第7章-专用集成电路测试与可测性设计.ppt

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117.1测试的重要性7.2故障模型与模拟7.3可测性设计7.4自动测试模板生成第7章专用集成电路测试与可测性设计227.1测试的重要性在生产阶段完成之后，在硅圆片（wafer）上形成了排成阵列的管芯。

每个管芯都可能是一个工作正常的电路，但由于在生产过程中出现的各种问题及随机变化的影响，并不是每个电路都能像原来所设计的那样正常工作，因而对IC产品进行测试是设计制造环节中的重要一步。

其过程是按照给定的测试程序，在设计好的测试电路条件下，用所选的测试模板对芯片加激励信号，并将实际输出信号与期望输出矢量比较，从而判断芯片的好坏。

这样就可以在划片前或封装后将不合格芯片筛选出来。

33随着LSI、VLSI以及ULSI的飞速发展，电路日趋复杂，测试问题就更加突出了，因为IC的可测试性往往与电路的复杂程度成反比。

对于100门左右的MSI电路来说，利用人工测试与自动测试仪可以比较容易地完成各种功能测试，但对于更大规模的IC来讲，要进行全功能的测试几乎是不可能的，因为测试时间太长、成本太高。

44例如，一个有n输入的组合逻辑电路，为了详尽地测试该电路，需要外加2n次输入或测试矢量，进行2n次观察。

若此组合电路再加上m个存储用的锁存器而成为时序电路，则电路的状态取决于当前的输入和前一时刻各单元电路的状态。

要彻底测试这个电路需要外加2n+m个测试矢量。

如果n=25，m=50，则对这样一个网络就需要2n+m275个测试图案（约为3.81022）。

假设每个测试矢量以1s的速度加到这个网络上，那么对所有测试图案都测试一遍的时间将超过10亿年，显然这是无法实现的。

因此必须减少测试次数，同时又要保证测试质量。

55全球半导体业发展到今天，测试已经成为其产业链中独立的、不可缺少的一环。

同时，计算机技术的飞速发展也为IC测试提供了强有力的技术支持和不断更新的解决方案。

IC的集成度越来越高，实现的功能也越来越多，功耗越来越低，IC的测试成本在其生产过程中占有的比重也越来越大。

如图7-1所示，测试成本随着电路的复杂度而呈指数增长。

故尽可能地降低IC测试费用并保证电路质量，是IC产品具有竞争力的一个重要方面。

66图7-1芯片测试成本77在进行ASIC设计之初就必须充分考虑测试问题，在电路上作一个小的修正就有可能避免大的错误，这种方法称为面向测试的设计（DesignForTest，DFT）。

DFT是设计过程中一个重要的部分，在整个设计流程中越早考虑越好。

DFT的方法可包含两方面：

（1）提供必要的电路使测试程序迅速而全面地进行。

（2）在测试过程中提供必要的测试模版（激励矢量）。

由于成本的原因，在最大程度包含可能出现的错误的同时，测试序列越短越好。

88制造业的测试依据目的的不同可分为以下几类：

诊断测试：

在芯片或电路板调试中使用，尽量达到给出失效元件以及确定和定位故障的目的。

功能测试（也称为合格不合格测试）：

决定了生产出来的元件是否能正常工作。

这个问题比故障测试简单，因为答案只有“是”或“不是”。

由于每个生产出来的芯片都必须经过这种测试而且对成本有直接影响，因此要求其尽可能地简单、快速。

99参数测试：

检查在多种工作环境下（如温度、电源电压）的一些非离散参数，如噪声容限、传输延迟、最大时钟频率等。

与功能测试仅涉及0和1信号不同，参数测试需要不同的设置。

参数测试大体可分为静态（dc）测试和动态（ac）测试。

一个典型的测试过程如下：

将预先定义的测试模板加载到测试设备中，它给被测元件（DeviceUnderTest，DUT）提供激励和收集相应的响应；需要一个探针板或DUT板将测试设备的输入、输出与管芯或封装后芯片的相应管脚连接起来。

测试模板指的是施加的波形、电压电平、时钟频率和预期响应在测试程序中的定义。

1010新的元件被自动装入测试设备，测试设备执行测试程序，将输入模板序列应用于DUT，比较得到的和预期的响应。

如果观察到不同，则标记元件出错（例如用墨水点），之后探针自动移到晶圆上的下一个管芯处。

其后在将晶圆分成独立管芯的工艺中，标记的元件将被自动剔除。

对于一个封装好的元件，根据测试结果，被测元件从测试板上被移入分别装有好的或有缺陷的元件容器中。

每个元件的测试过程在几秒内完成，使得一台测试设备每小时处理几千个元件成为可能。

1111自动测试设备非常昂贵，当今高速IC要求其不断提高性能的需要加重了这种状态，使得测试设备的成本飞涨。

减少每个芯片花费在测试设备上的时间是降低测试成本的一个最有效的方法。

但随着IC复杂程度的增加，出现了相反的趋势，因此就非常需要减少测试成本的设计方法。

12127.2故障模型与模拟7.2.1故障模型一个逻辑元件、电路和系统，由于某种原因导致其不能完成应有的逻辑功能，则称其已经失效。

而故障是指一个元件、电路和系统的物理缺陷，它可以使这个元件、电路和系统失效，也可能不失效。

也就是说，存在有一定故障的元件、电路和系统仍有可能完成其固有的逻辑功能。

1313为了研究故障对电路或系统的影响，诊断（定位）故障的位置，有必要对故障做一些分类，并构造最典型的故障，这个过程称为故障的模型化。

简单来讲，故障模型是电路物理缺陷的逻辑等效。

物理缺陷反映到电气模型和逻辑模型的关系如图7-2所示。

1414图7-2物理缺陷与电气模型和逻辑模型的关系1515故障模型化有两个基本原则：

一是应能准确反映某一类故障对电路的影响，即故障模型化应具有典型性、准确性和全面性；二是应尽可能简单，以便做各种运算和处理。

显然这两个原则是相互矛盾的，因此常需要采取一些折中的方案。

由于需要解决的问题不同，故采用的故障模型也不同，目前常用的几种故障模型有：

（1）固定型故障。

固定型故障模型主要反映电路中某个信号的不可控性，即在系统运行过程中该信号永远固定在某一个值上。

在数字系统中，如果该信号固定在逻辑高电平上，则称之为固定1故障（stuck-at-1），简写为sa1；如果该信号固定在逻辑低电平上，则称之为固定0故障（stuck-at-0），简写为sa0。

1616固定型故障在实际应用中用得最普遍，因为电路中元件的损坏、连线的开路和相当一部分的短路故障都可以用固定型故障模型比较准确地描述出来，而且由于它的描述比较简单，因此处理故障也比较方便。

以TTL门电路为例，输出管的对地短路故障属于sa0故障，而输出管的开路故障属于sa1故障。

任何使输出固定为1的各种物理故障都属于sa1故障。

1717需要着重指出的是，故障模型sa1和sa0都是相对于故障对电路的逻辑功能而言的，而不能简单理解为具体的物理故障。

因此sa1故障决不单纯指节点与电源的短路故障，sa0也不单纯指节点与地之间的短路故障，而是指节点不可控，始终使节点上的逻辑电平停留在逻辑高电平或逻辑低电平上的各种物理故障之集合。

根据电路中固定型故障的数目，可以把固定型故障分为两大类：

如果一个电路中只存在一个固定型故障，则称之为单固定型故障；如果一个电路中有两个或两个以上的固定型故障，则称之为多固定型故障。

1818固定型故障主要是指系统或电路内节点上的信号不能用原始输入信号控制的故障，因此固定故障模型一般不会改变电路的拓扑结构，即不会使电路或系统的基本功能有根本性的变化。

但是，如果一个系统或电路中发生了短路故障，而短路故障的情况又是多种多样的，则完全有可能改变电路的拓扑结构，导致系统或电路的基本功能发生根本性的变化，这将使自动测试与故障诊断变得十分困难。

因此通常在进行故障诊断时，应先采用专门的技术将大部分短路故障排除掉，所以在作短路故障的模型化时，认为电路中的短路故障已经是比较少了。

1919

（2）桥接故障。

实际应用中常见的桥接故障有两种：

一是元件输入端之间的桥接故障，一般形成线与关系；二是输入端和输出端之间的反馈式桥接故障，这种故障比较复杂，发生这类故障时有可能把组合电路改变成时序电路，甚至使电路发生振荡而趋于不稳定。

（3）暂态故障。

暂态故障是相对固定型故障而言的。

它有两种类型，即瞬态故障和间歇性故障。

瞬态故障不是由电路中硬件引起的故障，而是由电源的干扰等原因造成的，这一类故障无法人为复现。

在计算机内存芯片中经常出现这种故障。

2020间歇性故障客观存在于一个实际电路中，但又不是总能反映出来。

如果故障存在但没有反映出来，则称电路处于“故障无作用状态”；反之，如果故障影响着电路的正常工作，则称电路处于“故障作用状态”。

从间歇性故障产生的原因可以看出，它的影响是随机的，而不是确定的，因此必须采用概率分析的方法对其进行模型化。

（4）时滞故障。

时滞故障主要考虑电路中信号的动态故障，也即电路中各元件的时延变化和脉冲信号的边沿参数的变化等。

这类故障主要导致时序配合上的错误，因此在时序电路中影响较大。

这可能是由于元件参数变化引起的，也可能是电路结构设计不合理引起的。

后者经常可以用故障仿真的方法来解决，而对前者的检测和诊断往往是很困难的。

2121上述四种典型故障实际上还不包括一个电路或系统中可能发生的全部故障，比如TTL门电路的输入端二极管的短路故障，虽然它可以转换成固定型故障，但一个二极管的短路故障并不等效为一个单固定型故障，而有可能等效为多固定型故障。

至于短路故障，则更多样化了，不可能一一列出，因此人们通常针对一定的电路或系统，在所需要的研究范围内采取一些切实可行的特殊处理方法，以解决其主要矛盾。

例如PLA阵列中相邻线之间的短路、交叉点的丢失性或多余性故障都是常见的，因此必须作为主要矛盾，采取相应的特殊方法来处理。

2222但是对一般的系统或电路，根据统计可知，固定型故障在故障总数中占90以上，因此必须对固定型故障作充分的研究，其他有些故障也可部分地等效于固定型故障，因此也可以用处理固定型故障的方法来处理它们。

在芯片制造的过程中，出现的常见故障有常短接（stuck-at-short）、常开（stuck-at-open）、常0（stuck-at-0）、常1（stuck-at-1）、某节点浮空等。

为了实用化，目前许多故障模拟程序基本上将模型简化为sa0、sa1两种。

简化的一条论据是将许多常开、常短接故障等价为某些常0或常1故障；如果不简化，测试模板的生成和故障模拟都将非常困难。

23237.2.2故障模拟若一个物理故障可以被转换成逻辑故障模型，便能开发出测试矢量集。

一个测试矢量是一个二进制输入的阵列，它们被应用到需要进行测试的器件（DUT）或芯片（CUT）。

对于每个输入矢量，测量响应并与期望的输出进行比较，如图7-3所示，若两者不等，则可确定故障位置，对设计进行修改。

为了充分地测试DUT或CUT，需要不止一个的输入矢量，一次一般都要设计一个测试矢量集来决定器件或芯片是否正常工作。

因为每个测试都需要时间，希望得到一个最小的测试矢量集来减少总的测试时间，所以测试矢量生成是测试中的一个富有挑战性的问题。

2424图7-3测试原理框图2525故障模拟是指求出一组故障测试矢量集，并检验这些测试矢量在检测或定位故障时的有效性（尤其是异步时序电路），同时还可确定测试集的故障覆盖情况。

故障模拟也可用于分析一个新设计的电路在各种条件下（包括存在故障的情况）的运行情况，以便检测设计人员未及考虑的若干电路特性。

例如，故障可导致产生竞争冒险的现象，故障可能把一个组合电路改变成时序电路，甚至产生振荡，要检测和分析这些故障经常需要对电路进行时序分析。

2626故障模拟是比较复杂的。

采用故障模型可以表示制造过程中有代表性的问题，如短路、开路及坏的器件。

一旦在物理层上识别出这些故障，就可以生成能够找出这些问题的测试矢量集。

尽管故障模拟要求完成相当数量的工作，但它是很有用的，因为它能找出已知问题的所在并反馈给工艺线。

圆片分析可在实验室中进行，以验证故障的原因且在相应的制造阶段加以改正。

从长远来看，故障模拟可帮助提高设计的成品率和可靠性。

2727故障模拟软件以一定的算法为依据，按设定的故障模型给出故障集合，给定一套模拟测试矢量来分析内部各节点的故障情况，并计算出故障覆盖的百分比。

覆盖率的计算方法为：

将全部可检测的故障数除以电路全部节点数的2倍，因为我们已