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測試與測量  

SoC測試技術面臨的挑戰和發展趨勢初探

上網時間: 2003年11月30日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:IC測試  93000  soc  系統單晶片  測試 

目前,IC消耗量的主要成長集中在消費電子、數據處理和通訊三大領域,其中消費電子包括顯示器、數位相機、數位電視和視訊遊戲機,數據處理包括CPU和記憶體、快閃記憶體卡、平面監視器和行動PC,通訊領域則以數位行動電話和無線╱有線網路為成長驅動力。IC複雜度的日益提高,迫使設計人員採用更為先進的製程技術,將更多的功能整合在單晶片內,系統單晶片(System on Chip,SoC)因此受到廣泛應用,目標是進一步降低整機系統設計、測試和製造的成本。

目前,0.25和0.18um製程技術佔據主導地位,0.13um以下製程技術已經在一些高階產品中得到應用,並呈現急速成長的趨勢。採用先進設計製程的結果,是造成設計、光罩費用在NRE中的比例逐年上升,已經由1995年的13%激增為2003年的62%,推出新型晶片受到降低成本需求的強勁驅動,但是設計和製造新型晶片的總成本卻因新製程技術的應用而急劇增加。

而另一方面,新型電子產品的生命周期越來越短已經是不爭的事實,它們從切入市場到實現百萬台的量產規模,時間通常不到一年,因此,業界流傳這樣的說法:90%的利潤是產品上市後頭六個月產生的,‘Time-To-Market’是整個半導體產業僅次於晶片複雜度面對的第二大挑戰。

在緊迫的上市時間和晶片複雜度日益提高的雙重壓迫下,半導體產業被迫建構新的委外生產鏈,並力圖結成更多的技術聯盟,共同推進技術和市場的發展,其中一個重要趨勢就是代工廠更傾向於提供全方位解決方案,幫助積體電路設計公司更快地推出晶片,而業界佔據領先地位的廠家更傾向於採用先進的測試技術,本文試圖對SoC測試領域面臨的挑戰和技術發展趨勢做一個初步探討。

傳統的測試方法和流程面臨的挑戰

傳統的設計和測試方法將設計、除錯╱驗證、生產測試三個環節孤立起來進行,其突出的問題是除非首顆晶片製造出來,否則晶片測試不可能真正完成,如圖1所示。傳統的測試方法和流程由於需要多次反覆,因而不能適應複雜的SoC大規模量產的需要,更難降低成本。對於SoC測試來說,人們需要開發更為有效的測試程式,以滿足一次性投片對驗證工具以及生產測試環節對更具有成本效益的測試軟體的需要。

目前,人們開發測試程式通常沿著設計、測試程式開發、晶片原型驗證的思路進行,各部份孤立地進行任務分配、需求分析,然後分別執行,測試的過程還要不斷完善測試軟體。測試程式開發完成之後,還要對測試程式本身進行除錯,通常需要多次反覆修改測試程式,時間上也需要幾個月的時間。這對於‘6個月贏得90%利潤’的市場法則來說是難以接受的,解決測試程式本身除錯需要較長時間這個問題,迫使人們進一步改進設計和測試的流程。

一體化測試流程

為了解決上述問題,圖2所示是一種新的測試流程。它將工程設計驗證測試流程與生產測試流程平行處理。其核心思想是利用虛擬原型對測試工程和IC設計過程所需要的測試程式(本身)進行查錯和除錯,同時,也將虛擬原型應用到生產測試流程之中,完成針對生產的測試程式的查錯和除錯。

為此,首先要根據工程測試結果,進行設計中的測試策略規劃,目的是改進測試方法,降低測試的複雜性,並根據測試成本和複雜性對測試任務進行定義。而生產測試流程中,測試程式查錯和除錯的主要任務是提高良率。

FPGA和PLD在搭建虛擬原型,完成對測試程式除錯的過程中扮演著重要作用。利用虛擬環境,可以大幅降低對測試程式進行除錯所花費的時間,減少光罩次數,節省大量、昂貴的光罩費用,提高良率,並在加速產品上市時間的同時,達到晶片利潤的最大化。

然而,儘管上述方法解決了縮短測試程式除錯時間的問題,但是,需要在設計和生產兩條線上同時對測試程式進行除錯,因而資金投入上並沒有顯著降低,為此,Credence公司提出了利用光子進行SoC測試的新技術。

基於光子探測的SoC測試技術

隨著晶片複雜度的增加,SoC採用覆晶、打線和多層金屬封裝的方式也越來越多,許多地方採用傳統的電測方法已經相當費時費力,因此,Credence利用固態浸入透鏡方法實現0.25um的影像解析度,來完成對SoC關鍵節點的性能進行分析。透過測試系統配備的高速採集和數據處理能力,半導體製造商能夠快速進行設計查錯、故障分析和特徵擷取,因而大幅縮短產品上市時間並降低SoC開發的成本。

基於光子探測的SoC測試技術的基本原理是,利用脈衝訊號切換產生的能量,激發半導體電路內部的電子被激發出光子,然後透過高速採集和數據處理系統,將採集的光子轉化為電子訊號,透過對這些電信號來分析時序特徵,因而達到對SoC關鍵節點進行測試的目的。其目的是加速產品的上市,消除不必要的多次設計修改和不必要的投片循環。

本文小結

SoC技術是21世紀初以來迅速發展起來的超大規模積體電路的主流技術,是電子元件持續整合的最高境界。SoC採用先進的超深次微米CMOS製程技術,從整個系統的角度出發,將處理機制、模型演算法、嵌入式軟體等各層次電路直至元件的設計緊密結合在單個晶片上,完成整個系統的功能。

隨著SoC應用的日益普及,在測試程式產生、工程開發、晶圓除錯、量產等領域對SoC測試技術提出了越來越高的要求,掌握新的測試理念、新的測試流程、方法和技術,是應對消費電子、通訊和運算等領域SoC應用對測試技術提出的挑戰,適應測試和組裝外包發展趨勢的必然要求。對於中國大陸積體電路測試人員來說,了解中國大陸目前SoC測試技術發展面臨的挑戰和發展方向,掌握市場的動態至關重要,表1所示為中國大陸目前已經具備SoC測試能力的測試中心和實驗室的一覽表。

作者:周智勇


Email: simonzhou@eetchina.com





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