Iddq – Fehlersuche mit der Messung von Ruheströmen Chip-Defekten auf der Spur

„Current Ratio“: Einfach und effektiv

Eine weitere (und deutlich einfachere) Auswertungsmethode ist das so genannte „Current-Ratio“-Verfahren [2] (Bild 5), bei dem man das Verhältnis aus dem höchsten und dem niedrigsten Iddq eines IC betrachtet. Aktive Defekte erhöhen den Iddq nur bei einigen Vektoren – daher ist, verglichen mit defektfreien ICs, der höchste Strom erhöht, der niedrigste aber nicht. Sie machen sich damit durch ein zu hohes Verhältnis bemerkbar. Passive Defekte dagegen erhöhen den niedrigsten und den höchsten Strom gleichermaßen, was zu einem zu niedrigen Verhältnis führt. Daher gibt es bei dieser Methode zwei Testlimits: ein oberes, um aktive Defekte zu erkennen, und ein unteres für passive Defekte. Diese Technik ist mathematisch denkbar einfach und erfordert kein „Device“-Know-how – die beiden Testlimits sind abhängig vom Prozess und der Testtemperatur, aber nicht vom IC-Typ.

Beim Wafer-Test ist es sinnvoll, die Iddq-Kurven von benachbarten ICs zu vergleichen, denn diese sind ja (fast) den gleichen Prozessbedingungen ausgesetzt, so dass (fast) die gleichen Iddq-Eigenschaften zu erwarten sind. Leider ist damit diese Messmethode auf den Wafer-Test beschränkt; sie erfordert zudem einen recht hohen Aufwand: Zunächst müssen alle Iddq-Werte eines Wafers gemessen und gespeichert werden, um dann verarbeitet zu werden.

Iddq ist nicht die einzige Methode, um Lebensdauerdefekte zu erkennen. Eine andere ist das so genannte „Burn-in“, also die Voralterung durch Lagerung oder Betrieb bei hohen Temperaturen. Iddq-Tests erlauben es oft, das gleiche DPPM-Niveau (Defect Parts Per Million) ohne kostspielige Burn-in-Prozeduren zu erreichen – dies ist eine der Hauptmotivationen für den Iddq-Test und zudem eine Möglichkeit, dessen Nutzen direkt in Geld auszudrücken.

Ein Problem besteht aber immer: Durch den Iddq-Test werden einige Prozent der ICs als fehlerhaft bezeichnet, ohne dass man weiß, wie viele tatsächlich (sofort oder später) in der Applikation ausfallen würden – die dazu erforderlichen Lebensdauertests sind sehr teuer und müssen bei jeder Prozessgeneration erneut durchgeführt werden. Der Iddq-Test ist daher, in stärkerem Masse als andere Testverfahren, ein Abwägen zwischen Zuverlässigkeit und Kosten.

Für den Iddq-Test müssen alle internen Knoten auf einen bestimmten logischen Wert gebracht werden. Dazu wird vom Tester jeweils ein Vektor über die so genannten Scanketten eingeschoben. Diese werden gebildet, indem in einem speziellen Testmodus alle Flipflops zu Schieberegistern geschaltet werden (Kasten „Scantest“, Bilder 2 und 3). Damit ist es möglich, jeden Flipflop-Ausgang nach Belieben auf 0 oder auf 1 zu setzen. Würde man nur die Flipflop-Ausgänge betrachten, so würden für einen kompletten Iddq-Test zwei Vektoren genügen (einer, um alle Flipflop-Ausgänge auf 0, ein zweiter, um alle auf 1 zu setzen). Da aber nicht nur jeder Flipflop-Ausgang, sondern auch jeder Knoten der von den Flipflops getriebenen kombinatorischen Logik einmal auf 0 und einmal auf 1 gesetzt sein muss, sind in der Praxis ca. 20 bis 400 Iddq-Vektoren nötig. Noch mehr werden es, wenn man auch alle (hochohmigen) Kurzschlüsse zwischen benachbarten Signalleitungen detektieren will, was bedeutet, dass an diesen mindestens einmal die Kombination 0/1 oder 1/0 anliegen muss. Die Vektoren für den Iddq-Test werden üblicherweise von dem gleichen EDA-Tool (Electronic Design Automation) erzeugt, das auch die Vektoren für den Scantest erzeugt.

Für jeden Vektor wird, nachdem er in die Scankette eingeschoben wurde, der Ruhestrom gemessen. Dazu müssen natürlich alle internen und externen Taktsignale abgeschaltet werden. Eine Strommessung mit der Spannungsversorgung des Produktionstesters dauert ca. 10 ms – bei 100 Pattern bedeutet das eine Sekunde Testzeit, die auf modernen Produktionstestern einige Cent kostet. Daher werden zur Iddq-Messung häufig so genannte Iddq-Monitore verwendet. Diese wandeln den Iddq in eine ihm proportionale Spannung um, die mit einem Analoginstrument des Testers aufgenommen und digitalisiert wird. Damit steht ein Array von Strömen – einer pro Vektor – zur Verfügung. Ein Test mit 100 Vektoren braucht damit nicht mehr als ein paar Millisekunden.

Iddq-Tests wurden bis in die 80er Jahre mit einer festen Schwelle durchgeführt – bei dem zu dieser Zeit üblichen Ruhestrom von unter 1 µA war eine Schwelle von z.B. 10 µA niedrig genug, um auch hochohmige Defekte zu detektieren, und hoch genug, um keine guten ICs fälschlicherweise als schlecht zu verwerfen.