低功耗制造測(cè)試技術(shù)

中心議題：

• 動(dòng)態(tài)功耗與測(cè)試之間的關(guān)系
• 功率管理的重要性
• 功率預(yù)算的表示

解決方案：

• 通過設(shè)計(jì)分割反映功率預(yù)算
• 通過時(shí)鐘域反映功率預(yù)算

完全的數(shù)字電路測(cè)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(cè)或預(yù)老化(pre-burn-in)封裝測(cè)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(cè)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(cè)試功耗問題的最佳途徑是在可測(cè)試性設(shè)計(jì)(DFT)過程中結(jié)合可感測(cè)功率的測(cè)試技術(shù)。本文將首先介紹動(dòng)態(tài)功耗與測(cè)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(cè)試。

測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試儀的測(cè)試時(shí)間，因此增加了批量生產(chǎn)時(shí)的測(cè)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(cè)試都有關(guān)系，但在與延遲有關(guān)的實(shí)速測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試成本。

平均測(cè)試功率在測(cè)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(cè)試問題來源于過高的峰值功率。在測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試來檢測(cè)器件中微小的延遲缺陷。過去，使用標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換延遲測(cè)試無法檢測(cè)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(cè)試已被證明能有效地檢測(cè)出納米級(jí)缺陷。然而，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)等速測(cè)試方法而言，該技術(shù)需要對(duì)測(cè)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(cè)試質(zhì)量，而這一趨勢(shì)正驅(qū)使人們?cè)贒FT流程中使用可感測(cè)功率的測(cè)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(cè)試引起的功率相關(guān)故障的一種有效方法是在掃描測(cè)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(cè)。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(cè)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?BR>
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(cè)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(cè)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(cè)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?cè)诠β暑A(yù)算規(guī)定的方式上有根本的區(qū)別。

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(cè)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)。

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

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(cè)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(cè)試”改變?yōu)椤皺z測(cè)不到”。

將所有開關(guān)動(dòng)作限制于用來測(cè)