Development of a MEMS sensor ASIC emulator oriented to fast test bring-up

Nowadays, time-to-market represents one of the most critical and pressing issue for semiconductor manufacturers. In particular, the test activity represents a very complex and time consuming operation, and requires a detailed participation in all the phases of a device development. The work described in this thesis was carried out in Bosch Italia Sensortec department, which is a technology leader in sensing solutions based on microelectromechanical systems (MEMS) dedicated to the consumer electronics world, and the corresponding application specific integrated circuits (ASIC) development, which usually are mixed-signal solutions. A relevant aspect that conditions the time spent during production and pre-production test phases is the debugging activity of the test programs developed by the test engineers, of the test system itself and the tester's software. One of the reasons behind it is that, most of the times, the debugging of the ATE solution can start only when the silicon is available. In order to improve the efficiency of the time spent on the debugging phase, a solution is to try to bring this activity forward, before the availability of the first silicon. The purpose of the thesis is to develop a test oriented emulator that allows to fast bring-up a test program, so that the debugging phase can be performed in advance. In particular, the goal is the integration of an already existent FPGA platform, which is able to emulate the tests on the digital part of the ASIC, with an analog emulator, which manages to carry out the tests concerning the analog part. After analyzing some possible solutions, the chosen methodology exploits a Programmable System on Chip (PSoC) based on an Arm Cortex-M3 microcontroller. Its most interesting characteristic is the presence of some customizable and real-time programmable analog blocks, that allows to reproduce some analog functionalities requested by the final application. After developing the analog emulator, together with the interfaces with the FPGA module, the workstation and the tester, the whole system functionalities have been tested in Milan Bosch Sensortec internal laboratory, obtaining results compliant with the target application, identifying also some limitations and possible future improvements of the proposed solution. The thesis is structured as follows: -Chapter 1: the different test phases are described, highlighting their complexity and methodologies. The project target specification, together with a more detailed explanation of the final application are provided; -Chapter 2: a brief description of a typical module that integrates a MEMS pressure sensor with its relative ASIC is provided. Some blocks, that are most relevant from the analog test requirements perspective, are presented; -Chapter 3: Some solutions for realizing an analog emulator are analyzed, with both their strong points and their disadvantages. A more detailed description of the chosen hardware and the related developing environment is provided; -Chapter 4: the actual implementation of the emulator and the final system is reported in details, together with the obtained results and some final considerations.

Oggigiorno, la problematica “time-to-market” rappresenta uno degli aspetti più critici e pressanti per l’industria dei semiconduttori. In particolare, l’attività di testing è considerata una delle attività più complesse e temporalmente onerose, richiedendo l’intervento nel dettaglio, da parte dei progettisti, di tutte le fasi del flusso di sviluppo. Il lavoro descritto in questa tesi è stato condotto presso l’azienda Bosch Italia settore Sensortec, che è leader nella tecnologia delle soluzioni di sensori, basati su sistemi MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) dedicati al mondo dell’elettronica cosiddetta di consumo, e alle corrispondenti applicazioni di specifici circuiti integrati (ASIC), tipicamente disponibili come soluzioni per segnali misti (Digitali e Analogici). Un aspetto rilevante, che condiziona la quantità di tempo necessariamente speso per il testing durante le fasi di pre-produzione e produzione, è l’attività di messa a punto (debugging) dei programmi di test sviluppati dai progettisti, del sistema di test nel suo insieme, incluso il software ad esso dedicato. Una delle ragioni che sottointendono questo aspetto, più delle volte, è il fatto che la messa a punto del sistema di test (ATE) può iniziare solo quando il componente elettronico da testare diventa disponibile fisicamente. Proprio per aumentare l’efficienza del tempo speso nella fase di messa a punto, una possibile soluzione è quella di anticipare questa attività ben prima della disponibilità del primo campione del componente elettronico in sviluppo. Lo scopo della tesi è di sviluppare un sistema di emulazione, orientato al testing, che permetta un rapido ed efficace sviluppo del programma di test, cosicchè la fase di messa a punto (debugging) possa essere fatta quanto più in anticipo. In particolare, lo scopo della tesi è di integrare una piattaforma FPGA già esistente, capace di emulare la parte digitale di un ASIC, con un emulatore analogico in grado di gestire i test delle parti analogiche. Dopo aver analizzato alcune soluzioni, la tecnologia scelta sfrutta una piattaforma PsoC (Programmable System on Chip) basata su un processore Arm Cortex-M3. Una delle principali caratteristiche della piattaforma PSoC utilizzata è la presenza di blocchi funzionali analogici programmabili ad-hoc ed in tempo reale, che permette di riprodurre alcune funzionalità analogiche richieste dall’applicazione finale. Dopo aver sviluppato l’emulatore analogico, con le relative interfacce verso il modulo FPGA, verso la Workstation dedicata e verso la piattaforma tester, le funzionalità dell’intero sistema sono state testate nei laboratori di Bosch Sensortec di Milano, ottenendo risultati conformi con gli obiettivi dell’applicazione, pur avendo identificato alcune limitazioni, rendendo inoltre ben chiari alcuni possibili futuri miglioramenti. La tesi è strutturata come segue: -Capitolo 1: sono descritte le differenti fasi di testing, evidenziando la loro complessità e le metologie utilizzate. Vengono descritte le specifiche obiettivo del progetto, insieme ad una dettagliata descrizione dell’applicazione finale; -Capitolo 2: viene resa disponibile una breve descrizione di un tipico modulo che integra un sensore di pressione MEMS con il suo relativo ASIC. Vengono descritti nel dettaglio i principali blocchi che sono più rilevanti da un punto di vista delle richieste del test; -Capitolo 3: sono analizzate alcune soluzioni per realizzare un emulatore analogico, con i loro punti di forza e debolezza. Viene inoltre fornita una descrizione più dettagliata dell’hardware scelto, con la relativa piattaforma di sviluppo; -Capitolo 4: viene riportata nel dettaglio la soluzione implementata dell’emulatore e del sistema finale, accompagnata dai risultati ottenuti e da alcune considerazioni finali.