Conception en vue du test avancé pour capteurs d'images

Design for advanced testing of image sensors

• Auteur / Autrice : Julia Lefevre
• Direction : Patrick Girard, Arnaud Virazel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes automatiques et micro-électroniques
• Date : Soutenance le 17/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Matteo Sonza Reorda
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Debaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Johann Laurent, Elena Ioana Vatajelu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs d'images CMOS

Imagerie (technique)

Autotest intégré

Mots clés libres

Test

Bist

Imageur

Capteur

Test

Bist

Imager

Sensor

Résumé

Les imageurs sont des capteurs d’images communs que l’on retrouve dans tous les appareils de notre quotidien. Leur architecture découpée en deux parties (électrique et optique) leur permet de transformer une information lumineuse en information électrique pour acquérir des images sous forme de matrice de pixels.Les exigences en termes de qualité d’images de sortie impliquent de tester tous les éléments de l’architecture. Le test est réalisé sur un testeur grâce à un flot de test comprenant des tests électrique et optique. Les tests optiques vérifient l’intégrité de l’image à partir d’algorithmes qui recherchent des défauts locaux (impact réduit sur la qualité) ou globaux (impact critique sur la qualité). Le test optique représente la majorité du temps de test à cause de contraintes techniques (matériel spécifique précis, sauvegarde d’images et traitements en 2D). Ainsi, il impacte grandement le coût final du produit comparé aux tests électriques.Pour réduire le temps de test optique, des solutions de test embarqué directement dans le capteur (BIST pour Built-In Self-Test) ont été proposées dans la littérature. Leur utilisation a peu d’impact sur le coût du test optique et ne cible qu’une partie des défauts potentiels.Ce travail de thèse propose donc 3 solutions BISTs afin de réduire le temps de test optique. Les 3 BISTs fonctionnent en 1D à la vitesse de lecture de la matrice de pixels et tendent à restreindre le plus possible le stockage de données intermédiaires. Des bases de données contenant des images et des informations de test permettent de valider le fonctionnement de ces solutions BISTs.La 1ère solution BIST (appelée PETS BIST pour Pixel Embedded Test Solution) repose sur la simplification des tests optiques actuels pour les embarquer dans le capteur. L’implémentation de PETS BIST permet d’estimer qu’il représente seulement 0.25% de la surface totale d’un capteur 1.5MPixels et embarque 50% des tests optiques. Cela permet d’économiser 30% du temps de test optique. Une limitation en termes de détection de défaut global a été identifiée lors de l’utilisation de PETS BIST.La 2ème solution appelée PRED BIST intervient donc pour combler cette limitation. PRED BIST consiste à avoir une vision globale de l’image et à ''prédire'' les valeurs idéales attendues. En comparant les valeurs de l’image réelle avec les valeurs idéales, PRED BIST identifie des défauts et définit si les images sont correctes. L’implémentation de PRED BIST permet d’estimer qu’il représente 1.5% de la surface totale d’un capteur 1.5MPixels et nécessite donc 6 fois plus de surface pour être implanté que PETS BIST car son fonctionnement est plus complexe. Il embarque 100% des tests optiques. Cela permet d’économiser environ 95% du temps de test optique. Une limitation en termes de détection de défaut local a été identifiée lors de l’utilisation de PRED BIST.La 3ème solution appelée HYBRID BIST combine les 2 précédents BISTs pour exploiter leur complémentarité à l’intérieur d’un seul BIST. HYBRID BIST n’a pas encore été implémenté mais en utilisant les architectures déjà existantes de PETS et PRED BIST, une estimation de la taille de HYBRID BIST montre que qu’il représenterait 1.8% de la taille totale d’un capteur 1.5MPixels. Cette estimation est la pire estimation possible car les blocs de calculs de PETS et de PRED BIST sont non optimisés. Comme pour PRED BIST, HYBRID BIST embarque 100% des tests optiques et son utilisation permet d’économiser environ 95% du temps de test optique. Le réglage de HYBRID BIST utilisé lors de la phase de validation sur les bases de données lui permet de ne manquer aucun défaut mais de rejeter des images considérées comme correctes par les tests optiques lancés actuellement sur testeur.Le futur de ce travail de thèse repose sur l’exploration de l’utilisation de HYBRID BIST sur d’autres capteurs d’images. L’objectif principal sera d’implémenter physiquement HYBRID BIST sur silicium dans des capteurs réels en production.

Image sensors are common imaging devices found in everyday equipment. Their architecture, divided into two parts (electrical and optical), enables them to convert light information into electrical information to capture images as pixel arrays.The demand for high-quality output images necessitates the testing of all architectural components. Testing is conducted on a tester using a test flow that includes both electrical and optical tests. Optical tests assess image integrity through algorithms that detect local defects (with limited impact on quality) and global defects (with critical impact on quality). Due to technical constraints (the need for precise specialized hardware, image storage, and 2D processing), optical testing constitutes the majority of the test time, significantly affecting the final product cost compared to electrical tests.To reduce optical test time, literature has proposed embedded test solutions within the sensor (BIST for Built-In Self-Test). Their implementation has minimal impact on the cost reduction of optical testing and often targets only a subset of potential defects.This PhD work presents 3 BIST solutions to decrease optical test time. The 3 BIST solutions operate in 1D at the pixel array readout speed and aim to minimize the storage of intermediate data. Databases containing images and test information validate the functionality of these BIST solutions.The first BIST solution (named PETS BIST for Pixel Embedded Test Solution) is based on simplifying current optical tests for integration within the sensor. Implementing PETS BIST has shown that it occupies only 0.25% of the total area of a 1.5MPixel sensor and embeds 50% of optical tests, saving about 30% of optical test time. A limitation in detecting global defects has been identified when using PETS BIST.The second solution, PRED BIST, addresses this limitation. PRED BIST provides a holistic view of the image and ''predicts'' the ideal expected values. By comparing actual image values to the ideal ones, PRED BIST identifies defects and determines image correctness. The implementation of PRED BIST is estimated to occupy 1.5% of the total area of a 1.5MPixel sensor, requiring six times more space than PETS BIST due to its complexity, but it encompasses 100% of optical tests. This results in an estimated 95% savings in optical test time. However, a limitation in detecting local defects has been noted with PRED BIST.The third solution, HYBRID BIST, combines the previous two BISTs to leverage their complementary strengths within a single BIST. HYBRID BIST has not yet been implemented, but estimates based on the existing architectures of PETS and PRED BIST suggest it would take up 1.8% of the total area of a 1.5MPixel sensor. This estimate is the worst case, as the computational blocks of PETS and PRED BIST are not optimized. Like PRED BIST, HYBRID BIST includes 100% optical tests and is expected to save about 95% of optical test time. During the validation phase on databases, the settings of HYBRID BIST allow it to detect all defects but also reject images considered correct by current optical tests on the tester.The future of this PhD work focuses on exploring the use of HYBRID BIST on other image sensors. The primary goal will be the physical implementation of HYBRID BIST on silicon in actual production sensors.