隨著芯片集成度的越來越高，如今的IC測試面臨著前所未有的挑戰(zhàn)：

測試時(shí)間越來越長，百萬門級的SoC測試可能需要幾個(gè)月甚至更長的時(shí)間；

 測試矢量的數(shù)目越來越多，覆蓋率卻難以提高，人們不知道究竟要用多少測試矢量才能覆蓋到所有的器件；

測試設(shè)備的使用成本越來越高，直接影響到芯片的成本。

一、測試的概念和原理

集成電路（IC）測試是IC產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)，而且是不可或缺的一環(huán)，它貫穿于從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始到完成加工的全過程。目前所指的測試通常是指芯片流片后的測試，定義為對被測電路施加已知的測試矢量，觀察其輸出結(jié)果，并與已知正確輸出結(jié)果進(jìn)行比較而判斷芯片功能、性能、結(jié)構(gòu)好壞的過程。圖1說明了測試原理，就其概念而言，測試包含了三方面的內(nèi)容：已知的測試矢量、確定的電路結(jié)構(gòu)和已知正確的輸出結(jié)果。

圖1集成電路測試原理

二、測試及測試矢量的分類

1．按測試目的分類

根據(jù)測試的目的不同，可以把集成電路測試分為4種類型。

（1）驗(yàn)證測試（Verification Testing，也稱作Design Validation）

當(dāng)一款新的芯片第一次被設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出來，首先要接受驗(yàn)證測試。在這一階段，將會進(jìn)行功能測試，以及全面的AC、DC參數(shù)的測試。通過驗(yàn)證測試，可以診斷和修改設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，為最終規(guī)范（產(chǎn)品手冊）測量出芯片的各種電氣參數(shù)，并開發(fā)出測試流程。

（2）生產(chǎn)測試（Manufacturing Testing）

當(dāng)芯片的設(shè)計(jì)方案通過了驗(yàn)證測試，進(jìn)入量產(chǎn)階段之后，將利用前一階段調(diào)試好的流程進(jìn)行生產(chǎn)測試。在這一階段，測試的目的就是明確做出被測芯片是否通過測試的判決。由于每一顆芯片都要進(jìn)行生產(chǎn)測試，所以測試成本是這一階段的首要問題。從這一角度出發(fā)，生產(chǎn)測試通常所采用的測試向量集不會包含過多的功能向量，但是必須有足夠高的模型化故障的覆蓋率。

（3）可靠性測試（Reliability Testing）

通過生產(chǎn)測試的每一顆芯片并不完全相同，最典型的例子就是同一型號產(chǎn)品的使用壽命不盡相同。可靠性測試就是要保證產(chǎn)品的可靠性，通過調(diào)高供電電壓、延長測試時(shí)間、提高溫度等方式，將不合格的產(chǎn)品（如會很快失效的產(chǎn)品）淘汰出來。

（4）接受測試（Acceptance Testing）

當(dāng)芯片送到用戶手中，用戶將進(jìn)行再一次的測試。例如，系統(tǒng)集成商在組裝系統(tǒng)之前，會對買回的各個(gè)部件進(jìn)行此項(xiàng)測試。

2．按測試方式的分類

根據(jù)測試方式的不同，測試矢量也可以分為3類。

（1）窮舉測試矢量（Exhaustive Vector）

窮舉測試矢量是指所有可能的輸入矢量。該測試矢量的特點(diǎn)是覆蓋率高，可以達(dá)到100％，但是其數(shù)目驚人，對于具有n個(gè)輸入端口的芯片來說，需要2n個(gè)測試矢量來覆蓋其所有的可能出現(xiàn)的狀態(tài)。例如，如果要測試74181ALU，其有14個(gè)輸入端口，就需要214＝16384個(gè)測試矢量，對于一個(gè)有38個(gè)輸入端口的16位的ALU來說，以10 MHz的速度運(yùn)行完所有的測試矢量需要7．64個(gè)小時(shí)，顯然，這樣的測試對于量產(chǎn)的芯片是不可取的。

（2）功能測試矢量 （Functional Vector）

功能測試矢量主要應(yīng)用于驗(yàn)證測試中，目的是驗(yàn)證各個(gè)器件的功能是否正確。其需要的矢量數(shù)目大大低于窮舉測試，以74181ALU為例，只需要448個(gè)測試矢量，但是目前沒有算法去計(jì)算矢量是否覆蓋了芯片的所有功能。

（3）結(jié)構(gòu)測試矢量 （Structural Vector）

這是一種基于故障模型的測試矢量，它的最大好處是可以利用電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）工具自動對電路產(chǎn)生測試向量，并且能夠有效地評估測試效果。74181ALU只需要47個(gè)測試矢量。這類測試矢量的缺點(diǎn)是有時(shí)候工具無法檢測所有的故障類型。

三、自動測試設(shè)備

與IC測試有關(guān)的另外一個(gè)重要概念就是自動測試設(shè)備（ATE，Automatic Test Equipment）。使用ATE可以自動完成測試矢量的輸入和核對輸出的工作，大大提高了測試速度，但是目前其仍舊面臨不小的挑戰(zhàn)。

該挑戰(zhàn)主要來自于兩方面。首先是不同芯片對于同種測試設(shè)備的需求。在一般情況下，4～5個(gè)芯片需要用同一個(gè)測試設(shè)備進(jìn)行測試，測試時(shí)間只有一批一批的安排。每種設(shè)計(jì)都有自己的測試矢量和測試環(huán)境，因此改變被測芯片時(shí)，需要重新設(shè)置測試設(shè)備和更新測試矢量。其次是巨大測試矢量對于測試設(shè)備本身性能的要求。目前，百萬門級SoC的測試矢量規(guī)模非常大，可能達(dá)到數(shù)萬個(gè)，把這些測試矢量讀進(jìn)測試設(shè)備并初始化需要相當(dāng)長的時(shí)間。解決這一方法的途徑是開發(fā)具有大容量矢量存儲器的測試矢量加載器。例如，Advantest的W4322的高速測試矢量加載服務(wù)器，可以提供72 GB的存儲空間，可以縮短80％的矢量裝載時(shí)間。

四、可測性的概念

可測性是現(xiàn)在經(jīng)常使用，卻經(jīng)常被理解錯(cuò)的一個(gè)詞。其框架式的定義是，可測性是在一定的時(shí)間和財(cái)力限制下，生成、評價(jià)、運(yùn)行測試，以滿足一系列的測試對象（例如，故障覆蓋率、測試時(shí)間等）。對一些具體的集成電路來說，對該定義的解釋由于使用工具和已有的技術(shù)水平的不同而不同。目前工業(yè)界使用的一個(gè)范圍比較窄的定義是，可測性是能夠測試檢驗(yàn)出存在于設(shè)計(jì)產(chǎn)品中的各種制造缺陷的程度。

1．可測性設(shè)計(jì)（DFT，Design For Testability）

所謂可測性設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)系統(tǒng)和電路的同時(shí)，考慮到測試的要求，通過增加一定的硬件開銷，獲得最大可測性的設(shè)計(jì)過程。簡單來說，可測性設(shè)計(jì)即是指為了達(dá)到故障檢測目的所做的輔助性設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)為基于故障模型的結(jié)構(gòu)測試服務(wù)，用來檢測生產(chǎn)故障。目前，主要的可測性設(shè)計(jì)方法有掃描通路測試、內(nèi)建自測試和邊界掃描測試等。

為什么說DFT是必需的？讓我們先來看看傳統(tǒng)的測試方法，如圖2所示。在傳統(tǒng)測試方法中，設(shè)計(jì)人員的職責(zé)止于驗(yàn)證階段，一旦設(shè)計(jì)人員認(rèn)定其設(shè)計(jì)滿足包括時(shí)序、功耗、面積在內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)，其工作即告結(jié)束。此后，測試人員接過接力棒，開始開發(fā)合適的測試程序和足夠的測試圖形，用來查找出隱藏的設(shè)計(jì)和制造錯(cuò)誤。但是，在其工作期間很少了解設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖，因此，測試人員必須將大量寶貴的時(shí)間花在梳理設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上，而且測試開發(fā)人員必須等到測試程序和測試模型經(jīng)過驗(yàn)證和調(diào)試之后才能知道早先的努力是否有效。沿用傳統(tǒng)測試方法，測試人員別無選擇，只能等待流片完成和允許他使用昂貴的自動測試設(shè)備（ATE）。這就導(dǎo)致了整個(gè)設(shè)計(jì)－測試過程周期拉大，充斥著延誤和效率低下的溝通。

圖2 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)測試流程

自20世紀(jì)80年代以來，規(guī)模較大的半導(dǎo)體生產(chǎn)商就開始利用DFT技術(shù)來改善測試成本，降低測試復(fù)雜度。如今，前端設(shè)計(jì)人員都能清楚地認(rèn)識到只要使用恰當(dāng)?shù)墓ぞ吆头椒?，在設(shè)計(jì)的最初階段就對測試略加考慮，會在將來受益匪淺，見圖3。DFT技術(shù)與現(xiàn)代的EDA／ATE技術(shù)緊密地聯(lián)系在一起，大幅降低了測試對ATE資源的要求，便于集成電路產(chǎn)品的質(zhì)量控制，提高產(chǎn)品的可制造性，降低產(chǎn)品的測試成本，縮短產(chǎn)品的制造周期。

圖3 現(xiàn)在的設(shè)計(jì)測試流程

2．可控制性和可觀測性

可控制性（Controllability）和可觀測性（Observability）是可測性設(shè)計(jì)中的重要概念?？煽刂菩员硎就ㄟ^電路初始化輸入端控制電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)邏輯狀態(tài)的難易程度，如果電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)可被驅(qū)動為任何值，則稱該節(jié)點(diǎn)是可控的。可觀察性表示通過控制輸入變量，將電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的故障傳播到輸出端以便對其進(jìn)行觀察的難易程度。如果電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的取值可以傳播到電路的輸出端，且其值是預(yù)知的，則稱該節(jié)點(diǎn)是可觀察的。

所謂集成電路的可控制性可以理解為將該信號設(shè)置成0或者1的難度。如圖4所示，對于與門G3輸入端口A的固定為邏輯值1的故障，可以通過在外圍端口B、C、D、E施加矢量0011來檢測，因此認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)是可控制的。

圖4 可控制性舉例

可觀測性是指觀察這個(gè)信號所產(chǎn)生故障的難度。如圖5所示，G3輸入端口A的固定為邏輯值1的故障可以通過施加0向量而傳輸?shù)酵鈬丝赮，因此認(rèn)為其為可觀測的。

圖5 可觀測性舉例

五、可測性設(shè)計(jì)的優(yōu)勢和不足

人們通常會問，為什么要在原有的電路中加入額外的測試結(jié)構(gòu)？這個(gè)問題確實(shí)很難回答，DFT的經(jīng)濟(jì)性涉及包括設(shè)計(jì)、測試、制造、市場銷售等各個(gè)方面。不同的人衡量的標(biāo)準(zhǔn)也不一樣，設(shè)計(jì)工程師通常覺得DFT附加的電路會影響芯片的性能，而測試工程師會認(rèn)為有效的可測性設(shè)計(jì)將大大提高故障覆蓋率。表1列出了可測性設(shè)計(jì)的一些優(yōu)勢和不足。

表1 DFT的優(yōu)勢和不足

來自工業(yè)界的許多實(shí)例證明，加入額外的測試結(jié)構(gòu)確實(shí)有助于芯片成品率的提高，從而大幅降低了芯片的制造成本。當(dāng)然為了彌補(bǔ)一些缺陷，DFT技術(shù)本身也在不斷地改進(jìn)和發(fā)展。

六、常用的可測性設(shè)計(jì)

1．內(nèi)部掃描測試設(shè)計(jì)

內(nèi)部掃描設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是要增加內(nèi)部狀態(tài)的可控制性和可觀察性。對于集成電路而言，其做法是將內(nèi)部時(shí)序存儲邏輯單元連接成移位寄存器形式，從而可將輸入信號通過移位輸入內(nèi)部存儲邏輯單元以滿足可控制性要求。同樣，以移位方式將內(nèi)部狀態(tài)輸出以滿足可觀察性要求。采用掃描路徑設(shè)計(jì)的芯片在測試方式下工作時(shí)，內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)長的移位寄存器。

如圖6所示，掃描測試工具首先把普通的觸發(fā)器變成了帶掃描使能端和掃描輸入的觸發(fā)器，然后把這些觸發(fā)器串聯(lián)在一起。當(dāng)scan＿enable無效時(shí)，電路可以正常工作，當(dāng)scan＿enable有效時(shí)，各觸發(fā)器的值將可以從來自片外的scan＿in信號串行輸入。這樣就可以對各片內(nèi)寄存器賦值，也可以通過scan＿out得到它們的值。支持掃描測試設(shè)計(jì)的工具有Synopsys公司的DFT Compiler及Mentor的DFT Advisor。

圖6 掃描測試電路

2．自動測試矢量生成（ATPG，Automation Test Pattern Generation）

ATPG采用故障模型，通過分析芯片的結(jié)構(gòu)生成測試向量，進(jìn)行結(jié)構(gòu)測試，篩選出不合格的芯片。通常ATPG工具和掃描測試工具配合使用，可以同時(shí)完成測試矢量的生成和故障仿真。

首先是故障類型的選擇。ATPG可以處理的故障類型不僅是阻塞型故障，還有延時(shí)故障和路徑延時(shí)故障等，一旦所有需要檢測的故障類型被列舉，ATPG將對這些故障進(jìn)行合理的排序，可能是按字母順序、按層次結(jié)構(gòu)或者隨機(jī)排序。

在確定了故障類型后，ATPG將決定如何對這類故障進(jìn)行檢測，并且需要考慮施加激勵向量測試點(diǎn)，需要計(jì)算所有會影響目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的可控制點(diǎn)。此類算法包括D算法等。

最后是尋找傳輸路徑，可以說這是向量生成中最困難的，需要花很多時(shí)間去尋找故障的觀測點(diǎn)的傳播。因?yàn)橥ǔＲ粋€(gè)故障擁有很多的可觀測點(diǎn)，一些工具一般會找到最近的那一個(gè)。不同目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑可能會造成重疊和沖突，當(dāng)然這在掃描結(jié)構(gòu)中是不會出現(xiàn)的。支持產(chǎn)生ATPG的工具有Mentor的Fastscan和Synopsys的TetraMAX。

3．存儲器內(nèi)建自測試（Memory Built－in－self－test）

內(nèi)建自測試是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的存儲器可測性設(shè)計(jì)方法，它的基本思想是電路自己生成測試向量，而不是要求外部施加測試向量，它依靠自身來決定所得到的測試結(jié)果是否正確。因此，內(nèi)建自測必須附加額外的電路，包括向量生成器、BIST控制器和響應(yīng)分析器，如圖7所示。BIST的方法可以用于RAM、ROM和Flash等存儲設(shè)備，主要用于RAM中。大量關(guān)于存儲器的測試算法都是基于故障模型的。常用的算法有棋盤式圖形算法和March算法。

圖7 BIST的基本結(jié)構(gòu)

支持BIST的工具有Mentor的mBISTArchitect和Synopsys的SoCBIST。

4．邊界掃描測試（Boundary Scan）

邊界掃描的原理是在核心邏輯電路的輸入和輸出端口都增加一個(gè)寄存器，通過將這些I／O上的寄存器連接起來，可以將數(shù)據(jù)串行輸入被測單元，并且從相應(yīng)端口串行讀出。在這個(gè)過程中，可以實(shí)現(xiàn)芯片級、板級和系統(tǒng)級的測試。其中，最主要的功能是進(jìn)行板級芯片的互連測試，如圖8所示。

圖8 利用邊界掃描進(jìn)行板級測試

邊界掃描是歐美一些大公司聯(lián)合成立的一個(gè)組織——聯(lián)合測試行動小組（JTAG）為了解決印制電路板（PCB）上芯片與芯片之間互連測試而提出的一種解決方案。由于該方案的合理性，它于1990年被IEEE采納而成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE 1149．1。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了邊界掃描的測試端口、測試結(jié)構(gòu)和操作指令，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。該結(jié)構(gòu)主要包括TAP控制器和寄存器組。其中寄存器組包括邊界掃描寄存器，旁路寄存器，標(biāo)志寄存器和指令寄存器。主要端口為TCK、TMS、TDI、TDO，另外還有一個(gè)用戶可選擇的端口TRST。

支持邊界掃描的自動設(shè)計(jì)工具有Mentor的BSD Architect和Synopsys的BSD Compiler。

圖9 IEEE 1149．1結(jié)構(gòu)