Científicos de la UIB diseñan métodos que puedan verificar en un tiempo mínimo el buen funcionamiento de un circuito integrado

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1 Científicos de la UIB diseñan métodos que puedan verificar en un tiempo mínimo el buen funcionamiento de un circuito integrado PALABRAS CLAVE: circuitos integrados, verificación, CMOS, RF El Grupo de Tecnología Electrónica desarrolla sistemas de verificación estructural que puedan sustituir los lentos test funcionales utilizados en telefonía móvil para los componentes analógicos. Los investigadores quieren diseñar un circuito que sea capaz de auto verificarse KEYWORDS: Integrated circuits, Test, CMOS, RF Resumen Simplificar los métodos de verificación de circuitos integrados es el objetivo esencial de la investigación que lleva a cabo el Grupo de Tecnología Electrónica de la UIB, esto es, establecer sistemas que, en un tiempo y un coste mínimos, puedan garantizar la fiabilidad de estos circuitos. En la actualidad el reto de los investigadores que conforman este grupo del Departamento de Física es el diseño de métodos de verificación para la próxima generación de aparatos de telefonía inalámbrica, en los que coexistirán componentes analógicos y digitales en un mismo circuito integrado. Hasta hoy los métodos de verificación de los componentes analógicos son básicamente funcionales, es decir, se basan en comprobar que realmente funciona cada aparato, métodos por tanto que consumen mucho tiempo y que encarecen notablemente el producto. El grupo desarrolla sistemas de verificación estructural que puedan sustituir a los actuales métodos. Al mismo tiempo, los investigadores trabajan en el diseño de un

2 sistema de verificación que se pueda integrar en el propio circuito, consiguiendo así circuitos capaces de auto verificar su buen funcionamiento. Introducción integrado es una especie de cápsula donde se ubican todos los componentes electrónicos necesarios para realizar una función: transistores, resistencias, diodos, etc. El primer chip fue desarrollado por Jack St. Clair Kilby, ingeniero de la Texas Instruments. Kilby recibió en el año 2000 el Premio Nóbel de Física. La aparición de circuitos integrados o chips a principios de la década de los sesenta permitió el desarrollo de lo que se conoce como tercera generación de ordenadores. Fue entonces cuando empezó la miniaturización, gracias a la cual se consiguió entre otras ventajas un inferior consumo energético y una mayor fiabilidad. Esa tercera generación de ordenadores utilizaba todavía circuitos integrados SSI y MSI, es decir, de bajas y medianas escalas de integración. Aún así se acababa de iniciar un nuevo camino, cuyas expectativas supo sintetizar Gordon Moore en 1965 cuando se dio cuenta de que el número de transistores en un chip se duplicaba cada meses. Esta observación es conocida como la ley de Moore. Digamos, de manera introductoria, que un circuito Del primer circuito que integraba seis transistores sobre una misma base de semiconductor, hemos pasado, tal como había profetizado Gordon Moore, a circuitos no más grandes que la uña del dedo meñique, capaces de integrar más de cuatrocientos millones de transistores De aquel primer circuito que integraba seis transistores sobre una misma base de semiconductor, tal como había profetizado Gordon Moore, hemos pasado a circuitos no más grandes que la uña del dedo meñique, capaces de integrar más de cuatrocientos millones de transistores. La evolución de este proceso Imagen obtenida al microscopio de un circuito integrado desarrollado por el Grupo de Tecnología Electrónica de la UIB.

3 de integración durante cuarenta años queda reflejada en la manera en que son clasificados los circuitos integrados, en función del número de componentes que integran: de los SSI (Small Scale of Integration) o los MSI (Medium Scale of Integration) que no sobrepasan los cien componentes, hasta llegar a los VLSI (Very Large Scale of Integration) y los ULSI (Ultra Large Scale of Integration), capaces de contener más de veinte millones de transistores que operan a velocidades extremadamente elevadas. De hecho, con el circuito de Kilby había nacido una nueva disciplina científica y tecnológica: la microelectrónica, ahora ya nanoelectrónica. Los problemas asociados a la miniaturización El coste de fabricación de este tipo de circuitos se ha reducido considerablemente ya que puede ser automatizada. Aun así, un tercio de ese coste corresponde a la verificación. Y es que la miniaturización lleva aparejada una serie de problemas asociados a las propiedades y a la degradación de los materiales utilizados en la construcción de los circuitos (metal, óxido, semiconductor). Nos hallamos pues ante un amplio abanico de problemas en cuya resolución trabajan un buen número de equipos de investigación en todo el mundo: las corrientes de fuga (Stress Induced Leakage Current, SILC); las pérdidas de capacidad aislante del óxido, conocidas también como roturas, etc. sus componentes. Eso supondría un tiempo de verificación excesivo. Por regla general, el test se realiza automáticamente mediante una maquinaria expresamente diseñada para esa labor. Dependiendo de la calidad del producto y de su precio, la verificación puede realizarse sobre una muestra aleatoria de cada serie producida o bien sobre sobre todos y cada uno de los productos (es lo acostumbrado, por ejemplo, en el caso de circuitos para satélites). Se precisan técnicas que permitan la verificación del buen funcionamiento de todo el circuito en un tiempo muy breve, en cuestión de segundos, si no se quiere encarecer todo el proceso productivo. Eso sólo puede conseguirse mediante el llamado test de puntos clave del sistema, cuyo estado nos informe del estado de las distintas partes de ese sistema. Dicho en otras Fig. 1 El doctor Eugeni Garcia ante la máquina de puntas, dotada de micromanipulado res y microscopio. El grupo de Tecnología Electrónica del Departamento de Física de la UIB, dirigido por el doctor Eugeni Garcia, focaliza su investigación hacia el diseño experimental de circuitos integrados y muy especialmente hacia el desarrollo de sistemas de verificación que puedan ser aplicables a la industria. Tal como afirma el doctor Eugeni Garcia, "para un fabricante es esencial poder garantizar la fiabilidad de sus productos y, en estos momentos, la verificación de este tipo de circuitos se ha convertido en todo un reto ya que al aumentar la complejidad también se complica esa verificación". Resulta evidente que la tarea de verificar estos circuitos no puede basarse en comprobar cada uno de

4 secuencia de entradas para trasladar el voltaje desde ese punto a uno de los pads externos (observación) i así poder compararlo con el valor esperado. Como que a cada nueva generación de chips la relación entre los puntos internos a medir y el número de pads crece, los problemas de verificación se agravan. La labor que desarrolla el grupo dirigido por el doctor Eugeni Garcia es precisamente esta: diseñar y construir prototipos de circuitos integrados que incorporen los puntos clave necesarios para que la verificación sea segura y, al mismo tiempo, rápida. Arriba y abajo: miembros del Grupo de Tecnología Electrónica en el laboratorio del edificio Mateu Orfila i Rotger, en el campus de la UIB palabras: cualquier disfunción en el circuito es detectada por una disfunción en un punto clave determinado. La verificación se realiza midiendo la tensión de las conexiones externas (pads) del xip situadas en la periferia. Las reducidísimas dimensiones de los pads obligan a utilizar maquinaria dotada de micromanipuladores y adicionalmente de un microscopio, lo que comúnmente es conocido como máquina de puntas. (Fig. 1 ) El proceso de verificación de cada punto clave implica dos etapas. En primer lugar se aplica a los pads del circuito una determinada secuencia de valores para conseguir que el voltaje en este punto tenga un valor determinado (control). En segundo lugar se aplica otra La verificación en telefonía inalámbrica de última generación Desde la década de los setenta hasta principios de los noventa dominaron el mercado los sistemas de telefonía inalámbrica llamados de primera generación. Estos teléfonos utilizaban tecnologías analógicas para transmitir información. Como es sabido, una señal se dice que es analógica cuando sus magnitudes se representan mediante variables continuas, sin saltos bruscos de los valores en un intervalo de tiempo determinado. De hecho, las magnitudes son "análogas" a las que generan la señal, en el caso que nos ocupa un emisor de radio frecuencia. La irrupción de la tecnología digital en la telefonía móvil supuso una serie de ventajas entre ellas el aumento de prestaciones y de portabilidad. Pronto empezaron a coexistir componentes analógicos y componentes digitales en un mismo aparato. En los últimos años, sin embargo, la tendencia es integrar la totalidad de los componentes en el mismo chip. El futuro de la telefonía inalámbrica pasa, por tanto, por la utilización de la tecnología CMOS VLSI (Complementary Metal Oxide Semiconductor Very Large Scale of Integration), que permite un menor consumo y una mayor inmunidad al ruido. Esta nueva tecnología tendrá que integrar tanto los componentes digitales como los analógicos. Ahora bien, mientras la verificación en circuitos integrados digitales - recordemos que una señal digital responde a magnitudes físicas limitadas por valores discretos. Por ejemplo, en los ordenadores la información se codifica

5 en un sistema binario 0,1 - está relativamente desarrollada, no pasa lo mismo en el caso de los circuitos analógicos. El Grupo de Tecnología Electrónica de la UIB ha centrado precisamente su investigación en desarrollar sistemas de verificación para circuitos de telefonía móvil fabricados con tecnología CMOS VLSI que integren, junto con los componentes digitales también componentes analógicos, por ejemplo las primeras etapas de un receptor de radiofrecuencia. Los investigadores intentan adaptar técnicas de verificación ya suficientemente exploradas en circuitos digitales a esos circuitos analógicos integrados en CMOS. En síntesis, el grupo intenta permutar los actuales métodos de verificación de circuitos analógicos, básicamente funcionales, por métodos estructurales desarrolla un sistema de test no funcional, sino estructural a imagen de los test en base a puntos clave desarrollados para circuitos digitales. De esta manera, la verificación de una tara estructural del circuito informa de la disfuncionalidad. La sustitución de la verificación funcional por la estructural supondría un gran ahorro económico. Hasta hoy, la verificación de circuitos analógicos de radiofrecuencia consiste en comprobar la recepción de la señal, la corrección del consumo, controlar el nivel de ruido, etc. Se trata en definitiva de un muestreo de variables continuas, muy lento y laborioso, porque en realidad debe hacerse funcionar cada circuito Hasta hoy, la verificación de circuitos analógicos de radiofrecuencia consiste en comprobar la recepción de la señal, la corrección del consumo, controlar el nivel de ruido, etc. Se trata en definitiva de un muestreo de variables continuas, muy lento y laborioso, porque en realidad debe hacerse funcionar cada circuito. El grupo de Tecnología Electrónica de la UIB El grupo también trabaja en el diseño de sensores integrados en el mismo chip para medir las variables de test en los puntos clave (internos). Al final aquello que se quiere conseguir es un circuito que se capaz de verificarse a si mismo. Dos integrantes del grupo de Tecnología Electrónica de la UIB en el laboratorio.

6 Proyecto financiado Título: Desarrollo de nuevas estrategias de test para circuitos integrados CMOS RF. Referencia: TIC Entidad financiadora: Ministerio de Ciencia y Tecnología. Modalidad: Tecnologías de la información y las comunicaciones. Acrónimo: DET-CIRF. Periodo: Investigador responsable Dr. Eugeni García Moreno, catedràtico de Universidad de Tecnología Electrónica. Grup de Tecnología Electrónica. Departamento de Física. Edificio Mateu Orfila i Rotger Tel eugeni.garcia@uib.es Otros miembros del equipo Dr. Sebastià A. Bota Ferragut, profesor titular de Universidad de TE Dr. Eugeni Miquel Isern Riutort, profesor titular de Universidad de TE Dr. Miquel Roca Adrover, profesor titular de Universidad de TE Dr. Jaume segura Fuster, profesor titular de Universdad de TE Dr. Josep Lluís Rosselló Sanz, profesor titular de Escuela Universitaria de TE Sr. Joan Font Rosselló, profesor titular de Escuela Universitaria de TE Sr. Óscar Alberto Calvo Ibáñez, profesor titular de Escuela Universitaria de TE Sr. Rodrigo P. Picos Gayà, profesor colaborador Sra. Dèbora Coll Mayor, profesora colaboradora

7 Instituciones y entidades colaboradoras Etienne Sicard, INSA Toulouse Sonia Delmas-Bendhia, INSA Toulouse José Antonio Sainz Gómez, Universidad del País Vasco Luís Ángel Aguado Rodríguez, Universidad del País Vasco José Miguel Gil-García Leiva, Universidad del País Vasco Fernando Oterino Echávarri, Universidad del País Vasco Jesús M. Sánchez Etchegaray, Universidad del País Vasco Webs de interés Página del Grupo de Tecnología Electrónica Publicaciones ( ) Font, J.; Ginard, J.; Picos, R.; Roca, M.; Isern, E.; Segura, J. y García, E. 'A BICS for CMOS OpAmps by Monitoring the Supply Current Peak'. Journal of Electronic Testing-Theory and Applications. Vol. 19, pp , 2003 Font, J.; Picos, R.; Isern, E.; Roca, M. y García, E. 'A New BICS for CMOS Operational Amplifier by using Oscillation Test Techniques'. Microelectronics Journal. Vol. 34. núm.10, pp , 2003 Moll, F.; Roca, M.; Isern, E. 'Analysis of dissipation energy of switching digital CMOS gates with coupled outputs'. Microelectronics Journal. Vol.34. pp , 2003 Font, J.; Ginard, J.; Isern, E.; Roca, M.; Segura, J.; Garcia, E. 'Oscillation-test technique for CMOS operational amplifiers by monitoring supply current'. Analog Integrated Circuits and Signal Processing, Vol.33, pp Comunicaciones a congresos ( ) Picos, R.; Isern, E.; Bota, S.A.; Roca, M. y Garcia, E. 'A Built-in current sensor with configurable capability'. XVIII Conference on Design of circuits and Integrated Systems Electronics (DCIS'03) Picos, R.; Font, J.; Isern, E.; Roca, M. y García, E. Títol: 'A configurable Built-in Current Sensor for Mixed-Signal Circuit Testing'. IEEE IOLTS Font, J.; Ginard, J.; Isern, E.; Roca, M.; Segura, J.; Garcia, E. 'Voltage and current testing of CMOS operational amplifiers by using the oscillation- test technique'. IEEE International Mixed-Signal Test Workshop, pàg , Montreux (Suïssa), Juny Font, J.; Ginard, J.; Isern, E.; Roca, M.; Segura, J.; Garcia, E. 'A BICS for CMOS Opamps by Monitoring the Supply Current Peak'. IEEE International On-Line Testing Workshop, pàg , Ille de Bendor (França), Juliol 2002.