Соединяя науку и технологии office@sernia.ru
пн-пт 10:00 – 19:00
сб-вс выходные
+7 (495) 204 13 17
8 (800) 301 13 17

CAD-навигация при анализе отказов


Main CAD.png

CAD-навигация: автоматизация проектирования и редактирования

CAD - это автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования и редактирования. Это организационно-техническая система, предназначенная для автоматизации процесса проектирования, состоящая из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности. 

В данной статье представлена информация об используемых системах автоматизированного проектирования в процессе анализа отказов. Выходные данные средства сравнения топологии и схемотехнического описания (англ.: Layout Versus Schematics, LVS) используются для построения системы с полностью взаимосвязанными элементами, для навигации между топологией и текстовым описанием компонентов и связей между ними (так называемым "нетлистом" или списком цепей). Нельзя исключать применение других промежуточных данных проектирования и тестирования, использование которых позволяет сократить время выполнения анализа отказов. 

Дополнительными возможностями также являются: 

  • использование результатов логического моделирования для формирования «золотых» (эталонных) форм сигналов; 
  • применение графических условных обозначений схем для повышения качества отображения схемы;
  • использование средств диагностики методом автоматической генерации тестовых последовательностей (англ.: Automatic Test Pattern Generation, ATPG) для ускорения локализации неисправностей. 

Невозможно переоценить значение навигационной системы при анализе устройств. Средства регистрации оптических изображений и наложения слоев являются примерами инструментов «грубого» (прямого) анализа, используемых для идентификации элементов схемы на топологии по их соответствующим схематическим аналогам. В обоих случаях соответствие устанавливается с помощью аннотаций (комментариев). На рисунке 1 показана ручная аннотация оптического изображения интегральной схемы и её схематического описания. Данный метод применим только для простых устройств, сложные же ИС требуют продвинутых систем идентификации элементов схемы, а, следовательно, и систем CAD-навигации.

1 cad.jpg

1 cad 1.png

Рисунок 1 – Оптическое изображение ИС и схема устройства. 
Метки определены на обоих изображениях для обеспечения перекрестного связывания компонентов схемы.

Полноценная система навигации с хорошо спланированными структурами данных составляет основу для интеграции в нее дополнительной проектной и тестовой информации, необходимой для сокращения времени выполнения анализа отказов. В следующих разделах обсуждаются характерные особенности и основные предупреждения при работе с системами CAD-навигации.

Характеристики системы CAD-навигации

Основная задача системы CAD-навигации - корреляция между схемой и топологией устройства. Данная корреляция между областями логических и физических компонентов относится к созданию перекрестных связей между элементами схемы и слоями. По сути, это действия, идентифицирующие элементы схемы логического представления в физическом, или наоборот. 

Диагностические системы, используемые при анализе отказов, поддерживают перемещение к интересующему участку схемы анализируемого устройства. Несмотря на возможность использования централизованных инструментов проектирования, которые поддерживают встроенные перекрестные связи компонентов схемы и топологии, использование данных навигационных возможностей в диагностических системах является сложной задачей. К тому же это способствует снижению производительности, в связи с тем, что внутренние структуры данных не оптимизированы для данных задач. 

Типовые системы навигации CAD позволяют установить связь между топологией и схемой без снижения производительности, путем повторного использования и/или конвертирования информации, полученной в результате сравнения топологии и схемы при физической верификации проекта. Процесс сравнения выполняет проверку согласованности, создавая сначала список цепей топологии на основе физической топологии устройства и информации о структуре примитива элемента из технологического файла процесса. 

Впоследствии список цепей топологии проверяется на наличие несоответствий со схемотехническим списком цепей. В ходе этого процесса промежуточные геометрические структуры, содержащие информацию о соединениях и их узлах, извлекаются из описания конструкции полигона входной топологии. Информация об узлах, которая в свою очередь связана со списком цепей топологии, обеспечивает возможность подсвечивания в системе CAD навигации. Обработка данных средства сравнения топологии и схемы для навигации CAD использует наложение информации об узлах на входные данные, используемые для отображения топологии полигонов. 

Созданная в результате этого процесса база данных с оптимизированной структурой позволяет максимально повысить производительность.

Возможные трудности при CAD-навигации

Файлы проекта, используемые средствами сравнения топологии и схемы, обычно временные. Эти файлы, как правило, удаляются в конце проверки проекта или, не создаются вообще. Извлечение или восстановление этих файлов после процесса в лучшем случае отнимает много времени. Поэтому полномасштабное архивирование или сохранение этой информации имеет большое значение для выполнения анализа отказов, проявляющихся в течение всего жизненного цикла продукта. Процесс может быть автоматизирован и адаптирован к технологиям производства. Подготовленные базы данных могут храниться и управляться на централизованных файловых серверах, для использования с различными инструментами анализа отказов. 

Проблемой использования результатов сравнения топологии и схемы для создания баз данных CAD-навигации является несовместимость списков цепей топологии и схемы, при использовании инструментов различных стилей проектирования кристаллов: внешнего (frontend) и внутреннего (backend)). Это является причиной несоответствия имен схемы и иерархий проекта. Хотя информация о перекрестных связях между списком цепей и топологией не теряется, сопоставление элементов схемы через другие инструменты проектирования может быть затруднено. Этими инструментами проектирования могут быть средство моделирования описания в формате Verilog или среда тестирования ATPG, в которой распространение узлов схемы и элементы схемы структурно и семантически более наглядны. 

Хотя появление новых поколений средств проектирования решает некоторые из перечисленных проблем, до тех пор, пока не будет применяться единая унифицированная среда, предоставляющая проекты с четким соответствием имен и иерархий, разбор файла данных будет необходим в процессе физической верификации проекта, например, для навигации по устройству в целях анализа отказов.

Синтез схематических условных обозначений

Графическое представление логической схемы, т.е. схемотехническое представление, в отличие от текстового списка цепей более наглядно. 

Прежний подход к импорту условных обозначений в системах навигации CAD был реализован с использованием схемотехнического представления формата электронного отраслевого стандарта обмена данными EDIF. Процесс генерации необходимых файлов данных обычно требует выполнения сравнения топологии и схемотехнического описания со схемотехническим представлением в формате EDIF. Данный подход содержит три нюанса:

  • схемотехнические файлы EDIF имеют формат ASCII, поэтому для сложных проектов они имеют чрезвычайно большой размер;
  • схемотехнические файлы EDIF не учитывают проверку сравнения топологии и схемы, не говоря уже о том, что информация о посторонних символах может препятствовать выводу содержимого файла. Также создание дополнительного файла EDIF не всегда хорошо воспринимается разработчиками, т.к. они преимущественно склонны к использованию других форматов описания цепей.
  • несмотря на то, что EDIF является простым форматом, некоторые данные интерпретируются неоднозначно, являясь причиной проблем при отображении синтаксиса EDIF для различных поставщиков.

Существует также интерактивный схемотехнический инструмент, использующий предварительно извлеченные условные обозначения и синтезирующий соединения по запросу с помощью автоматического размещения и трассировки - это дополнительная функция в Merlin Framework. Существует также опция полной схемы, для которой требуется схемотехнический EDIF-файл, соответствующего названия.  Графические условные обозначения схемы обычно экспортируются из собственной схемотехнической среды генерации в формате EDIF. 

На рисунке 2 показана схема, используемая генератором интерактивного описания схем. В этой схеме схемотехнические условные обозначения экспортируются для данной технологической библиотеки в EDIF. Списки цепей сравнения топологии и схемы с именами ячеек и портов, соответствующими встроенной библиотеке, повторно используют библиотеку условных обозначений EDIF для интерактивного размещения и трассировки, а также синтеза связей между логическими элементами. Очевидным преимуществом этого подхода является многократное использование библиотеки схематических условных обозначений для описания цепей из одного и того же технологического процесса, но при этом отсутствует «полномасштабный» внешний вид схемотехнического описания, как в исходной схемотехнической среде генерации.

2 cad.jpg


Рисунок 2 – Интерактивный схемотехнический инструмент. 
Встроенные условные обозначения схемы экспортируются в EDIF. 
Списки цепей модуля сравнения топологии и схемы по умолчанию соответствуют 
названию библиотеки условных обозначений EDIF, используемому интерактивным 
схемотехническим инструментом размещения и трассировки.

На рисунке 3 показана часть сгенерированной в интерактивном режиме схемы (вверху справа). Также показана топология (слева) и представление описания цепей. Соответствующая цепь выделена как в топологии, так и в окне просмотра схемы.

3 cad.png

Рисунок 3 – Интерактивный схемный инструмент. 
Соответствующая цепь выделена в схеме и на топологии.

Анализ отказов и автоматическая генерация тестовых последовательностей

Методы вставки цепей для сканирования в последние годы широко использовались в подходе «Тестопригодного проектирования» (англ.: Design for Testability, DFT). Метод ATPG, использующий структуры цепей сканирования, в основном применяется при решении проблемы тестирования для больших последовательных цепей, а также может выполнять диагностику ИС в устройстве тестирования. 

Эффективное применение результатов совместного тестирования ATPG с автоматическим тестовым оборудованием (англ.: Automatic test equipment, ATE), в котором происходит получение и тестирование функциональных последовательностей, управляющих отказавшим устройством, может показать такие неисправности, как отсутствие переключений, характеризующееся постоянным уровнем сигнала и ошибки переключений. Эта технология, используемая в сочетании с САПР-навигации, автоматизирует выявление отказов, что может значительно или полностью устранить отказы, связанные с уровнем сигналов. 

Использование инструмента ATPG-тестирования может быть расширено, применением его для отделения производственных «критических дефектов» пластин от дефектов, связанных с допустимыми мельчайшими частицами. Процесс заключается в наложении результатов ATPG-тестирования на результаты встроенного сканирующего оптического контроля с помощью ATE на различных этапах обработки пластин. Претенденты в неисправные узлы, определенные при ATPG-тестировании, накладываются на топологию устройства с помощью CAD-навигации, что дает возможность проведения последующего физического анализа исследуемого образца для обнаружения дефекта. 

Рисунок 4 иллюстрирует такую схему ATPG-процесса для анализа отказов. В отличие от растровых изображений массивов памяти, для которых известно размещение сигналов в топологии из описания архитектуры устройства памяти, идентификация автоматически построенных логических схем требует применения CAD-навигации, использующей перекрестные связи претендентов на ошибки в результате ATPG-тестирования с их топологическим расположением. 

4 cad.jpg

Рисунок 4 – Схема ATPG-тестирования для анализа отказов. 
Предусматривается только физический анализ отказов, так как места ошибок 
локализованы в соответствии с ATPG-тестированием.

На рисунке 5 показано применение инструмента ATPG-тестирования для выявления неисправного узла в списке цепей. В CAD-навигации определено физическое размещение неисправного узла, а последующий анализ выявил отсутствие подключения к дорожке верхнего слоя из-за дефекта металлизации.

5 cad.png

Рисунок 5 – Определение и выделение на топологии (слева) претендента на ошибку с помощью диагностики ATPG. 
Дефект металла (справа) выявлен с помощью послойного препарирования и осмотра неисправного образца средствами СЭМ. Изображение СЭМ предоставлено группой специалистов по повышению годных NSC (южный Портленд, штат Мэн).

Преимуществом принятия методологии анализа отказов является способность диагностирования данных log-файла тестирования ATE из средства ATPG для неисправного узла или узлов. Такая возможность обеспечивается гибкостью самого метода DFT. Однако точность проверки может быть ограничена такими факторами, как охват тестирования, сложность образца и компрессия тестовых последовательностей. В случае выявления множества неисправных участков могут потребоваться другие инструменты анализа отказов для сужения потенциальных претендентов на ошибки. 

Стоит также упомянуть, что процесс ATPG обычно выполняют на уровне ключевых элементов также, как и проверку на ошибки. Это означает, что источник ошибки может содержаться в несколько иной части узла. В этом случае доступ к информации о схематическом и топологическом представлении логических элементов объекта должен помочь в локализации ошибки, поскольку неисправное устройство подлежит послойному физическому анализу.

Заключение

Современные CAD системы, которые используются при проектировании устройств на основе современной электронной базы, в настоящее время являются весьма актуальными. Очевидно, что для распространения анализа отказов требуется внедрение передовых технологий повсеместно, а это влечет обновление всех циклов производства. CAD-навигация является важным звеном в современной промышленности, широко используемым во многих отраслях, а функциональные возможности данного инструмента постоянно развиваются.

  • Создание единой системы обозначений, понятий, требований к библиотечным файлам для разработчиков, исследователей, технологов и других инженеров смогло бы стереть границы во взаимопонимании. 
  • Создание конкурентоспособной и востребованной продукции нового поколения в кратчайшие сроки можно обеспечить лишь комбинацией инструментов. Это может расширить возможности быстрого анализа отказов в сложных проектах. 
  • Эффективное взаимодействие между этими инструментами является очень важной задачей и именно ее решением занимаются разработчики CAD систем. 

*При подготовке статьи были использованы следующие материалы:
  1. J. Ross “Microelectronics Failure Analysis Desc Reference. Sixth Edition” USA: «ASM International», 2011. – 660 стр.;
  2. Норенков И. П. Автоматизированное проектирование. Учебник. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. — 188 стр.;
  3. Боровков А.И. и др. Компьютерный инжиниринг. Аналитический обзор - учебное пособие. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. — 93 с. — ISBN 978-5-7422-3766-2.