高速自動(dòng)測試設備的未來(lái)

2005年2月A
    半導體業(yè)正在逐漸變換到納米制造工藝。納米技術(shù)帶來(lái)巨大的好處：幾乎可以自由地增加晶體管數。另一方面，CMOS工藝已發(fā)生顯著(zhù)地變化，因此，納米SOC出現新型的制造缺陷。第一個(gè)問(wèn)題是在高頻時(shí)會(huì )增加定時(shí)失效數。其他問(wèn)題還包括串擾、時(shí)鐘歪斜和同步、高速I(mǎi)/O參量失效，由于其模擬特性，它們對來(lái)自相鄰數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(wèn)題，正在研究新的測試設計（DFT）技術(shù)和其他測試方法。特別是AC掃描和內裝自測試（BIST）/環(huán)回技術(shù)，正在日益用于改善器件高速部分與定時(shí)有關(guān)的失效。
    這些增強結構的測試開(kāi)發(fā)，最后是否需要千兆赫數據率高速自動(dòng)測試設備（ATE）？高速ATE系統中的高速功能和參量測試將來(lái)技術(shù)上是否繼續需要？經(jīng)濟上是否合理等問(wèn)題會(huì )隨之而產(chǎn)生。
納米制造缺陷及后果
    改變缺陷特性的一個(gè)例證是大量增加與定時(shí)有關(guān)的故障。這往往在高頻導致故障，如固定性故障。與DC故障比較，相關(guān)的定時(shí)問(wèn)題只能通過(guò)高速測試來(lái)檢測。
    隨著(zhù)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(cháng)度，漏電流）隨之增大靜態(tài)變率。這都會(huì )影響定時(shí)。
    這在本質(zhì)上會(huì )導致器件寄生參量非理想定標和非理想印刷板走線(xiàn)的變率。這些因素會(huì )使芯片速度和功耗導致大的變化。
    電容串擾效應和RC內連延遲會(huì )進(jìn)一步惡化小規模器件的高速性能。內連引起的傳播延遲支配晶體管柵極延遲。這種效應會(huì )影響器件性能。
    對于這些復雜的納米器件，其傳統高速功能測試是針對信號完整性問(wèn)題（如IR壓降，感性干擾，襯底耦合，電移），這些問(wèn)題不可能用電流仿真技術(shù)展示。高速測試也可達到所需的定時(shí)關(guān)閉。
    新納米設計的產(chǎn)品直線(xiàn)上升期間，低產(chǎn)出往往是個(gè)問(wèn)題，因為缺陷對應用比從前的技術(shù)有更強的依賴(lài)性。需要更全面的測試來(lái)達到產(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構提供主要的反饋環(huán)路。
SOC設計中的同步問(wèn)題
    系統寬時(shí)鐘同步是大量納米設計的主要問(wèn)題之一。當高速設計的最小時(shí)鐘周期減小時(shí)，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，與內連延遲大約成正比的有關(guān)時(shí)鐘歪斜變成時(shí)鐘周期的重要部分，而同步設計中的跨芯片通信需要一個(gè)時(shí)鐘周期以上時(shí)間。
    采用復雜的時(shí)鐘去歪斜技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題。在大量的設計中，新的方法，如整體異步局部同步（GALS）結構正在替代通常的定時(shí)方法。然而，在SOC設計中不同域之間的數據傳輸仍然必須重新同步。高速功能測試可解決這類(lèi)同步問(wèn)題，但其他高速方法（如AC掃描）不能解決這類(lèi)同步問(wèn)題。
高速I(mǎi)/O測試問(wèn)題
    現在，高性能SOC設計包含大量不同的高速I(mǎi)/O總線(xiàn)和協(xié)議?？梢钥吹讲煌盘杺鬏旑?lèi)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(shí)鐘信號的傳統寬、并行、源同步總線(xiàn)結構正在被窄、串行、嵌入式時(shí)鐘技術(shù)替代。在器件的接收器口用具有時(shí)鐘和數據恢復（CDR）單元的串行器/解串器（SerDes）從輸入數據流中提取時(shí)鐘信號。

    PC芯片組器件是混合I/O類(lèi)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的嵌入式時(shí)鐘技術(shù)。PCI Express可包含運行在2.5Gb/s數據率下的32個(gè)通道，而S-ATA在1.5Gb/s或3Gb/s只支持一個(gè)通道。
    相反，DDR存儲接口和Intel的前端總線(xiàn)（FSB）結構現在采用單端、雙向、源同步技術(shù)?，F在FSB的800Mb/s數據率可望很快增大到1066Mb/s,甚至可達到1.6Gb/s。
為了適應這種硬件變化和不定的行業(yè)定時(shí)，需要有靈活的測試設備。需要幾百高速引腳，但是，多時(shí)鐘域也工作在不固定的速率，因為不同的接口必須同時(shí)測試。
    SerDes宏單元大量集成到消費類(lèi)SOC器件中，這會(huì )帶來(lái)與I/O有關(guān)的復雜測試問(wèn)題，例如，與抖動(dòng)有關(guān)的廣延參數測試。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)閉芯片數據傳輸有負面沖擊。
    高集成數字ATE通道比傳統機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、低的固有系統抖動(dòng)和高定時(shí)精度。因為它是針對所有這些測試問(wèn)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。這是高速器件調試和特性鑒定期間兩個(gè)主要的任務(wù)。
全速度功能測試和全速度DFT共存
    隨著(zhù)測試成本的繼續降低，裸片上測試能力資源的廣泛開(kāi)發(fā)和應用不斷向前推進(jìn)。為了檢驗相關(guān)定時(shí)間題，日益采用傳輸故障的全速度結構測試、關(guān)鍵通路的通路延遲測試和BIST/環(huán)回技術(shù)。
    結構全速度方法的一個(gè)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(kāi)關(guān)動(dòng)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(shí)的應用條件。因此，這樣的方法需要的實(shí)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(huì )有其他可能的問(wèn)題，導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(gè)原因。只有幾十皮秒的延遲通路測量誤差相當于內部時(shí)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，這些誤差可導致成品率損失或測試漏失。
    把片上BIST結構與串行環(huán)回方法相結合是全速度產(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(zhuān)門(mén)的ATE環(huán)回卡（如Agilent93000 BIST Assist6.4）可增強測試范圍，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)濟的測試方案，但仍然對ATE有較強的要求，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DFT完全取代全速度功能測試時(shí)，可達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)，而不同的硅供應商遵循不同的DFT開(kāi)發(fā)戰略?；诖嗽?，全速度DFT不是一貫的跨業(yè)界實(shí)現。甚至在生產(chǎn)中，在可預測的將來(lái)，整個(gè)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
    對于設計特征，ATE高速驅動(dòng)和捕獲能力必須配合高定時(shí)的精度。同等重要的是，必須提供的ATE功能是經(jīng)濟的，因為半導體廠(chǎng)家面對巨大的成本壓力。
高速ATE要求如下：