可編程間隔定時器測試失效分析

王禹輝

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

某型可編程間隔定時器的芯片內(nèi)部有三塊計數(shù)器，且每個計數(shù)器擁有六種工作模式。在測試時，為了達到測試的全面性，需要對其內(nèi)部的全部三塊計數(shù)器及每個計數(shù)器的全部六種工作模式分別進行測試。除此之外，在測試時，還需要賦予計數(shù)器初始值以最大值，從最大值開始進行“減一”操作，以保證所有計數(shù)點都在測試中被覆蓋到。測試芯片能否正常工作，是通過芯片的輸出電平來進行判斷的。芯片對應(yīng)的詳細規(guī)范對芯片的輸出電平達到穩(wěn)定的時間是有嚴格限定要求的，只有在滿足詳細規(guī)范要求的時間內(nèi)達到輸出電平穩(wěn)定，該芯片才能算測試合格。一般情況下，對于大批量生產(chǎn)的芯片，出于測試的便捷、高效及穩(wěn)定的考慮，都是使用大規(guī)模集成電路測試系統(tǒng)進行測試，但這種一測試模式的弊端是很難發(fā)現(xiàn)芯片的一些比較特殊的工作異常情況。通常情況下，要對芯片工作時出現(xiàn)的具體問題進行分析，都是使用示波器捕捉芯片輸入輸出波形，以此方式來進行準確定位[1]。

2 故障描述與初步分析

在實際工作中遇到的一次具體故障案例中，某型芯片的一只管芯在ETS-770自動測試系統(tǒng)中進行了測試，測試結(jié)果顯示正常，但在用該芯片所在電路進行實際工作時，使用者發(fā)現(xiàn)電路在進行模式轉(zhuǎn)換的過程中有異常行為出現(xiàn)，據(jù)分析，屬于觸發(fā)下級中斷的情況[2]。

為了找出具體故障原因，首先根據(jù)芯片特點，分析模式轉(zhuǎn)換時出現(xiàn)觸發(fā)下級中斷情況的原因的所有可能性；之后使芯片處于完整的工作狀態(tài)，再根據(jù)輸出波形定位出哪些情況下芯片無法正常工作；最后再反饋給版圖設(shè)計人員共同分析失效原因。觸發(fā)下級中斷的故障樹如圖1所示。

圖1 觸發(fā)下級中斷故障樹

3 故障定位

對故障樹中的情況逐個展開分析。首先檢查控制程序是否完善。根據(jù)使用者的使用條件，對樣品進行測試分析。分析應(yīng)涵概所有情況，具體實現(xiàn)過程為：

分別在常溫、低溫和高溫環(huán)境下，首先對計數(shù)器0配置方式控制字，使其選定模式0以及低8位計數(shù)器，之后賦初值為8并開始進行減數(shù)操作；

減到0后，再次配置方式控制字，使其選定模式1以及低8位計數(shù)器，之后賦初值為8，再次進行減數(shù)操作；

對計數(shù)器0重新配置方式控制字，使其重新選定模式0，賦初值為8并開始進行減數(shù)操作；

減到0后再次配置方式控制字，這一次使其選定模式2和低8位計數(shù)器，賦初值為8，再次進行減數(shù)操作……以此類推，直至計數(shù)器0完成所有的任意兩種模式之間的切換動作。

在上述操作中，根據(jù)使用者的使用條件，所給CLK的時鐘頻率均為100kHz。細致檢查每條程序，同時作為對照，對一個完全合格的芯片進行測試。經(jīng)檢查，并未發(fā)現(xiàn)控制程序有任何異常，而之前合格的芯片依舊合格，這樣即排除了控制程序不完善的可能性[3]。

之后再對計數(shù)器1和計數(shù)器2進行與計數(shù)器0相同的操作。

對ETS-770測試系統(tǒng)上所使用的測試板進行檢查，測試板所對應(yīng)的引腳說明如表1所示。由于測試板除了與測試系統(tǒng)相連之外，并沒有其他相關(guān)聯(lián)的電路模塊，因此此處需要使用示波器，對ETS-770測試系統(tǒng)上所使用的引腳進行輸出檢測，查看輸出波形與程序是否一一對應(yīng)。經(jīng)過檢查，并未發(fā)現(xiàn)ETS-770測試系統(tǒng)的輸出端有任何異常，從而排除了其他電路模塊引發(fā)脈沖的可能性[4]。

表1 測試板引腳說明

利用上述測試方法對正常樣品進行測試，正常情況下輸出端OUT的輸出波形如圖2所示。

圖2 OUT輸出端正常輸出波形圖

再用同樣的方法對失效樣品進行測試，當該樣品在常溫和低溫環(huán)境下運行時，計數(shù)器由模式0向模式3轉(zhuǎn)換過程中，該計數(shù)器所對應(yīng)的輸出端OUT都會在WR的上升沿處出現(xiàn)一個窄脈沖，如圖3所示。這一窄脈沖與WR上升沿存在對應(yīng)關(guān)系，如4所示[5]。

圖3 WR上升沿時OUT端出現(xiàn)窄脈沖

采樣時，示波器的通道1與CLK0連接；通道2與OUT0連接；通道4與WR連接。由于WR上升沿時OUT端出現(xiàn)的窄脈沖時間非常短暫，ETS-770自動測試系統(tǒng)無法對其進行有效捕捉，以致所測的實際帶有此種脈沖的芯片均被錯誤地判定為合格。經(jīng)過示波器的放大分析，此窄脈沖的脈沖寬度大約為30ns左右[6]。可判定此脈沖是由芯片輸出端產(chǎn)生的。

4 機理分析

通過圖4中OUT端出現(xiàn)的窄脈沖，結(jié)合實際情況，可知該芯片并非始終無法正常工作，而是每當進行一次“寫”操作之時，需要最多額外50 ns的延時之后，OUT輸出端口才能保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 OUT端窄脈沖與WR上升沿的對應(yīng)關(guān)系

出現(xiàn)這一情況歸根到底是芯片設(shè)計本身存在問題。若深入到微觀電路內(nèi)部分析，從原理上可知，造成此類異常的原因是電路內(nèi)部單元的PMOS管與NMOS管的尺寸匹配有誤，造成電路內(nèi)邏輯單元翻轉(zhuǎn)點偏向低電平，從而使整個電路的時序處于較為嚴苛的狀態(tài)。當電源電壓變化時，邏輯單元的時序關(guān)系就會有一定的余量滿足電路讀取的要求。

電路版圖如圖5所示，可見當中的NMOS管具有抗核加固結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為環(huán)形柵結(jié)構(gòu)設(shè)計，在參數(shù)提取時會出現(xiàn)一定的尺寸誤差，從而會導致電路的仿真值與實際電路存在差異。同時電路內(nèi)部多為異步時鐘結(jié)構(gòu)，在電路讀取數(shù)據(jù)時，由于時鐘產(chǎn)生的快慢不同，造成了器件進行讀取功能時出現(xiàn)較為嚴格的時序要求，從而導致器件在進行多次讀取時出現(xiàn)時序不匹配現(xiàn)象，在宏觀電學特性上就體現(xiàn)為一種窄脈沖現(xiàn)象[7]。

圖5 電路NMOS管的抗核結(jié)構(gòu)圖

為最終克服有此窄脈沖存在的異常，對芯片內(nèi)部布線及電路設(shè)計原理需要有盡可能詳細的了解。電路的內(nèi)部布線原理圖如圖6所示[8]。

圖6 芯片內(nèi)部原理圖

從芯片設(shè)計角度講，降低多晶的方塊電阻值以及降低多晶布線電阻對計數(shù)器時序的影響，可以降低窄脈沖出現(xiàn)的幾率。

上述方法可視實際故障情況靈活運用，宜于推廣到多種芯片測試領(lǐng)域，為芯片的動態(tài)測試分析[9]提供一種有效的解決方案。

5 結(jié)束語

針對目前國內(nèi)芯片的大多數(shù)測試環(huán)境，針對芯片的失效情況，對具體失效安全進行分析，提出示波器與測試平臺相結(jié)合的失效分析設(shè)計方案。方案從芯片的動態(tài)測試的角度，對工作條件下的測試分析及測試過程做了說明，對于表面上并無明顯異常但使用中可能隨時發(fā)作影響使用的故障也有良好的定位效果。