外重要。

在產(chǎn)業(yè)開始復蘇的今天，對市場機會的快速應(yīng)變能力是SoC制造業(yè)重于一切的要務(wù)。在現(xiàn)有條件下取得最大效益的能力，對于制造商仍然非常關(guān)鍵。系統(tǒng)兼容性在高效的開發(fā)環(huán)境及生產(chǎn)測試設(shè)備中是一個日益重要的特性，將有助于使生產(chǎn)能力達到最高水平。廠商通過有效配置所有測試設(shè)備，把測試轉(zhuǎn)移到最有效的平臺上進行，不斷滿足生產(chǎn)條件的變化要求。

隨技術(shù)的發(fā)展和不斷變化的商業(yè)需求，主要的SoC制造商在復雜的芯片到達生產(chǎn)工廠之前，將更多地依靠SoC生產(chǎn)導向設(shè)計測試流程法來重點關(guān)注測試問題，充分發(fā)揮SoC測試平臺的靈活性。通過把先進的測試系統(tǒng)及軟件與新設(shè)計測試開發(fā)生產(chǎn)流程相結(jié)合，預(yù)期廠商將可以既減少測試成本，又縮短批量生產(chǎn)時間。