CN108957167A - 一种基于环形振荡器的tsv故障测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于环形振荡器的TSV故障测试装置及测试方法，所述装置为：一组顺序连接的奇数个反相器、多路选择器、施密特触发器及与非门，顺序连接的施密特触发器和与非门设置在第一个反相器与第二个反相器之间，多路选择器设置在最后一个反相器与第一个反相器之间，上述部件构成闭合环路，形成环形振荡器结构TSV连接于第一个反相器和施密特触发器之间；所述方法包括：1)激活TSV测试模式；2)测试无故障TSV蒙特卡罗周期；3)获取TSV在开路故障下的蒙特卡罗周期；4)得到周期差ΔT；5)对每列周期差ΔT求平方和6)计算每列周期差ΔT平方和的根值；7)拟合函数，完成测试。这种装置成本低、使用方便、操作灵活。这种方法测试时间短、测试精度高。

Description

一种基于环形振荡器的TSV故障测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及信号完整性测试技术，具体是一种基于环形振荡器的TSV故障测试装置及测试方法。

背景技术

三维集成电路正在向高集成度、低功耗、低成本的方向发展，TSV作为三维集成互连的一种新方式也被提出更高的要求。由于TSV制造工艺的复杂性，在制造TSV的过程中不可避免的会出现缺陷，为了提高三维集成芯片的成品率，无缺陷的TSV就变得很重要那么对有缺陷的TSV进行测试并分析缺陷的成因，来改善TSV的制造工艺就变得更加重要。传统的TSV测试方法是探针测试法，由于TSV的密集度和TSV间的小间距，使探针测试单个TSV变得很困难，再加上TSV的尺寸非常的小，并且非常脆弱，用探针测试时，探针的机械应力可能会对TSV造成损伤，违背了探针测试的初衷。由于探针测试的局限性和诸多弊端，激发众多学者研究出多种不使用探针测试的TSV测试方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于环形振荡器的TSV故障测试装置及测试方法。这种装置成本低，结构简单，易于实现，面积开销小，并且不需要额外的测试逻辑，使用方便、操作灵活。这种方法能对TSV故障类型进行准确的判断，能避免探针测试对TSV造成二次损伤的风险，能对不同故障位置处的微小故障进行测试并有较好的效果，测试时间短，但测试精度高。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于环形振荡器的TSV故障测试装置，与现有技术不同的是，包括：一组顺序连接的奇数个反相器、多路选择器、施密特触发器和与非门，其中，顺序连接的施密特触发器和与非门设置在第一个反相器与第二个反相器之间，多路选择器设置在最后一个反相器与第一个反相器之间，上述部件构成闭合环路，形成环形振荡器结构，TSV连接于第一个反相器和施密特触发器之间。

所述反相器的个数为至少3个。

所述多路选择器的作用是将TSV在功能模式和测试模式之间进行切换。

所述与非门的作用是控制环形振荡器的振荡。

采用施密特触发器可以避免采用一般反相器所引起的当其中一个反相器不满足t_f+t_r＜＜2Nt_pd(t_f和t_r分别是反相器的上升和下降延时)非重叠条件时，导致环形振荡器每级信号重叠从而抑制振荡器振荡，使振荡器的振荡周期T与负载电容呈非线性关系的弊端，由于施密特触发器有两个阈值电压V_H和V_L，这两个电压能确保只有TSV节点处的电压达到阈值电压时才改变状态，使每级反相器在充足的时间下达到电源电压，避免了信号的重叠。

一种基于环形振荡器的TSV故障测试方法，包括上述测试装置，实现步骤如下：

1)激活TSV测试模式：当多路选择器的TE输入端的电平为0时，激活TSV测试模式，在测试模式下，当与非门的振荡使能信号OE输入高电平时，环形振荡器开始振荡；

2)测试无故障TSV蒙特卡罗周期：在测试模式下，将无故障TSV接入环形振荡器的TSV故障测试装置中获取运行30次蒙特卡罗后无故障TSV周期的平均值T1；

3)获取TSV在开路故障下的蒙特卡罗周期：在测试模式下，将存在不同故障位置及不同故障大小的TSV接入环形振荡器的TSV故障测试装置中，获取运行30次蒙特卡罗后不同故障位置点的故障TSV输出周期的平均值T2；

4)得到周期差ΔT：将故障周期T2与无故障周期T1作差得到周期差ΔT；

5)在每个不同的故障大小下，分别对每列周期差ΔT求平方和；

6)计算每列平方和的周期差ΔT根值，根植为ΔT_j；

7)拟合函数：依据ΔT_j，采用最小二乘法拟合出不同故障下的变化规律曲线，得到拟合函数，依据拟合函数筛选成品，筛选的原则是随机选取故障测试点计算出的周期差平方和的根植ΔT_j，将ΔT_j带入到拟合函数中得到函数值，将函数值与实际测量值比较当相对误差小于3％时，说明测试结果准确，此时周期差平方和的根植ΔT_j对应的故障点，就是测试出来的故障点，以此类推可以测出各种不同的故障点，进而筛选出好的成品，完成测试。

本技术方案打破了传统的探针测试方法的局限性，避免了探针直接接触造成的探针对与TSV接触点的损伤，将TSV作为负载，通过环形振荡器测量振荡周期，TSV缺陷造成电阻电容参数的变化，导致振荡周期的变化，由于环形振荡器对开路故障的周期变化明显，因此可以利用这种特性进行TSV故障类型的判断，并对在不同故障位置下的开路故障进行测试，用周期表征测试结果，得到不同故障位置下故障大小的变化曲线，这种方法具有较好的效果并为TSV故障测试提供了一种新的思路。

这种装置成本低，利用奇数个反相器组成一个基本的环形振荡器的测试结构，结构简单；并加入施密特触发器避免了信号的重叠，易于实现；面积开销小，并且不需要额外的测试逻辑，这种基于环形振荡器的TSV故障测试方法能对TSV故障类型进行准确的判断，能避免探针测试对TSV造成二次损伤的风险，使用方便、操作灵活，能对不同故障位置处的微小故障进行测试并有较好的效果，这种测试方法与以往的测试方法相比消耗的时间短，但测试精度高。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为无故障TSV的简化电气模型示意；

图3为TSV发生开路故障时的简化电气模型示意图；

图4为实施例中TSV故障测试流程示意图；

图5为实施例中TSV发生开路故障时在不同故障位置下，不同故障大小下的周期差分布示意图；

图6为实施例中TSV发生开路故障时周期差根值拟合曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，一种基于环形振荡器的TSV故障测试装置，包括：一组顺序连接的奇数个反相器、多路选择器、施密特触发器及与非门，其中，顺序连接的施密特触发器和与非门设置在第一个反相器a与第二个反相器b之间，多路选择器设置在最后一个反相器c与第一个反相器a之间，上述部件构成闭合环路，形成环形振荡器结构，TSV连接于第一个反相器a和施密特触发器之间。

所述反相器的个数为至少3个，本例为3个，分别为第一个反相器a、第二个反相器b和最后一个反相器c。

所述多路选择器的作用是将TSV在功能模式和测试模式之间进行切换。

所述与非门的作用是控制环形振荡器的振荡。

采用施密特触发器可以避免采用一般反相器所引起的当其中一个反相器不满足t_f+t_r＜＜2Nt_pd(t_f和t_r分别是反相器的上升和下降延时)非重叠条件时，导致环形振荡器每级信号重叠从而抑制振荡器振荡，使振荡器的振荡周期T与负载电容呈非线性关系的弊端，由于施密特触发器有两个阈值电压V_H和V_L，这两个电压能确保只有TSV节点处的电压达到阈值电压时才改变状态，使每级反相器在充足的时间下达到电源电压，避免了信号的重叠。

参照图4，一种基于环形振荡器的TSV故障测试方法，包括上述测试装置，实现步骤如下：

1)激活TSV测试模式：如图1所示的测试装置中，多路选择器的TE输入端的电平为0时，激活TSV测试模式，在测试模式下，当与非门的振荡使能信号OE输入高电平时，环形振荡器开始振荡；

2)测试无故障TSV蒙特卡罗周期：在测试模式下，将无故障TSV，接入环形振荡器的TSV故障测试装置中获取运行30次蒙特卡罗后无故障TSV周期的平均值T1，无故障TSV如图2所示；

3)获取TSV在开路故障下的蒙特卡罗周期：在测试模式下，将存在不同故障位置及不同故障大小的TSV接入环形振荡器的TSV故障测试装置中，获取运行30次蒙特卡罗后不同故障位置点的故障TSV输出周期的平均值T2，有故障TSV如图3所示；

4)得到周期差ΔT：将故障周期T2与无故障周期T1作差得到周期差ΔT；

5)求每列周期差ΔT的平方和：在每个不同的故障大小下，分别对每列周期差ΔT求平方和；

6)计算每列平方和的周期差ΔT根值，根植为ΔT_j；

7)拟合函数：依据ΔT_j，采用最小二乘法拟合出不同故障下的变化规律曲线，得到拟合函数，依据拟合函数筛选成品，筛选的原则是随机选取故障测试点计算出的周期差平方和的根植ΔT_j，将ΔT_j带入到拟合函数中得到函数值，将函数值与实际测量值比较当相对误差小于3％时，说明测试结果准确，此时周期差平方和的根植ΔT_j对应的故障点，就是测试出来的故障点，以此类推可以测出各种不同的故障点，进而筛选出好的成品，完成测试，参照图6。

验证有效性和准确性：

图2是无故障TSV简化电气模型，对于无故障的TSV可以等效成RLC的参数模型，但是，在高频下TSV的自感相对较小，没有显著的影响，所以可以忽略，所以一般用RC电路来等效TSV，TSV可以被等效成多个RC块，也可以被等效成一个集总电容，本例中将无故障的TSV等效成一个电容；

图3所示为存在开路故障的TSV简化电气模型，开路故障等效成电阻R_open与电容C_open的并联，空洞出现在TSV的任意位置X将TSV划分为两部分，顶部电容C₁＝(X/1)C_ox，底部电容C₂＝(1-X/1)C_ox；

当TSV的中心铜导体出现空洞形成开路故障时，会使TSV出现较大的内阻和开路电容，TSV的开路故障等效成电阻和电容的并联，在高频情况下，由于开路电阻较大，大部分信号不能传输到接收端，依靠开路电容的耦合实现微弱信号的传递。开路电容与空洞高度成反比例关系，TSV高度越大，开路电容越小，传输信号的衰减就越严重，在不同故障位置下采集到开路故障不同大小处的周期差，如图5所示，同一故障电容下，随着故障位置的下移周期差逐渐减小，同一位置下开路电容增大，周期差减小，说明电容增大空洞的高度减小，阻隔作用减弱，信号传输更快，传输的时间更短，针对图5的曲线对判断在不同位置下的TSV的开路故障有很好的效果。

根据得到的每列的ΔT平方和的根植绘制拟合曲线，如图6所示，通过不断增加拟合阶数来达到最好的拟合效果，当n＝6时拟合效果最好，拟合函数为：

y＝-1.19×10^-11x⁶+7.82×10^-9x⁵-2.05×10^-6x⁴

+2.71×10^-4x³-0.02x²+0.56x-2.98

为验证拟合结果的有效性，随机选取拟合值为6.682时，相对误差为2.06％，相对误差小于3％，与实际值相接近因此拟合有效。

Claims (3)

1.一种基于环形振荡器的TSV故障测试装置，其特征是，包括

一组顺序连接的奇数个反相器、多路选择器、施密特触发器及与非门，其中，顺序连接的施密特触发器和与非门设置在第一个反相器与第二个反相器之间，多路选择器设置在最后一个反相器与第一个反相器之间，上述部件构成闭合环路，形成环形振荡器结构，TSV连接于第一个反相器和施密特触发器之间。

2.根据权利要求1所述的基于环形振荡器的TSV故障测试装置，其特征是，所述反相器的个数为至少3个。

3.一种基于环形振荡器的TSV故障测试方法，包括权1-权2任意一项所述的测试装置，其特征是，包括如下步骤：

1)激活TSV测试模式：当多路选择器的TE输入端的电平为0时，激活TSV测试模式，在测试模式下，当与非门的振荡使能信号OE输入高电平时，环形振荡器开始振荡；

2)测试无故障TSV蒙特卡罗周期：在测试模式下，将无故障TSV接入环形振荡器的TSV故障测试装置中获取运行30次蒙特卡罗后无故障TSV周期的平均值T1；

3)获取TSV在开路故障下的蒙特卡罗周期：在测试模式下，将存在不同故障位置及不同故障大小的TSV接入环形振荡器的TSV故障测试装置中，获取运行30次蒙特卡罗后不同故障位置点的故障TSV输出周期的平均值T2；

4)得到周期差ΔT：将故障周期T2与无故障周期T1作差得到周期差ΔT；

5)在每个不同的故障大小下，分别对每列周期差ΔT求平方和；

6)计算每列周期差ΔT平方和的根值，根植为ΔT_j；

7)拟合函数：依据ΔT_j，采用最小二乘法拟合出不同故障下的变化规律曲线，得到拟合函数，依据拟合函数筛选成品，筛选的原则是随机选取故障测试点计算出的周期差平方和的根植ΔT_j，将ΔT_j带入到拟合函数中得到函数值，将函数值与实际测量值比较当相对误差小于3％时，说明测试结果准确，此时周期差平方和的根植ΔT_j对应的故障点，就是测试出来的故障点，以此类推可以测出各种不同的故障点，进而筛选出好的成品，完成测试。