生產(chǎn)制造中的低功耗測試方法

受無線和高功效器件的普及以及提供“綠色”電子系統(tǒng)的需求驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)師越來越多地采用低功率設(shè)計(jì)來應(yīng)對(duì)越來越艱巨的功能性功耗挑戰(zhàn)。直到最近，管理制造測試過程中的功率問題已經(jīng)成為第二大備受業(yè)界關(guān)注的要求。但隨著器件物理尺寸的不斷縮小和電壓門限的不斷降低，越來越多的人認(rèn)識(shí)到測試過程中過大的功耗會(huì)影響數(shù)字IC的可靠性，并導(dǎo)致電源引起的故障、過早失效，以及最終測試時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤問題。這些現(xiàn)象的發(fā)生要求制造測試采用特殊的電源管理和低功率設(shè)計(jì)技術(shù)。

功能模式與測試模式比較

多份研究表明，深亞微米器件的測試模式功耗要比功能模式高好幾倍。雖然典型測試模式功耗極限通常是功能性功耗的2倍左右，但由于多種原因?qū)嶋H功耗要大得多。

例如，為了降低測試儀成本，有時(shí)會(huì)對(duì)多個(gè)模塊同時(shí)進(jìn)行測試，但在功能性操作中，許多個(gè)模塊同時(shí)工作的可能性并不大。掃描期間邏輯電路中的開關(guān)以及掃描/捕獲期間的高開關(guān)速率也會(huì)產(chǎn)生較高的功耗。同樣，轉(zhuǎn)換測試波形中的快速捕獲脈沖會(huì)導(dǎo)致有害的峰值電源脈沖，從而出現(xiàn)IR壓降問題。另外，增加掃描轉(zhuǎn)移循環(huán)的頻率以縮短測試時(shí)間也會(huì)在測試儀上造成過高功耗。

測試功耗值不同于功能性功耗的其它原因還包括針對(duì)最壞情況下功能性功耗的現(xiàn)場測試要求，老化測試以及器件的高電壓測試。所有這些操作都會(huì)導(dǎo)致電壓和溫度的上升，從而對(duì)測試結(jié)果和器件的低功率電路造成潛在的負(fù)面影響。

在任何降低測試功耗的方法中，測試覆蓋率影響必須要小，并且對(duì)自動(dòng)測試波形生成(ATPG)工具和流程的影響要降低到最小程度。同樣，也不應(yīng)顯著影響測試數(shù)據(jù)量和測試時(shí)間。另外，測試模式功耗降低得太多也可能導(dǎo)致電路受到的應(yīng)力不夠而影響測試質(zhì)量，因此這種情況應(yīng)避免。最后，采用的策略必須不影響物理設(shè)計(jì)因素，如面積、功率和功能時(shí)序，并且不影響開發(fā)進(jìn)度。

DFT技術(shù)：Q輸出選通和掃描劃分

Q輸出選通和低功率掃描劃分(Scan Partitioning)就是兩種常見的電源管理技術(shù)。在Q輸出選通技術(shù)中，選通邏輯被智能地插在關(guān)鍵掃描觸發(fā)器的Q輸出端，以便盡量減少掃描轉(zhuǎn)移期間組合電路中的開關(guān)活動(dòng)。選通邏輯是由測試信號(hào)控制的，在捕捉周期和正常功能模式時(shí)不被激活。在掃描轉(zhuǎn)移操作期間，Q輸出選通可以減少通過掃描觸發(fā)器傳播到組合邏輯的開關(guān)活動(dòng)。重要的是只選通對(duì)掃描模式功耗降低有很大影響、但對(duì)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵時(shí)序路徑影響很小的寄存器。

掃描劃分是另外一種管理測試功耗的可測性設(shè)計(jì)(DFT)技術(shù)。通過插入DFT邏輯，每條掃描鏈被分割成多個(gè)段，當(dāng)測試數(shù)據(jù)從某個(gè)掃描段加載/卸載時(shí)，連接到所有其它段的時(shí)鐘可以被關(guān)斷以降低功耗。低功率掃描劃分已經(jīng)在一些商用設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，如游戲系統(tǒng)中使用的CELL處理器。

降低測試功耗的另外一種相關(guān)DFT技術(shù)是數(shù)據(jù)選通，這種技術(shù)可以給目前不在進(jìn)行測試的設(shè)計(jì)區(qū)域中的掃描鏈加載一個(gè)常數(shù)值。此時(shí)需要插入必要的測試點(diǎn)，以便給空閑鏈加載零值，從而減少開關(guān)活動(dòng)，而工作鏈則加載來自測試儀來的數(shù)據(jù)。

DFT技術(shù)：禁止輸出驅(qū)動(dòng)器

輸出驅(qū)動(dòng)器在開關(guān)動(dòng)作時(shí)的功耗通常要比內(nèi)部邏輯大許多倍。盡量避免輸出驅(qū)動(dòng)器開關(guān)操作對(duì)管理平均功率、即時(shí)功率和IR壓降來說非常重要。它的主要思路是在任何測試模式時(shí)鐘脈沖期間將所有三態(tài)輸出驅(qū)動(dòng)器保持在被禁(高阻)狀態(tài)。這種方法可應(yīng)用到捕捉和掃描轉(zhuǎn)移時(shí)鐘。這種方法可以在信號(hào)被證實(shí)時(shí)通過使用一個(gè)或多個(gè)控制輸入信號(hào)強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)器到高阻來實(shí)現(xiàn)。在掃描轉(zhuǎn)移期間除了激活的掃描輸出引腳外的所有驅(qū)動(dòng)器應(yīng)被禁止。

芯片制造商經(jīng)常開發(fā)包含上千個(gè)信號(hào)I/O引腳的芯片，而且大多數(shù)引腳可能是輸出或雙向引腳。在如此多三態(tài)輸出引腳的情況下，要避免同時(shí)發(fā)生開關(guān)操作，即便沒有時(shí)鐘脈沖時(shí)。當(dāng)大量驅(qū)動(dòng)器被單個(gè)控制信號(hào)禁止時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致太多的驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通，并在電流要求和電壓降方面產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的尖峰。可以使用一個(gè)以上的驅(qū)動(dòng)器禁止控制信號(hào)來避免出現(xiàn)這種情況，也可以讓控制信號(hào)通過錯(cuò)位時(shí)延運(yùn)行。小心使用DFT插入和這種驅(qū)動(dòng)器禁止控制信號(hào)的ATPG是所有低功率測試方法中的一個(gè)重要考慮因素。

ATPG技術(shù)：具有功率意識(shí)的測試波形生成

除了DFT方法之外，商用化ATPG工具現(xiàn)在也考慮到了具有功率意識(shí)的測試波形生成功能。ATPG圖案主要針對(duì)圖案生成時(shí)的一個(gè)或一組故障。不會(huì)使控制狀態(tài)發(fā)生沖突的波形可以被合并成統(tǒng)一的一個(gè)波形，這被稱為波形壓縮。當(dāng)壓縮完成時(shí)，一般不到3%的控制點(diǎn)會(huì)包含特定的值，這些值確定了針對(duì)目標(biāo)故障的測試。這些確定的控制點(diǎn)稱為關(guān)注位。剩余控制點(diǎn)(稱為非關(guān)注位)可以用默認(rèn)隨機(jī)邏輯數(shù)填充。這些隨機(jī)值偶爾可以用來測試不作為波形目標(biāo)的故障。

這種非關(guān)注位的隨機(jī)值填充將導(dǎo)致掃描期間發(fā)生約50%的設(shè)計(jì)掃描觸發(fā)器開關(guān)動(dòng)作。商用化ATPG工具提供的電源管理技術(shù)具有調(diào)整默認(rèn)隨機(jī)填充的波形生成功能。重復(fù)填充方法則重復(fù)最后關(guān)注位，直到遇到另外的關(guān)注位，從而可確保掃描轉(zhuǎn)移加載期間的開關(guān)動(dòng)作大大減少。無論使用哪種方法都可以獲得同樣的故障覆蓋率。

例如，如果ATPG圖案是0XXXX110XXXX11XXXX11，其中X代表非關(guān)注位，那么隨機(jī)填充可能導(dǎo)致最終波形變成01010110101011010111，而重復(fù)填充變成01111110111111111111。隨機(jī)填充有15反轉(zhuǎn)，而重復(fù)填充只有3位反轉(zhuǎn)，因此在掃描鏈轉(zhuǎn)移期間反轉(zhuǎn)率明顯降低。為了避免開關(guān)動(dòng)作減少得太多，另外一種方法是在對(duì)剩余位應(yīng)用重復(fù)填充之前增加隨機(jī)位來增加開關(guān)動(dòng)作。一些ATPG工具提供對(duì)波形的更多自動(dòng)化控制，可避免造成IC的應(yīng)力不足。

電源器件測試

為了解決功能性操作過程中的功耗問題，包括多路電壓(MSV)和電源關(guān)閉(PSO)在內(nèi)的許多架構(gòu)級(jí)電源管理技術(shù)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。這種技術(shù)可以提供高達(dá)80%的動(dòng)態(tài)功率降低和幾個(gè)數(shù)量級(jí)的漏電功率下降。這些設(shè)計(jì)具有多種電源模式，設(shè)計(jì)的不同區(qū)域(也稱為域)可以處于不同的電源模式。

從DFT角度看，當(dāng)內(nèi)部掃描鏈、測試壓縮、存儲(chǔ)器BIST等測試結(jié)構(gòu)被?入到這種設(shè)計(jì)中時(shí)，它們必須能在目標(biāo)電源模式下工作。在以對(duì)應(yīng)電源模式的測試模式測試芯片時(shí)，測試結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)與保持不同電源模式的控制器宏應(yīng)該在測試儀上完全可控。

許多傳統(tǒng)測試解決方案“不計(jì)較”這些低功率特性，并在所有域的電源接通條件下做測試。而在具有功率意識(shí)的測試方法中，設(shè)計(jì)的功能性電源模式被映射到ATPG測試波形。映射必須做到包含至少一個(gè)處于“開”狀態(tài)的每個(gè)電源域的實(shí)例，這種狀態(tài)允許以在用邏輯故障為目標(biāo)，同時(shí)測試電源域隔離邏輯，并進(jìn)行“開狀態(tài)”驗(yàn)證。同樣，還需要包含至少一個(gè)處于“關(guān)”狀態(tài)的每個(gè)電源域的實(shí)例，用于驗(yàn)證和測試生成。

另外一個(gè)考慮因素是測試電源器件結(jié)構(gòu)，包括電源控制器、電源開關(guān)和狀態(tài)保持(SR)觸發(fā)器，以及用于功能性電源管理的結(jié)構(gòu)。在制造測試期間，必須對(duì)這些低功率器件中的缺陷進(jìn)行精確建模和測試。例如，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化測試不足以測試支持電源關(guān)斷和模式轉(zhuǎn)換的邏輯，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的ATPG和故障模型不足以解決處于斷電中的邏輯問題。例如，在關(guān)斷包含一個(gè)SR單元的域的電源后，由于SR單元不能保持最初加載的狀態(tài)，SR單元可能無法正常工作。目前商用DFT和ATPG工具都支持具有功率器件意識(shí)的測試。

本文小結(jié)

制造測試期間的功耗潛在影響不能再被忽視了。許多IC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)表明，好的工程規(guī)劃、并行機(jī)制以及具有功率意識(shí)的DFT、ATPG和簽字確認(rèn)工具可以減輕測試低功率架構(gòu)和元件過程中遇到的測試功率問題。本文重點(diǎn)介紹了幾種實(shí)用的DFT和AFPG技術(shù)。隨著低功率電子器件的快速發(fā)展，DFT和ATPG領(lǐng)域中將涌現(xiàn)出更多創(chuàng)新技術(shù)、工具和絕佳實(shí)用方法。

表1：使用測試波形電源管理技術(shù)的低功率掃描與傳統(tǒng)掃描過程中開關(guān)功率的比較。