低功耗制造測試的設(shè)計(jì)

關(guān)鍵字：低功耗 制造測試

完全的數(shù)字電路測試方法通常能將動(dòng)態(tài)功耗提高到遠(yuǎn)超出其規(guī)范定義的范圍。如果功耗足夠大，將導(dǎo)致晶圓檢測或預(yù)老化(pre-burn-in)封裝測試失效，而這需要花大量的時(shí)間和精力去調(diào)試。當(dāng)在角落條件(corner conditions)下測試超大規(guī)模SoC時(shí)這個(gè)問題尤其突出，甚至?xí)股a(chǎn)線上出現(xiàn)不必要的良率損失，并最終減少制造商的毛利。避免測試功耗問題的最佳途徑是在可測試性設(shè)計(jì)(DFT)過程中結(jié)合可感測功率的測試技術(shù)。本文將首先介紹動(dòng)態(tài)功耗與測試之間的關(guān)系，以說明為何功率管理現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都迫切；然后介紹兩種獨(dú)特的DFT技術(shù)，它們利用了ATPG技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，以自動(dòng)生成低功率制造性測試。

測試功率

掃描ATPG算法的優(yōu)化可減少向量的數(shù)量，這意味著各向量都盡可能地提高了失效覆蓋率。掃描向量(scan pattern)中用于設(shè)置和傳播目標(biāo)失效的位被稱為關(guān)注位(care bits)，剩余的位則隨機(jī)填充，以檢測關(guān)注位無法明確指定的其它失效。各掃描向量中的關(guān)注位和隨機(jī)填充位都會(huì)引起邏輯狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而對(duì)器件的寄生電容進(jìn)行充放電。這種現(xiàn)象將導(dǎo)致電路在正常工作條件下消耗的動(dòng)態(tài)功率有所增加。

會(huì)影響器件測試的動(dòng)態(tài)功耗有兩種：峰值功率和平均功率。峰值功率，有時(shí)也稱為“瞬時(shí)功率”，是在很短時(shí)間內(nèi)(例如系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿/下降沿后緊跟著的時(shí)鐘周期的一小部分)消耗的功率總和。峰值功率反映了器件中節(jié)點(diǎn)開關(guān)的活動(dòng)水平，因此同時(shí)從一個(gè)邏輯狀態(tài)切換到另一個(gè)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，峰值功率就越大。

掃描測試能使器件的峰值功率增至任務(wù)模式下向量消耗水平的20倍。顯著的開關(guān)電流有可能導(dǎo)致軌信號(hào)塌陷(rail collapse)噪音的產(chǎn)生：沿著掃描鏈(scan chain)移位至電路的比特丟失，從而導(dǎo)致測試儀上的向量失配。開關(guān)電流通常不至于如此惡劣，但仍會(huì)引起軌信號(hào)下跌，因?yàn)镮R-drop沿電源軌增加的同時(shí)也導(dǎo)入了電路延遲。在某些情況下，掃描數(shù)據(jù)可能無法到達(dá)掃描鏈中的下一級(jí)電路，從而導(dǎo)致測試程序失效。移位模式下的軌信號(hào)下跌一般可通過充分地降低掃描移位頻率來解決，因?yàn)檫@樣能讓掃描信號(hào)在角落條件下有足夠的時(shí)間滿足移位循環(huán)定時(shí)。然而，降低掃描移位頻率會(huì)延長測試儀的測試時(shí)間，因此增加了批量生產(chǎn)時(shí)的測試成本。

即使向量被成功掃描，但在發(fā)送/捕獲時(shí)序(以下稱為“捕獲模式”)中的峰值功率也會(huì)引起足夠大的IR-drop延遲，并導(dǎo)致邏輯值在捕獲窗口未能正確轉(zhuǎn)換以及器件在該向量下的失效。雖然這個(gè)問題與stuck-at和轉(zhuǎn)換延遲測試都有關(guān)系，但在與延遲有關(guān)的實(shí)速測試向量中更加常見。在捕獲模式下的IR-drop問題以及在移位模式下的電源軌垂落問題可以通過電源軌系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)解決，這種設(shè)計(jì)方法可以適應(yīng)掃描測試中增加的開關(guān)活動(dòng)量。不過增加電源和地軌的寬度會(huì)增加電路面積，如果有更好的方法控制峰值測試功率就最好不要用這種方法。

平均功率是在多個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)平均的功耗，例如在掃描輸出上一向量響應(yīng)的同時(shí)而將單個(gè)激勵(lì)向量掃描進(jìn)設(shè)計(jì)所需的成千上萬個(gè)周期。掃描測試可將器件中的平均功率提高到任務(wù)模式向量時(shí)的2-5倍。過高的平均測試功率將在裸片上產(chǎn)生諸如“熱區(qū)”等熱問題，進(jìn)而損壞器件。因?yàn)槠骄β手苯诱扔陬l率，因此可以在掃描移位期間選擇足夠低的移位頻率對(duì)平均功率進(jìn)行控制以避免該問題。如上所述，降低掃描移位頻率也可能導(dǎo)致更高的測試成本。

平均測試功率在測試儀上相對(duì)容易管理，因此目前大多數(shù)與功率相關(guān)的測試問題來源于過高的峰值功率。在測試過程中，能同時(shí)減少峰值功率和平均功率的方法正成為當(dāng)前半導(dǎo)體和設(shè)計(jì)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)研究的焦點(diǎn)。

圖1：觸發(fā)器活動(dòng)

功率管理的重要性

測試過程中的功耗管理正變得越來越重要，因?yàn)樽钚碌闹圃旃に嚳赡苁乖O(shè)計(jì)制造包含數(shù)十萬甚至數(shù)百萬個(gè)掃描觸發(fā)器。大部分觸發(fā)器會(huì)在掃描測試期間同時(shí)開關(guān)，而這將增加峰值功率，并使前述中的IR-drop延遲劇增。

另外，由于65nm及以下工藝的缺陷密度(defect density)有所提高，產(chǎn)量因而也有所下降。為了補(bǔ)償產(chǎn)量不足并保持可接受的質(zhì)量水平，制造商開始轉(zhuǎn)向使用超高分辨率實(shí)速測試來檢測器件中微小的延遲缺陷。過去，使用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換延遲測試無法檢測到納米級(jí)缺陷；而使用小延遲缺陷ATPG的增強(qiáng)型定時(shí)分辨率測試已被證明能有效地檢測出納米級(jí)缺陷。然而，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)等速測試方法而言，該技術(shù)需要對(duì)測試期間產(chǎn)生的峰值電流所引起的附帶延遲有更嚴(yán)格的控制。

總之，當(dāng)更多納米缺陷出現(xiàn)時(shí)，大規(guī)模SoC需要依賴先進(jìn)的實(shí)速ATPG技術(shù)維持高測試質(zhì)量，而這一趨勢正驅(qū)使人們在DFT流程中使用可感測功率的測試技術(shù)。

功率預(yù)算的表示

觸發(fā)器開關(guān)活動(dòng)與節(jié)點(diǎn)開關(guān)活動(dòng)高度相關(guān)，其動(dòng)態(tài)功耗反映了節(jié)點(diǎn)開關(guān)活動(dòng)。因此可認(rèn)為避免測試引起的功率相關(guān)故障的一種有效方法是在掃描測試期間充分地減少觸發(fā)器開關(guān)活動(dòng)，對(duì)制造器件的IR-drop行為進(jìn)行詳細(xì)案例研究有利于這種觀測。因此功率降低技術(shù)的目標(biāo)是充分減少觸發(fā)器的開關(guān)活動(dòng)，以便良好的器件能在角落條件下通過所有掃描ATPG測試。注意，我們無需最小化開關(guān)活動(dòng)，只需將它減至與應(yīng)用任務(wù)模式向量時(shí)觀察到的開關(guān)速率相當(dāng)?shù)乃健?/p>

為了便于描述，假設(shè)將大量任務(wù)模式向量應(yīng)用于一個(gè)設(shè)計(jì)，并發(fā)現(xiàn)峰值觸發(fā)器開關(guān)活動(dòng)量為觸發(fā)器總數(shù)的26%。如果我們產(chǎn)生掃描ATPG向量，并跟蹤對(duì)應(yīng)于特定開關(guān)速率的向量數(shù)字，我們可能會(huì)觀察到與圖1中灰色分布相似的情況。由于峰值和平均開關(guān)速率超過26%，因此相對(duì)正常器件工作而言掃描測試會(huì)增加IR-drop延遲。

然而，如果我們采用相關(guān)技術(shù)降低測試期間的功耗，我們就能有效地將這種分布向左移。在圖1中重疊的藍(lán)色低功率分布區(qū)，掃描ATPG向量的峰值開關(guān)活動(dòng)沒有超過功率預(yù)算，因此降低了制造測試中功率問題產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

后文將介紹兩種可以獲得低功率向量分布的方法，它們在功率預(yù)算規(guī)定的方式上有根本的區(qū)別。[next]

通過設(shè)計(jì)分割反映功率預(yù)算

假設(shè)設(shè)計(jì)的某個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)了大量觸發(fā)器，以至它們的峰值開關(guān)動(dòng)作超過設(shè)計(jì)的總體功率預(yù)算。我們不希望測試邏輯去改變?nèi)魏螘r(shí)鐘，相反我們將設(shè)計(jì)分割成N個(gè)模塊，各模塊具有自己的掃描啟動(dòng)引腳，并且包含自己的掃描壓縮邏輯和掃描鏈。(如圖2所示)模塊的數(shù)量和組成需要仔細(xì)選取，以便任何單個(gè)模塊(包括具有大部分觸發(fā)器的模塊)的觸發(fā)器開關(guān)速率不超過總功率預(yù)算。從這方面講，可以認(rèn)為分割將功率預(yù)算硬連(hardwire)進(jìn)了設(shè)計(jì)。

向量產(chǎn)生是受限的，因而只有一個(gè)掃描啟動(dòng)腳被激活(SE=1)，而ATPG一次只處理一個(gè)模塊。ATPG工具以捕獲啟動(dòng)(SE=0)模塊中的故障和模塊間的故障為目標(biāo)，將所有其它模塊中的故障都指定為“ATPG不可測試”。所有模塊依次重復(fù)這一過程，并在為模塊產(chǎn)生向量之前使用單個(gè)命令將模塊中的故障狀態(tài)從“ATPG不可測試”改變?yōu)?ldquo;檢測不到”。

將所有開關(guān)動(dòng)作限制于用來測試的模塊，可以有效地降低捕獲模式期間的峰值功耗。但要注意的是，在捕獲模式期間消除其它模塊開關(guān)動(dòng)作的唯一方法是確保上個(gè)周期的掃描移位模式和下個(gè)周期之間的邏輯狀態(tài)沒有變化(對(duì)應(yīng)于被測模塊中捕獲模式的發(fā)送階段)。這可以通過將全1或全0掃描進(jìn)被測模塊實(shí)現(xiàn)。遺憾的是，該方法會(huì)導(dǎo)致故障覆蓋率的損失，同時(shí)需要更復(fù)雜的故障清單處理以及產(chǎn)生結(jié)束向量進(jìn)行補(bǔ)償。即使一次只測試一個(gè)模塊，我們也希望將向量同時(shí)裝載進(jìn)所有模塊以鎖定模塊間故障。

解決這個(gè)兩難問題的方案是利用新思公司的TetraMAX ATPG工具提供的“低功率填充”功能。TetraMAX通常需要用掃描向量中不到10%的位建立并傳播故障效應(yīng)，因此其不再隨機(jī)填充剩余位，而是將每個(gè)關(guān)注位的值復(fù)制到掃描鏈中的后續(xù)位，直到下一個(gè)具有相反值的關(guān)注位。(如圖3所示)

關(guān)注位值的復(fù)制可以將激勵(lì)向量中的邏輯狀態(tài)變化減少90%以上。而在不在測試的模塊中，減少程度接近99%(只需要少量關(guān)注位即可鎖定模塊間故障)，因此足以確保輸入向量的上次移位及后面的發(fā)送周期之間幾乎沒有邏輯狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖2：將設(shè)計(jì)分割成N個(gè)模塊以指定功率預(yù)算。

圖3：TetraMAX ATPG工具的“低功率填充”。

低功率填充向量可以檢測額外故障，但比標(biāo)準(zhǔn)ATPG向量要少，因?yàn)槊總€(gè)低功率填充激勵(lì)中的偽隨機(jī)位都被移除了。因此，低功率填充ATPG一般要比標(biāo)準(zhǔn)ATPG產(chǎn)生更多的向量才能獲得相同的故障覆蓋率。盡管如此，本節(jié)所描述的技術(shù)在壓縮方面非常靈活，如圖4所示：當(dāng)應(yīng)用更多的壓縮時(shí)，測試周期數(shù)只比基本案例(所有掃描啟動(dòng)沒有被激活，沒有低功率填充)稍多一些。該圖也顯示了在捕獲模式期間由完整向量集與壓縮率之間關(guān)系所得到的峰值開關(guān)動(dòng)作。而峰值開關(guān)動(dòng)作的減少幾乎與壓縮率無關(guān)。

圖4：測試周期數(shù)和峰值開關(guān)動(dòng)作與壓縮率之間的關(guān)系。

低功率填充ATPG還能降低掃描移位期間的平均功率，從而節(jié)省花在測試儀上的時(shí)間乃至成本。一般來說，復(fù)制關(guān)注位值可以減少激勵(lì)向量中90%以上的邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換，以及減少響應(yīng)向量中10-50%的邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換。由于激勵(lì)和響應(yīng)是同時(shí)被掃描的，因此觸發(fā)器開關(guān)動(dòng)作的凈平均減少量約為50%。本文介紹的技術(shù)可以減少更高的量，因?yàn)槟K中只有極少的關(guān)注位沒被測試到。

在理解低功率填充功能如何工作之后，就很容易了解為什么各模塊要擁有自己的壓縮電路。如果壓縮是“平坦的”(指單個(gè)解壓器/壓縮器被嵌在各模塊的頂層而不是里面)，那么解壓器輸出就可以分別輸入到所有模塊上的掃描鏈。被測模塊的關(guān)注位因而無需被掃描進(jìn)所有的其它模塊，并導(dǎo)致大量的邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換。相反，將壓縮電路嵌入到模塊中會(huì)使到各模塊掃描鏈的輸出受到限制，從而形成了在移位操作時(shí)無法通過的關(guān)注位“邊界”。將壓縮邏輯嵌入進(jìn)設(shè)計(jì)物理層里還有進(jìn)一步的好處，即可以減少布線擁塞，最終減少壓縮的面積開銷成本。

通過時(shí)鐘域反映功率預(yù)算

雖然物理模塊內(nèi)的嵌入式壓縮有助于減少布線擁塞，但本節(jié)介紹的技術(shù)無需通過分割設(shè)計(jì)以反映功率預(yù)算。相反，可以使用TetraMAX中獨(dú)特的功能將觸發(fā)器開關(guān)動(dòng)作預(yù)算規(guī)定為ATPG制約。

在該種情況下假設(shè)設(shè)計(jì)具備足夠多的時(shí)鐘，因而單個(gè)時(shí)鐘不能控制足夠的電路以超出功率預(yù)算。該工具試圖在捕獲模式下只啟動(dòng)某些時(shí)鐘來滿足功率制約。剩余時(shí)鐘在捕獲模式中不工作，在移位操作結(jié)束時(shí)保持其狀態(tài)。這意味著這些范圍(邏輯網(wǎng)絡(luò)或時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò))內(nèi)沒有開關(guān)動(dòng)作，低功率填充的好處僅限于降低掃描移位期間的平均功率。需要注意的是，ATPG必須完全控制所有的時(shí)鐘(外部時(shí)鐘或PLL產(chǎn)生的時(shí)鐘由一個(gè)或多個(gè)片上時(shí)鐘控制器所管理)。

圖5所示設(shè)計(jì)具有受ATPG控制的7個(gè)時(shí)鐘域。值得注意的是，用于壓縮的物理模塊的分割不需與時(shí)鐘域一致，以確保測試期間的低功率操作。設(shè)計(jì)中的所有觸發(fā)器共享相同的掃描啟動(dòng)，從而使得所有的故障包括域間故障能一次性地被ATPG發(fā)現(xiàn)。這種簡單、高度自動(dòng)化的流程可以產(chǎn)生緊湊格式的低功率向量集。

圖5：具有7個(gè)時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)。

本文小結(jié)

本文介紹了制造測試過程中引入的動(dòng)態(tài)功耗如何反過來影響被測器件的性能。測試中過高的峰值功耗會(huì)增加延遲并導(dǎo)致不可預(yù)料的測試結(jié)果，而測試期間中過高的平均功率所引起的熱問題則會(huì)損壞器件。上述兩個(gè)功率問題如果處理不正確將增加制造商的成本，而使用最先進(jìn)工藝制造的大規(guī)模SoC尤其容易受這些問題的影響。

不僅因?yàn)檫@些設(shè)計(jì)中使用了大量的觸發(fā)器，同時(shí)還因?yàn)樾枰酶邥r(shí)間分辨率的實(shí)速測試來檢測小延遲故障。為了解決這些問題，設(shè)計(jì)師們正在整合測試自動(dòng)化的先進(jìn)成果和DFT方法來創(chuàng)建低功率制造測試。本文重點(diǎn)介紹了兩種創(chuàng)新性技術(shù)，它們可將開關(guān)動(dòng)作降低到與器件任務(wù)模式工作時(shí)相當(dāng)?shù)乃健＿@兩種方法的主要區(qū)別在于設(shè)計(jì)師將功率預(yù)算并入DFT過程中的方式。