片上芯片SoC挑战传统测试方案

SoC厂商如何在提高复杂器件传输速度的同时降低测试成本?

随着先进的集成电路(IC)设计方法和高密度生产技术的使用，半导体厂商能够把不同的数字和模拟电路集成在极小芯片上，其尺寸之小、功能之全尚无先例，我们称之为系统芯片。尽管具有先进的设计和制造能力，可是IC厂商在对这些多元器件进行快速而又低成本地批量生产时，面对 空前的挑战。当把若干功能单元结合在一个单独器件上时，今天的SoC器件为减少批量生产时间和测试成本，向传统的测试方法发起挑战。结果是，厂商们将更广泛地研究新方法，这些新方法通过在设计和测试之间的有效平衡，提供了一个更有效地从事SoC设计、生产和测试的方案，并能够同时做到减少其生产时间和测试费用。

特殊的挑战

就SoC厂商来说，在一个竞争激烈的市场上，消费者对其在功能、性能和费用等方面的要求，又给他们平添了持续的压力。SoC厂商将复杂的数字核与模拟功能集成在单芯片中，在功能和性能上能够应对市场多种用途的需求。可是在制造过程中，SoC厂商发现设计和测试复杂性经常会导致故障。随 工艺技术的研制费用接近100万美元，每次故障都使得成本负担雪上加霜，并且拖延交货期，加剧经

济受损。工程师们发现在这样的压力下，无法充分发挥先进的工艺技术和制造水平的潜力。

对测试工程师来说，他们的测试面对 非常严峻的挑战，一是受测器件庞大的数量，二是多种受测电路复杂的程度。然而，测试工程师必须保证以最优化的测试程序，采用最少最便宜的测试设备，在短时间内完成测试。测试工程师还需要功能更强的混合信号测试仪来处理高端界面。而传统的连续开发方法中测试故障的费用上升首先导致器件开发延迟，SoC厂商也将为此增加测试时间和费用及生产成本。

SoC测试中当前的困境大多是由于采用早期几代IC对测试要求不高而造成的。最新的设计虽提高了易测程度但仍缺乏应对当前流程中普遍问题的能力。在传统的连续开发流程中(图1a)，设计工程师设计时所掌握的有关信息很少，可利用的测试设备也有限，因而可能在最终开始测试后很久才会发现所遇到的问题，造成额外费用并拖延时间。

SoC器件目前不断增加的复杂程度，促使主要的厂商青睐采用更有效的SoC生产导向设计测试流程法(图1b)。该方法使各个测试小组分工明确，测试研发工作平行展开。各测试小组集中攻关的结果是同步拿出最优化的设计方案和更有效的测试程序。工程师们在转移到大批量生产之前，就已充分掌握了器件性能。制造商可以有效平衡高配置的SoC平台的灵活性，使其满足不同新产品类型组合的需要，在实现快速批量供应的同时，全面降低测试成本。

早期试验进展

新测试流程建立在测试开发工具和设计工艺技术之上。多年来，工程师们倚赖专用的内部工具将仿真向量转变成测试设备使用的模式。SoC显著地增加了这一转变过程的复杂性。今天，更加先进的测试工具能够与主要的电子设计自动化(EDA)供应商所提供的流程一起运行。加上先进的循环运算法则，这些工具能够把与各种复杂程度的电路相关联的数据组合起来，并且制作一个单独的测试模式和定时文档。手头掌握了这些统一的结果，测试工程师的工作会更有效。

图1 生产测试和工程确认的常规流程(a)和平行流程(b)

新SoC生产导向设计测试流程法的一个最重要特点是它能够在开发循环的早期校验测试程序。过去，测试工程师需要获得第一块芯片和可以排除故障的测试设备后才可以开始测试工作，这将把产量拖沿数星期。而今，由于具有了当前先进的测试开发环境，测试工程师能够利用数字式虚拟测试仪(DVT)的性能，提前进行调试试验。虚拟测试法最适合数字电路。但EDA软件现有的能力已有很大提高，EDA公司与测试公司已有很好的协作。因此，设计和测试工程技术能力扩展至模拟设计也就有了保障。

经过改进的测试开发能力对所有SoC厂商都至关重要，对于无生产线的IC设计公司尤为重要。由于相比较而言，IC设计公司对外界的依赖程度高，因为在设计和测试之间存在一个地理上的差距，存在 交流困难问题。经由外界的设计方案会加剧测试难题对生产延期和生产费用的影响。虚拟测试法让IC设计公司在其现有的设计环境下进行调试试验，以保证测试程序运转正常并能更好地s了解潜在的测试设备问题。

交互式工程设计确证

对不知名的半导体公司和集成器件制造商(IDMs)来说，复杂的设计和先进的工艺技术的结合，要求提高与自动测试仪(ATE)上进行的生产测试截然不同的测试验证能力。随 工艺技术达到0.13μm或更细的线宽，先进的器件展示出不断增加的效能，事实上也限制了多数生产用自动测试仪(ATE)在检测更细微故障时的有效性。对许多厂商而言，复杂的SoC已致使传统的测试方法愈加无效，并给生产和成本问题造成严重的瓶颈影响。

优化的工程设计验证测试系统的出现，提供了与生产测试仪明显有别的能力，达到了大幅度提高生产量的要求。工程技术系统为生产测试仪是非结果的判断提供了详细的原因分析。事实上，今天领先的工程设计验证系统具有的记忆特性，能够保留所有器件管脚上的完整数据，以便工程师更容易地对器件功能做解剖研究--这是传统的生产用自动测试仪(ATE)所无法达到的。

生产用自动测试仪(ATE)适合批量生产的需要，有赖于高度优化的测试程序来确保采用最少的测试设备和花费最短的时间。相比较，工程技术验证系统则适合交互式分析，为测试装置和测量提供图形用户界面(GUI)。工程师们在此环境下可以更有效地进行为最优化设计和调试所采用的交互式的假设分析。用在生产过程中，则有助于加速故障分析。当今复杂的SoC需要更加精密复杂的诊断设备，如皮秒图象电路分析(picosecond imaging circuit anal-ysis)，激光电压探针(laser voltage probe)和电子束系统(e-beam systems)。领先的工程设计系统直接向这类设备提供界面;工程师们借此利用外部的探头装置就能够测试器件。

图2 测试程序的核查准备

低成本生产测试

SoC生产技术的成功，依靠的是厂

商以最低的生产成本实现大量的生产能力。随 制造商创造了结合先进数字电路和模拟功能的SoC，就需要不断提高自动测试仪(ATE)的强大功能。芯片内功能提高了数字数据传输速率。而今，防火墙、千兆赫兹以太网和图形加速接口等功能都集于芯片上，因此需要测试仪的数据速率要达到800Mbps或更高。制造商们正在寻找适应性强和容易升级的操作平台以满足新要求，而非过去那样追加投资，开发新一代产品。

对于混合信号的SoC，可配置的ATE系统在经济上可以承受大批量生产对测试功能和灵活性的要求。模块式结构是这些系统的核心，为制造商提供了一个适应性强的高性能共享测试平台。就IC电路的总体而言，大功率多性能ATE能够满足SoC日益增加的功能条件，如管脚的增加、速度的提高、对液体冷却的需求等。好在先进的冷却设计可以选用空气冷却高速高功耗的CMOS电路，而降低了ATE的复杂性。

系统设计和检测仪表性能的改善显著地减少了ATE的费用，加上应用了各种程序开发工具语言，增加了测试开发环境的功效。工程师们利用共享图形用户界面(GUI)和现有测试程序模板，使现有的测试程序符合特定的测试用途，从而提高了生产效率。这种以模板为基础的方法把测试开发时间削减了数周，这对于把握SoC市场稍纵即逝的机会格外重要。

在产业开始复苏的今天，对市场机会的快速应变能力是SoC制造业重于一切的要务。在现有条件下取得最大效益的能力，对于制造商仍然非常关键。系统兼容性在高效的开发环境及生产测试设备中是一个日益重要的特性，将有助于使生产能力达到最高水平。厂商通过有效配置所有测试设备，把测试转移到最有效的平台上进行，不断满足生产条件的变化要求。

随技术的发展和不断变化的商业需求，主要的SoC制造商在复杂的芯片到达生产工厂之前，将更多地依靠SoC生产导向设计测试流程法来重点关注测试问题，充分发挥SoC测试平台的灵活性。通过把先进的测试系统及软件与新设计测试开发生产流程相结合，预期厂商将可以既减少测试成本，又缩短批量生产时间。