（检测技术与自动化装置专业论文）集成电路低功耗测试方法研究.pdf

熊成电路低功耗测试擀法研究：摘嚣 攘要 隧着工艺的发爆和集成电路规模的扩大，功耗已成为集成电路设计中的一个十分荧 镰翁窝题，黄统鳃僬凌耗设嚣主要嚣襞委豢王佟蔽悫粒囊态臻巍鹃嵇诗裙谯耗震野。溅 试技术是i c 设计蛉爨要环节，黼在测试期阐，电路育较多的蹴变觖而产生更多盼功耗， 邀蔼会影嗡被测嚣佟的可靠蛙张产最的成晶鬻，低功耗测 戒墨蘸成戈磺究的热点。本文 主嚣辑舞测试动瓣的评估瓤伉纯致及与之鞘妥的翅题。 针对上述闻憨，零文主婺器矮了鼓下三方面豹工簿： 1 波形模拟和故障模拟。艇于布尔过糕的组合波形模拟器不仅熊用于逻辑功能的 模拟，蕊器毙反映电路定时信息蟾波形模拟，其具有糟发麓、嵌速、门缀、数量化驹健 点。蒸予该薮影模按器，篷爱被称隽u m c f 鼹孛麓毫鼹辩或，本文避一步建立了蔽簿 模拟器，使所实现的并行故障模拟器具有遴艘快，代码鐾少等特点。 2 。扫描链功耗估计与耄| 蠢能。针对广泛谴髑的扫描测试技术，提出了静基于概攀 势轿酌摇摇毽动态功耗骥鏊。该穰銎可霆予测试功耗熬浚速话诸，著孬避一步避予测试 功耗筑纯。扫捺浏试期闯翡耗寰疆采爵溅试离蹙移a 、穆澎；翘箍链赫引超戆功耗及程孪! l 描测试期间的组合电路部分消髓的功耗。本文利用概率统计的方法对扫描测试功耗建横 进行测试功蓑髂计，莠与黄统戆模投舅法进行了毙较，在不蜂鬣精确发鹃蕊强下，撼诗 逮廉簿劐蔌丈援羚。著在藏蘩戳土逶遘溅试藏簸帮整搭摹元瓣彦方法慕降惩扫撼溅试凌 糯，取得很好的效果。 3 低功耗b i s t 技术。低功耗b t s t 跫憾功耗测试领域较热门的研巍方向，各芹申方 察翡蕊积开链、获试蓉率察功糕也不霞，本文戆奎藩褥究现状遴行了深入分辑雾谬缀分 炭。并就各静情撼下的应鬻提供了解决方察。 茭键镂；可窝蕊没诗，趁蘩溅试，稳悫翡怒，燕葫嚣瓣试 熊成电路低功耗测斌方靛研究；摘要 摘要 燧着工芝豹发镤灏集成电路娥模豹扩丈，功耗已残为煞戏电路设诗中钓个十分关 蕤熬鹚题，搀绕黪低礁耗设诗主装围绕歪喾王俘获态簿凄态功耗麴毽诗秘毯建震开。溅 试技术是i c 设计的重要环节，丽在测试期间，电路有较移的跳变从而产生疑多的功耗， 进耐会影响被测器件的可靠馈和产晶的成品率，低功耗测试l | 益成为研究的热点。本文 主瑟磅究测试功耗瓣谬毡和优化以及与之相必魏阉题。 针对上述阍遂，本文主要开鼹了班下三方掰静工俸： 1 + 波形模拟和故障模拟。基于布尔过稷的组合波形横拟器不仪能用于逻辑功能的 模季敛，丽且麓反殃瞻路定豺信息浆波形模掇，英具有精度巍、快这、门级、数量纯豹优 点e 鍪于该波澎模羧器，使矮靛穗为u m c f 豹中嗣迄爨舔式，本文避一步建立了毂艨 模拟嚣，使质实骥的并行故转模拟器具有逋艘抉，代码量少簿特点。 2 ，扫描链功耗估计与优化。针对广泛使用的扫描测试技术，提出了种基于概率 分辑黥扫接链秘态功栽溪型。该模燮胃瘸于溺试臻耗懿镶速绩诗，著可避一步震予测试 功耗优化。稿描测试期闯功耗主黉来自测试良凝移入、移嬲扫描链时写l 越盼功耗及强锻 描测试期间的组合电路部分消糕的功耗。本文利用概率统计的方法对扫描测试功耗建横 进考亍溺试功耗估诗，并与抟统鹩摸按方法进行了晓较，在不簿低精确凄黪憾援下，髅计 遮溪褥刭较大撵费。并在照墓醚上通过鞭试陶爨帮挡箍攀元瓣序方法采降低扫疆溅试臻 耗，敬得很始的敲粜。 3 低功耗b i s t 技术。低功耗b i s t 是低功耗测试领域较热门的研究方向，各种方 寨既覆辍开镱、涎试效率蠢功稔氇不露，奉文裁娄菰疆究魏拣送行了滚入努耩器详缀分 类。并就各种情况下的应用提供了解决方案。 关键键；霹溪淫设计，努撵瓣瀵，凌态凌嚣，瞧功耗嚣试 集成电路低功耗测试方法研究：a b s t r a c t r e s e a r c ho nv l s il o wp o w e rt e s t i n gt e c h n o l o g y c h e nz h i g n o ( t e s t i n gt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yx i ew e n k a l a b s t r a c t t h ec o m p l e x i t yo f c u r r e n tg e n e r a t i o ni c s ，c o m b i n e dw i t hr a p i d l yd e v e l o p i n gh i g h d e n s i t y , h i g hs p e e dp a c k a g i n ga n dr e d u c e dd e s i g nc y c l et i m e ，h a sm a d ei te x t r e m e l y d i f f i c u l ta n de x p e n s i v et oc o m p r e h e n s i v e l yt e s te l e c t r o n i cs y s t e m s ，a n dd i a g n o s e f a i l e dp a r t su s i n gt r a d i t i o n a lm e t h o d s t h i ss i t u a t i o nw o r s e n sa sw em o v et o w a r d n a n o m e t e rt e c h n o l o g i e s t h er e d u c e dd e v i c eg e o m e t r i e s i n c r e a s e do p e r a t i n gs p e e d a n dv e r yl o wp o w e rs u p p l yl e v e l s ，a r er e d u c i n gn o i s em a r g i n sa n dc o m p o n e n t r e l i a b i l i t y , c o m p l i c a t i n gd e f e c tb e h a v i o ra n di n c r e a s i n gt h ei m p a c to ft i m i n g ，c r o s s t a l k ，t r a n s i e n t ，a n do t h e rs p u r i o u sf a u l t s p o w e rc o n s u m p t i o nd u r i n gn o r m a lo p e r a t i o n a n dt e s ta p p l i c a t i o nb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t ，l o wp o w e rd e s i g no n l ya d d r e s s p o w e rd i s s i p a t i o nd u r i n gn o r m a lo p e r a t i o n m o r e o v e rp o w e rc o n s u m p t i o nd u r i n gt e s t a p p l i c a t i o nm u s tb et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h e r e f o r e t h e r ei sag r e a tn e e df o r i n n o v a t i v ea d v a n c e si nt e s ta n dd i a g n o s i sm e t h o d o l o g i e st oc o p ew i t ht h e s ep r o b l e m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n w ep r e s e n ts o m eo r i g i n a li d e a sf o rp r o b l e m sa b o v e 1 b o o l e a np r o c e s sb a s e dw a v e f o r ms i m u l a t o ri sp r o v i d e d w ju s eu n i v e r s a l m e d i ac i r c u i tf o r m a tr u m c f ) t ob u i l du n i v e r s a le x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h e nc o n v e r t i s c a $ 8 5a n di s c a $ 8 9t ou m c fs oi tc a nb u i l de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi n d e p e n d e n t o fs p e c i f i ci s c a sc i r c u i tf o r m a t f a u l ts i m u l a t o ri se a s yi m p l e m e n t e du s i n gu m c f w a v e f o r ms i m u l a t o rp r o v i d e sn o to n l yl o g i cs i m u l a t i o nb u ta l s ot i m i n gs i r e u l a t o r s o i tc a nb ew i d e l yu s e di nc u r r e n ti c st e s t i n g 2 p r o b a b i l i s t i cs t u d yo fs c a n - b a s e dt e s t i n gp o w e rc o n s h l t i p t i o ni sp r o v i d e d s c a nc h a i np o w e rc o n t r i b u t em a i n l yt ow h o l et e s tp o w e rd u r i n gs c a nt e s t i n g b e c a u s e t e s tv e c t o r ss h i f ti n t oc u t sa n ds h i f lo u ta 1 1b ys c a nc h a l n as t a t i s t i c a lm o d e lo fs c a n p o w e ri sp r o v i d e di nt h i sd i s s e r t a t i o na n de x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tt ov a l i d a t et h e c o r r e c t n e s so ft h i sm o d e l u s i n gt h i sm o d e lw ec r ne s t i m a t es c a nc h a l np o w e ra n d f u r t h e ru s e dt of i n do p t i m a lt e s tv e c t o ro rs c a nc e l lo r d e rf o rm i n i m i z i n gp o w e rd u r i n g s c a nt e s t i n g 3 t h ed e t a i la n a l y s i so fl o wp o w e rb i s ti sp r o v i d e d e x c e p td u r i n ge x t e r n a l t e s t i n g b u ta l s od u r i n gb i s t , t e s tp o w e rp r o b l e m sm u s tb ec o p p e d 、i mc o r r e c t l y m a n yp e o p l eh a v ef o c u s e do nl o wp o w e rb i s tr e s e a r c hr e c e n t l y t e c h n i q u e sa b o u t l o wp o w e rb i s tm e t h o da r ea n a l y s i z e da n dc a t e g o r i z e d m o r e o v e lac a s er e l a t i v e a p p l i c a t i o no f1 0 wp o w e rb i s ti sp r o v i d e d s oi nd i f f e r e n tc a s ew ec a nt r a d eo f f d i 虢r e n tp a r a m e t e ra n dc h o o s et h eb e s ts u i t a b l el o w p o w e rb i s ts o l u t i o n k e y w o r d s ：d f t , s c a nt e s t i n g ，d y n a m i ct e s t i n g ，l o wp o w e rt e s t i n g i i 集成电路低功耗测试方法研究：a b s t r a c t r e s e a r c ho nv l s il o wp o w e r t e s t i n gt e c h n o l o g y c h e nz h i g u o ( t e s t i n gt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yx i ew e n k a i a b s t r a c t t h ec o m p l e x i t yo fc u r r e n tg e n e r a t i o ni c s c o m b i n e dw i t hr a p i d l yd e v e l o p i n gh i g h d e n s i t y , h i g hs p e e dp a c k a g i n ga n dr e d u c e dd e s i g nc y c l et i m e ，h a sm a d ei te x t r e m e l y d i f f i c u l ta n de x p e n s i v et oc o m p r e h e n s i v e l yt e s te l e c t r o n i cs y s t e m s ，a n dd i a g n o s e f a f l e dd a r t su s i n gt r a d i t i o n a lm e t h o d s t h i ss i t u a t i o nw o r s e n sa sw em o v et o w a r d n a n o m e t e rt e c h n o l o g i e s t h er e d u c e dd e v i c eg e o m e t r i e s ，i n c r e a s e do p e r a t i n gs p e e d a n dv e r yl o wp o w e rs u p p l yl e v e l s ，a r er e d u c i n gn o i s em a r g i n sa n dc o m p o n e n t r e l i a b i l i t y , c o m p l i c a t i n gd e f e c tb e h a v i o ra n di n c r e a s i n gt h ei m p a c to ft i m i n g ，c r o s s t a l k , t r a n s i e n t ，a n do t h e rs p u r i o u sf a u l t s p o w e rc o n s u m p t i o nd u r i n gn o r m a lo p e r a t i o n a n dt e s ta p p l i c a t i o nb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t , l o wp o w e rd e s i g no n l ya d d r e s s p o w e rd i s s i p a t i o nd u r i n gn o r m a lo p e r a t i o n m o r e o v e rp o w e rc o n s u m p t i o nd u r i n gt e s t a p p l i c a t i o nm u s tb et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h e r e f o r e ，t h e r ei sag r e a tn e e df o r i n n o v a t i v ea d v a n c e si nt e s ta n dd i a g n o s i sm e t h o d o l o g i e st oc o p ew i t ht h e s ep r o b l e m s h lt l l i sd i s s e r t a t i o n w ep r e s e n ts o m eo r i g i n a li d e a sf o rp r o b l e m sa b o v e 1 b o o l e a np r o c e s sb a s e dw a v e f o r i l ls i m u l a t o ri sp r o v i d e d w eu s eu n i v e r s a l m e d i ac i r c u i tf o r m a t ( u m c f ) t ob u i l du r t i v e r s a ie x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h e nc o n v e r t i s c a $ 8 5a n di s c a $ 8 9t ou m c f s oi tc a nb u i l de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi n d e p e n d e n t o fs p e c i f i ci s c a sc i r c u i tf o r m a t f a u l ts i m u l a t o ri se a s yi m p l e m e n t e du s i n gu m c f w a v e f o r ms i m u l a t o rp r o v i d e sn o to n l yl o g i cs i m u l a t i o nb u ta l s ot i m i n gs i m u l a t o r s o i tc a l lb ew i d e l yu s e di nc u l t e n ti c st e s t i n g 2 p r o b a b i l i s t i cs t u d yo fs c a n b a s e dt e s t i n gp o w e rc o n s u m p t i o ni sp r o v i d e d s c a nc h a i np o w e rc o n t r i b u t em a i n l yt ow h o l et e s tp o w e rd u r i n gs c a nt e s t i n g b e c a u s e t e s tv e c t o r ss h i f ti n t oc u t sa n ds h i f to u ta l lb ys c a nc h a i n as t a t i s t i c a lm o d e lo fs e a _ n _ p o w e ri sp r o v i d e di nt h i sd i s s e r t a t i o na n de x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tt ov a l i d a t et h e c o i t e c t n e s so ft h i sm o d e l u s i n gt h i sm o d e lw ec a ne s t i m a t es c a nc h a i np o w e ra n d f u r t h e ru s e dt of i n do p t i m a lt e s tv e c t o ro rs c a nc e l lo r d e rf o rm i n i m i z i n gp o w e rd u r i n g s c a nt e s t i n g 3 t h ed e t a i la n a l y s i so fl o wp o w e rb i s ti sp r o v i d e d e x c e p td u r i n ge x t e m a l t e s t i n g ，b u ta l s od u r i n gb i s t ，t e s tp o w e rp r o b l e m sm n s tb ec o p p e dw i t hc o r r e c t l y m a n yp e o p l eh a v ef o c u s e do nl o wp o w e rb i s tr e s e a r c hr e c e n t l y t e c h n i q u e sa b o u t l o wp o w e rb i s tm e t h o da r ea n a l y s i z e da n dc a t e g o r i z e d m o r e o v e r , ac a s er e l a t i r e a p p l i c a t i o no fl o wp o w e rb i s ti sp r o v i d e d s oi nd i f f e r e n tc a s ew ec a l lt r a d eo t r d i f r e r e n tp a r a m e t e ra n dc h o o s et h eb e s ts u i t a b l e1 0 wp o w e rb i s ts o l u t i o n k e y w o r d s ：d f t ，s c a nt e s t i n g ，d y n a m i ct e s t i n g ，l o wp o w e rt e s t i n g i i 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 捧及取褥瞧疆究成聚。露我爨知，除了文申特剩翔以搽注襄致谢麓遗 方外，论文中不包含其饨人已经发表或攒写过的研究成果，也不魂含 必获褥电子科技大学或葵它教弯掇购的学镘或谖书霹使耀过斡材瓣。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确蛉说嘲并表示谢意。 签联：_ 琴盥豳期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文佟者完全了勰魄予科技大学有关谦留、使用学霞论文 的舰定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，竞谗论文被蠢阕囊镤蔫。本人授权窀子辩技大学露瑷蒋学霞论文 的全都或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫接等爱毹手段爨存、汇缡学位论文。 ( 保密的学镶论文猩解寮瑟应遵守此规定) 签名：。导师签名：涨枷 匿款：年冀 基 第一章引言 第一章引言 本课题的研究任务是降低v l s i 电路测试期间的功耗，通常这是作为测试 v l s i 的一个子问题来考虑的。v l s i 测试解决了这样一对矛盾：i e 制造的有故 障与用户需求的产品无故障。芯片制造商通过测试丢弃有故障芯片使得到达用户 手中的芯片尽量是无故障的。传统的测试技术是以高的故障覆盖率为首要目标。 随着测试技术的日益成熟，这些目标已经能达到，与此同时其它测试相关技术如 降低测试时间和压缩测试数据等也为人们所关注。随着集成电路工艺向超深亚微 米推进 1 ，v l s i 电路更严格的功耗约束使得集成电路测试面临着新的挑战，传 统的测试不考虑测试期间功耗，所以就必须提出新的测试技术来解决这些问题。 同时由于测试期间的功耗直接影响到产品产出，因此降低测试期间的功耗对于提 高产品成品率极为重要。 c m o s 电路的功耗是由电路的跳变决定的。高的跳变加速了电路中金属线上 的电子迁移率( e l e c t r o m i g r a t i o nr a t e ) ，而电子迁移率和功耗带来的热量与电路的 可靠性密切相关，过量的热量能严重降低待测器件的可靠性。除此之外，过量的 跳变还会产生较高的瞬态跳变噪声。在生产测试中，被测的电路小片( d i e ) 的供电 是由探头提供的，探头的阻抗比封装管脚的阻抗高很多。因此，过量的跳变会产 生误测，将无故障待测电路视为有故障，导致不必要的损失。 本章是在v l s i 设计流程中考虑低功耗测试问题，阐述低功耗测试的意义。 本章的内容安排如下：第一部分给出了低功耗技术研究的意义，这是指在电路设 计过程中考虑低功耗；第二部分概括超大规模集成电路( v l s i ) 设计的流程，指出 集成电路测试的重要性；第三部分集成电路测试概述，介绍使用外部测试仪的测 试和内建自测试( b i s t ) ；第四部分介绍测试期间的功耗：最后介绍本篇论文的 组织。 1 1 低功耗技术研究的意义 随着集成电路工艺几何尺寸日益缩小，电路系统复杂度进步提高，特别是 s o t ( s y s t e mo nac h i p 片上系统1 的发展和电池供电的移动设备的广泛应用，芯 片的功耗成为一个日趋重要的问题。进入深亚微米工艺后，功耗已经成为大规模 集成电路设计的一个焦点问题，促进低功耗技术研究的因素有很多，概括起来主 要有以下几点： 1 电路的可靠性。电路的功耗将转化为热量而释放出来，过多的热量将导 致器件的工作温度升高，继而严重降低系统的可靠性，使电路失效。如单晶硅互 集成电路低功耗测试方法研究 连的疲劳、电气参数的改变、抗噪性能的下降、电子迁移等。实际上，温度每提 高1 0 。c ，电路系统的失效率将会提高1 倍 2 】，所以对于高可靠性的芯片设计， 功耗是一个十分重要的设计参数，必须采取有效的低功耗设计方法加以保证。 2 芯片封装成本。封装功耗直接决定着芯片的工作温度，芯片封装材料的 一个重要特性是热阻( t h e r m a lr e s i s t a n c e ) ，即单位功耗导致该材料温度的变化量 ( a 。c w a t t ) 。对于工作温度较低的芯片，我们可以采用成本较低的塑料封装 ( 4 0 5 0 a 。c w a t t ) ，而对工作温度较高的芯片，必须采用成本高上5 - 1 0 美元的陶瓷 封装( 1 5 - 3 0 a 。c w a t t ) 3 1 ，以保证芯片不会被烧毁。另外温度过高的芯片需要很强 的空气或者液冷等散热装置，这些都会增加成本。由此可以看出芯片的功耗在很 大程度上决定着芯片的成本。 3 芯片测试成本。研究表明，芯片在测试期间所消耗的功耗比正常运行的 功耗要高出数倍，为了保证在测试时不会烧坏芯片，一种方法通过昂贵的封装和 散热装置来实现，这无疑会增加芯片成本，另外还可以使用降低测试频率，降低 测试跳变率等方法，但为了保证不影响测试覆盖率和测试故障类型，这些方法均 提高了测试时间，同时又增加了测试成本。另外，在深亚微米工艺下，由于功耗 问题引起许多新的故障类型，传统的测试方法( 如：i d d q ) 在一定程度上失效， 这又会提高测试成本。 4 s o c 和移动设备。s o c 的发展和芯片集成度的进一步提高使得单个芯片 上集成的功能越来越多，芯片的功耗也相应地随之提高，这对低功耗技术提出了 更高的挑战。移动设备( 如手机、掌上电脑、移动多媒体，还有一些特殊的应用 如心脏起搏器等) 无法配备体积过大的散热装置，而且移动电源容量也是很有限 的，因此低功耗技术显得尤其重要。 5 电池和电源。对于电池供电设备来说，功耗大的设备则要求更高成本的 电池f 4 ，如：l i i o n 电池大概为6 0 w h k g ，在1 0 年内其容量只是提高了1 0 左 右5 ，而芯片的功耗却呈指数形式增长，如果不采用一定的手段降低芯片的功 耗，电源将成为移动设备的一个重要瓶颈，严重影响到移动设备的广泛应用。 1 2 超大规模集成电路设计流程 在c m o s 工艺中，制造工艺遵循摩尔定律，即每18 个月芯片的处理能力增 加一倍。随着电路集成度的提高，故障的检测也发生变化。这部分将介绍c m o s 集成电路设计测试流程。 第一章引言 图1 1v l s i 设计流程 如图1 1 ，v l s i 集成电路制造流程分成三个步骤，设计规范( s p e c i f i c a t i o n ) ， 实现( i m p l e m e n t a t i o n ) 和制造( m a n u f a c t u r i n g ) 。设计规范描述v l s i 所要实现 的功能。设计规范通过硬件描述语言( h d l s ) ，如v h d l 和v e f i l o g ，分别在行 为域和结构域两个域的各个抽象级别描述电路所需实现的功能。例如，在行为域 由布尔代数表述的逻辑抽象，在结构域用逻辑门互连表征。随着抽象级别上升， 抽象为寄存器传输级( r t l ) 。寄存器传输级是将集成电路看成是由寄存器和功 能单元组成的时序逻辑，通过当前状态来计算下一个状态。系统最高抽象级别是 算法级( a l g o r i t h ml e v e l ) ，由描述系统抽象功能的任务组成。 实现是依据设计规范产生待设计电路的结构化的网表( n e f l i s t ) 。根据设计方 法，实现可以分为全定制( f u l lc u s t o m ) 和半定制( s e m i c u s t o m ) 。全定制设计需 要设计团队人工去优化电路的每个细节特性。半定制可以基于库单元( 1 i b r a r y c e l l b a s e d ) 或基于门阵列( g a t ea r r a y b a s e d ) ，实现过程中的大部分工作是由c a d ( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ) 工具自动完成的。c a d 工具捕获硬件描述语言所描述 的原始设计规范，将其转换为工具内部相应的表示，把行为级描述变换到结构化 实现，优化最终生成的网表，将电路映射到物理逻辑门并完成这些门之间的布线 连接。 制造是v l s i 电路设计的最后一步，根据生产工艺，依据实现的设计规范生 产晶体管并实现晶体管间的互连，形成物理电路。制造工艺是指用来制造电路的 半导体工艺，包括半导体的类型( 如硅锗等) ，晶体管类型( 如c m o s ) 以及特 定晶体管工艺参数( 如0 3 5 u r n ) 。c m o s 是当前集成电路制造的主要技术，也是 本篇论文所考虑的工艺。以前硅片只能容纳数千个晶体管，现在随着制造工艺的 进步，设计者可以将几百万晶体管放在单个硅片上。设计流程中复杂的设计更容 易导致故障，因此为了提高成品的可靠性，应该在设计的早期阶段就考虑验证和 集成电路低功耗测试方法研究 测试这两个重要问题。 验证将实现与原始设计规范比较。在验证过程如果有不匹配，设计者就去修 改实现以便更好的匹配设计规范。传统v l s i 设计流程通过穷尽模拟( e x h a u s t i v e s i m u l a t i o n ) 来比较实现和原始设计规范。穷尽模拟对于复杂大设计是不可行的， 而且模拟方法只提供了概率上的保证。形式验证( f o r m a lv e r i f i c a t i o n ) 方法与模 拟方法相比，通过严格的数学证明来论证实现是否满足设计规范。 测试( t e s t i n g ) 用来保证制造出来的电路功能与实现功能的对应。要生产可 靠的v l s i 电路必须更多依靠测试来消除在制造过程中引入的各种缺陷。v l s i 电路中基本的缺陷类型有：金属颗粒( p a r t i c l e ，细小的金属颗粒会短接两根连线) ， 不正确的间隙，不正确的注入值( i m p l a n tv a l u e ) ，不对齐，空洞( h o l e s ，不期待 蚀刻的暴露部分) ，弱氧化以及污染。由这些缺陷导致的故障行为可以通过参数 测试( p a r a r n e t r i c a lt e s t i n g ) 和逻辑测试( 1 0 9 i ct e s t i n g ) 6 来检测。参数测试方法 包括测量供电电压下的静态电流。随着c m o s 工艺向着深亚微米发展，由于亚 闽电流漏电流持续增加，参数测试已变得不实用。逻辑测试在对电路设计流程的 逻辑抽象的基础上，建立制造故障模型，通过检测电路主要输出的值来检测故障 6 。逻辑测试基本的故障模型包括固定性故障( s t u c k a tf a u l t ) 模型，桥接故障 模型( b r i d g ef a u l t ) ，开路故障( o p e nf a u l t ) 模型以及与时序相关的故障模型， 如门时延故障和路径时延故障模型【1 。最早的和最常用的故障模型是固定性故 障模型，在该模型中，逻辑门结构网表的单个节点被假定为具有固定的逻辑值( 固 定为0 或1 ) 。在本篇论文中，除非特殊申明，测试v l s i 电路指逻辑测试，采用 是固定性故障模型。 上面已经描述了制造故障以及它们的故障模型，下面将介绍测试向量是如何 加载到待测电路，以便检测待测电路是否有故障。依据测试向量加载到待测电路 的方式，测试可分为使用测试仪的外部测试以及内建自测试。 1 3 集成电路测试概述 自从有了集成电路的设计与制造，就有了集成电路的测试。对电路的测试是 为了尽可能多地发现其中的制造缺陷，防止有问题的芯片流入市场而被拒收。如 果有问题的芯片被投入到实际应用中，一旦出现问题，可能会给用户造成很大的 损失甚至带来灾难。可见，集成电路的测试是相当重要的。 根据芯片的功能要求来对芯片进行的测试称为功能测试( f u n c t i o n a lt e s t ) ， 事实上，符合芯片功能的输入情况往往非常之多，对其所有功能的测试不可能在 短时间内完成。所以，实际的测试更多采用结构测试( s t r u c t u r a lt e s t ) ，即检查 芯片结构上的每一点是否存在故障。一般说来，只要能够保证芯片所有点没有故 第一章引言 障，则可以初步判断芯片有故障的可能性不大。对于般的电路来说，需要检查 的结构点往往比其功能点要少得多，这正是结构测试的优点和采用结构测试的理 由。不管采用何种测试方法，都需要首先得到被测电路的测试向量，采用自动化 的方式得到这些测试向量的方式称为自动测试生成( a u t o m a t i ct e s tp a t t e r n g e n e r a t i o n ，简称a t p g 或测试生成) 。 根据待测电路可以分为时序电路测试和组合电路测试。组合电路测试是基 础，已经有很多成熟的算法，时序电路测试实际上可以看成是时间帧展开的组合 电路。 对大型时序电路的测试或测试生成是非常困难的，为了在实际中对这样的芯 片进行测试，需要在芯片的设计阶段考虑其测试的需求，从而对设计本身作某些 调整，使其更容易测试，这种方法称为可测试性设计( d e s i g f o r - t e s t a b i l i t y ，简 称d f t ) 。目前，正在运用的绝大多数芯片的设计都或多或少地采用了可测试性 设计技术。 1 3 1 使用测试仪的外部测试 当前生产工艺下复杂v l s i 电路的生产测试更多依靠自动化。图1 | 2 给出了 使用测试仪外部测试的主要原理以及三个主要组成部分：待测电路，被测试的是 否有故障的电路；自动测试仪，包括控制处理器，时序模块，功率模块和格式模 块；测试仪存储器，用于存储测试向量和测试响应。下面我们简要介绍这三部分。 c u t ( c i r c u i tu n d e rt e s t ) 指待测试的硅晶片或封装好的器件。测试过程需要 经常通断a t e 和待测器件，要求c u t 管脚和a t e 焊盘的连接必须牢固可靠并 且切换方便。 a t e 包括控制处理器、时序模块、功率模块和格式模块。控制处理器作为主 机控制整个测试流程，并维持与其它a t e 模块的通信。时序模块定义c u t 每个 管所需的时钟边沿：格式模块为测试向量添加时序和格式信息，指定管脚信号何 时变高变低；功率模块为c u t 供电以及用于电流和电压的准确测量。 集成电路低功耗测试方法研究 图1 2 使用a t e 进行外部测试 a t e 存储器存储c u t 的测试向量和无故障情况下的期望响应，测试中将实 际的测试响应与期望响应进行比较。当前a t e 电压准确度是毫伏，时间可以精 确到皮秒级。存储在a t e 存储器中的测试向量是用a t p g 算法产生的。a t p g 算 法分为随机算法的和确定性算法。随机a t p g 算法产生随机向量，通过故障模拟 确定测试效果( 测试质量用故障覆盖率衡量) 。故障模拟将在第三章详细介绍。 确定性a t p g 算法处理逻辑抽象的结构化网表，使用通用的故障模型( 如前面提 到的固定型故障) 来指定故障列表产生测试向量。与随机a t p g 算法相比，确定 型a t p g 算法能产生长度更短和覆盖率更高的测试向量，但需要较长的运算时 间。较长的运算时间与电路内部节点的不易控制和观测有关。在处理时序电路时 这种情况更为突出。尽管这方面的研究不断取得进展，时序电路的测试产生时间 仍然极其巨大并且测试效率仍然不令人满意，主要表现为故障覆盖率不高。除此 之外，芯片上晶体管数目日趋增加，而仅有有限的输入输出管脚也使得获得高的 测试效率变得更复杂更耗时。 可测性设计( d f t ) 就是为解决这些问题而提出的。在v l s i 设计流程中， d f t 通过添加测试硬件引入面向测试的设计，以提高可测试性，包括可观测性 ( o b s e r v a b i l i t y ) g l jn 司- 控制性( c o n t r o l l a b i l i t y ) 。在设计中添加d f t 后通常能缩短测 试时f 司、提高故障覆盖率因而有较好的测试效果，同时也使得易于用a t p g 来产 生测试向量。最常用的d f t 方法是基于扫描的d f t ( s c a l lb a s e dd f t ) ，其做法 是修改时序电路为扫描单元，引入串行移位寄存器。为每个扫描单元添加一个扫 描模式，扫描时数据不是从电路的组合部分并行载入，而是从移位寄存器的前一 个扫描单元串行移入。基于扫描的d f t 可以分为全扫描( f u l ls c a n ) 和部分扫描 ( p a r t i a ls c a n ) 。全扫描的主要优势在于将所有的时序单元修改为扫描单元，将时 序电路的a t p g 问题转化为易处理的组合电路a t p g 。部分扫描方法仅仅修改部 第一章引言 分时序单元，只需较少的测试硬件面积，当然测试产生时就需要复杂的a t p g 。 引入扫描d f t 改变了测试向量加载到c u t 的测试策略。组合电路或非扫描时序 电路，将在每个时钟周期加载测试向量到c u t 。而扫描d f t 加载测试向量到c u t 是以扫描周期( s c a nc y c l e ) 为单位的。 这部分简单介绍了使用a t e 进行外部测试的基本方法以及扫描d f t 的基本 概念。评估扫描d f t 的五个主要测试参数是：额外d f t 硬件需要的测试面积、 性能、测试效率、测试时间及测试数据量。 1 3 2 使用b i s t 的内测试 尽管a t e 在检测生产测试时有诸多优势，但使用a t e 存在以下两个问题。 第一，a t e 机器昂贵，并且随着芯片规模的增加、管脚数目的日趋增多成本会越 来越高【1 。第二，在使用通用扫描d f t 时，测试向量不能单拍加到待测电路。 在测试模式测试向量需经过扫描链移位后再加到待测电路，这就使得进行真速测 试( a ts p e e dt e s t i n g ) 非常困难。此外，使用a t e 测试要将芯片独立拿出来进行 测试，板级测试( b o a r dt e s t i n g ) 也无法进行。 测试模式 图1 3 使用b i s t 自测试 这些问题促使人们开发内建自测试，简称b i s t 7 ，8 1 。b i s t 是一种d f t 方 法，其中部分电路用于测试电路自身。测试向量不是像外部测试一样外部产生， 而是使用b i s t 硬件内部产生。在一定程度上，b i s t 降低了芯片测试对a t e 的 依赖，同时b i s t 可以在电路正常工作时进行测试。b i s t 不仅降低外部a t e 的 成本，而且能够检测时序相关的故障。 b 1 s t 的基本原理图如图1 3