SOC芯片設計與測試

摘要：SOC已經(jīng)成為集成電路設計的主流。SOC測試變得越來越復雜，在設計時必須考慮DFT和DFM。本文以一SOC單芯片系統(tǒng)為例，在其設計、測試和可制造性等方面進行研究，并詳細介紹了SOC測試解決方案及設計考慮。
關鍵詞：單芯片系統(tǒng)；面向測試設計；面向制造設計；位失效圖；自動測試設備

    引言

    以往的系統(tǒng)設計是將CPU，DSP，PLL，ADC，DAC或Memory等電路設計成IC后，再加以組合變成完整的系統(tǒng)，但現(xiàn)今的設計方式是將上述的電路直接設計在同一個IC上，或購買不同廠商的IP（intellectual property），直接加以整合，此方式稱為單晶片片上系統(tǒng)（SOC）設計方法。SOC方式大大降低了昂貴的設計和制造成本，但對于測試來說卻變得更為復雜，測試成本也越來越高，測試問題已不容忽視。面向測試設計（DFT）及面向生產(chǎn)設計（DFM）已越來越得到高度重視。因此，在SOC設計時，必須考慮產(chǎn)品測試。

復雜SOC器件是對測試經(jīng)濟學的挑戰(zhàn)。隨著工藝進步，器件越來越小；而隨著功能增加，測試復雜度卻不斷上升。SOC產(chǎn)品在生產(chǎn)測試時對測試儀的要求也越來越高，昂貴的測試成本已在制造過程中占很大的比例?？紤]成本要求，一般只允許在幾秒或更少的時間內(nèi)完成測試。由于典型的DRAM都有比較長的測試時間，因此嵌入式的DRAM測試更具挑戰(zhàn)性。設計時除了考慮測試成本，還要求必須便于測試分析。

     DFT是基于IEEE1149.1的JTAG控制。除了專門的存儲器測試和ATPG掃描測試，JTAG控制器還針對產(chǎn)品中的不同單元模塊提供各種不同的試模式。這里介紹的DFT和DFM包括用于加速設計分析和合格率研究的面向測試設計及用于降低測試成本的并行測試設計。

    單芯片系統(tǒng)介紹

    微控制器CPU：是C163系列的16位控制器，此外還帶有累加器（MAC）、通用定時器（GPT）、同步與異步序列控制器（ASC，SSC）和脈沖寬度調(diào)制器（PWM）等。為便于從一種應用轉為其他應用，整個控制器由邏輯綜合完成。硬盤控制器HDC：HDC大約由250K的“與非門”組成。HDC的主要特點在于有強大的省電模式，即每一功能塊可被獨立地切換或將時鐘降低8倍。根據(jù)ATA規(guī)范，HDC有不同的省電模式：運行、空閑模式1、空閑模式2、待機、休眠等。這使SOC的功耗從270mW下降到54mW。大容量SRAM：片內(nèi)集成了80K字節(jié)的程序SRAM、8K字節(jié)的數(shù)據(jù)SRAM和直接與微處理器相連的2K字節(jié)的雙端口SRAM。

    緩沖存儲器DRAM：整個芯片的中心部分是嵌入式DRAM，是一個8兆位的緩沖存儲器。片上DRAM不需要外部數(shù)據(jù)總線即能存取程序和數(shù)據(jù)，而功耗只是最大運行模式下的十分之一。

     PLL：片上所有的時鐘頻率是由400MHz的PLL產(chǎn)生的。PLL為全定制單元，測試模式由JTAG控制器控制。

     PVT單元：用于指示環(huán)境溫度，監(jiān)視動態(tài)環(huán)境（溫度和電壓）變化及HDC邏輯，并自動調(diào)整ATA的端口參數(shù)。PVT單元是全定制的，測試模式由JTAG控制。

    電源管理：SOC內(nèi)集成了電壓調(diào)整的控制電路。調(diào)節(jié)器可以提供從核心電路所需的1.8V到I/O口所需的3.3V電壓。一個外部晶體管用于處理所有核心邏輯所需的電流。片內(nèi)包含一個驅動外部晶體管的整流控制電路。整流器是全定制的，其測試模式由JTAG控制。

    測試設計分析

    由于存儲器占了45%的芯片面積、86%的晶體管數(shù)，同時由于DRAM的時序特性，既便單個存儲器單元比邏輯門小得多，測試一個DRAM單元也要比測試一個“與”門需要更多的時間。因此需要特別關注存儲器測試，這也是業(yè)界聚焦和努力的方向。根據(jù)SRAM在系統(tǒng)中的不同作用，可以利用微控制器測試或通過MBIST電路完成測試。SOC上的DRAM可通過一個BIST控制器測試，而DRAMBIST電路自身則通過“掃描”和ATPG進行測試。大部分的數(shù)字邏輯是綜合而成，因此均可通過ATPG掃描進行測試。為了有效降低測試時間，改善DRAM的DFT測試開發(fā)是最有益處的，設計時盡量考慮并行測試。同時，像振蕩器和PLL等模擬單元也應在一個合理的時間內(nèi)完成測試。另外，當進行ATPG或掃描測試時，測試還受到自動測試設備(ATE)內(nèi)部的測試向量存儲器容量的制約，設計時需事先考慮。

     DFT和DFM的測試實現(xiàn)

    由于器件比較復雜，對于不同的功能模塊采用了不同的測試結構。

     ATPG掃描測試
    掃描結構如圖2所示。為了可在ATE測試儀上進行多器件并行掃描測試，掃描鏈的輸入端被設計在芯片相對的兩邊。器件的特殊之處在于它包含了多路的級敏掃描（LSSD）電路。DRAM的BIST就是LSSD掃描，由工藝廠家提供，而其余的設計盡量使用標準的多路掃描觸發(fā)器。在LSSD掃描電路和多路掃描邏輯中，沒有插入隔離邏輯。由于LSSD與多路掃描之間不同的時序，在設計時，LSSD與多路掃描的合成可能會遇到問題，即可能出現(xiàn)對某些觸發(fā)器采樣時，數(shù)據(jù)不確定性而導致失現(xiàn)以某一SOC產(chǎn)品為例進行介紹。器件由0.18?m的銅工藝制造，有很好的性能和極低的功耗。芯片系統(tǒng)主要部分組成見圖1。

    
    圖1  芯片版圖

    圖2  掃描模式結構

    效覆蓋率的損失。因此在設計時應特別關注兩者的匹配。

    考慮到在進行掃描測試時，某些不需要的模式可能會激活，而邏輯電路只占用整個芯片面積的很小部分，因此經(jīng)過折中后，考慮了增加電路部分的成本與測試覆蓋率之間的關系，有一小部分電路沒有被掃描。由于邏輯電路只占用整個芯片面積的很小部分，因此，對于整個器件來說，減小邏輯的失效覆蓋率是可以接受的。經(jīng)驗證，邏輯的單固定型故障覆蓋率在95%。

     SRAM測試
    片內(nèi)有兩種SRAM：一是與微處理器（數(shù)據(jù)，代碼存儲器）緊密聯(lián)系的CPUSRAM；另一種是硬盤控制使用的HDCSRAM，不能被微控制器直接讀取，為雙端口SRAM。兩者分別采用了不同的測試策略。

     CPUSRAM測試策略
    如密集SRAM一樣，SRAM宏單元的版圖也是用手工優(yōu)化完成，這樣可以不斷接近工藝極限，節(jié)省空間和能耗。為了獲得更高的產(chǎn)出率，密集的SRAM中加入了冗余單元。為了降低測試成本，盡量減少了插入電路。大部分的測試由片上DRAM存儲器激勵，可在存儲器測試儀上直接測試?？紤]到SRAM測試要在存儲器測試儀上運行，因此，在設計時把微控制器讀取存儲器模塊SRAM的測試算法存儲在一個叫MSIST(存儲器自檢軟件)的ROM里。這個程序不僅可以很容易被存儲器測試儀控制，而且很容易通過單層掩膜重設計完成更改變動。測試結構見圖3。HDC中的小模塊無法被微處理器核測試，必須用圖4中的MBIST(存儲器內(nèi)建自測試)的結構測試。通過這樣的DFT設計，就可以在一個專用存儲器測試儀上完成所有的存儲器測試，繼而進行冗余存儲器的熔斷。MSIST和MBIST可以執(zhí)行march-14，棋盤測試和反棋盤等測試。

    
    圖3   MSIST 結構

    圖4   MBIST 結構

    雙端口SRAM的BIST軟件測試：
    芯片內(nèi)不能被CPU直接讀取的HDC雙端口SRAM，則通過CPU運行BIST算法由下載軟件完
成測試。由于采用軟件測試方法，需要花精力準備軟件測試向量，在設計時，應考慮SRAM的版圖及片上MBIST邏輯的建立。

    對大多數(shù)SRAM來說，MBIST運行速度與功能存儲采用同樣的方法和速度，而硬件MBIST常常在較低速度或修改訪問后綜合而成。因此用軟件方法不會出現(xiàn)在測試時RAM通過，而在實際應用時失效等現(xiàn)象。

    DFM：
    測試時應考慮為所有的SRAM創(chuàng)建一張位失效圖（BFM），可通過CPU的數(shù)據(jù)線輸出。這些位失效圖對生產(chǎn)制造很重要，在合格率研究和改善方面，可以給工藝工程師提供極其重要和必要的信息。

    DRAM測試
    在過去的幾年里，嵌入式DRAM的測試是關注的焦點。熔斷前測試是通過特殊的邏輯從引腳加入的。外部ATE存儲器提供所有的激勵和期望結果比較，并由ATE對失效單元建立BFM及計算最佳修復方案。DRAMBIST有能力自建冗余計算，也就是BISR（內(nèi)建自修復），但為了減少測試時間，本案不使用此功能。BIST邏輯自身用ATPG和LSSD掃描寄存器測試。

    高并行測試的DRAM結構
    通常，DRAM占用的測試時間比邏輯測試長。因此為了降低單個器件的有效測試時間，設計時考慮了高并行測試。

    嵌入式DRAM的熔斷前測試是在一個專用存儲器測試儀上進行，使用BIST的直通模式（圖5）。這樣，通過降低冗余修復的計算時間及高并行測試減少了測試時間。一個專用存儲器測試儀的優(yōu)點是：硬件支持存儲器測試算法、能對一個完整的多兆位存儲器進行位失效信息的存儲和分析，以及并為高并行測試提供大量的供電電源。

    本器件選用存儲器ATE進行測試。因此，需要一個最小測試模式導入（準備序列）來構造存儲器。一旦存儲器構造好，還需提供一個典型的存儲器接口，包括冗余數(shù)據(jù)輸入和輸出的導入。通過限制地址和數(shù)據(jù)輸入的數(shù)量，并且將所需的引腳分列在芯片的兩相對邊沿，可以實現(xiàn)高并行測試。

    帶有BIST的DRAM測試
    有BIST控制器的DRAM模塊，能在IEEE1149.1指令合理配置后被激活（圖5）。一旦熔絲開始，DRAM測試就不需要專門考慮存儲器的修復，而可在標準的邏輯ATE上進行。因為BIST由片上產(chǎn)生地址和控制信號，并只送出一個通過/失效結果。所以，用于連接的端口數(shù)將大大減少。

    DFM
    可制造性設計的原則引導著DRAM的分析設計開發(fā)。焦點不是在限制引腳的數(shù)量和位置，而在于盡量為嵌入式存儲器提供盡量多的可控制性和可觀察點。通過JTAG控制器，可以選擇一個最小測試模式導入序列，使用更多的控制線和數(shù)據(jù)線，包括芯片上所有邊緣的引腳。這種模式是用于失效分析而不用于生產(chǎn)測試。像SRAM一樣，DRAM測試也應創(chuàng)建位失效圖，并傳送到ATE做近一步分析。

    獨特的DFM特點：環(huán)形振蕩器

    芯片內(nèi)設計了兩個在生產(chǎn)時用于加速測量的環(huán)形振蕩器。這些環(huán)形振蕩器有2ns的自然周期，每個與32分頻的邏輯相連。典型的對外周期是64ns，用標準ATE就可以產(chǎn)生適于測量的頻率。為了比較連線和門延時的影響，用了兩種版圖布線方法。一個環(huán)形振蕩器用密集布線；另一個用人工布線。環(huán)形振蕩器的測量結果反映了硅片速度，可以用來跟蹤工藝變化，以消除器件太快或太慢。

    結論

    本芯片系統(tǒng)包含了嵌入式DRAM、大容量的SRAM、模擬模塊、專用數(shù)字邏輯，因此生產(chǎn)測試面臨著極大挑戰(zhàn)。在設計時根據(jù)具體情況，通過面向測試設計DFT和面向可生產(chǎn)性的設計DFM，針對各模塊得出一個多樣化的解決策略。最終，用標準的IEEE1149.1接口構造器件進入不同的測試模式

    圖5  DRAM測試結構