高速自動測試設(shè)備的未來

2005年2月A
    半導(dǎo)體業(yè)正在逐漸變換到納米制造工藝。納米技術(shù)帶來巨大的好處：幾乎可以自由地增加晶體管數(shù)。另一方面，CMOS工藝已發(fā)生顯著地變化，因此，納米SOC出現(xiàn)新型的制造缺陷。第一個問題是在高頻時會增加定時失效數(shù)。其他問題還包括串?dāng)_、時鐘歪斜和同步、高速I/O參量失效，由于其模擬特性，它們對來自相鄰數(shù)字芯核的注入噪聲特別敏感。
    為了解決相關(guān)的質(zhì)量和測試成本問題，正在研究新的測試設(shè)計（DFT）技術(shù)和其他測試方法。特別是AC掃描和內(nèi)裝自測試（BIST）/環(huán)回技術(shù)，正在日益用于改善器件高速部分與定時有關(guān)的失效。
    這些增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的測試開發(fā)，最后是否需要千兆赫數(shù)據(jù)率高速自動測試設(shè)備（ATE）？高速ATE系統(tǒng)中的高速功能和參量測試將來技術(shù)上是否繼續(xù)需要？經(jīng)濟(jì)上是否合理等問題會隨之而產(chǎn)生。
納米制造缺陷及后果
    改變?nèi)毕萏匦缘囊粋€例證是大量增加與定時有關(guān)的故障。這往往在高頻導(dǎo)致故障，如固定性故障。與DC故障比較，相關(guān)的定時問題只能通過高速測試來檢測。
    隨著器件尺寸的減小，晶體管關(guān)鍵參量（如柵氧化層厚度、閥值電壓，有效晶體管長度，漏電流）隨之增大靜態(tài)變率。這都會影響定時。
    這在本質(zhì)上會導(dǎo)致器件寄生參量非理想定標(biāo)和非理想印刷板走線的變率。這些因素會使芯片速度和功耗導(dǎo)致大的變化。
    電容串?dāng)_效應(yīng)和RC內(nèi)連延遲會進(jìn)一步惡化小規(guī)模器件的高速性能。內(nèi)連引起的傳播延遲支配晶體管柵極延遲。這種效應(yīng)會影響器件性能。
    對于這些復(fù)雜的納米器件，其傳統(tǒng)高速功能測試是針對信號完整性問題（如IR壓降，感性干擾，襯底耦合，電移），這些問題不可能用電流仿真技術(shù)展示。高速測試也可達(dá)到所需的定時關(guān)閉。
    新納米設(shè)計的產(chǎn)品直線上升期間，低產(chǎn)出往往是個問題，因為缺陷對應(yīng)用比從前的技術(shù)有更強(qiáng)的依賴性。需要更全面的測試來達(dá)到產(chǎn)品器件所需的質(zhì)量水平。與DFT能力一起，高速功能測試為了解新制造工藝固有的故障機(jī)構(gòu)提供主要的反饋環(huán)路。
SOC設(shè)計中的同步問題
    系統(tǒng)寬時鐘同步是大量納米設(shè)計的主要問題之一。當(dāng)高速設(shè)計的最小時鐘周期減小時，裸片尺寸仍保持大的，這是因為更多元件集成在同一裸片上。因此，與內(nèi)連延遲大約成正比的有關(guān)時鐘歪斜變成時鐘周期的重要部分，而同步設(shè)計中的跨芯片通信需要一個時鐘周期以上時間。
    采用復(fù)雜的時鐘去歪斜技術(shù)來解決這些問題。在大量的設(shè)計中，新的方法，如整體異步局部同步（GALS）結(jié)構(gòu)正在替代通常的定時方法。然而，在SOC設(shè)計中不同域之間的數(shù)據(jù)傳輸仍然必須重新同步。高速功能測試可解決這類同步問題，但其他高速方法（如AC掃描）不能解決這類同步問題。
高速I/O測試問題
    現(xiàn)在，高性能SOC設(shè)計包含大量不同的高速I/O總線和協(xié)議。可以看到不同信號傳輸類型的廣泛混合，從同步雙向到單向信號傳輸和單端到低壓差分信號傳輸。具有分離時鐘信號的傳統(tǒng)寬、并行、源同步總線結(jié)構(gòu)正在被窄、串行、嵌入式時鐘技術(shù)替代。在器件的接收器口用具有時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）單元的串行器/解串器（SerDes）從輸入數(shù)據(jù)流中提取時鐘信號。

    PC芯片組器件是混合I/O類型的例證（圖1）。例如，PCIExpress和S-ATA都用具有單向低擺幅差分信號傳輸?shù)那度胧綍r鐘技術(shù)。PCI Express可包含運行在2.5Gb/s數(shù)據(jù)率下的32個通道，而S-ATA在1.5Gb/s或3Gb/s只支持一個通道。
    相反，DDR存儲接口和Intel的前端總線（FSB）結(jié)構(gòu)現(xiàn)在采用單端、雙向、源同步技術(shù)?，F(xiàn)在FSB的800Mb/s數(shù)據(jù)率可望很快增大到1066Mb/s,甚至可達(dá)到1.6Gb/s。
為了適應(yīng)這種硬件變化和不定的行業(yè)定時，需要有靈活的測試設(shè)備。需要幾百高速引腳，但是，多時鐘域也工作在不固定的速率，因為不同的接口必須同時測試。
    SerDes宏單元大量集成到消費類SOC器件中，這會帶來與I/O有關(guān)的復(fù)雜測試問題，例如，與抖動有關(guān)的廣延參數(shù)測試。對于高集成SOC器件，這些測試似乎是更重要的，因為它們大量的芯核可能對有效的關(guān)閉芯片數(shù)據(jù)傳輸有負(fù)面沖擊。
    高集成數(shù)字ATE通道比傳統(tǒng)機(jī)架或混合信號儀器更適合于參量測試。需要幾千兆赫的輸入模擬帶寬、低的固有系統(tǒng)抖動和高定時精度。因為它是針對所有這些測試問題，所以，高速功能測試對于芯片正確邏輯和電氣性能的驗證仍將是主要工具。這是高速器件調(diào)試和特性鑒定期間兩個主要的任務(wù)。
全速度功能測試和全速度DFT共存
    隨著測試成本的繼續(xù)降低，裸片上測試能力資源的廣泛開發(fā)和應(yīng)用不斷向前推進(jìn)。為了檢驗相關(guān)定時間題，日益采用傳輸故障的全速度結(jié)構(gòu)測試、關(guān)鍵通路的通路延遲測試和BIST/環(huán)回技術(shù)。
    結(jié)構(gòu)全速度方法的一個例子是AC掃描，而EDA工具中對AC掃描的支持不斷改進(jìn)。然而，AC掃描測試期間的開關(guān)動作與功能測試是完全不同的，正是由于此原因，這不可以模擬真實的應(yīng)用條件。因此，這樣的方法需要的實際功能測試的廣延相關(guān)性。
    甚至有良好的相關(guān)性，仍然會有其他可能的問題，導(dǎo)致成品率損失增加或測試漏失。
    不精確的延遲測試可能是成品率損失和測試漏失的另一個原因。只有幾十皮秒的延遲通路測量誤差相當(dāng)于內(nèi)部時鐘周期的5%。至今不知道對延遲通路測量加容限測試的方法，所以，這些誤差可導(dǎo)致成品率損失或測試漏失。
    把片上BIST結(jié)構(gòu)與串行環(huán)回方法相結(jié)合是全速度產(chǎn)品測試的另一種流行技術(shù)，特別是對于SerDes I/O單元的測試。用專門的ATE環(huán)回卡（如Agilent93000 BIST Assist6.4）可增強(qiáng)測試范圍，除基本功能測試外也支持參量測量（圖2）。

    盡管DFT或其他低成本技術(shù)對于高速器件的很多高頻I/O特性是最經(jīng)濟(jì)的測試方案，但仍然對ATE有較強(qiáng)的要求，希望它能提供全速度激勵和捕獲，特別是在產(chǎn)品定型前更是這樣。當(dāng)DFT完全取代全速度功能測試時，可達(dá)到的故障覆蓋率趨于折衷。這可能是一種潛在的風(fēng)險，特別是對于把工藝技術(shù)推至極限的新I/O技術(shù)而言。
    另外，DFT仍然是一種成熟的技術(shù)，而不同的硅供應(yīng)商遵循不同的DFT開發(fā)戰(zhàn)略?；诖嗽?，全速度DFT不是一貫的跨業(yè)界實現(xiàn)。甚至在生產(chǎn)中，在可預(yù)測的將來，整個業(yè)界將不希望用全速度DFT完全替代全速度功能測試。
高速ATE通道的關(guān)鍵要求
    對于設(shè)計特征，ATE高速驅(qū)動和捕獲能力必須配合高定時的精度。同等重要的是，必須提供的ATE功能是經(jīng)濟(jì)的，因為半導(dǎo)體廠家面對巨大的成本壓力。
高速ATE要求如下：