3D集成系統(tǒng)的測(cè)試自動(dòng)化

封裝技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了三維(3D)集成系統(tǒng)的發(fā)展。3D集成系統(tǒng)可能對(duì)基于標(biāo)準(zhǔn)封裝集成技術(shù)系統(tǒng)的性能、電源、功能密度和外形尺寸帶來(lái)顯著改善。雖然這些高度集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試要求仍在不斷變化，但很顯然先進(jìn)的測(cè)試自動(dòng)化將對(duì)推動(dòng)3D集成系統(tǒng)的量產(chǎn)產(chǎn)生重要影響。本文將討論3D集成系統(tǒng)相關(guān)的一些主要測(cè)試挑戰(zhàn)，以及如何通過(guò)Synopsys的合成測(cè)試解決方案迅速應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

2.5D集成和3D集成

目前有兩種基本的3D封裝配置。2.5D集成系統(tǒng)在一個(gè)普通電氣接口(稱為硅基板)上掛接多塊二維(2D)裸片，并通過(guò)穿過(guò)基板的導(dǎo)線把這些裸片連接在一起(如圖1所示)。系統(tǒng)I/O通過(guò)中途延伸穿過(guò)基板的垂直硅穿孔(TSV)連接到底層封裝基板。由三維堆疊IC(3D-SIC)組成的系統(tǒng)(如圖2所示)的外形尺寸比2.5D集成系統(tǒng)更緊湊。在這種配置中，TSV蝕刻在基板中，由2D IC組成的晶片最小厚度不到50微米。多塊裸片垂直堆疊并通過(guò)TSV進(jìn)行互連。

圖1：2.5D集成(兩塊裸片通過(guò)穿過(guò)硅基板的導(dǎo)線進(jìn)行互連)。

圖2：3D-SIC(兩塊堆疊裸片通過(guò)TSV進(jìn)行互連)。

對(duì)堆疊配置進(jìn)行測(cè)試需要2.5D封裝測(cè)試所需的自動(dòng)化的超集，因此在以下章節(jié)中我們將重點(diǎn)討論這一話題。

對(duì)3D堆疊IC進(jìn)行測(cè)試

圖3顯示了由三片裸片堆疊的3D-SIC眾多可能測(cè)試方法中兩種方法的測(cè)試場(chǎng)景。一種方法是在所有裸片粘接在一起之后進(jìn)行堆疊測(cè)試，如場(chǎng)景1所示。堆疊測(cè)試從底部(第一塊)裸片與第二塊裸片之間，以及第二塊裸片與第三塊裸片之間的TSV互連測(cè)試開(kāi)始，然后從底部裸片開(kāi)始按順序?qū)γ繅K裸片進(jìn)行測(cè)試。此外，堆疊測(cè)試同時(shí)還可包括把整個(gè)堆疊作為一個(gè)集成系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

圖3：對(duì)某個(gè)三裸片堆疊進(jìn)行3D-SIC測(cè)試場(chǎng)景舉例。在場(chǎng)景1中，只有在所有三塊裸片粘接完成之后才進(jìn)行堆疊測(cè)試。在場(chǎng)景2中，每當(dāng)有一塊已知合格裸片粘接到堆疊頂部時(shí)都要進(jìn)行一次堆疊測(cè)試。

由于對(duì)后續(xù)發(fā)現(xiàn)存在缺陷的裸片進(jìn)行“拆除(un-bond)”不太可行，因此在粘接之前對(duì)單個(gè)IC在粘接過(guò)程中的互聯(lián)可能造成的損失測(cè)試可能比僅依賴堆疊測(cè)試來(lái)識(shí)別已造成整個(gè)系統(tǒng)缺陷的缺陷裸片更加具有成本效益。在圖3的場(chǎng)景2中，每當(dāng)有一塊KGD粘接到IC堆疊頂部時(shí)都要進(jìn)行一次堆疊測(cè)試，以便排查對(duì)頂部?jī)蓧K裸片以及在粘接過(guò)程中的互聯(lián)可能造成的損失。

分辨合格裸片測(cè)試

盡管把KGD測(cè)試納入3D-SIC測(cè)試流程有可能降低總的制造和測(cè)試成本，但會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。除底部裸片以外，沒(méi)有可用于KGD測(cè)試的任何探針壓焊點(diǎn)，因?yàn)樗械腎/O都只可通過(guò)TSV(頂部有細(xì)間距的微凸塊，排列在裸片的兩側(cè))接入。業(yè)界正在努力建設(shè)擺脫這些約束的探針系統(tǒng)，但在新系統(tǒng)可投入生產(chǎn)之前，設(shè)計(jì)者必須考慮能夠利用其現(xiàn)有自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備(ATE)基礎(chǔ)設(shè)施的其它方法。一種可行的方法是插入KGD測(cè)試專用的“犧牲的(sacrificial)”探針壓焊點(diǎn)。雖然存在由于專用探針壓焊點(diǎn)而引起的面積損失，但還是可以通過(guò)使用DFTMAX壓縮中的有限引腳測(cè)試功能盡量減少壓焊點(diǎn)的數(shù)量。有限引腳測(cè)試最多可縮短測(cè)試應(yīng)用時(shí)間和測(cè)試數(shù)據(jù)量170X，只需要使用一對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)引腳。

此外，由于3D-SIC中的故障影響與2D設(shè)計(jì)中的故障影響完全相同，所以在建立KGD測(cè)試模型時(shí)仍然可以使用傳統(tǒng)的故障模型。但是，由于3D集成系統(tǒng)的外形尺寸比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更小，性能更高，所以高質(zhì)量的KGD測(cè)試可能需要使用TetraMAX ATPG中提供的更高級(jí)的測(cè)試——比如，針對(duì)微小時(shí)延缺陷的信號(hào)跳變延遲測(cè)試和針對(duì)橋接故障的橋接測(cè)試。

盡管如此，單靠掃描測(cè)試并不夠。用于連接相鄰裸片的TSV數(shù)量有數(shù)千個(gè)，如果沒(méi)有能夠滿足3D-SIC細(xì)間距要求的探針技術(shù)，那么在KGD測(cè)試過(guò)程中這些TSV的故障是無(wú)法觀測(cè)的。設(shè)計(jì)者可通過(guò)為所有的TSV I/O使用雙向I/O包裝器單元(wrapper cell)來(lái)克服該障礙。TetraMAX可按照雙向引腳形式為I/O建立模型，然后生成允許在TSV I/O中應(yīng)用和捕獲數(shù)據(jù)的TSV“回路”測(cè)試，驗(yàn)證其功能。

缺陷驅(qū)動(dòng)型嵌入式存儲(chǔ)器自測(cè)試是KGD測(cè)試的另一個(gè)重要組成部分。3D集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者可通過(guò)Synopsys的DesignWare自測(cè)試和修復(fù)(STAR)存儲(chǔ)器系統(tǒng)為Synopsys和第三方存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)最高的缺陷覆蓋率。

電源測(cè)試注意事項(xiàng)

3D-SIC系統(tǒng)復(fù)雜度越高，對(duì)動(dòng)態(tài)功耗的控制要求就越高。功耗在裸片粘接到堆疊前后是不同的(因?yàn)槁闫辰雍骉SV為堆疊分配電源)。需要使用功率感知(power-aware)ATPG和基于電源域測(cè)試等先進(jìn)的電源管理技術(shù)來(lái)限制功耗，從而最大程度地減少3D-SIC測(cè)試過(guò)程中的誤報(bào)故障。功率感知ATPG、DFTMAX和TetraMAX協(xié)同工作可生成能夠把Shift模式和capture模式功耗限制在功能水平(基于設(shè)計(jì)者指定的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換預(yù)算)范圍以內(nèi)的模型。

通過(guò)基于電源域測(cè)試，TetraMAX能夠生成符合設(shè)計(jì)功能電源狀態(tài)要求的模型，降低動(dòng)態(tài)功率和泄露功率，并盡量減少IR壓降問(wèn)題的發(fā)生。此外，它還可通過(guò)生成用于測(cè)試電源管理電路的模型序列進(jìn)一步提高缺陷覆蓋率。Synopsys的高級(jí)電源管理功能已成功部署到2D設(shè)計(jì)中，以提高缺陷覆蓋率和限制ATE上的誤報(bào)故障。這些高級(jí)電源管理功能將在3D-SIC測(cè)試中發(fā)揮重要作用。

堆疊測(cè)試

TetraMAX生成KGD模型后，把KGD模型映射到堆疊級(jí)端口是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程。對(duì)于TSV互連測(cè)試，TetraMAX使用動(dòng)態(tài)橋接故障模型生成針對(duì)TSV I/O之間時(shí)序的全速測(cè)試模型。但堆疊測(cè)試的主要挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能夠向非底部裸片提供足夠測(cè)試接口的3D DFT架構(gòu)，以便進(jìn)行單獨(dú)裸片測(cè)試，裸片間測(cè)試(即TSV互連測(cè)試)和可能的多裸片同時(shí)測(cè)試。Synopsys正積極參與IEEE P1838等新興3D測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)。雖然這些標(biāo)準(zhǔn)尚未整合使用，但早期采用者可使用Synopsys的合成測(cè)試解決方案來(lái)高效地實(shí)現(xiàn)基于已確立標(biāo)準(zhǔn)的3D DFT架構(gòu)。

例如，DFTMAX可為使用IEEE Std 1149.1作為測(cè)試接入機(jī)制的3D-SIC系統(tǒng)合成、連接和驗(yàn)證JTAG測(cè)試接入端口(TAP)和邊界掃描寄存器(BSR)邏輯，以便進(jìn)行KGD或堆疊測(cè)試。

此外，DFTMAX還使用IEEE Std 1500標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行芯核包裝和“裸片包裝”——當(dāng)非底部裸片的測(cè)試控制接口使用基于IEEE Std 1500標(biāo)準(zhǔn)的包裝器時(shí)。同樣，位于底部裸片并通過(guò)JTAG TAP接收指令的DesignWare STAR存儲(chǔ)器系統(tǒng)可使用IEEE Std 1500接口為堆疊中所有其它裸片的嵌入式存儲(chǔ)器提供必要的測(cè)試接入和隔離。

在每塊裸片上實(shí)現(xiàn)測(cè)試接口后，測(cè)試接口采用菊花鏈方式在堆疊內(nèi)上下互連，實(shí)現(xiàn)對(duì)邏輯搭載邏輯(logic-on-logic)和邏輯搭載存儲(chǔ)器(memory-on-logic)配置的堆疊測(cè)試，如圖4所示。

圖4：Synopsys支持對(duì)基于已確立測(cè)試接入標(biāo)準(zhǔn)的邏輯搭載邏輯(LoL)和邏輯搭載存儲(chǔ)器(MoL)系統(tǒng)進(jìn)行3D-SIC測(cè)試。

能夠通過(guò)JTAG TAP訪問(wèn)3D-SIC中的嵌入式測(cè)試和調(diào)試資源的另一個(gè)功能是DesignWare SERDES IP(UPx)。Synopsys的高速接口自測(cè)試似乎兼容新興的IEEE Std P1687標(biāo)準(zhǔn)(推薦的儀器使用標(biāo)準(zhǔn))，并且是對(duì)3D-SIC產(chǎn)品成功認(rèn)證和部署起到關(guān)鍵作用的器件接入機(jī)制的一個(gè)典型類型。除了上述標(biāo)準(zhǔn)以外，Synopsys的測(cè)試解決方案使用STIL(IEEE Std 1450.x)和CTL(IEEE Std 1450.6)作為主流接口連接到電子設(shè)計(jì)和制造行業(yè)中的其它系統(tǒng)，并且作為對(duì)2.5D和3D封裝配置同時(shí)進(jìn)行測(cè)試的手段。