Система контроля ИМС Проектирование контролепригодных ИМС

Лекция № 13
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ИМС
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНТРОЛЕПРИГОДНЫХ ИМС
Последствия отказов ИМС в аппаратуре
Отказ ИМС в аппаратуре обычно приводит к замене целого блока. Легко
ремонтировать теле- радиоаппаратуру и персональные компьютеры, так как
этой аппаратуры много и есть сеть ремонтных пунктов, много запчастей.
Промышленную электронику и контрольно-измерительные приборы ремонтируют ( поставляют запчасти ) заводы - изготовители. В этом случае процесс
ремонта дороже запчастей. В ряде случаев импортную технику отремонтировать не удается вовсе. Отказы ведут к остановке производства, упущенная
выгода превосходит затраты на ремонт. Катастрофическими могут быть последствия отказов военной и космической техники.
Два способа борьбы с отказами:
1) установка и подключение резервной аппаратуры,
2) повышение надежности ИМС.
В промышленности обычно всегда используется резерв. В военной, космической технике, в авиации создание большого резерва невозможно, единственный путь - повышение надежности.
Применение ИМС и требования к системам контроля
Изготовление кристаллов ИМС групповое. Несмотря на сложность процессов, производительность очень высокая. Контроль каждой ИМС индиви-
дуальный, производительность низкая. Стоимость контроля от 20 % до 90 %
стоимости ИМС. Чем проще ИМС, тем больше вклад контроля в ее стоимость.
Два основных подхода к организации контроля:
- Изготовитель проводит простейший контроль ИМС, а потребитель - он
же изготовитель массовой аппаратуры - берет контроль на себя. Часть
испытаний ИМС проводится уже в составе аппаратуры ( надежность ). Подход распространен для теле- и радиоприемников;
- Изготовитель проводит полный контроль ИМС и гарантирует их качество и надежность. В зависимости от состава операций контроля цена
на одни и те же ИМС может отличаться в несколько раз.
Этапы контроля ИМС в процессе их производства и применения
А) Технологический контроль включает контроль параметров технологических процессов, контроль результатов технологических операций, а так
же финишный контроль электрических параметров физической структуры
ИМС по тестовым элементам ( сопротивления слоев, емкости переходов, коэффициенты усиления транзисторов ).
Б) Статистический контроль на пластинах.
После проведения простого контроля функционирования ( ФК ) на пластинах производится забраковывание пластин с низким КВГ. При низком
КВГ велика вероятность того, что годные кристаллы имеют скрытые дефекты. Отбраковываются пластины с высокой локальной дефектностью.
В) Контроль электрических параметров и ФК.
Должен обеспечивать контроль всех электрических параметров ИМС согласно ТУ. Подробнее рассмотрим позднее.
Г) Контроль надежности ИМС.
Осуществляется в процессе электро- термотренировки - 168 часов ( две
недели ). При повышенной интенсивности отказов партия бракуется.
Д) Анализ рекламаций от потребителей.
Виды неисправностей в ИМС
А) Топологические ошибки ( при аттестации проекта ), локальные дефекты ( в том числе и скрытые ) приводят к нарушению функционирования
ИМС.
Б) Отклонения от заданных параметров структуры приводят к изменению
( ухудшению ) статических или динамических параметров ИМС, снижению
диапазона рабочих температур и напряжений. Выявляются при контроле статических и динамических параметров в диапазоне температур и напряжений.
В) Рассогласование параметров отдельных блоков - гонки фронтов, просечки импульсов, сбои при работе в критических режимах. Наибольшая
сложность - их выявление. Используются динамический контроль функционирования, многократный функциональный контроль.
Оборудование для контроля ИМС всегда отстает от новых требований к
микросхемам, так как на его разработку и внедрение необходимо около 10
лет. Стробоскопические методы измерений не выявляют одиночные сбои.
Система контроля должна формироваться на этапе разработки ИМС.
Методы проектирования контролепригодных ИМС
А) Декомпозиция функциональной схемы на блоки, проверка схемы по
частям, использование дополнительных контактных площадок.
Б) Исключение из структуры ИМС внутренних двунаправленных шин.
Выявление ошибок на двунаправленной шине не дает информации о блоке, в
котором есть дефект.
В) Введение в структуру ИМС буферных регистров. Конвейерная организация обработки информации, которая упрощает синхронизацию данных.
Г) Использование встроенных средств контроля.
Встроенные средства контроля.
А) В микросхемах памяти, в схемах передачи информации эффективны
методы кодовой защиты и выявления дефектов. Помехоустойчивые избыточные коды позволяют выявлять и локализовывать дефекты ( например, код
Хемминга ).
Б) Встроенный мультиплексор.
Для управления встроенным мультиплексором необходимо только 3
контактные площадки: установка, тактовый код и выход.
Структура мультиплексора
Вход установки
счетчика
Тактовый
вход
счетчик
n - разрядов
Выходы счетчика
n штук
Входы мультиплексора
n входов управления
Контрольные
точки
2
n
Комбинационный
мультиплексор
Выход
Рис. 13.1.
Метод применяется для комбинационных схем.
Мультиплексор позволяет проверить состояния практически любого числа внутренних точек, позволяет наблюдать временную диаграмму в контролируемых точках. Основной недостаток - много лишних дополнительных
элементов ИМС.
В) Сквозной сдвиговый регистр.
Если в структуре ИМС присутствуют буферные регистры или сама
функциональная схема построена с использованием большого числа триггеров, то добавлением небольшого числа элементов можно преобразовать
управление режимом работы триггеров и объединить необходимое их число
в сквозной сдвиговый регистр.
Для управления сквозным регистром также требуется только три площадки: тактовый вход, вход установки режима, вход или выход данных. С
помощью сквозного регистра можно не только контролировать состояния
внутренних триггеров ИМС, но и задавать эти состояния, загружая извне информацию в регистр. Метод регистра не позволяет просматривать временную
диаграмму внутренних блоков. Однако, в конвейерных схемах можно обойтись без этой операции контроля.
Г) Встроенный анализатор.
Встроенная система анализа состояний включает:
- Генератор кодовой последовательности.
Это может быть обычный счетчик и регистр с обратными связями ( генератор ПСП );
- Испытуемая схема;
- Сигнатурный анализатор.
Анализатором может служить такой же счетчик, который считает число
единиц или переходов 01. Часто в качестве анализатора используется регистр с обратными связями ( аналогичный генератору ПСП ).
При наличии встроенного анализатора контроль его состояний проводится не на каждом такте, а лишь единожды для каждого режима контроля
ИМС. Все средства встроенного контроля допускают их одновременное использование.
Эффективные методы функционального контроля
Самая сложная проблема ФК - это формирование и регистрация соответствующей временной диаграммы на большом числе выводов ИМС. Возможности современных автоматических тестовых систем не соответствуют быстродействию и сложности разрабатываемых ИМС. Часто используются специализированные нестандартные стенды, предназначенные для контроля только
одного типа ИМС. Рассмотрим составные элементы нестандартных стендов
для проведения ФК на высокой частоте. Это источники тестовых сигналов и
регистрирующие устройства. Обычно нестандартный стенд содержит еще и
обычный низкочастотный автомат контроля или хотя бы управляющий компьютер, но мы их сейчас не рассматриваем.
А) Микросхема быстродействующего счетчика, тактируемая высокочастотным генератором, формирует обычный двоичный код. За период работы
счетчика на выходах формируются все возможные комбинации.
Б) Сдвиговый регистр с обратными связями.
М2 - схема сложения по модулю 2 ( нечетность ). Число возможных состояний регистра 2n - 1, где n - число разрядов регистра. Обратных связей
может быть больше двух, но при этом длина повторяющейся последовательности не увеличивается. Генератор ПСП формирует все возможные кодовые
Входной
сигнал
М2
а
Тр
Тр1
4
а
Тр2
3
Тр
а
Тр15а
2
Тр
Тр16
1
Тр
а
0
Тр
от 9 - го разряда
от 12 - го разряда
от 16 - го разряда
М2
состояния, кроме набора нулей на всех выходах. Существуют серийно выпускаемые ИМС генераторов ПСП.
Генератор псевдослучайной последовательности.
Рис.13.2.
В) Регистрирующий сигнатурный анализатор.
Состояние на выходах регистра - сигнатура. Для всех последовательностей входных состояний длиной менее 216 все сигнатуры отличаются.
Структура анализатора на 16 разрядов.
Рис.13.3.
Если входная последовательность имеет длину более 216, то вероятность
обнаружения любого количества ошибок с использованием 16-ти разрядной
сигнатуры = ( 1 - 2-16 ) = 0.9999848. Достоверность контроля очень велика при
высокой степени сжатия информации. Можно увеличить число информационных входов схемы М2 и вести регистрацию параллельно поступающей информации. Существуют дополнительные средства уплотнения параллельных
кодов.
Результатом положительного сигнатурного функционального анализа
всегда является определенное контрольное число. Любое другое число на
выходе анализатора соответствует нарушению функционирования ИМС.
Г) Сравнение с эталоном.
Если удалось аттестовать хотя бы одну микросхему, то можно организовать функциональный контроль путем сравнения с эталоном.
КонтролируеГенератор
входных
Цифро-
мая
ИМС
вой
Признак
компа-
воздействий
ратор
Счетчик
ошибок
Эталон
Рис. 13.4.
ошибки
В качестве эталона можно использовать макет, собранный из других
ИМС. В исходном состоянии необходимо обнулить счетчик ошибок и установить в одинаковые режимы эталон и испытуемую ИМС. Затем осуществляется запуск цикла контроля. На каждом такте ФК цифровой компаратор
сравнивает состояния выходов эталона и испытуемой ИМС. При наличии отклонений от эталона, компаратор выдает сигнал ошибки, который регистрируется счетчиком. Успешный функциональный контроль заканчивается отсутствием признаков ошибки. Если появились отклонения в работе схемы от
эталона, то эти отклонения регистрируются как признак ошибки.