如何使用Die-to-Die PHY IP 對SiP進(jìn)行高效的量產(chǎn)測試

簡介

半導(dǎo)體行業(yè)面臨的一個主要挑戰(zhàn)是無法在量產(chǎn)階段早期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷。如果將有缺陷的產(chǎn)品投放市場，將會給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和聲譽損失。對超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和 AI 應(yīng)用的高性能計算片上系統(tǒng) (SoC) 的設(shè)計開發(fā)者而言，尤其如此，因為任何產(chǎn)品缺陷都可能對 AI 研發(fā)的工作量或數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生災(zāi)難性影響。

半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)開發(fā)出了一系列測試方法，來提高量產(chǎn)測試的速度和覆蓋范圍。而且這些方法已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，企業(yè)可以在最終產(chǎn)品制造的不同階段（從晶圓測試到芯片測試再到板級測試）使用通用的測試指標(biāo)和接口，以提高效率。

本文介紹了如何使用Die-to-Die PHY IP 對系統(tǒng)級封裝 (SiP) 進(jìn)行高效的量產(chǎn)測試，以確保最終產(chǎn)品沒有缺陷，并保持盡可能高的量產(chǎn)良率。同時也闡述了Die-to-Die PHY IP 內(nèi)部測試功能如何擴(kuò)展所有die 的測試范圍。

SiP 測試的挑戰(zhàn)

將多個裸die集成到一個封裝，再次引起了人們的興趣。促成這一趨勢的因素有兩個：一方面設(shè)計復(fù)雜性日益提高；另一方面 SoC 的尺寸太大，難以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的單片集成，也不具備在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上更有意義的工藝節(jié)點下實現(xiàn)不同 SoC 功能的靈活性。

SiP 是在一個封裝中集成多個die（或“chiplet”）的芯片。這些既可以是多個相同的chiplet，以提高系統(tǒng)性能；也可以是不同的chiplet，以經(jīng)濟(jì)高效的方式為系統(tǒng)帶來更多功能。

通常，chiplet由不同的供應(yīng)商生產(chǎn)之后，集成到同一封裝中。如圖 1 所示，現(xiàn)代的 2.5D 或 3D 封裝技術(shù)以復(fù)雜的方式集成了多個die，利用（較為簡單的）有機(jī)基板或（較為復(fù)雜的）硅中介層、硅橋和硅過孔 (TSV) 來傳送die之間以及到封裝外圍的信號。

圖 1：具有不同繞線功能的不同封裝技術(shù)

單個die、封裝“結(jié)構(gòu)”（中介層、TSV、bump）和封裝組件可能會受到良率的限制。即使每個單獨元件的良率都比較高，SiP 的總良率（所有不同元件的累積良率）也可能會非常低，如以下公式所示：

良率SiP = 良率NDiex 良率封裝x 良率組件

其中，N = 同一封裝中集成的die數(shù)。

以一個帶有 4 個 die 的 SiP 為例，每個die的良率均為 90％，良率為 100％ 的封裝和集成，其總 SiP 良率僅為 65％ 左右。對于高級工藝節(jié)點中的大型die，個體良率為 80％ 就很不錯，但最終的 SiP 良率可能會非常低，約為 41％?；旧?，即便有3個die是無缺陷的，但只要有1個die有缺陷，就會使整個 SiP 失效。

為了提高良率，企業(yè)需要遵循兩個原則：

1、確定并且僅在封裝中集成已知合格die (known good dies, KGD)。這樣，上例中的總 SiP 良率等于各個die的良率。 2、集成后，驗證跨die的功能，以檢測集成過程中的缺陷，以及其他難以通過測試單個die來識別的缺陷（例如，在單個die測試期間可能無法檢測到有缺陷的bump）。

通過在die層面和集成系統(tǒng)層面開展測試并修復(fù)功能，避開缺陷或以其他方式克服已發(fā)現(xiàn)的缺陷，還可以幫助提高良率。這樣的測試和修復(fù)功能可以包括冗余或其他方案，并且對于大型的常規(guī)結(jié)構(gòu)，例如存儲器或跨die的非常寬的總線，特別有用。

鑒于 SiP 測試頗為復(fù)雜，并且die來源各不相同，在整個生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的測試基礎(chǔ)架構(gòu)和方法，對SiP 和chiplet生態(tài)系統(tǒng)的成功至關(guān)重要。IEEE 和其他標(biāo)準(zhǔn)組織正在加緊為 3D 封裝die制定新的測試架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

SiP 測試架構(gòu)

例如，最近發(fā)布的 IEEE 1838 為 SiP 產(chǎn)品定義了標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化測試訪問架構(gòu)，幫助系統(tǒng)設(shè)計人員和測試工程師高效地驗證其產(chǎn)品，如圖 2 所示。

圖 2：IEEE 1838 測試訪問架構(gòu)，用于測試單個die、集成die和封裝 SiP

IEEE 1838 基于針對單片 SoC 的現(xiàn)有測試標(biāo)準(zhǔn)（例如 IEEE 1149.1、IEEE 1500 等），定義了一種測試架構(gòu)，用于管理單個die和集成die的測試，僅需增加最少的測試電路，即可實現(xiàn)完整的die-to-die功能塊的測試覆蓋范圍。

IEEE 定義了一個用于測試控制和低速測試數(shù)據(jù)訪問的串行端口（基于 IEEE 1149.1），該端口在每個die中實現(xiàn)并且即使在最終集成后仍可訪問；同時定義了一個可選的并行測試訪問端口，但在集成后可能無法訪問。這些端口減少為僅使用一組測試bump進(jìn)行非集成die測試，或者無縫連接到另一個die中的相應(yīng)端口，從而擴(kuò)展了測試基礎(chǔ)架構(gòu)，以涵蓋集成后的die內(nèi)或die間測試。

此外，IEEE 定義了測試的層次結(jié)構(gòu)，將工作劃分為 KGD 的die內(nèi)測試、封裝后組件的die間測試，以及封裝組件本身的die間測試，如圖 2 所示。

在每個die內(nèi)部，可以定義更多測試層次結(jié)構(gòu)，按照既定方法來測試數(shù)字邏輯塊、存儲器塊以及其他具有掃描鏈和內(nèi)置自測 (BIST) 結(jié)構(gòu)的模塊。die之間的數(shù)字連接是基于邊界掃描鏈進(jìn)行測試的。

高速模擬塊測試通常基于功能測試進(jìn)行，但也可以通過添加與測試基礎(chǔ)架構(gòu)銜接的合適測試包裝器，集成到測試管理層次結(jié)構(gòu)中，如圖 3 所示。

圖 3：Chiplet內(nèi)部的測試架構(gòu)層次結(jié)構(gòu)，包括用于在整個測試基礎(chǔ)架構(gòu)中集成高速模擬塊測試功能的包裝器

為了實現(xiàn)測試自動化并縮短測試時間，高速模擬塊（例如高速 PHY IP）必須提供足夠的測試覆蓋范圍。這在考慮高速die-to-die鏈路時，變得更具挑戰(zhàn)性。對于此類情況，需要依靠高速 PHY 內(nèi)置的測試基礎(chǔ)架構(gòu)，對包括兩個die上的 PHY、關(guān)聯(lián)的bump和封裝鏈路在內(nèi)的完整鏈路進(jìn)行測試。

實現(xiàn)die間連接的高速 PHY 必須包括許多測試設(shè)計 (DFT) 功能：

用于靜態(tài)和快速檢測數(shù)字電路中的故障（固定型、開路、傳輸/跳變緩慢）的掃描鏈

內(nèi)置自檢 (BIST) 功能，盡可能地檢測特定數(shù)字和模擬模塊

內(nèi)部環(huán)回測試單個 PHY；這些環(huán)回可能很淺（覆蓋數(shù)字電路），也可能很深（覆蓋所有發(fā)射和接收信號路徑，直至達(dá)到bump或盡可能接近bump，而不會避免對任務(wù)模式性能的影響）

支持偽隨機(jī)模式或特定模式的模式生成器和匹配器

能夠掃描參照位和相位以生成通過/失敗眼圖，確定設(shè)計裕度

從一個die到下一個die的外部環(huán)回，將測試覆蓋范圍擴(kuò)展到了bump和die-to-die走線，如圖 4 所示。

圖 4：實現(xiàn)內(nèi)部和外部環(huán)回的die間 PHY

已知合格die的測試

強(qiáng)制性的初始步驟在 SiP 中進(jìn)行集成之前執(zhí)行，先確定有缺陷的芯片，以便僅集成 KGD，從而顯著提高整體生產(chǎn)良率。

在封裝之前，先對裸片進(jìn)行 KGD 測試。對于符合 IEEE 1838 標(biāo)準(zhǔn)的die，使用標(biāo)準(zhǔn)的串行和并行測試訪問端口，以通過一組精簡的測試bump訪問die的完整測試基礎(chǔ)架構(gòu)。

模擬塊內(nèi)的測試功能（例如高速 PHY IP）也通過符合 IEEE 1500 標(biāo)準(zhǔn)的包裝器與die測試基礎(chǔ)架構(gòu)互連，從而也可以進(jìn)行 PHY 測試。

根據(jù)die的內(nèi)置測試功能和die中的各個塊，可以實現(xiàn)很高的測試覆蓋率，以確保正確識別 KGD。然而，即使在最好的測試覆蓋場景中，也有一些項目不能在裸片層面上得到充分覆蓋。例如，有缺陷的bump或敏感輸出驅(qū)動器的最后一級，以及低噪聲放大器的第一級，都無法獲得高速 PHY 的深度環(huán)回覆蓋。其他示例包括跨越兩個die的功能，例如控制回路。

將覆蓋范圍擴(kuò)展至此類缺失項以及die間連接，將在集成的 SiP 上于測試策略的后續(xù)步驟中執(zhí)行。

假設(shè)兩個die均符合 IEEE 1838 標(biāo)準(zhǔn)，則將die的測試基礎(chǔ)架構(gòu)無縫合并到同一個（“第一個”）die的測試端口處評估的單個結(jié)構(gòu)中，并利用輔助測試端口擴(kuò)展到下一個die。

現(xiàn)在可以啟動測試，例如針對數(shù)字引腳的邊界掃描 EXTEXT 以及針對高速 PHY 的跨die環(huán)回測試，將測試覆蓋范圍擴(kuò)展到die的外圍以及封裝本身。

其他良率改善策略

值得注意的是，在某些特殊情況下，上述分層測試方法可能還是不能將良率提高到所需水平。

這時可以考慮在兩個die之間設(shè)置較寬的并行接口：例如，在存儲器和數(shù)字芯片之間設(shè)置高帶寬存儲器 (HBM)，或在兩個數(shù)字芯片之間設(shè)置高帶寬互連 (HBI)/高級接口總線 (AIB)。這些接口可能有成千上萬個使用微型bump的引腳，并在中介層設(shè)置非常密集的走線以連接這些引腳。在這種情況下，基板走線或微型bump的良率可能非常低，導(dǎo)致產(chǎn)生 KGD 損失。對于此類情況，可以采用一種補充的測試和修復(fù)策略，依靠每個 PHY 上的冗余引腳以及相應(yīng)的冗余微型bump和走線，可以在最終產(chǎn)品集成后額外恢復(fù)更高的良率。

結(jié)語

在市場需求不斷增長的情況下，需要將多個die集成到同一封裝中，以用于高性能計算應(yīng)用和許多其他應(yīng)用，對die（集成前和集成后）的測試成為實現(xiàn)預(yù)期良率的關(guān)鍵所在?；跇?biāo)準(zhǔn)的die測試基礎(chǔ)架構(gòu)，必須將測試覆蓋范圍擴(kuò)展至裸片層面和集成 SiP 上。Die-to-Die 接口的功能同時涵蓋了組成鏈路的兩個die，因而在測試策略中起著重要作用。die-to-die PHY IP 必須包含一些測試功能，能夠簡化裸片級和集成后鏈路本身的測試，同時能夠集成在芯片測試基礎(chǔ)架構(gòu)中。

新思科技為 USR/XSR 和 HBI 鏈路提供了一種 die-to-die PHY IP 產(chǎn)品組合。嵌入式誤碼率 (BER) 測試儀和無損二維眼圖監(jiān)控功能，為信道性能提供了片上可測性和可見性。新思科技借助先進(jìn) FinFET 工藝中的可用 IP 以及易于集成的所有必要分析和報告，為設(shè)計人員提供了必要的全面支持，以加速用于超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和 AI 應(yīng)用的高性能計算 SoC 設(shè)計。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：使用 Die-to-Die PHY IP 的系統(tǒng)級封裝的量產(chǎn)測試

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