随着半导体工艺和设计的复杂性不断提高，以及物联网，汽车，电信和数据中心等多个行业对零件寿命要求的不断提高，促使硅器件公司，片上监视器IP供应商和数据分析公司加大了对芯片的可靠性进行表征的努力，以筛选出潜在缺陷并预测现场故障。
比如通过温度传感器收集的数据可评估产品使用寿命内的温度，以持续评估老化和可靠性风险。因为高温在可靠性和老化中起着关键作用，大多数老化过程/可靠性问题在高温下会加速，尤其是电迁移，NBTI和PBTI（负和正偏置温度不稳定性）和TDDB（随时间变化的介电击穿）。
集成电路为什么要使用片上监视器？
工程师们长期以来一直使用片上电路监控来协助集成电路制造测试，芯片调试和故障分析，以进行芯片内部电路的可见性和可控性的测试，有效的硅调试以及提高诊断复杂硅器件中问题的能力。片上监视器可进行特定的参数测量，随着每一代CMOS工艺技术的发展，片上监视器测量IC参数可用于优化性能，识别热变化并了解工艺变化。
随着AI的发展，如今还增加了片上监视器的部署，以便为整个IC器件中的参数测量提供更大的粒度。将机器学习算法应用于内部参数数据分析以及所收集的其他硅数据分析，可让工程师更深入了解制造过程和现场操作，进而可以减少下一代芯片的缺陷率，并提高现有和新芯片的可靠性。
显而易见，通过带有多个传感器的片上监视器，提供芯片内部的可见性对制造过程有帮助。现在，半导体行业在产品的整个生命周期中都越来越主动地使用这些数据。“传统ATE可以用来收集数据，” NI公司半导体业务部的副总裁兼总经理OptimalPlus认为，“这些传感器的先进性在于它们可以收集的信息越来越好。”
同时，半导体数据分析公司也已经越来越多地参与片上监视器。“我们将技术视为另一种方法。这不是一家拥有软件的传感器公司，而是一家基于高覆盖率芯片遥测技术的分析公司。” proteanTecs的营销总监Tamar Naishlos 说道。“因此，实际上，这涉及很多来自集成电路上的全面、深层的数据——即IC片上各电路点的数据情况。但是这些信息必须纳入机器学习算法中，以便我们能够以最佳方式解释一切。”
还有专注于监视时钟抖动，电压和温度的IP模块的公司也认识到使用监视数据能设计出超出预期的优化应用程序。
“我们对这种片上电路的数据收集及分析非常感兴趣，这不仅可以直接用于优化单个芯片，还使数据可用。从更大数量的芯片中查看数据也很有价值，” Moortec市场总监Richard McPartland说。“这可以与医疗保健相提并论。医生不仅要查看单个患者，还需要查看人群并确定特定的疾病或健康问题。同样，通过应用片上监控，不仅可以得到可用数据，还能查看单个管芯的情况。片上传感器对于提供内部所有情况的可见性至关重要——那具有巨大的价值。”
来自片上监视器的附加数据跨越了制造过程的所有步骤，保证了最终产品交付的质量。整个过程的数据使工程师可以进行更复杂的分析，以满足产量，质量和可靠性的目标。
传感器在监控IC上的作用
工程师在分析来自片上监控器的数据之前，他们需要了解计量的分析需求和电路的计量功能。当今的IC中使用了各种片上监视器。
“最常见的片上传感器将是PVT实时监视器，里面包含电压和温度传感器等。您可以在整个SoC中放置许多此类微型传感器。” Cadence市场营销设计IP主管Tom Wong说。“简单的环形振荡器可以告诉您工艺随时间的变化，因为您可以测量随时间变化的频率。它可以在使用的小时数/天数/月数/年数内为您指示芯片的运行状况。”
“环形振荡器电路一直是过程监控的主要工具。环形振荡器已经存在了数十年。晶圆验收测试中使用的划线线结构提供了对晶圆工艺控制和一般工艺条件的评估，” PDF Solutions首席技术专家Andrzej Strojwas说道。“为了更具体地了解IC /芯片在工艺方面的行为，那么您可以将环形振荡器作为芯片的工艺监控器。”
到2000年代中期，诸如Intel,TSMC和Samsung之类的制造商已经依靠遍布整个芯片的环形振荡器网络来更好地理解IC内的工艺变化。通过对环形振荡器数据进行分析，可以洞悉整个晶圆以及整个芯片所经历的工艺变化。
在过去的15年中，工程师们设计了更复杂的环形振荡器。在2011年IEEE关于电子设备的交易论文中，英特尔工程师详细描述了他们使用片上电路来测量工艺技术变化的情况。作者解释了他们使用环形振荡器以及对跟踪晶体管特性。
对于微处理器，在0.18 μm CMOS工艺节点上必须使用片上热传感器监控温度。随着新产品的推出，验证硅片上的热点已经促进了在整个芯片上增加更多的热监测器。出于可靠性目的，工程师对监视现场温度感兴趣。
历史温度高于正常水平的电路可以预测可靠性场故障。Ansys新兴技术产品管理总监Craig Hillman 表示，热和电条件都会影响电迁移。“电迁移的挑战之一是准确的分析和预测要求您达到稳态，因为随着电流密度的增加，温度会升高。随着温度升高，电阻升高，这意味着温度升高。这种协同过程加速了电迁移。”但是，这也可能会根据使用情况和芯片布局而有所不同，传感器需要能够解决所有这些变化。
传感器管理中心。资料来源：Moortec
用余量表示的信号和时钟时序关系代表了数字电路设计人员感兴趣的参数，并且这也可以馈入分析算法中。
了解这一余量有两个方面——理解时钟的占空比和抖动特性，以及理解两个时钟存储元件之间组合电路的路径延迟。
Synopsys高级产品营销经理Faisal Goriawalla表示：“对于针对高可靠性应用的SoC,一定要进行片上监控是至关重要的要求。“这些可能正在监视关键PLL或一组片上PLL的占空比。作为我们设计STAR分层系统的一部分，测量单元集成了一些时钟和过程监视功能。它是一种轻量级的数字IP内核，SoC设计人员可以轻松，一次，两次或数百次集成该芯片。”
监视器越多，覆盖范围就越好。proteanTecs首席技术官兼联合创始人伊夫林?兰德曼（Evelyn Landman）说：“我们使用保证金代理来衡量设计本身的频率保证金。” “这不是站在侧面的独立电路。在芯片工作时，它实际上是在并行测量设计的数百万条路径的余量。”
这些监视器在硅后设计表征，生产测试和现场使用中都有应用。
集成电路片上监控器的集成和设计
片上监控器及其数据访问需要设计到IC设备中，特别是如果工程师在整个IC中使用大量监控器来实现空间粒度和参数多样性的话。
首先，为了促进数据收集，监视电路通常将感兴趣的参数转换为数字读数。这使工程师能够使用可用的测试访问端口来允许在制造过程，新产品引入和现场评估期间进行分析。
其次，要访问监视电路的分布式网络，基础结构电路必须在芯片设计的约束内工作。例如，对于大量的环形振荡器，设计人员需要启用和选择每个环形振荡器，以将其连接到外部裸片引脚以进行测量。另外，他们可以使用分频器使其通过低速接口可读。
有了多个片上显示器，为这些显示器配备一个集成良好的控制器可轻松实现。其中，放置的传感器性质至关重要，尤其是在汽车领域，我们需要考虑整个芯片的特定电源水平，或者可能存在热点的区域。
还有提供给任何分析框架的数据质量也非常重要。如果片上监视器缺乏提供可靠计量所需的设计稳健性，那么质量可能会受到影响。当使用片上监视器来评估产品生命周期内的工艺变化和性能下降时，电路设计人员需要确保其监视器不受半导体物理和制造变化的影响，比如老化。
结语：
通过在整个设计中放置片上监视器，工程师可以对硅上发生的事情进行更深入的了解，从而为如何对观察到的制造差异做出反应提供指导。具体来说，数据可告知设计和工艺改进方面的反馈，并指导制造测试和潜在可靠性故障的前馈决策。
电路监控提供商和数据分析公司都认识到从片上数据获得强大洞察力的潜力。
“一旦传感器结构集成在芯片设计中，您就可以收集数据，不仅涵盖整个产品范围，而且还针对每个生产的设备。通过启用嵌入式监控，我们可以进入芯片生命周期的每个步骤。这提供了一个强大的新机会，可以在制造，测试，封装然后进入任务模式期间对芯片进行评估，最终导致使用寿命终止。” Crosher指出。“这确实使我们感到兴奋，因为我们正在从芯片内部为设计师和整个行业提供有价值的见解，并生成可用于产品和系统生命周期分析的有意义的数据。”
西普利卡斯表示同意。“片上性能和可靠性传感器将这种系统的可观察性带入了芯片本身，并在整个芯片的使用寿命中实现了持续的可观察性。”
作者：ANNE MEIXNER
编译：枭枭
原文网址：https://semiengineering.com/monitoring-ic-abnormalities-before-they-become-problematic/