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Le diagnostic de fautes est essentiel pour atteindre l'objectif de temps avant mise sur le marché (time to market) des premiers prototypes de circuits intégrés. Une autre application du diagnostic est dans l'environnement de production. Les informations du diagnostic sont très utiles pour les concepteurs de circuits afin d'améliorer la conception et ainsi augmenter le rendement de production. Dans le cas où le circuit est une partie d'un système d'importance critique pour la sûreté (e.g. automobile, aérospatial), il est important que les fabricants s'engagent à identifier la source d'une défaillance dans le cas d'un retour client pour ensuite améliorer l'environnement de production afin d'éviter la récurrence d'un tel défaut et donc améliorer la sûreté. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé une méthodologie de modélisation et de diagnostic de fautes pour les circuits analogiques/mixtes. Une nouvelle approche basée sur l'apprentissage automatique a été proposée afin de considérer les fautes catastrophiques et paramétriques en même temps dans le diagnostic. Ensuite, nous avons focalisé sur le diagnostic de défauts spot qui sont considérés comme le mécanisme de défauts principal de circuits intégrés. Enfin, la méthodologie du diagnostic proposée a été validée par les données de circuits défectueux fournies par NXP Semiconductors - Netherlands. Mots clés: Diagnostic de fautes, modélisation de fautes, test analogique, analyse de défauts, apprentissage automatique / Fault diagnosis of ICs has grown into a special field of interest in semiconductor industry. At the design stage, diagnosing the sources of failures in IC prototypes is very critical to reduce design iterations in order to meet the time-to-market goal. In a high-volume production environment, diagnosing the sources of failures can assist the designers in gathering information regarding the underlying failure mechanisms. In cases where the IC is part of a larger system that is safety critical (e.g. automotive, aerospace), it is important to identify the root-cause of failure and apply corrective actions that will prevent failure reoccurrence and, thereby, expand the safety features. In this thesis, we have developed a methodology for fault modelling and fault diagnosis of analog/mixed circuits. A new approach has been proposed to diagnose both catastrophic and parametric faults based on machine learning. We then focused on spot defects which are more probable to occur in reality in order to develop an efficient diagnosis approach. The proposed diagnosis methodology has been demonstrated on data of failed devices provided by NXP Semiconductors - Netherlands.

Tests for detecting faults in analog and mixed-signal circuits have been traditionally derived from the datasheet speci and #64257;cations. Although these speci and #64257;cations describe important aspects of the device, in many cases these application oriented tests are costly to implement and are inefficient in determining product quality. Increasingly, the gap between speci and #64257;cation test requirements and the capabilities of test equipment has been widening. In this work, a systematic method to generate and evaluate alternate tests for detecting parametric faults is proposed. We recognize that certain aspects of analog test generation problem are not amenable to automation. Additionally, functional features of analog circuits are widely varied and cannot be assumed by the test generator. To overcome these problems, an extended device under test (DUT) model is developed that encapsulates the DUT and the DUT speci and #64257;c tasks. The interface of this model provides a well de and #64257;ned and uniform view of a large class of devices. This permits several simpli and #64257;cations in the test generator. The test generator is uses a search-based procedure that requires evaluation of a large number of candidate tests. Test evaluation is expensive because of complex fault models and slow fault simulation techniques. A tester-resident test evaluation technique is developed to address this issue. This method is not limited by simulation complexity nor does it require an explicit fault model. Making use of these two developments, an efficient and automated test generation method is developed. Theoretical development and a number of examples are used to illustrate various concepts that are presented in this thesis.

Este trabalho apresenta estudos voltados ao teste de Amplificadores Diferenciais. No primeiro momento, por meio de simulações SPICE, falhas catastróficas são injetadas em dois Amplificadores Diferenciais, projetados para uma tecnologia CMOS de 0,5m com configurações complementares, a fim de comprovar a ocorrência de variações nas tensões DC dos nós do circuito sob teste à medida que há injeções de falhas no mesmo. Também se faz análises preliminares dos resultados para verificar a possibilidade de diagnosticar as falhas através de assinaturas compostas pela digitalização (em um bit) dos valores DC dos nós do circuito sob teste. Posteriormente, é desenvolvida uma metodologia de teste simples e com baixo custo, aplicável a Amplificadores Totalmente Diferenciais. Considerando a necessidade do Circuito de Realimentação de Modo Comum para manter o controle do modo comum das saídas, é proposta a reutilização deste circuito como verificador, possibilitando a observação de falhas ocorridas tanto no Amplificador quanto no próprio bloco de CMFB. Falhas catastróficas e paramétricas são injetadas, por simulação, em dois amplificadores totalmente diferenciais, um projetado em 180nm e outro em 130nm. Testes DC e transientes são realizados e a cobertura de falhas é avaliada. Os resultados das simulações apontam boa cobertura de falhas, enquanto apenas os sinais de realimentação de modo comum precisam ser monitorados. Dessa forma é proposta uma estratégia de teste que apresenta um baixo custo e uma baixa sobrecarga de área do circuito. / This work presents a study related to the testing of Differential Amplifiers. Firstly, by means of SPICE simulations, catastrophic faults are injected in two complementary Differential Amplifiers, designed considering a 0,5μm CMOS technology, in order to prove the concept of testing the circuit by checking the occurrence of variations in the DC voltage of the circuit internal nodes due to the injected faults. The possibility of diagnosing faults using a digitized representation of the DC values of the observed nodes of the circuit was also investigated. Then, a simple and cost-effective test methodology for Fully Differential Amplifiers (FDA) is proposed. Considering the need of the common mode feedback circuit to maintain the control of the common mode output voltage, it is proposed to re-use this circuit as a checker, allowing the observation of faults in both the amplifier itself and the CMFB block. Catastrophic and parametric faults are injected in two FDAs, designed in 180nm and 130nm technology respectively. DC and transient tests are performed and the fault coverage is evaluated. The simulation results indicate high fault coverage, while only the signals from the common mode feedback need to be monitored. This way a low cost and low overhead test methodology is proposed.

Com a crescente demanda por produtos eletrônicos de consumo de alta complexidade, o mercado necessita de um rápido ciclo de desenvolvimento de produto com baixo custo. O projeto de equipamentos eletrônicos baseado no uso de núcleos de propriedade intelectual ("IP cores") proporciona flexibilidade e velocidade de desenvolvimento dos chamados "sistemas num chip". Entretanto, os custos do teste destes sistemas podem alcançar um percentual significativo do valor total de produção, principalmente no caso de sistemas contendo "IP cores" analógicos ou "mixed-signal". Técnicas de teste embarcado (BIST e DFT) para circuitos analógicos, embora potencialmente capazes de minimizar o problema, apresentam limitações que restringem seu emprego a casos específicos. Algumas técnicas são dependentes do circuito, necessitando reconfiguração do circuito sob teste, e não são, em geral, utilizáveis em RF. No ambiente de "sistemas num chip", como recursos de processamento e memória estão disponíveis, eles poderiam ser utilizados durante o teste. No entanto, a sobrecarga de adicionar conversores AD e DA pode ser muito onerosa para a maior parte dos sistemas, e o roteamento analógico dos sinais pode não ser possível, além de poder introduzir distorção do sinal. Neste trabalho um digitalizador simples e de baixo custo é usado ao invés de um conversor AD para possibilitar a implementação de estratégias de teste no ambiente de "sistemas num chip". Graças ao baixo acréscimo de área analógica do conversor, múltiplos pontos de teste podem ser usados. Graças ao desempenho do conversor, é possível observar características dos sinais analógicos presentes nos "IP cores", incluindo a faixa de freqüências de RF usada em transceptores para comunicações sem fio. O digitalizador foi utilizado com sucesso no teste de circuitos analógicos de baixa freqüência e de RF. Como o teste é baseado no domínio freqüência, características nãolineares como produtos de intermodulação podem também ser avaliadas. Especificamente, resultados práticos com protótipos foram obtidos para filtros de banda base e para um mixer a 100MHz. A aplicação do conversor para avaliação da figura de ruído também foi abordada, e resultados experimentais utilizando amplificadores operacionais convencionais foram obtidos para freqüências na faixa de áudio. O método proposto é capaz de melhorar a testabilidade de projetos que utilizam circuitos de sinais mistos, sendo adequado ao uso no ambiente de "sistemas num chip" usado em muitos produtos atualmente. / With the ever increasing demands for high complexity consumer electronic products, market pressures demand faster product development and lower cost. SoCbased design can provide the required design flexibility and speed by allowing the use of IP cores. However, testing costs in the SoC environment can reach a substantial percent of the total production cost. Analog testing costs may dominate the total test cost, as testing of analog circuits usually require functional verification of the circuit and special testing procedures. For RF analog circuits commonly used in wireless applications, testing is further complicated because of the high frequencies involved. In summary, reducing analog test cost is of major importance in the electronic industry today. BIST techniques for analog circuits, though potentially able to solve the analog test cost problem, have some limitations. Some techniques are circuit dependent, requiring reconfiguration of the circuit being tested, and are generally not usable in RF circuits. In the SoC environment, as processing and memory resources are available, they could be used in the test. However, the overhead for adding additional AD and DA converters may be too costly for most systems, and analog routing of signals may not be feasible and may introduce signal distortion. In this work a simple and low cost digitizer is used instead of an ADC in order to enable analog testing strategies to be implemented in a SoC environment. Thanks to the low analog area overhead of the converter, multiple analog test points can be observed and specific analog test strategies can be enabled. As the digitizer is always connected to the analog test point, it is not necessary to include muxes and switches that would degrade the signal path. For RF analog circuits, this is specially useful, as the circuit impedance is fixed and the influence of the digitizer can be accounted for in the design phase. Thanks to the simplicity of the converter, it is able to reach higher frequencies, and enables the implementation of low cost RF test strategies. The digitizer has been applied successfully in the testing of both low frequency and RF analog circuits. Also, as testing is based on frequency-domain characteristics, nonlinear characteristics like intermodulation products can also be evaluated. Specifically, practical results were obtained for prototyped base band filters and a 100MHz mixer. The application of the converter for noise figure evaluation was also addressed, and experimental results for low frequency amplifiers using conventional opamps were obtained. The proposed method is able to enhance the testability of current mixed-signal designs, being suitable for the SoC environment used in many industrial products nowadays.

Este trabalho apresenta estudos voltados ao teste de Amplificadores Diferenciais. No primeiro momento, por meio de simulações SPICE, falhas catastróficas são injetadas em dois Amplificadores Diferenciais, projetados para uma tecnologia CMOS de 0,5m com configurações complementares, a fim de comprovar a ocorrência de variações nas tensões DC dos nós do circuito sob teste à medida que há injeções de falhas no mesmo. Também se faz análises preliminares dos resultados para verificar a possibilidade de diagnosticar as falhas através de assinaturas compostas pela digitalização (em um bit) dos valores DC dos nós do circuito sob teste. Posteriormente, é desenvolvida uma metodologia de teste simples e com baixo custo, aplicável a Amplificadores Totalmente Diferenciais. Considerando a necessidade do Circuito de Realimentação de Modo Comum para manter o controle do modo comum das saídas, é proposta a reutilização deste circuito como verificador, possibilitando a observação de falhas ocorridas tanto no Amplificador quanto no próprio bloco de CMFB. Falhas catastróficas e paramétricas são injetadas, por simulação, em dois amplificadores totalmente diferenciais, um projetado em 180nm e outro em 130nm. Testes DC e transientes são realizados e a cobertura de falhas é avaliada. Os resultados das simulações apontam boa cobertura de falhas, enquanto apenas os sinais de realimentação de modo comum precisam ser monitorados. Dessa forma é proposta uma estratégia de teste que apresenta um baixo custo e uma baixa sobrecarga de área do circuito. / This work presents a study related to the testing of Differential Amplifiers. Firstly, by means of SPICE simulations, catastrophic faults are injected in two complementary Differential Amplifiers, designed considering a 0,5μm CMOS technology, in order to prove the concept of testing the circuit by checking the occurrence of variations in the DC voltage of the circuit internal nodes due to the injected faults. The possibility of diagnosing faults using a digitized representation of the DC values of the observed nodes of the circuit was also investigated. Then, a simple and cost-effective test methodology for Fully Differential Amplifiers (FDA) is proposed. Considering the need of the common mode feedback circuit to maintain the control of the common mode output voltage, it is proposed to re-use this circuit as a checker, allowing the observation of faults in both the amplifier itself and the CMFB block. Catastrophic and parametric faults are injected in two FDAs, designed in 180nm and 130nm technology respectively. DC and transient tests are performed and the fault coverage is evaluated. The simulation results indicate high fault coverage, while only the signals from the common mode feedback need to be monitored. This way a low cost and low overhead test methodology is proposed.

Com a crescente demanda por produtos eletrônicos de consumo de alta complexidade, o mercado necessita de um rápido ciclo de desenvolvimento de produto com baixo custo. O projeto de equipamentos eletrônicos baseado no uso de núcleos de propriedade intelectual ("IP cores") proporciona flexibilidade e velocidade de desenvolvimento dos chamados "sistemas num chip". Entretanto, os custos do teste destes sistemas podem alcançar um percentual significativo do valor total de produção, principalmente no caso de sistemas contendo "IP cores" analógicos ou "mixed-signal". Técnicas de teste embarcado (BIST e DFT) para circuitos analógicos, embora potencialmente capazes de minimizar o problema, apresentam limitações que restringem seu emprego a casos específicos. Algumas técnicas são dependentes do circuito, necessitando reconfiguração do circuito sob teste, e não são, em geral, utilizáveis em RF. No ambiente de "sistemas num chip", como recursos de processamento e memória estão disponíveis, eles poderiam ser utilizados durante o teste. No entanto, a sobrecarga de adicionar conversores AD e DA pode ser muito onerosa para a maior parte dos sistemas, e o roteamento analógico dos sinais pode não ser possível, além de poder introduzir distorção do sinal. Neste trabalho um digitalizador simples e de baixo custo é usado ao invés de um conversor AD para possibilitar a implementação de estratégias de teste no ambiente de "sistemas num chip". Graças ao baixo acréscimo de área analógica do conversor, múltiplos pontos de teste podem ser usados. Graças ao desempenho do conversor, é possível observar características dos sinais analógicos presentes nos "IP cores", incluindo a faixa de freqüências de RF usada em transceptores para comunicações sem fio. O digitalizador foi utilizado com sucesso no teste de circuitos analógicos de baixa freqüência e de RF. Como o teste é baseado no domínio freqüência, características nãolineares como produtos de intermodulação podem também ser avaliadas. Especificamente, resultados práticos com protótipos foram obtidos para filtros de banda base e para um mixer a 100MHz. A aplicação do conversor para avaliação da figura de ruído também foi abordada, e resultados experimentais utilizando amplificadores operacionais convencionais foram obtidos para freqüências na faixa de áudio. O método proposto é capaz de melhorar a testabilidade de projetos que utilizam circuitos de sinais mistos, sendo adequado ao uso no ambiente de "sistemas num chip" usado em muitos produtos atualmente. / With the ever increasing demands for high complexity consumer electronic products, market pressures demand faster product development and lower cost. SoCbased design can provide the required design flexibility and speed by allowing the use of IP cores. However, testing costs in the SoC environment can reach a substantial percent of the total production cost. Analog testing costs may dominate the total test cost, as testing of analog circuits usually require functional verification of the circuit and special testing procedures. For RF analog circuits commonly used in wireless applications, testing is further complicated because of the high frequencies involved. In summary, reducing analog test cost is of major importance in the electronic industry today. BIST techniques for analog circuits, though potentially able to solve the analog test cost problem, have some limitations. Some techniques are circuit dependent, requiring reconfiguration of the circuit being tested, and are generally not usable in RF circuits. In the SoC environment, as processing and memory resources are available, they could be used in the test. However, the overhead for adding additional AD and DA converters may be too costly for most systems, and analog routing of signals may not be feasible and may introduce signal distortion. In this work a simple and low cost digitizer is used instead of an ADC in order to enable analog testing strategies to be implemented in a SoC environment. Thanks to the low analog area overhead of the converter, multiple analog test points can be observed and specific analog test strategies can be enabled. As the digitizer is always connected to the analog test point, it is not necessary to include muxes and switches that would degrade the signal path. For RF analog circuits, this is specially useful, as the circuit impedance is fixed and the influence of the digitizer can be accounted for in the design phase. Thanks to the simplicity of the converter, it is able to reach higher frequencies, and enables the implementation of low cost RF test strategies. The digitizer has been applied successfully in the testing of both low frequency and RF analog circuits. Also, as testing is based on frequency-domain characteristics, nonlinear characteristics like intermodulation products can also be evaluated. Specifically, practical results were obtained for prototyped base band filters and a 100MHz mixer. The application of the converter for noise figure evaluation was also addressed, and experimental results for low frequency amplifiers using conventional opamps were obtained. The proposed method is able to enhance the testability of current mixed-signal designs, being suitable for the SoC environment used in many industrial products nowadays.

abstract: Test cost has become a significant portion of device cost and a bottleneck in high volume manufacturing. Increasing integration density and shrinking feature sizes increased test time/cost and reduce observability. Test engineers have to put a tremendous effort in order to maintain test cost within an acceptable budget. Unfortunately, there is not a single straightforward solution to the problem. Products that are tested have several application domains and distinct customer profiles. Some products are required to operate for long periods of time while others are required to be low cost and optimized for low cost. Multitude of constraints and goals make it impossible to find a single solution that work for all cases. Hence, test development/optimization is typically design/circuit dependent and even process specific. Therefore, test optimization cannot be performed using a single test approach, but necessitates a diversity of approaches. This works aims at addressing test cost minimization and test quality improvement at various levels. In the first chapter of the work, we investigate pre-silicon strategies, such as design for test and pre-silicon statistical simulation optimization. In the second chapter, we investigate efficient post-silicon test strategies, such as adaptive test, adaptive multi-site test, outlier analysis, and process shift detection/tracking. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2012

Com a crescente demanda por produtos eletrônicos de consumo de alta complexidade, o mercado necessita de um rápido ciclo de desenvolvimento de produto com baixo custo. O projeto de equipamentos eletrônicos baseado no uso de núcleos de propriedade intelectual ("IP cores") proporciona flexibilidade e velocidade de desenvolvimento dos chamados "sistemas num chip". Entretanto, os custos do teste destes sistemas podem alcançar um percentual significativo do valor total de produção, principalmente no caso de sistemas contendo "IP cores" analógicos ou "mixed-signal". Técnicas de teste embarcado (BIST e DFT) para circuitos analógicos, embora potencialmente capazes de minimizar o problema, apresentam limitações que restringem seu emprego a casos específicos. Algumas técnicas são dependentes do circuito, necessitando reconfiguração do circuito sob teste, e não são, em geral, utilizáveis em RF. No ambiente de "sistemas num chip", como recursos de processamento e memória estão disponíveis, eles poderiam ser utilizados durante o teste. No entanto, a sobrecarga de adicionar conversores AD e DA pode ser muito onerosa para a maior parte dos sistemas, e o roteamento analógico dos sinais pode não ser possível, além de poder introduzir distorção do sinal. Neste trabalho um digitalizador simples e de baixo custo é usado ao invés de um conversor AD para possibilitar a implementação de estratégias de teste no ambiente de "sistemas num chip". Graças ao baixo acréscimo de área analógica do conversor, múltiplos pontos de teste podem ser usados. Graças ao desempenho do conversor, é possível observar características dos sinais analógicos presentes nos "IP cores", incluindo a faixa de freqüências de RF usada em transceptores para comunicações sem fio. O digitalizador foi utilizado com sucesso no teste de circuitos analógicos de baixa freqüência e de RF. Como o teste é baseado no domínio freqüência, características nãolineares como produtos de intermodulação podem também ser avaliadas. Especificamente, resultados práticos com protótipos foram obtidos para filtros de banda base e para um mixer a 100MHz. A aplicação do conversor para avaliação da figura de ruído também foi abordada, e resultados experimentais utilizando amplificadores operacionais convencionais foram obtidos para freqüências na faixa de áudio. O método proposto é capaz de melhorar a testabilidade de projetos que utilizam circuitos de sinais mistos, sendo adequado ao uso no ambiente de "sistemas num chip" usado em muitos produtos atualmente. / With the ever increasing demands for high complexity consumer electronic products, market pressures demand faster product development and lower cost. SoCbased design can provide the required design flexibility and speed by allowing the use of IP cores. However, testing costs in the SoC environment can reach a substantial percent of the total production cost. Analog testing costs may dominate the total test cost, as testing of analog circuits usually require functional verification of the circuit and special testing procedures. For RF analog circuits commonly used in wireless applications, testing is further complicated because of the high frequencies involved. In summary, reducing analog test cost is of major importance in the electronic industry today. BIST techniques for analog circuits, though potentially able to solve the analog test cost problem, have some limitations. Some techniques are circuit dependent, requiring reconfiguration of the circuit being tested, and are generally not usable in RF circuits. In the SoC environment, as processing and memory resources are available, they could be used in the test. However, the overhead for adding additional AD and DA converters may be too costly for most systems, and analog routing of signals may not be feasible and may introduce signal distortion. In this work a simple and low cost digitizer is used instead of an ADC in order to enable analog testing strategies to be implemented in a SoC environment. Thanks to the low analog area overhead of the converter, multiple analog test points can be observed and specific analog test strategies can be enabled. As the digitizer is always connected to the analog test point, it is not necessary to include muxes and switches that would degrade the signal path. For RF analog circuits, this is specially useful, as the circuit impedance is fixed and the influence of the digitizer can be accounted for in the design phase. Thanks to the simplicity of the converter, it is able to reach higher frequencies, and enables the implementation of low cost RF test strategies. The digitizer has been applied successfully in the testing of both low frequency and RF analog circuits. Also, as testing is based on frequency-domain characteristics, nonlinear characteristics like intermodulation products can also be evaluated. Specifically, practical results were obtained for prototyped base band filters and a 100MHz mixer. The application of the converter for noise figure evaluation was also addressed, and experimental results for low frequency amplifiers using conventional opamps were obtained. The proposed method is able to enhance the testability of current mixed-signal designs, being suitable for the SoC environment used in many industrial products nowadays.

Este trabalho apresenta estudos voltados ao teste de Amplificadores Diferenciais. No primeiro momento, por meio de simulações SPICE, falhas catastróficas são injetadas em dois Amplificadores Diferenciais, projetados para uma tecnologia CMOS de 0,5m com configurações complementares, a fim de comprovar a ocorrência de variações nas tensões DC dos nós do circuito sob teste à medida que há injeções de falhas no mesmo. Também se faz análises preliminares dos resultados para verificar a possibilidade de diagnosticar as falhas através de assinaturas compostas pela digitalização (em um bit) dos valores DC dos nós do circuito sob teste. Posteriormente, é desenvolvida uma metodologia de teste simples e com baixo custo, aplicável a Amplificadores Totalmente Diferenciais. Considerando a necessidade do Circuito de Realimentação de Modo Comum para manter o controle do modo comum das saídas, é proposta a reutilização deste circuito como verificador, possibilitando a observação de falhas ocorridas tanto no Amplificador quanto no próprio bloco de CMFB. Falhas catastróficas e paramétricas são injetadas, por simulação, em dois amplificadores totalmente diferenciais, um projetado em 180nm e outro em 130nm. Testes DC e transientes são realizados e a cobertura de falhas é avaliada. Os resultados das simulações apontam boa cobertura de falhas, enquanto apenas os sinais de realimentação de modo comum precisam ser monitorados. Dessa forma é proposta uma estratégia de teste que apresenta um baixo custo e uma baixa sobrecarga de área do circuito. / This work presents a study related to the testing of Differential Amplifiers. Firstly, by means of SPICE simulations, catastrophic faults are injected in two complementary Differential Amplifiers, designed considering a 0,5μm CMOS technology, in order to prove the concept of testing the circuit by checking the occurrence of variations in the DC voltage of the circuit internal nodes due to the injected faults. The possibility of diagnosing faults using a digitized representation of the DC values of the observed nodes of the circuit was also investigated. Then, a simple and cost-effective test methodology for Fully Differential Amplifiers (FDA) is proposed. Considering the need of the common mode feedback circuit to maintain the control of the common mode output voltage, it is proposed to re-use this circuit as a checker, allowing the observation of faults in both the amplifier itself and the CMFB block. Catastrophic and parametric faults are injected in two FDAs, designed in 180nm and 130nm technology respectively. DC and transient tests are performed and the fault coverage is evaluated. The simulation results indicate high fault coverage, while only the signals from the common mode feedback need to be monitored. This way a low cost and low overhead test methodology is proposed.