1、第八講第八講集成電路可測性原理與設計集成電路可測性原理與設計浙大微電子韓雁2019.42022-2-5浙大微電子浙大微電子2IC測試概念測試概念 在芯片設計正確的前提下，在制造過程中引在芯片設計正確的前提下，在制造過程中引入的缺陷故障造成的電路失效，需要用入的缺陷故障造成的電路失效，需要用測試的方法將其檢測出來。測試的方法將其檢測出來。 對對IC設計，用仿真手段驗證設計正確性設計，用仿真手段驗證設計正確性 對對IC制造，用測試手段報告生產制造，用測試手段報告生產“良率良率” 故障的存在故障的存在 影響電路功能的正確性影響電路功能的正確性 故障的定位故障的定位 若大量電路由于相同原因失效，要找出

2、問題若大量電路由于相同原因失效，要找出問題所在所在2022-2-5浙大微電子浙大微電子3電路測試與電路仿真的不同電路測試與電路仿真的不同 電路仿真電路仿真 時間充裕時間充裕 軟件可對電路內部任意節點進行仿真軟件可對電路內部任意節點進行仿真 電路測試電路測試 測試機時昂貴，每分鐘都計算成本測試機時昂貴，每分鐘都計算成本 不可能對電路內部進行探測，故障排查困不可能對電路內部進行探測，故障排查困難難2022-2-5浙大微電子浙大微電子4樣品測試與產品測試的不同樣品測試與產品測試的不同樣品測試樣品測試人工進行人工進行測試時間充裕測試時間充裕測試方法自由測試方法自由產品測試產品測試機器測試機器測試測試時

3、間折進產品成本有時比制造成本測試時間折進產品成本有時比制造成本還高）還高）測試代碼編寫測試代碼編寫2022-2-5浙大微電子浙大微電子51.樣品的測試樣品的測試 大規模大規模IC, 其輸入其輸入/輸出管腳眾多。輸出管腳眾多。 理論上理論上, 只要只要“窮盡了輸入信號的所有組窮盡了輸入信號的所有組合合, 并驗證了輸出信號相應無誤后并驗證了輸出信號相應無誤后, 才能斷才能斷定此電路是合格產品。定此電路是合格產品。 二輸入端二輸入端“與非門與非門, 只有測試了只有測試了00, 01, 10, 11四種輸入狀態下的輸出分別是四種輸入狀態下的輸出分別是1, 1, 1, 0, 才能斷定該才能斷定該“與非門

4、是合格產品。與非門是合格產品。 這種方法類似于設計階段所做的電路仿真。這種方法類似于設計階段所做的電路仿真。 2022-2-5浙大微電子浙大微電子6實例：乘法實例：乘法/累加累加ASIC測試測試 窮盡法要做多少次測試？2827215次 2022-2-5浙大微電子浙大微電子7是否有一種切實可行的測試方法是否有一種切實可行的測試方法 127 255C0 = ij i =1 j =1 = 265297920 轉化為二進制數因為寄存器為15位，所以C值最終應為0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 032 24 16 80 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0

5、 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2022-2-5浙大微電子浙大微電子8乘法乘法/累加累加ASIC性能測試性能測試測試乘法測試乘法/累加電路的最高工作頻率累加電路的最高工作頻率當時鐘頻率較低時當時鐘頻率較低時, 芯片輸出芯片輸出C = C0, 工工作正常。作正常。將時鐘頻率不斷提高將時鐘頻率不斷提高, 每提高一次每提高一次, 進行一次進行一次測試測試, 直至測試結果直至測試結果C C0, 說明電路工作說明電路工作狀態已發生紊亂狀態已發生紊亂, 工作頻率上限即可確定。工作頻率上限即可確定。2022-2-5浙大微電子浙大微電子9準窮盡法概念及不足準窮盡法概念及不足上述測

6、試可稱之為上述測試可稱之為“準窮盡法測試，其不足為準窮盡法測試，其不足為累加器輸入端累加器輸入端Z的累加信號并不是嚴格按照窮盡的累加信號并不是嚴格按照窮盡法來提供測試碼的。法來提供測試碼的。測試只保留了低測試只保留了低15位數據位數據, 因此并不排除更高位因此并不排除更高位有錯誤數據無法被發現的可能。雖然這種可能有錯誤數據無法被發現的可能。雖然這種可能性比較小。性比較小。2022-2-5浙大微電子浙大微電子102.產品測試產品測試 產品測試與樣品測試不同產品測試與樣品測試不同, 目的在于如何讓目的在于如何讓機器用統一固定的算法來解決大量電路的機器用統一固定的算法來解決大量電路的快速測試問題和為

7、快速測試問題和為“故障定位提供可能。故障定位提供可能。 這就是這就是DFT理論需要研究和解決的問題理論需要研究和解決的問題 產品測試要求具備的條件產品測試要求具備的條件 電路要有可測性電路要有可測性( 可測性設計是可測性設計是ASIC設計設計師在電路設計初期就應考慮的問題師在電路設計初期就應考慮的問題), 提取出的測試矢量集要有較高的故障覆蓋提取出的測試矢量集要有較高的故障覆蓋率率 有故障模型和盡可能完備的有故障模型和盡可能完備的“故障字典故障字典”2022-2-5浙大微電子浙大微電子11故障模型故障模型在各種故障模型中比較常用的兩種模型：在各種故障模型中比較常用的兩種模型：“對電源短路模型對

8、電源短路模型S-a-1 ( Stuck at 1) “對地短路模型對地短路模型S-a-0 ( Stuck at 0) 可診斷由對電源短路或對地短路引起的電路可診斷由對電源短路或對地短路引起的電路失效失效實例：實例：2022-2-5浙大微電子浙大微電子12 故障字典故障字典 實例中有實例中有5個測試點個測試點: A，B，C，P，D 10種故障可能種故障可能: A1,A0,B1,B0,C1,C0,P1,P0,D1,D0 A1表示表示A點的點的S-a-1故障，故障，A0表示表示A點的點的S-a-0故故障障 當電路無故障時當電路無故障時, 輸入與輸出之間應有正確真值表輸入與輸出之間應有正確真值表 當有

9、各種當有各種S-a-X故障時故障時, 輸出端輸出端D的測試值將有的測試值將有10種種可能的錯誤結果可能的錯誤結果 將上兩項結果合并即可形成一張故障字典將上兩項結果合并即可形成一張故障字典 根據故障字典以及測量到的根據故障字典以及測量到的D值值,即有可能分析電路即有可能分析電路中中S-a-1故障和故障和S-a-0故障所處的位置。故障所處的位置。2022-2-5浙大微電子浙大微電子13故障字典表故障字典表 正確值正確值2022-2-5浙大微電子浙大微電子14故障字典表故障字典表 當輸入端當輸入端A B C取值取值(0 0 0 )時時, 即可測得即可測得P0故障或者故障或者D1故障故障 當取當取(0

10、 1 0)時時, 可測得可測得A1故障或者是故障或者是P0故障或者是故障或者是D1故障故障 輸入端的取值輸入端的取值 ( 0 0 0),(0 0 1),(0 1 1),(1 0 1)稱為測試向量稱為測試向量 有些故障是不可區分的有些故障是不可區分的, 例如例如A0，B0，C1，P1，D0故障故障, 無論用哪一組測試向量都無法將它們區分開來無論用哪一組測試向量都無法將它們區分開來, 這種故障稱為這種故障稱為“等價故障等價故障”, 因為它們在電路中是邏輯等價的。因為它們在電路中是邏輯等價的。正確值正確值2022-2-5浙大微電子浙大微電子15測試向量集及其提取測試向量集及其提取 進一步分析還可發現

11、, 要診斷上述電路中所有的S-a-1故障和S-a-0故障, 并不需要對全部的8個輸入向量進行測試, 而只需其中的6個就夠了： (0 0 0), 可測P0，D1; (0 0 1), 可測D1; (0 1 0 ), 可測A1，P0，D1; (1 0 0 ), 可測B1，P0，D1; (1 1 1 ), 可測C0，D1; (1 1 0 ), 可測A0，B0，C1，P1，D0而( 0 1 1 )和( 1 0 1) 對測試故障沒有特別貢獻因此只要將T(000, 001, 010, 100, 110, 111) 提取為測試向量集就可以了2022-2-5浙大微電子浙大微電子16故障覆蓋率故障覆蓋率 故障覆蓋

12、率定義為故障覆蓋率定義為: 用測試向量集可以測出的故障與電路中所有可能存用測試向量集可以測出的故障與電路中所有可能存在的故障之比。在的故障之比。在上述實例中在上述實例中, 共有共有10個可能故障個可能故障, 因而因而T(000, 001, 010, 100, 110, 111)能夠檢測出這所有能夠檢測出這所有的的10個故障個故障, 因此其故障覆蓋率為因此其故障覆蓋率為100%。T1(011, 101)僅能測出僅能測出D1這一個故障這一個故障, 故其故障覆蓋故其故障覆蓋率為率為10%。T2(110 )的故障覆蓋率為的故障覆蓋率為50%, 雖然它不能給等價故雖然它不能給等價故障障A0，B0，C1，

13、P1，D0精確定位。精確定位。2022-2-5浙大微電子浙大微電子17電路的可測性分析電路的可測性分析 電路測試的難易程度可由電路測試的難易程度可由“測試因子定量描述。測試因子定量描述。共共6個個(3個組合電路、三個時序電路個組合電路、三個時序電路)：CC0(X) - 表示組合電路中表示組合電路中X 結點結點S-a-0故障的可控制故障的可控制性。性。CC1(X) - 表示組合電路中表示組合電路中X 結點結點S-a-1故障的可控制故障的可控制性。性。CO(X) - 表示組合電路中表示組合電路中X 結點故障的可觀察性。結點故障的可觀察性。SC0(X) - 表示時序電路中表示時序電路中X 結點結點S

14、-a-0故障的可控制故障的可控制性。性。SC1(X) - 表示時序電路中表示時序電路中X 結點結點S-a-1故障的可控制故障的可控制性。性。SO(X) - 表示時序電路中表示時序電路中X 結點故障的可觀察性。結點故障的可觀察性。2022-2-5浙大微電子浙大微電子18某結點某故障的可控制性某結點某故障的可控制性 可控制性：可控制性： 人為地將某結點設置為某故障的難易程度人為地將某結點設置為某故障的難易程度 對于原始輸入端對于原始輸入端I和原始輸出端和原始輸出端O, 一般有一般有如下約定：如下約定： CC0( I ) = CC1( I ) = 1組合電路的可控組合電路的可控制性）制性） SC0(

15、 I ) = SC1( I ) = 0時序電路的可控時序電路的可控制性）制性） CO(O) = SO(O) = 0組合與時序電路的組合與時序電路的可觀察性）可觀察性） 值越小表示越易觀察或控制值越小表示越易觀察或控制2022-2-5浙大微電子浙大微電子19“與非門測試因子的計算與非門測試因子的計算Y = CC1(Y) = min CC0(X1), CC0(X2) + 1CC0(Y) = CC1(X1) + CC1(X2) + 1CO(X1) = CC1(X2) + CO(Y) + 1CO(X2) = CC1(X1) + CO(Y) + 1SC1(Y) = min SC0(X1), SC0(X2

16、) SC0(Y) = SC1(X1) + SC1(X2)SO(X1) = SC1(X2) + SO(Y)SO(X2) = SC1(X1) + SO(Y) 2X1X2022-2-5浙大微電子浙大微電子20Y = CC1(Y) = CC0(X1) + CC0(X2) + 1CC0(Y) = min CC1(X1), CC1(X2) + 1CO(X1) = CC0(X2) + CO(Y) + 1CO(X2) = CC0(X1) + CO(Y) + 1SC0(Y) = min SC1(X1), SC1(X2) SC1(Y) = SC0(X1) + SC0(X2)SO(X1) = SC0(X2) + S

17、O(Y)SO(X2) = SC0(X1) + SO(Y) 2X1X “或非門測試因子的計算或非門測試因子的計算2022-2-5浙大微電子浙大微電子21一個簡單組合邏輯的測試因子一個簡單組合邏輯的測試因子2X1X 2X1X對于原始輸入對于原始輸入I和原始輸出和原始輸出OCC0( I ) = CC1( I ) = 1CO(O) = 0Y = CC1(Y) = CC0(X1) + CC0(X2) + 1CC0(Y) = min CC1(X1), CC1(X2) + 1CO(X1) = CC0(X2) + CO(Y) + 1CO(X2) = CC0(X1) + CO(Y) + 1Y = CC1(Y)

18、= min CC0(X1), CC0(X2) + 1CC0(Y) = CC1(X1) + CC1(X2) + 1CO(X1) = CC1(X2) + CO(Y) + 1CO(X2) = CC1(X1) + CO(Y) + 12X1X 2022-2-5浙大微電子浙大微電子22測試因子值測試因子值因為是組合電路, 故其與時序有關的測試因子值均為02022-2-5浙大微電子浙大微電子23 增加增加I/O端口降低測試因子的方法端口降低測試因子的方法 當某結點當某結點X的可觀察因子的可觀察因子CO(X) 過大時過大時, 可通過增加一個輸出端口的辦法可通過增加一個輸出端口的辦法, 將該點直接引出將該點直接

19、引出; 當某點當某點X的可控制因子過大時的可控制因子過大時, 當當CC0(X)過大時過大時,可插入一個可插入一個“與門使之下降與門使之下降:CC0(X) = min CC0(X), CC0( I ) + 1 = 1 + 1 = 2 當當CC1(X)過大時過大時,可插入一個可插入一個“或門使之下降或門使之下降:CC1(X) = min CC1(X), CC1( I ) + 1 = 1 + 1 = 2 在某些特殊情況下還可直接將該在某些特殊情況下還可直接將該X點與增加的輸入端點與增加的輸入端I相連。相連。2022-2-5浙大微電子浙大微電子24簡單電路的可測性設計簡單電路的可測性設計 直接從直接從A,B模塊增加輸模