（系统工程专业论文）微控制器测试向量生成方法的研究和实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 集成电路的发展 第l 章绪论 集成电路( i i l t e 肿t e dc i r c u i t ，简称l c ) 自诞生至今已经经历了半个多世 纪。它的发明人是美国的捷克基尔比( j a c k 飚l b y ) ，1 9 5 8 年9 月他发明了第 一个锗集成电路( g c n a i l i u m i n t e 掣a t e dc i r c l l i t ) 。1 9 6 0 年3 月基尔比所在的美国 德州仪器公司( t e x a si n g t n l m 雠ti n c ) 制造出了第一个商用的集成电路。这一 发明具有划时代的意义。掀开了半导体科学与技术史上全新的篇章。i c 发展经 历了小规模( s s i ) 、中规模( m s l ) 、大规模( l s i ) 、超大规模( v l s i ) 、特太 规模( u l s i ) 等阶段，已进入巨大规模( g s i ) 的阶段：从第一个只集成了4 个晶体管的i c 发展到现在的可以在一个i c 中集成几千几万个，甚至几亿个晶 体管。i c 技术正以惊人的速度向前发展，i c 的性能在不断的提高。 1 1 1 分类 从不同的角度可以对i c 进行不同的分类p l ： 1 、按结构分类，可以分为：双极型、m o s 型、b i m o s 型。双极型集成电 路具有速度高、驱动能力强等优点，但功耗较大，集成度相对较低：其中m o s 型电路包括p m o s 、n m o s 、c m o s ，m o s 电路的主要优点是输入阻抗高、功 耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成；b i m o s 型包括b i m o s 和b i c m o s ， b i c m o s 集成电路综合了双极型和m o s 集成电路的优点，但其制造工艺比较复 杂，成本较高。 2 、按功能分类，可以分为：数字电路、模拟电路、数模混合电路。数字电 路处理的是数字信号，如果按照它们与输入信号的时序关系细分，又分为组合 逻辑电路和时序逻辑电路：组合逻辑电路的输出结果只与当前的输入信号有关， 而时序逻辑电路的输出结果不仅与当前的输入信号有关，还与以前的逻辑状态 有关：模拟电路则分为线形电路和非线性电路。 3 、按使用目的分类，可以分为通用i c 和专用i c 。 4 、按实现方式分类。可以分为全定制i c 、半定制i c 和可编程i c 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 发展特点 今天的i c 正在向系统的芯片集成( s y s t e m o n 咀c h i p ) 方向转变。如：微 控制器、数字信号处理器、存储器、逻辑电路甚至模拟电路模块、射频电路模 块、乃至各种传感器集成在同一块芯片上，成为一种极为复杂的电子系统。总 的来说现在i c 发展具有以下几种特点： 1 、集成度不断提高。著名的i c 发展摩尔定律至今仍然基本符合目前的i c 发展情况，即集成电路芯片的集成度平均每三年提高四倍，加工的特征尺寸缩 小为1 j ； 2 、i c 单元面积能平均每两年下降一半： 3 、微电子技术成为一门综合性的高科技技术，日益受到国家的重视，其发 展直接体现一个国家基础工业的综合实力； 4 、微电子技术生产工艺的投资非常巨大，不是一般的企业单位能承担的： 5 、众多e d a 工具的涌现，简化了设计i c 过程，使更多的i c 用户可以设 计满足自己特殊需求的专用i c ，再由专门的具有微电子生产能力的工厂 ( f 0 u n d r y ) 进行生产，从而促使通用i c 逐渐转变到专用i c 。 1 2 集成电路自动测试技术 1 2 1 发展概述 集成电路钡i 试伴随集成电路的发展而发展，并贯穿集成电路的研发、设计、 生产和应用等各个阶段。同时，集成电路测试对集成电路的发展又具有重要意 义，其发展是促进集成电路的发展和应用的一个重要因素1 3 j 。 集成电路测试的发展主要体现在集成电路自动测试仪( a u t o m a t j ct e s t e q u i p m e n t ，简稔a t e ) 的发展水平上。集成电路发展起步于2 0 世纪5 0 年代晶 体管的发明，相应的，集成电路测试应运而生。最初的集成电路测试对测试人 员的专业素质要求非常高，通常都是通过有经验的测试技术人员凭借自身的专 业知识和经验，再利用信号发生器、万用表、示波器等工具进行手工测试n 这种测试的特点自然是测试周期长，速度慢，无法排除测试结果中的人为因素， 以及无法实现集成电路大批量自动测试。随着集成电路规模的不断增大，产量 的不断提高以及应用的日盏广泛，大批量自动测试的迫切需求等因素促使集成 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 电路自动测试系统的诞生、发展和不断壮大。 集成电路自动测试仪根据集成电路的功能特性，可以划分为数字集成电路 自动测试仪( d 酒t a la r e ) 、模拟集成电路自动测试仪( a n a l o g 触陋) 、数模混 合集成电路自动测试仪( m i x e d s i g b a l 加陋) 、射频电路自动测试仪( r fj t e ) 和混合信号及射频电路a t e ( m i x e ds i 舯a l + r f a 甩) 等五类。如图1 - 1 ，可以 看到在测试仪的发展和使用过程中，各种集成电路a r e 的诞生、发展及消亡过 程】。 f r _ _ _ _ _ _ _ ，一 匕二：= = = = = = j = = 二二二= = = = = = _ = = _ = 二二 = = = = = ：= 二二= 二二= = 二= j 一一一_ _ 卜f 一一r 一 1 9 6 01 9 7 01 9 8 01 9 9 02 0 0 0t i m e b e n c h - t 叩e q u i p m e n t a n d o g a t e d 吲诅】a t e m l x e ds 1 卵斟a t e r f a t e m i x e ds j b n a l + r f a t e 图1 1 集成电路触【e 的发展 数字集成电路自动测试仪是所有集成电路自动测试仪中发展最早的，其技 术水平相对也是最成熟的。所以通常说的集成电路自动测试仪的发展，都是指 的数字集成电路自动测试仪的发展( 以下都以a r e 代表) 。 6 0 年代初集成电路刚刚发展，美国的集成电路制造商如仙蠢公司 ( f a i r c h i l d ) 、摩托罗拉公司( m o t o r o l a ) 、德州仪器公司( t e x a si n s t 兀l m e m s ) 都 自行铝4 造自用的集成电路测试仪。1 9 6 0 年，仙童公司推出了编程自动顺序控制 的m o d e l 3 0 0 型半导体测试仪。同年，美国也是世界上第一家从事自动测试专 业的公司泰瑞达( t e r a d v n e ) 公司成立。1 9 6 4 年，仙童公司推出程序控制 的半导体自动测试设备m o d e l 4 0 0 型。1 9 6 6 年泰瑞达公司把电子计算机和测 试设备结合起来，推出了j 3 5 9 型计算机控制的自动集成电路测试设备。 如今，集成电路测试业在世界范围内，已经作为一个独立的行业发展壮大， 并不断涌现了大量专门从事高端集成电路a r e 研发和生产的公司，如爱得万公 司( a d v a n t e s t ) 、安捷伦公司( a m 2 i l e n t ) 等。 总体来说，集成电路自动测试仪的发展可以划分为四个阶段 j ： 集成电路a t e 的发展始于1 9 6 5 年，此时的测试对象是中小规模集成电路， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 可测试的管脚数能达到1 6 个。虽然此时的测试仪采用导线连接、拨动开关、按 钮插件或二极管矩阵等相对现在御匝略显笨拙的方式，但是它第一次实现了通 过编制自动测试序列，并达到对集成电路外部直流参数的测试，所以它当之无 愧的成为集成电路测试的第一代。 多。二代始于1 9 6 9 年，随着计算机技术的发展，测试系统采用计算机作为整 个测试系统的心脏，大大方便了对测试系统的控制及对测试数据的处理，测试 对象主要是中规模集成电路。同时随着图形技术的研究可以实现对2 4 管脚以 下的数字器件在较低的速率下进行逻辑功能测试，即同时从器件的直流参数和 逻辑功能两个方面加以测试和印证。 第三代始于1 9 7 2 年，测试对象扩展到大规模集成电路，可测试管脚数从第 二代的2 4 个突增到6 0 个，又迅速发展到1 2 8 个，同时测试速率提高到1 0 m h z 和2 0 m h z ，能有效地测试各种c m o s 、m 、e c l 电路。 从1 9 8 0 年至今，为集成电路测试仪的第四代。此时的测试对象扩展到超大 规模集成电路，管脚数高达2 5 6 个、5 1 2 个、甚至1 0 2 4 个等，测试图形速率也 高达1 0 0 m h z 、5 0 0 m h z 以上，定时精度最高可达到5 5 p s 。 我国集成电路产业起步较晚，与国外有着较大的差距【8 j ：一是规模小；而 是档次低；三是创新开发能力弱；四是人才欠缺。相应的，我国集成电路测试 产业发展起步也较晚，7 0 年代国内才开始了集成电路测试仪的研制工作，8 0 年 代后期国产集成电路测试仪的水平，特别是自行设计能力有较大提高，测试理 论、测试方法、测试系统的研究试验工作受到国家重视，初步形成一支科研、 设计、制造的技术队伍。但总体来说，与国外同类行业相比，还落后整整一代 的水平。不仅仅是自行设计开发集成电路自动测试仪的水平相对落后，对集成 电路测试理论、测试方法以及测试入才培养等方面都要落后剐人很多。即研发 和使用集成电路测试仪都是亟待解决的问题。 1 2 2 重要性 电子产品不可避免的会出现各种故障，但是检测相同的故障在不同层次所 需代价却不同，层次越高，难度越大，代价越高。通常认为要检测相同故障在 门级( g a t el e v e l ) 、芯片级( c h i pl e v e l ) 、板级( b o a r dl e v e l ) 、系统级( s y s t e m1 e v e l ) 及域级( f i e l d1 e v e l ) 测试代价以1 0 倍增长，而且随着电路输入管脚数及其时钟 频率的增加成指数增长f 9 】o 参考图1 2 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 由集成电路使用者完成 铡试工作 域级测试 ( n e i di e v e i t e s t j l 了- 一一j 。1 。1 。_ 1 l 1 1 1 。一 系统级罚试 ( s y s t e ml e v e it 髂t ) l 一一一 。j“1。l。 板级测试 i ! ! 兰! 竺! ：! l 芯片级测试 ( c h i p l c v c lt e s t ) 门级测试 ( g a t ei e v e lt 髓t ) ；由集成电路生产者完成 测试工作 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图1 2 集成电路测试级别划分 图中的测试工作分为“由集成电路生产者完成测试工作”和“由集成电路 使用者完成测试工作”两部分。但这两部分又不是完全独立的。因为作为集成 电路生产者来说，从对集成电路的门级测试到芯片级测试都是i c 作为合格品出 厂前不可缺少的环节。而对于集成电路使用者来说，芯片级的测试具有可选择 性。 集成电路使用者( 在这里主要指的是整机系统研制单位或科研机构，下文 都以整机企业出现) 通常不具备研发和生产i c 的能力，而是在流通的市场中采 购来自国内外的各种集成电路。即使对于部分有研发和生产i c 能力的研究所， 也不可能自行生产所有需要的集成电路，特别是对于很多诸如德州仪器( t i ) 、 日立( h i i a c h i ) 、a n a l o g d e v i c c 、意法半导体( s t m i c r o e l e c t r o n i c s ) 、美信( m a x i m ) 等国外大公司生产的通用类器件，技术上已经相当成熟，价格也相对低廉，以 目前国内的水平，无论是性能上还是价格上都没有竞争优势，所以很大一部分 集成电路仍然要从市场中购买。市场的竞争机制以及商人追求剩余价值的宗旨， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 导致市场中充斥着各种假冒伪劣i c ，或者是“翻新片”、更有可能是“进口”洋 垃圾后经处理得到的“拆机片”等，从而严重降低了集成电路的可靠性。换句 话说，对所有新购入的集成电路，如果不进行严格检验和筛选，其质量和性能 是很难保证的【10 1 。可以想象，如果存在着质量问题的l c 器件甩在了作战系统、 航天系统以及载人飞船上，后果将会有多严重。 所以芯片级测试作为整机企业可选择的一种测试变得越来越重要和必要。 在条件允许的前提下( 包括硬件和软件等) ，进行芯片级的测试，已经是大势所 趋。实践证明，通过把好芯片级测试这一道关，可以为板级测试、系统级测试、 域级测试节省大量的时间以及人力物力的耗费。 1 2 3 测试的分类 根据在i c 生命周期的不同阶段，测试可以分为【i l 】： l 、生产测试( m a n u f a c t u 豳2t e s t ) 集成电路测试伴随i c 生产过程中的每一个环节，在不同阶段有着不同的定 义。生产测试主要包括；验证测试( d c s i g n f u i l c t i o n a lv e i i f i c a t i o n ) 、中测( w a f c r t e s t ) 、 封装测试( p a c k a g et e s t ) 、老化测试( b u m i nt e s t ) 、成品测试( d e v i c et e s t ) 等。 验证测试通常是由芯片设计者参与完成。在实验室、在工作站上，当一个 新的芯片设计或首次制造出某种芯片口核之后，利用仿真软件验证设计的正确 性。只有这一个测试是脱离集成电路a t e 而单独存在的。除此之外的其他测试 都是基于集成电路a r e 配以必要的附属设施完成测试，如：探针卡( p r o b ec a d ) 、 探针台( p r o b e r ) 、机械手、适配器等。 在生产过程中的i c 测试主要有两个目的： 第一、确保出厂的i c 的合格率要尽可能的高 i c 可以分为合格i c 和不合格i c 。只有在产品规范中列出的所有的测试条 件( 包括温度、湿度、电平等) 下，各种参数均满足规范要求，才能称之为合 格i c ；相反，在生产过程的任何一个阶段，在规范中规定的任一测试条件下只 要有一项指标不满足要求的，都列入不合格i c 。直到出厂前，经历所有测试之 后被判断为合格i c 的器件才能作为产品卖给用户。 第二、降低测试成本 集成电路测试之所以会贯穿生产过程的每一个环节，就是为了尽早地发现 和放弃不合格i c 。由于用于测试的开销在芯片成本中占据了相当大的比例，所 以及早处理掉i c ，是降低测试成本的重要一环。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 、接受测试( a c c e p t a n c e t e s to ri n c o m i n gj n s p e c t i o n ) 接受测试也称为入库测试。 当集成电路通过各种渠道送到用户手中，有条件的用户会根据需要并按照 某些标准对这些i c 进行使用前的测试和筛选。只有检验合格的i c 才能应用到 系统级的设计中。 1 3 本论文的研究背景、目的和方向 1 3 1 国内研究应用背景 最初的集成电路测试被合并在制造业或封装业中，随着集成电路技术的发 展及其应用的目益广泛，随着人们对集成电路品质的重视，集成电路测试业正 成为集成电路产业中一个不可或缺的独立行业，同时在集成电路应用过程中的 测试也得到了较大的发展。 国内众多整机企业，如电子、航天、航空等部门，扮演了应用过程的重要 角色，推动了国内集成电路自动测试技术的发展和提高。随着整机系统的智能 化和数字化，集成电路的使用越来越多、对其性能的要求越来越高；与此同时， 集成电路质量、性能的优良好坏，对整机系统的稳定性和可靠性的影响也越来 越大、越来越紧密。 那么，集成电路的质量和性能如何得到有效的保证呢? 有条件的整机企业在购入新的集成电路之后，都会经过严格的入库检测和 筛选，进行集成电路的芯片级测试，这个过程如图1 3 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图1 3 入厍筛选测试流程图 其中，三温测试，即常温初测、高温测试、低温测试和常温终测，是改变 被测器件( d e v i c eu n d e rt e s t ，简称d u t ) 的工作环境，分别在常温( 2 5 。c ) 下，高温( 1 2 5 。c ，根据器件规范而定) 下和低温( 5 5 。c ，根据器件规范而 定) 下，通过集成电路a t e 按照器件相应规范，测试相应的参数指标。在规定 的环境下，检查电子设备能否正常工作是非常重要的事项：温度是影响集成电 路性能的重要因素，在低温或高温时往往暴露出许多缺陷、致使正常功能丧失， 为此，进行高温、低温，即元器件工作时的两个极端温度下的测试是保证元器 件最终在电路系统中能稳定工作的保障之一i i m 。 老化测试则是在通过老亿系统对d u t 进行使用前的老化处理后，再通过集 成电路伽陋按照器件相应规范进行测试和筛选。电子设备和电子元器件在投入 使用过程中，由于各种原因，可能会发生各种各样的故障，根据故障发生的时 间经历，分为“初期故障”、“偶然故障”和“耗损故障”。 初期故障的故障率比较大，这是由于设计、制造工艺缺陷，如硅片表面污 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 染、焊接空洞、芯片和管壳热阻匹配不良等，这类故障一般在集成电路使用初 期就会陆续暴露；偶然故障的故障率比较低且趋于平稳，集成电路在这个时间 段通常都能稳定正常工作；耗损故障的故障率也很高，这是由于此时的集成电 路已经达到其使用年限，所以发生故障己成必然，直到最后一个器件发生故障， 故障率就达到1 0 0 。显雨易见，通过必要的措施，使系统中正常工作时所用到 的集成电路都处于偶然故障期，对整个系统的性能起着关键的作用。 老化测试就是有效的确保器件能工作在偶然故障区的措施之。老化过程 实质上就是通过对其施加高应力( 热、电等) ，加速其内部潜在缺陷暴露的过程。 经过老化试验，可以使有缺陷的集成电路在上机使用前失效，即在较短的时间 内，剔除将可能发生初期失效的器件1 1 3 l 。如图1 - 4 ： w = 几十小时 t 1 一l 0 小时 t 2 = 2 6 年 耗橱敲障， 图1 4 集成电路老化前后“浴盆曲线”故障对比图 在完成入库测试和筛选的一系列过程中，有必不可少的三要素：被测器件、 测试硬件、测试软件。 其中，测试硬件很容易理舻，就是测试被测器件的硬件平台，即通常说的 集成电路朋咂以及相关的辅助设施，如：老化箱、高温箱、低温箱等；测试软 件则包括测试程序( t p ) 、测试方法与理论、以及开发测试程序和使用测试硬件 的技术人员等。 测试硬件的价格都比较昂贵，通常都是几十到几百万元不等。国外同类型 设备相对国内设备要离出两三倍甚至更多。当然不可否认，有着更多发展历史 和经验的国外集成电路a r e 无论从精度、性能等各方面都要比国内设备高一个 档次，但这也并不是就意味着花了大量资金引进国外先进的测试仪器就能做好 焉沁 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 测试工作。因为在我国，集成电路测试技术相对来说起步晚，国外先进技术又 被一度封锁，所以不仅测试仪器的研制水平落后于国外，测试方法和理论也相 对匮乏。 测试程序是在a = r e 的主控计算机上运行，用于运行a r e 的资源来测试指定 的被测对象的软件的总称【1 4 】，它不仅仅包含对测试过程的控制( 如对a i e 系统 资源的选择与控制、对激励信号的选择和控制，对测量点的选择与控制等) ，还 包括对所得的响应信号的处理，完成对被测对测对象是“正常”还是“故障” 的判断。 集成电路a t e 之所以价格不菲，是因为它能测试满足一定条件( 如：管脚 数、工作频率、工作电平等) 的几乎所有器件，具有通用性。但局限于现有的 测试技术以及测试理论和方法，可能会在一类或几类电路面前束手无策，就像 一台可以测试2 5 6 管脚、测试频率达到1 0 0 兆的高级别数字集成电路加陋或数 模混合集成电路a r e 实际却只用作测试管脚数为1 4 的通用门电路一样，浪费 资源。而且对于中大规模集成电路，其测试程序的开发周期通常都比较长。 如何高效率的开发各种集成电路的测试程序，是国内集成电路测试业面临 的重点和难点问题之一。 微处理器、微控制器是应用非常广泛的一类数字集成电路，但是测试该类 电路却非常困难。主要原因有：这类器件内部结构复杂，通常由成千上万个基 本的逻辑门电路构成，而用户环境下的测试工程师一般无法了解内部门级和触 发器级电路。通过研究和论证，通过测试指令是用户级测试唯一也是最有效的 方法。可是微处理器的指令周期不等于测试周期，指令也不等同于测试向量。 闺限测试微处理器，即需要j t e 按照各个指令的具体要求在连续的测试周期( 即 机器周期，数个机器周期构成一个指令周期) 内往各个管脚输入规定的电平， 并检测指令执行的结果是否正确。虽然1 个微处理器、微控制器的指令可能只 有1 0 0 条，但是反映到测试向量上，可能是上万条，且从指令到测试向量的转 换无任何规律而言。开发微处理器、微控制器的测试程序及测试向量，通常效 率都非常低，开发周期特别长：快则数月，慢则一两年，或者最后以失败告终。 所以，如何高效率生成微处理器测试向量的一直都是测试界的难题。 l - 3 2 研究目的和方向 本论文的研究目的，首先是基于自主研发的数字集成电路自动测试仪，介 绍了集成电路自动测试技术的相关理论，然后在研究微处理器、微控制器测试 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 方法的基础上，针对微处理器、微控制器测试难的现状，设计和实现了种高 效率的开发微处理器、微控制器测试向量的方法，即学习法，以解决中大规模 集成电路测试程序难以开发的问题，并以n 8 0 c 1 9 6 k b 为例，分模块开发了指 令系统、定时器、a 转换器等功能模块的测试向量。 该方法有两个优点：一是大大方便和提高了整机系统研制单位或科研机构 开发微处理器、微控制器类大规模集成电路测试程序的效率；二是为国内同行 在研发更高性能集成电路自动测试仪时从硬件架构和测试理论上提供建议和参 考。文中涉及的测试向量生成法已经在】c 3 1 6 5 数模混合集成电路自动测试仪 中予以实现，并能方便的移植在同类型的数模混合或数字a r e 中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章数字集成电路测试原理 数字集成电路包括最常见的通用门电路，触发器类i c 、各类存储器、总线 接口电路、微处理器、微控制器、c p u 外围电路等。其测试项目主要包括：逻 辑功能测试【1 ”、直流参数测试和交流参数测试。其中直流参数主要包括输入高 低电平、输出商， 氐电平、输出高“氐电流、输入电流等，这类参数测试方法都比 较简单，一般通过罔阻的电压表、电流表模块采用加压测流或加流测压等方式 就能完成测试；交流参数则受a 1 限的工作频率和定时精度限制，主要包括测试 k 。、咒。等延对参数；三种测试中最重要，也是开发测试程序时工作量最大 的就是逻辑功能测试：数字集成电路可以将输入输出电平抽象成“o ”、“1 ”、“商”、 “低”的逻辑信号，逻辑功能测试可以理解成对数字集成电路真值表的验证。 集成电路a r e 在一定的测试速率( 测试周期) 下，对输入管脚施加相应的激励 信号，检测输出管脚电平是否为理想的状态，从而达到验证器件功能的效果。 只有通过逻辑功能测试的器件，才有必要进一步进行直流参数和交流参数的测 试。 2 1 逻辑功能测试 2 1 1 故障、故障模型和故障覆盖率 故障，即元件不能完成正常的逻辑功能。集成电路故障属于物理故障，分 为永久故障( p c m a n tf a u l t ) 和暂时故障( t e m p o r a r yf a u l t ) ，暂时故障可以是 瞬时( t r a n s i e n t ) 的或间歇的( i n t e m n t e n t ) 。测试是钊。对菜一个时间点，回答是 否存在某种故障。无论是什么故障，反映到逻辑缴，就是元件不能完成正常的 逻辑功能。 设s 是组台逻辑电路j “。输入矢量z o ，z 。) ，z ，z 。是从外部输入 的引线，称为原始输入端( p t i m a r y i n p u t ) 。输出矢量z = ( z ，z ，) ，z 1 ，z 。是 输出到电路外部去的引线，称原始输出端( p r i m a r y o u t p u t ) 。设电路s 所实现的 逻辑函数电记为s ，则 z = s ( 并) ( 2 - 1 ) 若被测电路s t 是故障的，即至少存在输入矢量的一组值爿o ，使得 若被测电路s t 是故障的，即至少存在输入矢量的一组值爿o ，使得 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 ss ( xo ) s ( 并o ) ( 2 2 ) 故障模型是物理故障引起系统信号发生改变的影响的表示。模型化了的故 障叫做逻辑故障。故障模型有成千上万种，选择恰当的故障模型有针对性的测 试，可以大大提高测试效率和测试的精确性。 常用的故障模型有【1 7 - 2 1 1 ： 固定为o 故障( s t u c k a t of a u l t ) ； 固定为1 故障( s t u c k - a t 1f a u l t ) ： 短路故障( s h o nf a u l t ) ； 模式敏感故障( p a t t e ms e n s i t i v ef a u l t ) ： 时滞故障( d e l a vf a u l t ) 故障覆盖率是指测试向量能够检测出的故障数占总的故障数的比例。 当然无论哪一种故障模型，从理论上和实际验证中，都是不能达到1 0 0 的 故障覆盖率的。 2 1 2 测试周期 测试仪执行一条测试向量实际花费的时间就是一个测试周期f ，测试频率 就是1 丁赫兹。一次功能测试花费的时间总数就是测试向量总数与测试周期丁的 乘积。 测试周期通常都是由测试仪的时钟控制模块产生。 逻辑功能测试中的测试周期主要是受测试仪的测试速率和被测器件的工作 频率两个因素共同决定的。功能测试不等于全速测试。因为随着集成电路器件 性能的不断提高，器件工作频率会越来越快，然而测试仪的最大测试速率是一 定的，虽然目前测试仪的测试速率最高可以达到几百兆，但这样的测试仪成本 相对较高，同时即侵是具有几百兆测试速率的测试仪可能也无法达到部分高速 集成电路的工作频率。当被测器件工作频率低于测试仪的最大测试频率，可以 设定测试仪的测试周期等于被测器件的工作周期；如果被测器件的工作频率大 于被测试仅的测试频率，则设定测试周期为测试仪的最大工作频率的倒数。逻 辑功能测试反映器件的基本逻辑功能，测试之前首先设定测试周期及相关的定 式参数。比如一个具有最高5 0 m 测试速率的测试仪测试某器件，实际设定的测 试速率为5 m ，即测试周期为2 0 0 h s 。同时在这个测试周期内还自少会有一组相 对于周期起点的用于控制输入驱动电平的定时信号和控制输出比较电平的定时 信号，用于完成整个测试过程的定时需求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 2 1 3 测试向量和图形深度 测试向量( t e s tv e c t o r ) 是实现逻辑功能测试的核心。 测试向量包括两个部分：测试激励和测试响应。 l 、测试激励 测试激励是对输入管脚在各个测试周期内驱动信号的描述。在不同的测试 周期根据测试算法的需要驱动输入管脚不同的电平值( 高电平或低电平) 。 2 、测试响应 测试响应是指输出管脚在各个测试周期的采样时刻，正常情况下应该出现 的状态( 高电平状态或低电平状态或不关心状态) 。 每条测试向量都包括测试激励和测试响应两个部分。当测试激励在该测 试周期的驱动时刻驱动有效的激励信号，输出端在采样时刻的实际状态应该与 测试响应中描述的状态致。 图形深度即测试向量总数的一个上限。对于固定的一台a t e ，其图形深度 是一定的，通常都不可再扩展。所以被测器件的测试向量的总数不能超过它。 测试周期和图形深度是衡量集成电路a 1 e 性能的两个重要参数。 2 1 4 逻辑功能测试的实现过程和原理 基于集成电路a 陋完成逻辑功能测试，首先要做的就是编写器件的图形文 件，即测试向量。根据器件的功能特性，测试向量定义了器件中各个管脚( 除 去电源管脚) 与通道的对应关系( 通道是湖陋的资源，通过指令，a 咂对提前 定义过的通道进行操作) ，及输入输出特性和在各个测试周期里的动作，如下( 本 论文中，涉及到的具体的测试语言和测试源程序都是基于自主研发的j c 3 1 6 5 集成电路自动测试仪，在下文中不再一一说明) ： m p d6 5 ： p l n d e f a 1= i b 1 = i y l = o a 2= i b 2= i 。 y 2= 0 a 3= 1 b 3= i b i n ，( 7 ) b i n ，( 8 ) b i n ，( 9 ) b i n ，( 1 0 ) b i n ，( 1 1 ) b i n ，( 1 2 ) b i n ，( 1 5 ) b i n ，( 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 y 3 = o ，b i n ( 1 4 ) a 4 = l ，b i n ，( 1 8 ) b 4 = i ，b i n ，( 1 9 ) y 4 = o ，b i n ，( 1 7 ) 里型! 立丛堂! 匿l 1 6 = 7 1 2 8 1 3 = 1 4 1 9 m a i nf s 互塑王坠塑戛嚣( 啦 i n c ( o o h 0 1 h1 1 l 1 0 h ) i n c ( 1 0 h1 1 l 1 0 h1 0 h ) i n c ( 1 1 l 0 0 ho o h 0 1 h ) i n c ( 0 1 h 0 0 h0 0 h1 1 l ) h a l t ( 1 0 h o o h0 0 h1 1 l ) s 坠墨! ! 迦曼x ( ! ) s 坠基至丛旦垦嚣( 2 】 e n d 参考7 4 l s 0 0 的图形文件，下划线部分语句为系统格式语句，说明如下【2 2 】： m p d 6 5 为标题语句； p i n d e f ，即p 玳d e f i n m 0 n g ，管脚定义语句； p i n t 0 一c h a n n e l 为管脚与通道的对应语句； m m n 为主图形开始语句： s 1 a r td d e x ( n ) ，n = o 、1 、2 3 5 ，为图形代码段语句，即可以对测 试向量进行分组： h a u 为图形暂停语句； e n d 为图形文件结束语句。 数字集成电路的管脚可以分为四类：输入管脚、输出管脚、电源管脚、双 向( 输入输出) 管脚。其中双向管脚在不同测试周期里被拆分成输入管脚和输 出管脚。所以图形文件中语句和对管脚定义有i ( 定义a 1 为输入管脚) 和 0 ( 定义y 1 为输出管脚) 的区别：同时a l 管脚与通道d u t 7 连通，y 1 管脚与通 道叫t 9 连通；同理，所有的输入输出管脚( 电源管脚和n c 管脚除外) 都要做 类似的定义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 语句是对被测器件在一个测试周期内各个管脚的动作的预定义。i n c 是图 形指令，表示该行图形矢量执行一次( 如果是r p t n ，则表示该行图形矢量循 环执行n + 1 次) ，紧随其后，括弧中的数据“0 0 h0 l h l l l l o h ”，表示在一个测 试周期内： 通道7 ( 管脚a 1 ) 驱动低电平； 通道8 ( 管脚b 1 ) 驱动低电平； 通道9 ( 管脚y 1 ) 采样实际的电平值与输出高电平闽值电压比较，理想情 况下应该大于阈值电压( 失效信号为“0 ”) ，否则返回失效信号“1 ”； 通道1 0 ( 管脚a 2 ) 驱动低电平： 通道1 1 ( 管脚b 2 ) 驱动高电平； 通道1 2 ( 管脚y 2 ) 采样实际的电平值与输出高电平阐值电压比较，理想情 况下应该大于阈值电压( 失效信号为“0 ”) ，否则返回失效信号“1 ”； 通道1 4 ( 管脚a 3 ) 驱动高电平； 通道1 5 ( 管脚b 3 ) 驱动高电平； 通道1 6 ( 管脚y 3 ) 采样实际的电平值与输出低电平阂值电压比较，理想情 况下应该低于阈值电压( 失效信号为“o ”) ，否则返回失效信号“1 ”； 通道1 8 ( 管脚a 4 ) 驱动高电平； 通道1 9 ( 管脚b 4 ) 驱动低电平： 通道1 7 ( 管脚y 4 ) 采样实际的电平值与输出高电平闽值电压比较，理想情 况下应该大于闽值电压( 失效信号为“0 ”) ，否则返回失效信号“1 ”。 连续的五条语句，则是对在连续的5 个测试周期中各个管脚动 作的预定义。从而完成s t a r ti n d e x ( 0 ) 这段图形的编写。执行该段图形矢 量( 语句) 后，将根据所有输出管脚采样电平并比较后返回的失效信息，得 到这段图形的总的失效信息：只要有一个失效信号为“l ”，则返回最终的失效 信息“l ”。s t a r ti n d e ) ( ( o ) 中的图形矢量，是根据器件的真值表，以及参 考各种故障模型进行编写的，虽然在这里只列出5 条( ) 作为介绍， 但如果严格按照穷举法，应当列出至少28 ( 8 个输入端) 条。 装载和运行测试向量的部分源程序如下： p t n b u f = l o a d p a t t e m ( ”f i l e m p d ”) ； i f ( p t n j u f = = n u l l ) p “n t f ( ”nr 【1 e r nl o a de r r o r ! u ”) ； e x i t ( 一1 ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 ) f s e tv i h ( 2 0 ) ；+ 设置驱动高电平的电平值+ f s e tv i l ( o 8 ) ； + 设置驱动低电平的电平值 f s e tv o h ( 2 4 ) ； 设置比较高电平闽值+ f s e tv o l ( o ，4 ) ； 木设置比较低电平闽值+ c o n n _ v i h - v i l - v o h _ v o l 0 ； f a i l = r u nb 蛆 r e r n ( ( u n s i g n e dc h a r + ) p t n b u 0 ，p r i n - o n b u l ，o ) ； 总的失效信号即r u n l 鼢r r e r n ( ) 函数的返回值( 1 为失效，0 为通过) ， 赋值给变量f a i l ，可以作为的数据处理和判断器件是否为坏品的依据。 另外，驱动高低电平的电平值和比较高低电平阈值的设置值，因器件类型 不同而异。如t r l 系列、m o s 系列、c m o s 系列、e c l 系列等，都会有各自 的标准。 同理，对于一个有n 个输入和m 个输出的数字集成电路来说，当对n 个输 入管脚施加不同的激励信号( o 和1 ) ，m 个输出管脚应该呈现出各自的理想输 出状态( h 和l ) 。该电路的真值表如表2 - 1 ： 表2 1n 输入m 输出电路真值表 抽p l如p 2如p 3l np no 甜p 10 埘p 2d 盯p 3d “rp ，m 0000h i lh | lh | lhl l 100ohf lh | lh | lhi l 0100hf lh | lh lh l 1100h lh | lh lhf l o010h lh i lh l lhf l 101 0 h l h | lh l h l 0110h | l h lh lh l 1l1 o h lh l h l hf l 1111h | l h | lh l h l 相应的，至少可以写出2 1 条测试向量，用作逻辑功能测试的依据。 2 1 5 逻辑功能测试的硬件框图设计 集成电路a r e 中完成逻辑功能测试的硬件框图1 2 3 。2 5 】如图2 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 图2 - 1 逻辑功能测试原理图 1 、图形控制电路 图形控制电路( p a ：兀e r nc 0 n t r 0 1j e rc i r c u i t ) 包含l 0 c a lm e m o r v 和t p u ( t c s tp r o c e s s o ru n i t ) 两部分，【d c a lm 锄o r v 主要用于存储器的t e s t m i c r o i n s t r u c t i o n ，而t p u 是实现艄：m r n 功能的执行部件。p a m r n 主要 用于控制l o c a lm e m o r v 中图形执行的过程，同时将执行过程中的状态实时 反馈给主控计算机。 2 、定时电路 定时电路( t i m 玳gg e n e r a t 矾gc i r c u i t ) 由主钟( 可产生一定范 围内任意频率的主时钟) 、测试周期产生器、驱动信号产生器、比较信号产 生器等测试过程中的时间信号。 3 、测试向量存储器 测试向量存储器( t e s t c 旧rm e m o r y ) 在图形控制电路的控制 下，预先存储所有的测试向量，再在其控制下，按周期读出测试激励信号， 送至格式化电路，同时将测试响应信号送至比较电路，比较和判断测试结果 是否正确。 4 、格式化电路 格式化电路( f o r m a = rc m c u l t ) ，即管脚控制子系统是用来接收来自 经图形控制电路控制的t e s tv e 朗1 0 r ym e m o r y 的测试向量( 驱动信号 o 1 ) ，以及来自定时电路的定式信号，产生l c 逻辑功能测试时所需的各种 驱动波形【2 6 l ，如图2 2 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 原始数据 ( 0 ，1 ) 非归零码 ( n r z ) 归零码 ( r z ) 归一码 ( r o ) l l 厂_ 一e ；j 厂_ 厂_ 蹴 缀 l l _jl 爹 i lr _1l 图2 2 格式化方式 5 、程控器件电压源 程控器件电压源模块有三个作用： 第一，为器件电源端提供两路( 9 v ，+ 1 5 v ) 的可程控电源电压，利用语句： f s e l d p s l ( ) ； d p s l j 叫i n ( ) ； 第二，为驱动电路提供可程控驱动电平( 3 v ， f s e t - v i l ( ) ； f s e t _ v i h ( ) ； 第三，为比较电路提供可程控比较电平( 1 v ， f s e l v o h ( ) ； f s e t _ v o l ( ) ； 2 2 直流参数测试 2 2 1 直流参数及测试原理介绍 + 1 5 v ) ，利用语句 + 1 2 v ) ，利用语句 直流参数包括输入高低电平、输出高低电平、输出高低电流、输入电流 等【2 - 2 引。各个参数的定义如下： 1 、输出高电平电压 ：输入端在施加规定的电平下，使输出端为逻辑高电平时的电压。 测试原理图如图2 3 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 r 一i _ l 一二= 二 静耕誊。 ! 菇 严。t i “i “ l _ _ 一，! 一 _ - i l 艘鲤墅曼： 图2 3 o 测试原理图 在器件详细规范规定的环境温度尉下，将被测器件接入被测系统中， 电源电压由测试系统程控器件电压源模块给出规定的电压值，输入端按 器件详细规范由测试系统驱动规定的电平( 保证被测输出端为逻辑高电平状 态) 。之后，测试系统在被测输出端抽出器件详细规范规定的负载电流，。， 其余输出端开路的情况下，测得输出高电平电压：即：= f i m v ( ，。) ( 即施加电流，。，测回电压) 。再分别测试每个输出管脚。 2 、输出低电平电压 p r o 工：输入端在施加规定的电平下，使输出端为逻辑低电平时的电压。 测试原理图可参考测试原理图。 。的测试原理与类似，区别就是测试时输出端的状态为逻辑低， 且测试时测试系统是往被测器件注入规定的负载电流j 。即：。= f j m v ( ，。)( 即施加电流k ，测回电压。) 。再分别测试每个输出管脚。 3 、输出短路电流。 ，。：输入端在施加规定的电平下，使输出端为逻辑高电平时输出端对 地短路的电流。测试原理图如图2 4 ： 图2 1 4 ，测试原理图 ，。的测试原理与类似，区别就是输入端按器件详细规范由测试系 一 厶 流 = 心_ _ 一一 上 群一 一上_ 制一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 统驱动规定的电平( 保证被测输出端为逻辑高电平状态) 之后，测试系统在 被测输出端施加o v 电压( 相当于被测输出端对地短路) ，其余输出端开路， 测得输出短路电流，。即：j 。，= f v m i ( 0 ) ( 即施加电压0 v ，测回电流至 ，。) 。再分别测试每个输出管脚。 4 、输出高阻态时高电平电流，。：。 。：三态输出的器件，三态控制端在施加规定的电平使输出为高阻态 下，输入端施加使输出处于低电平的规定电平，输出端施加规定的高电平电 压p 移时流入器件的电流。测试原理图参考，。测试原理图： ，。的测试