提高系统级芯片测试效率的方法

      高度复杂的SoC设计正面临着高可靠性、高质量、低成本以及更短的产品上市周期等日益严峻的挑战。可测性设计通过提高电路的可测试性，从而保证芯片的高质量生产和制造。借助于EDA技术，可以实现可测试性设计的自动化，提高电路开发工作效率，并获得高质量的测试向量，从而提高测试质量、低测试成本。

      半导体工艺的进步以摩尔定率的速度推动着集成电路产业的发展。随着芯片的工艺尺寸越来越细，集成度越来越高，半导体工艺加工中可能引入越来越多的各种失效。传统的利用功能仿真向量进行生产制造芯片的后期测试，虽然有的工程师认为由于充分测试过电路的功能，所以功能测试向量应该可以满足市场对产品质量的需求，然而实际上功能测试向量还很不完备，亚微米、深亚微米制造工艺条件下，功能测试向量所能达到的测试覆盖率只有50％到60％左右，测试的质量得不到充分保证；另外功能测试向量的产生和运行都十分昂贵；与此同时功能测试向量还不便于失效器件的故障诊断。

      可测试性设计的内容与EDA技术

      半导体工艺中可能引入各种失效，材料的缺陷以及工艺偏差都可能导致芯片中电路连接的短路、断路以及器件结间穿通等问题。而这样的物理失效必然导致电路功能或者性能方面的故障，对这些电学故障进行逻辑行为抽象就称为故障模型。例如，最常用的一种类型的电学故障可以抽象为单元中的信号状态被锁定在逻辑“0”或者逻辑“1”上(SA0或者SA1)，这种类型物理失效的抽象模式被称为“Stuck-at”的故障模型；对于深亚微米制造工艺的芯片，其高性能的测试中还必须结合多种实速(at-speed)故障模型，包括跃迁故障模型、路径延时故障模型和IDDQ故障模型等。

      Stuck-at故障模型示例如图1所示，其测试向量及测试结果的判断如该真值表所示。通常情况下，多数工艺失效问题都可以通过利用stuck-at故障模型测试到。

      跃迁故障模型包括慢上升(Slow-to-Rise)和慢下降(Slow-to-Fall)两种类型。我们以慢上升故障模型为例来说明跃迁故障模型的测试。如图2所示，观测窗口是电路正常工作所允许的最大跃迁延迟时间，测试时如果在观测窗口时间段内扑获不到期望的输出，则认为被测试节点存在跃迁故障。

      路径延时故障模型与跃迁故障模型类似，不同的是利用路径延时故障模型测试的电路的某一路径的集中延时情况。如图3所示，路径延时故障模型测试的对象是一条时序路径，通过对路径的输入端赋值进行触发，然后在特定的观测时间窗口内、在路径输出端捕获期望输出。

      IDDQ故障模型利用在电路稳态情况下观测电源的静态漏电流的变化情况达到测试电路失效故障的目的。如图4所示，如果电路的B节点存在SA1故障，晶体管N1处于常开启状态，测试时会发现改变B节点的输入激励，电源的静态漏电流的变化不大。

      可测性设计(DFT)就是确保设计的电路具备更高的可测试性并且自动产生高质量的测试向量集；其目的就是为了确保ASIC/SOC芯片在生产制造之后，通过测试的产品都能够正确无误地工作。可测性设计的内容主要包括：1. 测试综合：芯片设计过程中DFT在设计中自动插入测试结构，确保生产加工后的芯片易于测试。2. ATPG：利用EDA工具自动产生可以在ATE上运行的测试向量，利用EDA工具自动诊断导致元器件失效的故障产生的原因。3. BIST：利用EDA工具自动生成被测电路的测试用IP，完成测试序列生成和输出响应分析两个任务，通过分析被测电路的响应输出，判断被测电路是否有故障。

      如图5所示是DFT解决方案：对全扫描逻辑电路的测试，设计者可以选用FastsCAN，对部分扫描逻辑电路的测试，设计者可以选用Flextest，对IP或宏模块的内建自测试，设计者也可以选用LBISTArchitect。对Memory的测试，设计者可以选用MBISTArchitect，也可以选用fastscan的子模块功能Macrotest。采用边界扫描电路的设计，设计者可以选用BSDArchitect。

      测试综合完成自动插入全扫描或部分扫描的测试逻辑，大大增强了IC和ASIC设计的可测试性。它在设计过程的早期阶段进行可测性分析，在测试向量生成和扫描自动综合之前发现并修改违反测试设计规则的问题，尽可能提高ATPG的效率并缩短测试开发的周期。

      测试综合工具DFTAdvisor利用友好的图形用户界面引导完成可测性分析，执行全面的测试规则检查，完成并优化扫描逻辑插入，保证在ATPG之前不存在任何遗留的可测性问题。其主要特点如下：

      1. 支持智能化的、层次化的测试逻辑的自动化插入；

      2. 通过密集的基于仿真的测试规则检查(超过140条测试规则)来确保高效率的可测性分析；在设计的早期阶段，发现并纠正设计中影响可测性的问题；

      3. 支持Mux-DFF、CLOCked-Scan和LSSD扫描结构；

      4. 同时支持全扫描与部分扫描的识别与插入；提供了多种可选的部分扫描插入方式，并可自动选择部分扫描方式；

      5. 通过自动测试点插入与综合来加强设计的可测性；

      6. 通过插入测试逻辑电路来自动纠正设计中违反可测性设计规则的部分；

      7. 支持版图层次上的扫描链单元的次序控制，以提高测试逻辑插入过程中的时序有效性；

      8. 为后续的ATPG过程提供充分支持，生成ATPG工具要求的全部SETUP文件，可直接调用ATPG 工具确保快速DFT流程；

      9. 支持UNIX平台(Solaris, HP-PA) 及LUNIX操作平台。

1. 支持对全扫描设计和规整的部分扫描设计自动生成高性能、高质量的测试向量；

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

3. 提供超过140条基于仿真的测试设计规则检查；

4. 提供高效的静态及动态测试向量压缩性能；

5. FastScan CPA选项支持在速测试用的路径延迟测试向量生成；

6. FastScan MacroTest选项支持小规模的嵌入模块或存储器的测试向量生成；

7. FastScan Diagnostics选项可以通过分析ATE机上失败的测试向量来帮助定位芯片上的故障；

8. ASICVector Interfaces选项可以针对不同的ASIC工艺与测试仪来生成测试向量；

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

FlexTest的时序ATPG算法使它在部分扫描设计的ATPG领域拥有巨大的优势，它也可以显著提高无扫描或全扫描设计的测试码覆盖率；其内嵌故障仿真器可以估计功能测试码的故障覆盖率，然后在此基础上生成部分扫描并进行ATPG。其主要特点如下：

1. 可以使用已有的功能测试向量进行故障仿真；计算测试覆盖率；

2. 针对一般的时序电路或部分扫描电路的进行高效ATPG与故障仿真；

3. FlexTest Distributor选项提供的网络分布处理技术可以加速ATPG与故障仿真过程；

4. 支持多种故障模型：stuck-at、transition和IDDQ；

5. 提供超过140条基于仿真的测试设计规则检查；

6. 与FastScan和DFTAdvisor共享数据库，使得DFT与ATPG流程效率更高。

基于嵌入式压缩引擎的ATPG算法是下一代ATPG工具的发展趋势。TestKompress提供的嵌入式压缩引擎可以作为通用的IP很方便地集成到用户的设计，EDT(Embedded Deterministic Test)算法在保证测试质量的前提下显著地(目前可达到100倍)压缩测试向量数目，同时大大提高了测试运行的速度。其主要特点如下：

1. 在保证测试质量的前提下成百倍地减少测试向量的数目，成百倍地降低测试成本；

2. 引入嵌入式压缩引擎IP不需要对系统逻辑进行任何更改，对电路的性能没有任何影响；

3. 支持多种故障模型：stuck-at、瞬态和路径延迟、IDDQ；

4. 支持多种测试向量类型：Basic、cLOCk-sequential、RAM-Sequential、时钟PO和多负载；

5. 与FastScan和DFTAdvisor共享数据库，使得DFT与ATPG流程效率更高。

广义的BIST技术包括LBIST、MBIST和边界扫描技术。LBIST技术是指在ASIC、IC或IP内核中自动插入内建自测试电路，以保证较高的故障覆盖率。由于它不需要在ATE机上加载测试向量，而且可以在芯片的工作频率下进行实速测试，所以它可以缩短测试时间，降低测试成本。LBIST工具可以自动生成BIST结构(BIST控制器、测试向量发生器和电路特征压缩器)的可综合RTL级HDL描述，并快速进行故障仿真以确定故障覆盖率。Mentor公司提供的LBIST工具BISTArchitect的主要特点如下：

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