提高系統(tǒng)級芯片測試效率的方法

高度復(fù)雜的SoC設(shè)計正面臨著高可靠性、高質(zhì)量、低成本以及更短的產(chǎn)品上市周期等日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。可測性設(shè)計通過提高電路的可測試性，從而保證芯片的高質(zhì)量生產(chǎn)和制造。借助于EDA技術(shù)，可以實現(xiàn)可測試性設(shè)計的自動化，提高電路開發(fā)工作效率，并獲得高質(zhì)量的測試向量，從而提高測試質(zhì)量、低測試成本。

半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步以摩爾定率的速度推動著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著芯片的工藝尺寸越來越細(xì)，集成度越來越高，半導(dǎo)體工藝加工中可能引入越來越多的各種失效。傳統(tǒng)的利用功能仿真向量進(jìn)行生產(chǎn)制造芯片的后期測試，雖然有的工程師認(rèn)為由于充分測試過電路的功能，所以功能測試向量應(yīng)該可以滿足市場對產(chǎn)品質(zhì)量的需求，然而實際上功能測試向量還很不完備，亞微米、深亞微米制造工藝條件下，功能測試向量所能達(dá)到的測試覆蓋率只有50％到60％左右，測試的質(zhì)量得不到充分保證；另外功能測試向量的產(chǎn)生和運行都十分昂貴；與此同時功能測試向量還不便于失效器件的故障診斷。

可測試性設(shè)計的內(nèi)容與EDA技術(shù)

半導(dǎo)體工藝中可能引入各種失效，材料的缺陷以及工藝偏差都可能導(dǎo)致芯片中電路連接的短路、斷路以及器件結(jié)間穿通等問題。而這樣的物理失效必然導(dǎo)致電路功能或者性能方面的故障，對這些電學(xué)故障進(jìn)行邏輯行為抽象就稱為故障模型。例如，最常用的一種類型的電學(xué)故障可以抽象為單元中的信號狀態(tài)被鎖定在邏輯“0”或者邏輯“1”上(SA0或者SA1)，這種類型物理失效的抽象模式被稱為“Stuck-at”的故障模型；對于深亞微米制造工藝的芯片，其高性能的測試中還必須結(jié)合多種實速(at-speed)故障模型，包括躍遷故障模型、路徑延時故障模型和IDDQ故障模型等。

Stuck-at故障模型示例如圖1所示，其測試向量及測試結(jié)果的判斷如該真值表所示。通常情況下，多數(shù)工藝失效問題都可以通過利用stuck-at故障模型測試到。

躍遷故障模型包括慢上升(Slow-to-Rise)和慢下降(Slow-to-Fall)兩種類型。我們以慢上升故障模型為例來說明躍遷故障模型的測試。如圖2所示，觀測窗口是電路正常工作所允許的最大躍遷延遲時間，測試時如果在觀測窗口時間段內(nèi)撲獲不到期望的輸出，則認(rèn)為被測試節(jié)點存在躍遷故障。

路徑延時故障模型與躍遷故障模型類似，不同的是利用路徑延時故障模型測試的電路的某一路徑的集中延時情況。如圖3所示，路徑延時故障模型測試的對象是一條時序路徑，通過對路徑的輸入端賦值進(jìn)行觸發(fā)，然后在特定的觀測時間窗口內(nèi)、在路徑輸出端捕獲期望輸出。

IDDQ故障模型利用在電路穩(wěn)態(tài)情況下觀測電源的靜態(tài)漏電流的變化情況達(dá)到測試電路失效故障的目的。如圖4所示，如果電路的B節(jié)點存在SA1故障，晶體管N1處于常開啟狀態(tài)，測試時會發(fā)現(xiàn)改變B節(jié)點的輸入激勵，電源的靜態(tài)漏電流的變化不大。

可測性設(shè)計(DFT)就是確保設(shè)計的電路具備更高的可測試性并且自動產(chǎn)生高質(zhì)量的測試向量集；其目的就是為了確保ASIC/SOC芯片在生產(chǎn)制造之后，通過測試的產(chǎn)品都能夠正確無誤地工作?？蓽y性設(shè)計的內(nèi)容主要包括：1. 測試綜合：芯片設(shè)計過程中DFT在設(shè)計中自動插入測試結(jié)構(gòu)，確保生產(chǎn)加工后的芯片易于測試。2. ATPG：利用EDA工具自動產(chǎn)生可以在ATE上運行的測試向量，利用EDA工具自動診斷導(dǎo)致元器件失效的故障產(chǎn)生的原因。3. BIST：利用EDA工具自動生成被測電路的測試用IP，完成測試序列生成和輸出響應(yīng)分析兩個任務(wù)，通過分析被測電路的響應(yīng)輸出，判斷被測電路是否有故障。

如圖5所示是DFT解決方案：對全掃描邏輯電路的測試，設(shè)計者可以選用Fastscan，對部分掃描邏輯電路的測試，設(shè)計者可以選用Flextest，對IP或宏模塊的內(nèi)建自測試，設(shè)計者也可以選用LBISTArchitect。對Memory的測試，設(shè)計者可以選用MBISTArchitect，也可以選用fastscan的子模塊功能Macrotest。采用邊界掃描電路的設(shè)計，設(shè)計者可以選用BSDArchitect。

測試綜合完成自動插入全掃描或部分掃描的測試邏輯，大大增強(qiáng)了IC和ASIC設(shè)計的可測試性。它在設(shè)計過程的早期階段進(jìn)行可測性分析，在測試向量生成和掃描自動綜合之前發(fā)現(xiàn)并修改違反測試設(shè)計規(guī)則的問題，盡可能提高ATPG的效率并縮短測試開發(fā)的周期。

測試綜合工具DFTAdvisor利用友好的圖形用戶界面引導(dǎo)完成可測性分析，執(zhí)行全面的測試規(guī)則檢查，完成并優(yōu)化掃描邏輯插入，保證在ATPG之前不存在任何遺留的可測性問題。其主要特點如下：

1. 支持智能化的、層次化的測試邏輯的自動化插入；

2. 通過密集的基于仿真的測試規(guī)則檢查(超過140條測試規(guī)則)來確保高效率的可測性分析；在設(shè)計的早期階段，發(fā)現(xiàn)并糾正設(shè)計中影響可測性的問題；

3. 支持Mux-DFF、Clocked-Scan和LSSD掃描結(jié)構(gòu)；

4. 同時支持全掃描與部分掃描的識別與插入；提供了多種可選的部分掃描插入方式，并可自動選擇部分掃描方式；

5. 通過自動測試點插入與綜合來加強(qiáng)設(shè)計的可測性；

6. 通過插入測試邏輯電路來自動糾正設(shè)計中違反可測性設(shè)計規(guī)則的部分；

7. 支持版圖層次上的掃描鏈單元的次序控制，以提高測試邏輯插入過程中的時序有效性；

8. 為后續(xù)的ATPG過程提供充分支持，生成ATPG工具要求的全部SETUP文件，可直接調(diào)用ATPG 工具確?？焖貲FT流程；

9. 支持UNIX平臺(Solaris, HP-PA) 及LUNIX操作平臺。 ATPG是指測試向量自動生成。它是可測試性設(shè)計的核心，因為生成測試向量的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到測試成本的高低。一方面ATPG工具針對Stuck-at故障模型、躍遷故障模型、路徑延時故障模型、IDDQ模型生成高質(zhì)量的測試向量，另一方面ATPG工具利用生成的測試向量進(jìn)行故障仿真和測試覆蓋率計算。ATPG算法又分為組合ATPG和時序ATPG兩種。

FastScan測試向量自動生成工具可以針對全掃描IC設(shè)計或規(guī)整的部分掃描設(shè)計生成高質(zhì)量的的測試向量。其主要特點如下：

1. 支持對全掃描設(shè)計和規(guī)整的部分掃描設(shè)計自動生成高性能、高質(zhì)量的測試向量；

2. 支持多種故障模型：stuck-at、transition、critical path和IDDQ；

3. 提供超過140條基于仿真的測試設(shè)計規(guī)則檢查；

4. 提供高效的靜態(tài)及動態(tài)測試向量壓縮性能；

5. FastScan CPA選項支持在速測試用的路徑延遲測試向量生成；

6. FastScan MacroTest選項支持小規(guī)模的嵌入模塊或存儲器的測試向量生成；

7. FastScan Diagnostics選項可以通過分析ATE機(jī)上失敗的測試向量來幫助定位芯片上的故障；

8. ASICVector Interfaces選項可以針對不同的ASIC工藝與測試儀來生成測試向量；

9. 支持32位或64位的UNIX平臺(Solaris, HP-PA)及LUNIX操作平臺。

FlexTest的時序ATPG算法使它在部分掃描設(shè)計的ATPG領(lǐng)域擁有巨大的優(yōu)勢，它也可以顯著提高無掃描或全掃描設(shè)計的測試碼覆蓋率；其內(nèi)嵌故障仿真器可以估計功能測試碼的故障覆蓋率，然后在此基礎(chǔ)上生成部分掃描并進(jìn)行ATPG。其主要特點如下：

1. 可以使用已有的功能測試向量進(jìn)行故障仿真；計算測試覆蓋率；

2. 針對一般的時序電路或部分掃描電路的進(jìn)行高效ATPG與故障仿真；

3. FlexTest Distributor選項提供的網(wǎng)絡(luò)分布處理技術(shù)可以加速ATPG與故障仿真過程；

4. 支持多種故障模型：stuck-at、transition和IDDQ；

5. 提供超過140條基于仿真的測試設(shè)計規(guī)則檢查；

6. 與FastScan和DFTAdvisor共享數(shù)據(jù)庫，使得DFT與ATPG流程效率更高。

基于嵌入式壓縮引擎的ATPG算法是下一代ATPG工具的發(fā)展趨勢。TestKompress提供的嵌入式壓縮引擎可以作為通用的IP很方便地集成到用戶的設(shè)計，EDT(Embedded Deterministic Test)算法在保證測試質(zhì)量的前提下顯著地(目前可達(dá)到100倍)壓縮測試向量數(shù)目，同時大大提高了測試運行的速度。其主要特點如下：

1. 在保證測試質(zhì)量的前提下成百倍地減少測試向量的數(shù)目，成百倍地降低測試成本；

2. 引入嵌入式壓縮引擎IP不需要對系統(tǒng)邏輯進(jìn)行任何更改，對電路的性能沒有任何影響；

3. 支持多種故障模型：stuck-at、瞬態(tài)和路徑延遲、IDDQ；

4. 支持多種測試向量類型：Basic、clock-sequential、RAM-Sequential、時鐘PO和多負(fù)載；

5. 與FastScan和DFTAdvisor共享數(shù)據(jù)庫，使得DFT與ATPG流程效率更高。

廣義的BIST技術(shù)包括LBIST、MBIST和邊界掃描技術(shù)。LBIST技術(shù)是指在ASIC、IC或IP內(nèi)核中自動插入內(nèi)建自測試電路，以保證較高的故障覆蓋率。由于它不需要在ATE機(jī)上加載測試向量，而且可以在芯片的工作頻率下進(jìn)行實速測試，所以它可以縮短測試時間，降低測試成本。LBIST工具可以自動生成BIST結(jié)構(gòu)(BIST控制器、測試向量發(fā)生器和電路特征壓縮器)的可綜合RTL級HDL描述，并快速進(jìn)行故障仿真以確定故障覆蓋率。Mentor公司提供的LBIST工具BISTArchitect的主要特點如下：

1. 內(nèi)建自測試技術(shù)降低了芯片測試對ATE測試機(jī)memory容量的要求；

2. 針對部件或系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)建自測試(BIST)的自動綜合、分析與故障仿真，便于進(jìn)行設(shè)計與測試的復(fù)用；

3. 實速測試和多頻率測試確保了高性能、高質(zhì)量的測試設(shè)計；

4. 全面的BIST設(shè)計規(guī)則檢查確保了易用性、減少了設(shè)計時間、縮短了設(shè)計面市時間；

5.采用MTPI技術(shù)能夠在獲得最大故障覆蓋率的同時將對設(shè)計的影響減至最低；

6. BIST部件的RTL綜合和與工藝無關(guān)，可以保證設(shè)計復(fù)用；

7. 配合BSDArchetect可實現(xiàn)層次化的LBIST電路連接關(guān)系。 MBIST技術(shù)可以自動實現(xiàn)存儲器單元或陣列的RTL級內(nèi)建自測試電路。MBIST的EDA工具一般支持多種測試算法，可以對一個或多個內(nèi)嵌存儲器自動創(chuàng)建BIST邏輯，并完成BIST邏輯與存儲器的連接。它能夠在多個存儲器之間共享BIST控制器，實現(xiàn)并行測試，從而顯著縮短測試時間和節(jié)約芯片面積。MBIST結(jié)構(gòu)中還可以包括故障的自動診斷功能，方便了故障定位和開發(fā)針對性的測試向量。MBISTArchitect以其簡捷、易用、支持用戶自定義測試算法等技術(shù)優(yōu)勢而被推崇為業(yè)界市場份額最大的MBIST工具。其主要特點如下：

1. 自動插入與連接BIST控制器到嵌入式存儲器或外部存儲器，縮短了設(shè)計與測試時間；

2.生成可綜合的VHDL或Verilog描述、仿真用的測試基準(zhǔn)和綜合命令文件，保證通暢的設(shè)計流程和靈活的目標(biāo)工藝映象；

3. 支持對多種形式的存儲單元測試，包括：SRAM、ROM、DRAM和多端口RAM；

4. 支持多種存儲器測試算法，包括：March C+、檢查板、ROM、特定地址和數(shù)據(jù)保持等等；

5. 支持用戶自定義的存儲器測試算法；

6. 能夠提供診斷信息以進(jìn)行失效存儲單元的定位；

7. 提供可選擇的存儲單元自動修復(fù)功能，提高成品率。

邊界掃描測試技術(shù)將輸入輸出單元置換為掃描單元，并且通過測試存儲端口(TAP)來控制這些輸入輸出單元的移位輸出從而實現(xiàn)芯片級互聯(lián)測試以及實現(xiàn)所有測試技術(shù)的連接，創(chuàng)建邊界掃描結(jié)構(gòu)并且為設(shè)計中其它的測試方法包括掃描，存儲器BIST和邏輯BIST提供芯片級的控制。

邊界掃描EDA工具可以在邏輯綜合之前的RTL設(shè)計階段自動生成符合IEEE 1149.1定義的邊界掃描電路結(jié)構(gòu)，并將它插入到原來的設(shè)計中。BSDArchitect工具讀入IC、ASIC或MCM設(shè)計的行為級VHDL或Verilog描述，生成符合IEEE1149.1邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)的VHDL或Verilog電路描述，并將它插入到原來的設(shè)計中；為實現(xiàn)自動驗證，它還可以生成一個可用于任何VHDL或Verilog仿真器的測試基準(zhǔn)文件；此外，BSDArchitect形成設(shè)計的BSDL模型，為生成測試向量做準(zhǔn)備。為了實現(xiàn)更好的性能可預(yù)測性和設(shè)計復(fù)用，也可以直接插入實現(xiàn)在特定工藝上的邊界掃描電路。在SOC測試中，BSDArchitect還利用IEEE 1149.1邊界掃描結(jié)構(gòu)中的自定義指令進(jìn)行全片的測試管理。

DFT技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及其發(fā)展趨勢

DFT技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在兩個方面：一是SOC產(chǎn)品的可測試性設(shè)計需要ATPG和BIST技術(shù)相結(jié)合，二是0.13um以下的工藝制造工藝需要處理更多的失效故障模型，具體表現(xiàn)在(at-speed)實速測試。

當(dāng)今超大規(guī)模的IC設(shè)計往往具有部分或全部SOC設(shè)計的特征：既存在邏輯電路，也存在存儲器單元，甚至包括一些設(shè)計重用的宏模塊和嵌入式的處理器內(nèi)核。DFT是一種基于結(jié)構(gòu)化的測試技術(shù)，針對這些不同的電路結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的DFT技術(shù)也呈現(xiàn)多樣化趨勢。舉例來說，通信類超大規(guī)模集成電路往往包含大量的、分布式的、小容量存儲器陣列，如果利用MBIST技術(shù)進(jìn)行測試，由于大面積MBIST電路的插入，往往會影響存儲器陣列周圍的布線通路，從而影響電路的時序特性。Mentor公司通過研究利用ATPG算法對存儲器陣列進(jìn)行測試，成功推出了Macrotest這樣的EDA工具。如圖6所示，工程師對存儲器陣列的測試面臨了更多的選擇，同樣也需要一種折中考慮。

深亞微米制造工藝0.13um和90nm以下的工藝加工線寬引發(fā)的失效故障往往與電路的工作速度相關(guān)。對深亞微米制造工藝的芯片必須生成實速測試向量進(jìn)行測試，才能夠保證芯片的質(zhì)量。然而，實速測試向量的引入一方面增加了故障覆蓋率，另一方面也增加了測試向量的數(shù)目。為了解決這個問題，可以采用嵌入式壓縮引擎的ATPG工具，犧牲硅片面積，換取測試成本。如圖7所示，去壓縮器(Decompressor)和比較器(Compactor)可以作為通用的IP很方便地集成到用戶的設(shè)計，引入嵌入式壓縮引擎IP不需要對系統(tǒng)邏輯進(jìn)行任何更改，對電路的性能沒有任何影響；一方面利用片上壓縮技術(shù)減少ATE機(jī)上存儲的測試向量數(shù)目，另一方面利用片上壓縮技術(shù)增加掃描鏈的個數(shù)以減少掃描鏈的長度，減少測試時間，從而成百倍地降低測試成本。