IC測試原理解析(第二部分)

芯片測試原理討論在芯片開發(fā)和生產(chǎn)過程中芯片測試的基本原理，一共分為四章，下面將要介紹的是第二章。我們?cè)诘谝徽陆榻B了芯片的基本測試原理，描述了影響芯片測試方案選擇的基本因素，定義了芯片測試過程中的常用術(shù)語。本文將討論怎么把這些原理應(yīng)用到存儲(chǔ)器和邏輯芯片的測試上。接下來的第三章將介紹混合信號(hào)芯片的測試，第四章會(huì)介紹射頻/無線芯片的測試。

存儲(chǔ)器和邏輯芯片的測試

存儲(chǔ)器芯片測試介紹

存儲(chǔ)器芯片是在特定條件下用來存儲(chǔ)數(shù)字信息的芯片。存儲(chǔ)的信息可以是操作代碼，數(shù)據(jù)文件或者是二者的結(jié)合等。根據(jù)特性的不同，存儲(chǔ)器可以分為以下幾類，如表1所示：

存儲(chǔ)器的種類與特性

存儲(chǔ)器術(shù)語的定義

在討論存儲(chǔ)器芯片測試之前，有必要先定義一些相關(guān)的術(shù)語。

寫入恢復(fù)時(shí)間(Write Recovery Time):一個(gè)存儲(chǔ)單元在寫入操作之后和正確讀取之前中間必須等待的時(shí)間。

保持時(shí)間(Hold Time):輸入數(shù)據(jù)電平在鎖存時(shí)鐘之后必須保持的時(shí)間間隔。

Pause Test:存儲(chǔ)器內(nèi)容保持時(shí)間的測試。

刷新時(shí)間(Refresh Time):存儲(chǔ)器刷新的最大時(shí)間間隔。

建立時(shí)間(Setup Time):輸入數(shù)據(jù)電平在鎖存時(shí)鐘之前必須穩(wěn)定保持的時(shí)間間隔。

上升和下降時(shí)間(Rise and Fall Times)：功能速度測試是通過重復(fù)地進(jìn)行功能測試，同時(shí)改變芯片測試的周期或頻率來完成的。測試的周期通常使用二進(jìn)制搜索的辦法來進(jìn)行改變。這些測試能夠測出芯片的最快運(yùn)行速度。

寫入恢復(fù)(Write Recovery):一個(gè)存儲(chǔ)單元在寫入操作之后和下一個(gè)存儲(chǔ)單元能正確讀取之前中間必須等待的時(shí)間。

讀取時(shí)間(Access time):通常是指在讀使能，片選信號(hào)或地址改變到輸出端輸出新數(shù)據(jù)的所需的最小時(shí)間。讀取時(shí)間取決于存儲(chǔ)器讀取時(shí)的流程。

存儲(chǔ)器芯片測試中的功能測試

存儲(chǔ)器芯片必須經(jīng)過許多必要的測試以保證其功能正確。這些測試主要用來確保芯片不包含一下類型的錯(cuò)誤：

存儲(chǔ)單元短路：存儲(chǔ)單元與電源或者地段路

存儲(chǔ)單元開路：存儲(chǔ)單元在寫入時(shí)狀態(tài)不能改變相鄰單元短路：根據(jù)不同的短路狀態(tài)，相鄰的單元會(huì)被寫入相同或相反的數(shù)據(jù)地址

開路或短路：這種錯(cuò)誤引起一個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)多個(gè)地址或者多個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)存儲(chǔ)單元。這種錯(cuò)誤不容易被檢測，因?yàn)槲覀円淮沃荒軝z查輸入地址所對(duì)應(yīng)的輸出響應(yīng)，很難確定是哪一個(gè)物理地址被真正讀取。

存儲(chǔ)單元干擾：它是指在寫入或者讀取一個(gè)存儲(chǔ)單元的時(shí)候可能會(huì)引起它周圍或者相鄰的存儲(chǔ)單元狀態(tài)的改變,也就是狀態(tài)被干擾了。

存儲(chǔ)器芯片測試時(shí)用于錯(cuò)誤檢測的測試向量

測試向量是施加給存儲(chǔ)器芯片的一系列的功能，即不同的讀和寫等的功能組合。它主要用于測試芯片的功能錯(cuò)誤。常用的存儲(chǔ)器測試向量如下所示，分別介紹一下他們的執(zhí)行方式以及測試目的.

全”0”和全”1”向量: 4n行向量

執(zhí)行方式：對(duì)所有單元寫”1”再讀取驗(yàn)證所有單元。對(duì)所有單元寫”0”再讀取驗(yàn)證所有單元。

目的：檢查存儲(chǔ)單元短路或者開路錯(cuò)誤。也能檢查相鄰單元短路的問題。

棋盤格(Checkerboard)向量：4n行向量

執(zhí)行方式：先運(yùn)行0-1棋盤格向量，也就是第一個(gè)單元寫1，第二個(gè)單元寫0，第三個(gè)單元再寫1，依此類推，直到最后一個(gè)單元，接下來再讀取并驗(yàn)證所有單元。再運(yùn)行一個(gè)1-0棋盤格向量，就是對(duì)所有單元寫入跟0-1棋盤格完全相反的數(shù)據(jù)，再讀取并驗(yàn)證所有單元。

目的：這是功能測試，地址解碼和單元干擾的一個(gè)最基本最簡單的測試向量。它還能檢查連續(xù)地址錯(cuò)誤或者干擾錯(cuò)誤，也通常用它作為時(shí)間測量時(shí)的向量。

Patterns Marching向量：5n行向量

執(zhí)行方式：先對(duì)所有單元寫0.讀取第一個(gè)單元，再對(duì)第一個(gè)單元寫1。再讀取第二個(gè)單元，再對(duì)第二個(gè)單元寫1，依此類推，直到最后一個(gè)單元。最后再重復(fù)上述操作，只是寫入數(shù)據(jù)相反。

目的：這是功能測試，地址解碼和單元干擾的一個(gè)最基本最簡單的測試向量。它還能檢查連續(xù)地址錯(cuò)誤或者干擾錯(cuò)誤，也通常用它作為時(shí)間測量時(shí)的向量。

Walking向量:2n^2 行向量

執(zhí)行方式：先對(duì)所有單元寫0,再讀取所有單元。接下來對(duì)第一個(gè)單元寫1，讀取所有單元，讀完之后把第一個(gè)單元寫回0。再對(duì)第二個(gè)單元寫1，讀取所有單元，讀完之后把第二個(gè)單元寫回0。依次類推，重復(fù)到最后一個(gè)單元。等上述操作完成之后，再重復(fù)上述操作，只不過寫入的數(shù)據(jù)相反。

目的：檢查所有的地址解碼錯(cuò)誤。它的缺點(diǎn)是它的運(yùn)行時(shí)間太長。假設(shè)讀寫周期為500ns，對(duì)一個(gè)4K的RAM進(jìn)行wakling向量測試就需要16秒的測試時(shí)間。如果知道存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，我們可以只進(jìn)行行或者列的walking以減少測試時(shí)間。

Galloping寫入恢復(fù)向量：12^2n行向量

執(zhí)行方式：對(duì)所有單元寫0。再對(duì)第一個(gè)單元寫1（基本單元），讀取第二個(gè)單元, 然后返回來讀取第一個(gè)單元。再對(duì)第二個(gè)單元寫0，讀第二個(gè)單元。接下來再在其它所有單元和基本單元之間重復(fù)這個(gè)操作。等第一個(gè)單元作為基本單元的操作完成之后，再把第二個(gè)單元作為基本單元，再作同樣的操作。依此類推，直到所有單元都被當(dāng)過基本單元。最后，再重復(fù)上述過程，但寫入數(shù)據(jù)相反。

目的：這是功能測試，地址解碼測試和干擾測試一個(gè)極好的向量。如果選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)序，它還可以很好地用于寫入恢復(fù)測試。同時(shí)它也能很好地用于讀取時(shí)間測試。

其他的測試向量都類似于以上這些向量，都基于相同的核心理念。

動(dòng)態(tài)隨機(jī)讀取存儲(chǔ)器(DRAM)

動(dòng)態(tài)隨機(jī)讀取存儲(chǔ)器(DRAM)的測試有以下的一些特殊要求：

1.行地址和列地址在相同的地址線上輸入（行列地址復(fù)用）。他們分別通過RAS和CAS信號(hào)來鎖存。

2.需要在固定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)芯片進(jìn)行刷新。

3.DRAM能夠進(jìn)行頁操作。因此需要保持行地址不變而改變列地址（或者相反）。

邏輯測試介紹

邏輯芯片功能測試用于保證被測器件能夠正確完成其預(yù)期的功能。為了達(dá)到這個(gè)目的，必須先創(chuàng)建測試向量或者真值表，才能進(jìn)檢測代測器件的錯(cuò)誤。一個(gè)真值表檢測錯(cuò)誤的能力有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，被稱作故障覆蓋率。測試向量與測試時(shí)序結(jié)合在一起組成了邏輯功能測試的核心。

測試向量

測試向量—也稱作測試圖形或者真值表—由輸入和輸出狀態(tài)組成，代表被測器件的邏輯功能。輸入和輸出狀態(tài)是由字符來表示的，通常1/0用來表示輸入狀態(tài)，L/H/Z用來表示輸出狀態(tài)，X用來表示沒有輸入也不比較輸出的狀態(tài)。事實(shí)上可以用任何一套字符來表示真值表，只要測試系統(tǒng)能夠正確解釋和執(zhí)行每個(gè)字符相應(yīng)的功能。

測試向量是存儲(chǔ)在向量存儲(chǔ)器里面的，每行單獨(dú)的向量代表一個(gè)單一測試周期的“原始“數(shù)據(jù)。從向量存儲(chǔ)器里輸入的數(shù)據(jù)與時(shí)序，波形格式以及電壓數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，通過pin electronic電路施加給待測器件。待測器件的輸出通過pin electronic上的比較電路在適當(dāng)?shù)牟蓸訒r(shí)間與存儲(chǔ)在向量存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。這種測試被稱作存儲(chǔ)響應(yīng)。

除了待測器件的輸入輸出數(shù)據(jù)，測試向量還可能包含測試系統(tǒng)的一些運(yùn)作指令。比如說，要包含時(shí)序信息等，因?yàn)闀r(shí)序或者波形格式等可能需要在周期之間實(shí)時(shí)切換。輸入驅(qū)動(dòng)器可能需要被打開或者關(guān)閉，輸出比較器也可能需要選擇性地在周期之間開關(guān)。許多測試系統(tǒng)還支持像跳轉(zhuǎn)，循環(huán)，向量重復(fù)，子程序等微操作指令。不同的測試儀，其測試儀指令的表示方式可能會(huì)不一樣，這也是當(dāng)把測試程序從一個(gè)測試平臺(tái)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)測試平臺(tái)時(shí)需要做向量轉(zhuǎn)換的原因之一。

比較復(fù)雜的芯片，其測試向量一般是由芯片設(shè)計(jì)過程中的仿真數(shù)據(jù)提取而來。仿真數(shù)據(jù)需要重新整理以滿足目標(biāo)測試系統(tǒng)的格式，同時(shí)還需要做一些處理以保證正確的運(yùn)行。通常來說測試向量并不是由上百萬行的獨(dú)立向量簡單構(gòu)成的。測試向量或者仿真數(shù)據(jù)可以由設(shè)計(jì)工程師，測試工程師或者驗(yàn)證工程師來完成，但是要保證成功的向量生成，都必須對(duì)芯片本身和測試系統(tǒng)有非常全面地了解。

測試資源的消耗

當(dāng)開發(fā)一個(gè)功能測試時(shí)，待測器件各方面的性能與功能都要考慮到。以下這些參數(shù)都要仔細(xì)地進(jìn)行測試或設(shè)置：

VDD Min/Max (待測器件電源電壓)

VIL/VIH (輸入電壓)

VOL/VOH (輸出電壓)

IOL/IOH (輸出電流負(fù)載) 

VREF (IOL/IOH轉(zhuǎn)換電平) 

測試頻率(測試使用的周期)

輸入信號(hào)時(shí)序(時(shí)鐘/建立時(shí)間/保持時(shí)間/控制)

輸入信號(hào)波形格式

輸出時(shí)序(在周期內(nèi)何時(shí)對(duì)輸出進(jìn)行采樣)

向量順序(向量文件內(nèi)的start/stop位置)

上述的這些資源說明了功能測試會(huì)占用測試系統(tǒng)的大部分資源。功能測試主要由兩大塊組成，一是測試向量文件，另外一塊是包含測試指令的主測試程序。測試向量代表了測試待測器件所需的輸入輸出邏輯狀態(tài)。主測試程序包含了保證測試儀硬件能產(chǎn)生必要的電壓，波形和時(shí)序等所必需的信息。（如圖所示）

功能測試

當(dāng)功能測試執(zhí)行的時(shí)候，測試系統(tǒng)把輸入波形施加給待測器件，并一個(gè)周期一個(gè)周期，一個(gè)管腳一個(gè)管腳地監(jiān)控輸出數(shù)據(jù)。如果有任何的輸出數(shù)據(jù)不符合預(yù)期的邏輯狀態(tài)，電壓或者時(shí)序，該測試結(jié)果被記錄為錯(cuò)誤。

到現(xiàn)在我們討論了相對(duì)簡單的存儲(chǔ)器和數(shù)字芯片測試的基本測試技術(shù)。在此文接下來的兩章里，我們將討論測試更為復(fù)雜的混合信號(hào)和射頻/無線芯片的獨(dú)特要求。