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        可編程間隔定時器測試失效分析

        2021-07-04 07:57:44王禹輝
        微處理機 2021年3期
        關(guān)鍵詞:示波器計數(shù)器時序

        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(xì)規(guī)范對芯片的輸出電平達到穩(wěn)定的時間是有嚴(yán)格限定要求的,只有在滿足詳細(xì)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(zhǔn)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(xì)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(dāng)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(dāng)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(yán)苛的狀態(tài)。當(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(yán)格的時序要求,從而導(dǎo)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(xué)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(xì)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。

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