Optimieren der Fehlerlokalisierung auf integrierten Schaltkreisen

Luc SAURY, ST-ERICSSON

"Diese PXI-Lösung ist inzwischen ein wichtiger Ausstattungsbestandteil des Fehleranalyselabors von ST-Ericsson. Sie kann für die Untersuchung nahezu aller elektrischen Fehler auf integrierten Schaltkreisen eingesetzt werden."

- Luc SAURY, ST-ERICSSON

Die Aufgabe:

Optimierung unseres Werkzeugs zur Fehlerlokalisierung, um komplexe Fehler auf integrierten Schaltkreisen zu analysieren

Die Lösung:

Verbesserung unseres PXI-basierten Werkzeugs, das für die Lokalisierung von Fehlern ausgelegt ist, durch Einrichten eines „Handshake“-Knotens zwischen NI-Modulen sowie Erstellen digitaler Variationskarten

Autor(en):

Luc SAURY - ST-ERICSSON
Sébastien CANY - ST-ERICSSON

 

Die Fehlerlokalisierung ist ein wichtiger Schritt innerhalb einer Fehleranalyse, da wir so die fehlerhaften Grundkomponenten eines integrierten Schaltkreises isolieren können, der aus unzähligen Transistoren besteht.

 

Die thermische Stimulation mittels Laser gehört zu den klassischen Lokalisierungsmethoden. Das Prinzip besteht darin, einen Schaltkreis mit einem thermischen Laserstrahl abzutasten und die Variationen eines elektrischen Parameters unter lokaler Laserstimulation zu beobachten. Ziel ist es, die empfindlichsten Bereiche in Bezug auf diesen Parameter abzubilden, wobei davon ausgegangen wird, dass die entdeckten Bereiche wahrscheinlich auf einen physikalischen Fehler hinweisen.

 

Das von uns verwendete Lokalisierungswerkzeug ist ein PHEMOS-1000, das von der Firma Hamamatsu vertrieben wird. Dieses Werkzeug ermöglicht die Abbildung von Strom- oder Spannungsschwankungen. Um komplexere Parameter zu überwachen, muss ein Prüfgerät zwischen Prüfling und dem PHEMOS-Emissionsmikroskop eingefügt werden. Diese Technik wird xVM genannt (dem englischen Akronym für „Parametric Variation Mapping“), wobei das x für den überwachten Parameter steht.

 

Real-Time Variation Mapping

Gängige xVM-Implementierungen sind durch die Transportierbarkeit des Prüfgeräts, die messbaren Parameter und die Verzögerung der Datenübertragung zwischen dem Prüfgerät und dem Werkzeug zur Fehlerlokalisierung eingeschränkt. Für unsere innovative Lösung, das Real-Time Variation Mapping (RTVM), gelten diese Einschränkungen nicht, da sogenannte Variation Maps aller elektrischen Parameter in Echtzeit erstellt werden. Die Lösung beruht auf dem Chassis NI PXI-1036, das mit einem FPGA-Modul des Typs NI PXI-7852R und dem Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Modul (HSDIO) NI PXI-6652 ausgestattet ist, welches von dem Controller NI PXI-8102 sowie der Systemdesignsoftware NI LabVIEW gesteuert wird. LabVIEW wurde ausgewählt, um damit ein spezifisches Projekt für jedes RTVM sowie für alle Unterprogramme (VIs) zu entwickeln, die auf dem FPGA-Zielgerät und dem Host-PC laufen. Allgemeine VIs, wie z. B. das Unterprogramm für die Anzeige und Speicherung der endgültigen Daten, können für die Projekte wiederverwendet werden.

 



Eine komplexe Fallstudie

In einer Fallstudie wurden fehlerhafte Schaltkreise eines RF-Transceivers für Mobiltelefone untersucht. Der Digitalausgang einer der Empfängerkanäle (I) weist einen starken Drift und eine hohe Verzerrung auf. Der andere Kanal (Q) ist nicht betroffen.

 

Der Digitalausgang beinhaltet eine Taktleitung und drei Datenleitungen, die auf einem Bus mit DDR-Technologie (Double Data Rate) zusammengefasst sind. Die Daten müssen in Echtzeit erfasst sowie dekodiert und analysiert werden. Die relevanten elektrischen Parameter sind die gleitenden Mittelwerte sowie die Pegel weißen Rauschens der Ausgangskanäle, dabei müssen der Mittelwert (Average, AVG) und die schnelle Fourier-Transformation (FFT) der Signale gebildet werden. Der Testmodus muss regelmäßig zurückgesetzt werden, damit der AVG-Parameter keine Sättigung beim Maximalwert, bedingt durch den Drift am I-Kanal, erreicht.

 

Dieser komplexe Fall wurde von uns mit allen Möglichkeiten unserer PXI-Lösung analysiert. Das Herzstück ist das FPGA-Modul. Mit ihm werden in Echtzeit die I- und Q-Daten erfasst und dekodiert, die Parameter AVG und FFT auf den zwei Kanälen ermittelt sowie die Laserposition für X und Y berechnet und alle Daten an den Host-PC sowie an das Werkzeug zur Fehlerlokalisierung exportiert. Das HSDIO-Modul dient zur Programmierung des Testmodus und setzt den Schaltkreis alle 20 ms zurück. Das Host-VI verwaltet die Datenanzeige und die Speicherfunktion sowie die Konfiguration des FPGA- und des HSDIO-Moduls.

 

 

Unsere wichtigsten Entwicklungen: Handshake-Modus und digitale Karten

Die PXI-Triggerleitungen ermöglichen es uns, das FPGA- und das HSDIO-Modul im Handshake-Modus zu synchronisieren. Der FPGA sendet Triggerimpulse: wenn das Programm startet, am Ende einer jeden Schleife und wenn neue AVG- und FFT-Parameter zur Verfügung stehen. Nach einer bestimmten Anzahl von Schleifen wird der Testmodus vom HSDIO-Modul zurückgesetzt und der FPGA darüber unter Verwendung einer dritten Triggerleitung benachrichtigt. Die zwei Module werden gleichzeitig für die Echtzeitberechnung (FPGA) und die Programmierung des Testmodus (HSDIO) eingesetzt.

Die Laserposition wird im FPGA aufgrund der PHEMOS-Ausgangssignale (Leitungstrigger und Frame-Trigger) berechnet. Diese Position (X, Y) und die Prüfparameter (AVG, FFT) werden über DMA (Direct Memory Access) an den Host-PC geschickt. Anschließend werden die Daten gespeichert und als Intensitätsgrafen dargestellt. Diese „digitalen“ Karten haben etliche Vorteile im Vergleich zu den „analogen“ Karten, die vom PHEMOS erstellt werden. Zum einen stehen die endgültigen Parameterwerte (digitalen Daten) dem Anwender direkt zur Verfügung. Das PHEMOS zeigt lediglich die Variationen der Parameter als Farbpunkte an. Zum anderen erlaubt es das digitale Format, Umwandlungsschritte zu umgehen, die mit dem Analogeingang des PHEMOS in Zusammenhang stehen. Dadurch wird der Signal-Rausch-Abstand verbessert. Schließlich können etliche Parameter von einer einzigen Erfassung gespeichert und angezeigt werden, was die Erfassungszeit insgesamt erheblich verringert.

 

Fazit zur Fehleranalyse

Die RTVM-Entwicklung zeigte, dass das anormale Verhalten etlicher Transistoren aus Metalloxid-Halbleitermaterial (MOS) in direkter Verbindung zum Fehlermodus steht. Diese MOS-Transitoren sind mit internen Kondensatoren (MOM) verbunden, die in einem Operationsverstärker eines RF-Geräts verwendet werden. Dank der erfolgreichen Lokalisierung konnte der Ursprung des Problems mithilfe gängiger Fehleranalysemethoden festgestellt werden: Auf der aktiven Ebene unterhalb eines der MOM-Kondensatoren wurde ein Prozessfehler beobachtet, der einen Leckstrom zur Masse zur Folge hat. Ohne den RTVM-Schritt hätten wir für die Fehlerlokalisierung jede elementare Komponente des fehlerhaften Blocks isolieren und testen müssen. Das ist praktisch unmöglich, weil der Block sehr groß ist (~50.000 µm²).

 

Wichtigste Vorteile der RVTM-Lösung

Die in diesem Anwenderbericht beschriebene Entwicklung wird zur Eingrenzung lokaler Fehler auf integrierten Schaltkreisen eingesetzt. Die Lösung basiert auf einer PXI-FPGA-Architektur von NI. Der Einsatz von NI-Werkzeugen brachte folgende Vorteile:

  • Flexibel: für beliebige elektrische Parameter eines jeden vom Unternehmen entwickelten Chips geeignet
  • Schnell: arbeitet in Echtzeit, selbst bei komplexen Anwendungsfällen
  • Mobil: anpassbar an die Laborumgebung, d. h. die Lösung kann entweder mit einem Prüfstand oder einem Werkzeug zur Fehlerlokalisierung eingesetzt werden
  • Effizient: zusätzliche PXI-Ressourcen (FPGA, HSDIO) stehen zur Verfügung
  • Kostengünstig: geringerer Kostenaufwand im Vergleich zu Standardprüfeinrichtung, die gewöhnlich für die Lokalisierung/Eingrenzung parametrischer Fehler genutzt wird

Diese PXI-Lösung ist inzwischen ein wichtiger Bestandteil des Fehleranalyselabors von ST-Ericsson. Sie kann für die Untersuchung nahezu aller elektrischen Fehler auf integrierten Schaltkreisen eingesetzt werden.

 

Informationen zum Autor:

Luc SAURY
ST-ERICSSON
12, rue Jules Horowitz BP217
Grenoble Cedex 38019
France
Tel: +33 (0)4 76 58 66 57
luc.saury@stericsson.com

Abb. 1: Elektroaufbau für den RF-Analysefall
Abb. 2: LabVIEW-VI-Frontpanel des Host-PCs
Abb. 3: Einstellung der Fehlerisolierung
Abb. 4: Fehlerlokalisierung mit RTVM-Verfahren
Abb. 5: Physikalische Fehleranalyse (FIB-Querschnitt, Focused Ion Beam)