第八講 集成電路可測性原理與設(shè)計浙大信電系

1、第八講集成電路可測性原理與設(shè)計浙大微電子韓雁2011.42022-3-25浙大微電子浙大微電子2/26IC測試概念 在芯片設(shè)計正確的前提下，在制造過程中引在芯片設(shè)計正確的前提下，在制造過程中引入的缺陷造成的電路失效，需要用測試的方入的缺陷造成的電路失效，需要用測試的方法將其檢測出來。法將其檢測出來。 對對IC設(shè)計，用設(shè)計，用仿真仿真手段驗證設(shè)計正確性手段驗證設(shè)計正確性 對對IC制造，用制造，用測試測試手段報告生產(chǎn)手段報告生產(chǎn)“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，要找出問題所在若大量電路由于相同原因失效，要

2、找出問題所在2022-3-25浙大微電子浙大微電子3/26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(nèi)部任意節(jié)點進(jìn)行仿真軟件可對電路內(nèi)部任意節(jié)點進(jìn)行仿真 電路測試電路測試 測試機(jī)臺昂貴，每分鐘都計算成本測試機(jī)臺昂貴，每分鐘都計算成本 不可能對電路內(nèi)部進(jìn)行探測，故障排查困難不可能對電路內(nèi)部進(jìn)行探測，故障排查困難2022-3-25浙大微電子浙大微電子4/26樣品測試與產(chǎn)品測試的不同樣品測試與產(chǎn)品測試的不同 樣品測試樣品測試 測試時間充裕測試時間充裕 人工進(jìn)行人工進(jìn)行 測試方法自由測試方法自由 產(chǎn)品測試產(chǎn)品測試 測試時間折進(jìn)產(chǎn)品成本（有時比制造

3、成本還高）測試時間折進(jìn)產(chǎn)品成本（有時比制造成本還高） 機(jī)器測試機(jī)器測試 測試代碼編寫測試代碼編寫2022-3-25浙大微電子浙大微電子5/26樣品的測試樣品的測試 大規(guī)模大規(guī)模IC, 其輸入其輸入/輸出管腳很多輸出管腳很多 理論上理論上, 只有只有“窮盡窮盡”了輸入信號的所有組了輸入信號的所有組合合, 并驗證了輸出信號相應(yīng)無誤后并驗證了輸出信號相應(yīng)無誤后, 才能斷才能斷定此電路是合格產(chǎn)品定此電路是合格產(chǎn)品 二輸入端二輸入端“與非與非”門門, 只有測試了只有測試了00, 01, 10, 11四種輸入狀態(tài)下的輸出分別是四種輸入狀態(tài)下的輸出分別是1, 1, 1, 0, 才能斷定該才能斷定該“與非與非

4、”門是合格產(chǎn)品門是合格產(chǎn)品 這種方法類似于設(shè)計階段所做的電路仿真這種方法類似于設(shè)計階段所做的電路仿真 2022-3-25浙大微電子浙大微電子6/26實例：乘法/累加ASIC測試 窮盡法要做窮盡法要做2827215次測試次測試 2022-3-25浙大微電子浙大微電子7/26乘法/累加ASIC測試方法 127 255C0 = ij i =1 j =1 = 265297920 轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)因為寄存器為15位，所以C值最終應(yīng)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 0 1 0 0 0 0 0 0

5、 0 0 0 0 0 0 0 2022-3-25浙大微電子浙大微電子8/26乘法/累加ASIC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(dāng)時鐘頻率較低時當(dāng)時鐘頻率較低時, 芯片輸出芯片輸出C = C0, 工作工作正常正常 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(jìn)行一進(jìn)行一次測試次測試, 直至測試結(jié)果直至測試結(jié)果C C0, 說明電路的說明電路的工作狀態(tài)已發(fā)生紊亂工作狀態(tài)已發(fā)生紊亂, 工作頻率上限即可確工作頻率上限即可確定定2022-3-25浙大微電子浙大微電子9/26準(zhǔn)窮盡法概念與不足上述測試可稱之為上述測試可稱之為“準(zhǔn)窮盡法準(zhǔn)窮盡法”測試

6、測試 累加器輸入端Z的累加信號并不是嚴(yán)格按照窮盡法來提供測試碼的。 測試只保留了低15位數(shù)據(jù), 因此并不排除更高位有錯誤數(shù)據(jù)無法被發(fā)現(xiàn)的可能。雖然這種可能性比較小。2022-3-25浙大微電子浙大微電子10/26產(chǎn)品測試產(chǎn)品測試 產(chǎn)品測試與樣品測試不同產(chǎn)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(jī)器用統(tǒng)一固定的算法來解決大量電路的機(jī)器用統(tǒng)一固定的算法來解決大量電路的測試問題和為測試問題和為“故障定位故障定位”提供可能。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(chǎn)品測試要求具備的條件產(chǎn)品測試要求具備的條件 電路要有較強(qiáng)的可測性( 可測性設(shè)計是ASI

7、C設(shè)計師在電路設(shè)計初期就應(yīng)考慮的問題), 提取出的測試矢量集要有較高的故障覆蓋率 有故障模型和盡可能完備的“故障字典”2022-3-25浙大微電子浙大微電子11/26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”S-a-1( Stuck at 1) “對地短路模型”S-a-0( Stuck at 0) 可診斷由對電源短路或?qū)Φ囟搪芬鸬碾娐肥嵗簩嵗?022-3-25浙大微電子浙大微電子12/26故障字典故障字典 實例中有5個測試點: A，B，C，P，D 10種故障可能: B1,B0,C1,C0,P1,P0,D1,D0 A1表

8、示A點的S-a-1故障，A0表示A點的S-a-0故障 當(dāng)電路無故障時, 輸入與輸出之間應(yīng)有正確真值表 當(dāng)有各種S-a-1和S-a-0故障時, 輸出端D的測試值將有10種錯誤的結(jié)果 將上兩項結(jié)果相加即可形成一張故障字典 根據(jù)故障字典以及測量到的D值,即可分析電路中 S-a-1故障和S-a-0故障所處的位置。2022-3-25浙大微電子浙大微電子13/26故障字典表 正確值正確值2022-3-25浙大微電子浙大微電子14/26故障字典表 當(dāng)輸入端A B C取值(0 0 0 )時, 即可測得P0故障或者D1故障 當(dāng)取(0 1 0)時, 可測得A1故障或者是P0故障或者是D1故障 輸入端取的 ( 0

9、0 0),(0 0 1),(0 1 1),(1 0 1)等值稱為測試向量 有些故障是不可區(qū)分的, 例如A0，B0，C1，P1，D0故障, 無論用哪一組測試向量都無法將它們區(qū)分開來, 這種故障 稱為“等價故障”, 因為它們在電路中是邏輯等價的。正確值正確值2022-3-25浙大微電子浙大微電子15/26測試向量集及其提取測試向量集及其提取 進(jìn)一步分析還可發(fā)現(xiàn), 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(jìn)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

10、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(xiàn)因此只要將T(000, 001, 010, 100, 110, 111) 提取為測試向量集就可以了2022-3-25浙大微電子浙大微電子16/26故障覆蓋率故障覆蓋率 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, 共有10個可能故障, 因此 T(000, 001, 010, 100, 110, 111)

11、能夠檢測出這所有的10個故障, 因此其故障覆蓋率為100%。 T1(011, 101)僅能測出D1這一個故障, 故其故障覆蓋率為10%。 T2(110 )的故障覆蓋率為50%, 雖然它不能給等價故障A0，B0，C1，P1，D0精確定位。2022-3-25浙大微電子浙大微電子17/26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“測試因子”定量描述。共6個：CC0(X) - 表示組合電路中X 結(jié)點S-a-0故障的可控制性。CC1(X) - 表示組合電路中X 結(jié)點S-a-1故障的可控制性。CO(X) - 表示組合電路中X 結(jié)點故障的可觀察性。SC0(X) - 表示時序電路中X 結(jié)點S-

12、a-0故障的可控制性。SC1(X) - 表示時序電路中X 結(jié)點S-a-1故障的可控制性。SO(X) - 表示時序電路中X 結(jié)點故障的可觀察性。2022-3-25浙大微電子浙大微電子18/26某結(jié)點某故障的可控制性某結(jié)點某故障的可控制性人為地將某結(jié)點設(shè)置為某故障的難易程度人為地將某結(jié)點設(shè)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, 一般有如下約定：一般有如下約定： CC0( I ) = CC1( I ) = 1（組合電路的可控制性）（組合電路的可控制性） SC0( I ) = SC1( I ) = 0（時序電路的可控制性）（時序電路的可控制性） CO(O) =

13、SO(O) = 0（組合與時序電路的可觀察性）（組合與時序電路的可觀察性）值越小表示越易觀察或控制值越小表示越易觀察或控制2022-3-25浙大微電子浙大微電子19/26“與非與非”門測試因子的計算門測試因子的計算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) SC0(Y) = SC1(X1) + SC1(X2)SO(X1) = SC1(X

14、2) + SO(Y)SO(X2) = SC1(X1) + SO(Y) 2X1X2022-3-25浙大微電子浙大微電子20/26Y = 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) + SO(Y)SO(X2) = SC0(X1) + SO(Y) 2X1X “或非”

15、門測試因子的計算2022-3-25浙大微電子浙大微電子21/26一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) = min CC0(X1), CC0(X2) + 1CC0(Y) = CC1(X1) + CC1(X2) + 1

16、CO(X1) = CC1(X2) + CO(Y) + 1CO(X2) = CC1(X1) + CO(Y) + 12X1X 2022-3-25浙大微電子浙大微電子22/26測試因子值因為是組合電路, 故其與時序有關(guān)的測試因子值均為02022-3-25浙大微電子浙大微電子23/26增加I/O端口降低測試因子的方法 當(dāng)某結(jié)點當(dāng)某結(jié)點X的可觀察因子的可觀察因子CO(X), SO(X)過大時過大時, 可通過增加可通過增加一個輸出端口的辦法一個輸出端口的辦法, 將該點值直接引出將該點值直接引出; 當(dāng)某點當(dāng)某點X的可控制因子過大時的可控制因子過大時, 當(dāng)當(dāng)CC0(X)或或SC0(X)較大時較大時,可插入一個

17、可插入一個“與門與門”使之下使之下降降:CC0(X) = min CC0(X), CC0( I ) + 1 = 1 + 1 = 2SC0(X) = min SC0(X), SC0( I ) = 0 當(dāng)當(dāng)CC1(X)或或SC1(X)較大時較大時,可插入一個可插入一個“或門或門”使之下使之下降降:CC1(X) = min CC1(X), CC1( I ) + 1 = 1 + 1 = 2SC1(X) = min SC1(X), SC1( I ) = 0 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。2022-3-25浙大微電子浙大微電子24/26簡單電路的可測性設(shè)計 直接從A,B模塊增加輸出管腳進(jìn)行測試 增加了芯片面積和輸出管腳數(shù)，封裝成本增加 用多路選擇器，只需增加一個管腳2022-3-25浙大微電子浙大微電子25/26多路選擇器在可測性設(shè)計中的作用 不但將多路選擇器用在芯片電路的輸出端, 而且將它們用在芯片的內(nèi)部, 利用它們把內(nèi)部的子