（计算机软件与理论专业论文）一种克服工艺参数影响的瞬态电流测试方法.pdf

种克腋下艺参数影响的瞬悫电流测试方法 摘要 瓣憝露流测试方法主要遴j 建鼓簿状态下酌瞬态窀流与谶常状态下麓瓣密电流 的差别柬检测故障。在保证激灞故障的条件下，若光故障电路和故障电路的瞬态 纛滚蓑粼尽可戆大，粼渡先羧灏裂了救薄。髓是，鞠捷是羁一设诗鞠芯片，氇会 脊不同的正艺参数。在c m o s 电路中，随着v d s m ( v e r yd e e ps u b m i c r o n ) 技术 豹应矮，菜些王琶参数将会对魄路产生影穗。在簿恣电流涮试孛，不同酌工艺参 数，会使得同设计的无故障电路产擞不同的瞬态电流。当这两个电流差别较大 辩，若我稍不考虑王芑参数魏影蜿，鄂么我稻缀有可莪试秀这个毫潞是奏数簿静。 遮就影响了我们对电路是否存猩故障的判断，降低了测试质摄。 嚣藏，我霪j 霉要寻藩一种溅试方法鞋竞黢这一影蟪。在l d d q 溅试串，稳态 电流值也受到工艺变化的影响。为了掇高区别好的电路与故障电路响应的分辨能 力，邀滚特程戆攒透赣褥鞋挺爨。电滚特薤描述技术不是穰据警令阙傻亲确霆邀黯 是否有故障，简是根据特征符母来分析。特 谁符号魑对所有测量值的幅值排序得 寒鹣。剃矮毫滚特征豹稳定毪熊畜效蟪竟爨王艺变倪对稳态奄流麴影蘸。零文飘 中得到启发，将电流特征符号原理运用到瞬态电流测试中，提出了利用电流特征 熬稳定戆来蹇黢王艺参羧交纯鼯瓣惑嘏滚夔影璃翡方洼，努逶过p s p i c e 进行了 模拟实验。实验结果表明，利用电流特征符母稳定性的方法能在一定程度上达到 赢黢参数影璃酶霹煎，典畜一定熬爵符往。 美键逶；瓣态逛濂溅试 p s p t c e 摸熬；蒙特卡罗分橱；i 蕊参鼗 遗遵特征 i i a b s t r a c t t h ei d d tt e s t i n gc a nd e t e c td e f e c t sb yd i f f e r e n ti d d tb e t w e e nt h ed e f e c t f r e e c i r c u i t sa n dt h ed e f e c to n e s w h e nt h ed e f e c ti sa c t i v a t e d 。i ft h ed i f f e r e n c ei sm a r k e d t h e nw ec a ns a ys o m ed e f e c t sa r ed e t e c t e d b u t ，e v e ns a m e i n t e g r a t e dc i r c u i t s m a n u f a c t u r e db ys a m et e c h n i c sa l s oh a v ed i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r , a n dw i t ht h e a p p l i c a t i o no fv e r yd e e ps u b m i c r o n ，s o m ep r o c e s sv a r i a t i o n sc a ne f f e c to nc i r c u i t o p e r a t i o n i ni d d tt e s t i n g ，s a m ei n t e g r a t e dc i r c u i t sm a n u f a c t u r e db ys a m et e c h n i c sc a n d r a wd i f f e r e n ti d d td u et ot h ep r o c e s sv a r i a t i o n sb e t w e e nt h ec i r c u i t se v e nt h o u g ha n i d e n t i c a lt e s tv e c t o ri sa p p l i e dt ot h e m w h e nt h ed i f f e r e n c ei sm a r k e d ，i ti sd i f f i c u l t t od e t e r m i n ew h e t h e rt h ev a r i a t i o ni ni d d ti sd u et op r o c e s sv a r i a t i o no ri sd u et o d e f e c t s a n di fw ed i s r e g a r dt h ee f f e c t so f p r o c e s sv a r i a t i o no nc i r c u i to p e r a t i o n ，i ti s v e r yp o s s i b l et h a tw ec o n s i d e rt h a td e f e c t sa r ed e t e c t e d s o ，am e t h o ds h o u l db eb r o u g h tf o r w a r dt oo v e r c o m et h ep r o b l e mo ft h ep r o c e s s v a r i a t i o ni nl o o tt e s t i n g a n di ni d d qt e s t i n g ，t w oi n t e g r a t e dc i r c u i t so ft h es a m e d e s i g nc a na l s od r a wd i f f e r e n ti d d qv a l u e sf o rt h es a m es e to fi n p u tt e s tv e c t o r sd u e t op r o c e s sv a r i a t i o n sb e t w e e nt h et w oc i r c u i t s t h ec o n c e p to f “c u r r e n ts i g n a t u r e s w a sp r o p o s e dt od i s t i n g u i s ht h eg o o dc i r c u i ta n dd e f e c to n e sm o r ee f f e c t i v e l y c u r r e n t s i g n a t u r e sd on o td e t e c td e f e c t sb yas i n g l ep a s s f a i lt h r e s h o l d ，b u tb yt h ec h a r a c t e ro f t h es i g n a t u r e s f r o mt h em e a s u r e dv a l u e so fi d d q ，ac u r r e n ts i g n a t u r ei sg e n e r a t e d t h ec u r r e n ts i g n a t u r ei n c l u d e sa no r d e r i n go ft h ei d d qm e a s u r e m e n t sf r o mt h e s m a l l e s tv a l u et ot h el a r g e s tv a l u e t h ei m p a c to fp r o c e s sv a r i a t i o ni ni d d qc a nb e o v e r c o m e de f f e c t i v e l ya c c o r d i n gt ot h ei n v a r i a n c eo fc u r r e n ts i g n a t u r e s i nt h i sp a p e r , t h ec o n c e p to f “c u r r e n ts i g n a t u r e s ”i sa p p l i e dt ot h ei d d tt e s t i n g am e t h o dw h i c hm a y o v e r c o m et h ei m p a c to fp r o c e s sp a r a m e t e r sv a r i a t i o ni ni d d ti sp r o p s e db ya c c o r d i n g t ot h ei n v a r i a n c eo fc u r r e n ts i g n a t u r e s ，a n di sv a l i d a t e db yp s p i c es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o l dc a no v e r c o m et h ei m p a c to fp r o c e s s p a r a m e t e r sv a r i a t i o ni ni d d t ac e r t a i ne x t e n t a n di sf e a s i b l e k e yw o r d s ：i d d tt e s t i n g ；p s p i c es i m u l a t i o n ；p r o c e s sp a r a m e t e r s ；m o n t e c a r l o a n a l y s i s ；c u r r e n ts i g n a t u r e s 1 1 1 种克服工艺参数影响的瓣森电流测试方法 播豳索孽l 辫 + 1c m o s 邀舞靛辕天帮耩窭3 图1 2c m o s 电路及电压和电流波形3 鹫1 3i d d q 梭蕤羧辩示意鬻4 图1 4 全速电流测试方法涿意图6 嚣2 1 数簿逮蘸夔t d d q 与无蔽簿毫薅i d d q 辩选较。8 图2 2 栅长与i d d q 关系9 鋈2 + 3e 3 5l im 工麓戆嚣p1 2 0 ka s i c 麓魄滚跨餐。i o 图2 4 不同工艺无敞障芯片的稳怨电流阁1 1 受2 5 线经溪羟嚣( 1 ) 1 2 图2 6 线性回归图( 2 ) 1 3 蓬2 。7 跪镬法捡溅竣障爨瑷瑟一l 毒 图2 8 无故障芯片电流圈1 4 鍪2 , 9 越过矮大彀流上袋缓夔毂簿葱冀一 5 图2 1 0 低于最大电流下限值的敞障芯片1 5 嚣3 c m o s 与嚣您舅赣菠薅毫臻霪，l 霪 图3 2 与门惯性延时示意阁2 1 墅3 3 廷辩怼譬蹬戆影响( ) 一2 2 图3 4 延时对冒陵的影响( 2 ) 2 2 銎3 5 延霪雩对霹验静影嚷( 3 ) 一2 2 图3 6 工艺参数对瞬态电滤的影响( 肚a ) 2 4 匿4 2 辏入与饕门电路辫一2 9 图4 22 输入与非门p 1 m o s 管歼路故障电路图3 0 巨4 。3 与嚣门电路3 0 图4 4s p i c e 网袭文件生成算法流程图3 2 匿4 5c 4 3 2 曩故簿电路移1 8 8 p l 努路鼓障电路平均奄滚鼹( 肆a ) 一3 8 图4 , 6 无故障电路蒙特卡罗分析缩果( 1 ) 3 8 露4 7 无数障惫路蒙特卡罗分橱绐粜( 2 ) 3 8 图4 8 无故障电路蒙特卡猡分析缩粟( 3 ) 3 9 图4 91 8 8 p l 开路故障电鼹蒙特卡罗分掇结果( 1 ) 3 9 图4 + 1 01 8 8 p l 敌障电路蒙特卡罗分祈结槊( 2 ) 3 9 匿4 ，l l1 8 8 p l 故艨邀路蒙特卡罗分板结巢( 3 ) 4 0 v l 霞4 ，1 2c 4 3 2 冤放漳魄路窥4 4 4 冗余放漳恕貉平均泡流图( 弘a ) 4 0 v 一种克撒工艺参数辫响的瞬瘩电流潮试舟法 _ i 一， i i i i i _ j e # _ _ - _ _ 1 日e _ 附表索号l 表2 。 苓鬻工艺下瓣i d d q 蓬9 表3 1 两输入与非门开路输出表1 9 表3 。2a 赣入与蔫门f 净l h ) 开路敬障溅试岛耋交。l 擘 表3 3n 输入或非门( i _ 1 n ) 开路敞障测试向量袋1 9 表3 4 毪输入薅门羚路薮辩溪试囱爨表2 表3 5n 输入与门( l n ) 汗路故障测试向量表2 0 表3 6 珏输入或门f 转l 婶开路故簿灞试溆羹表2 9 表4 i 无故障电路和1 8 8 p l 开路敞障电路部分实验数据3 7 表4 2 无数簿电路张4 4 4 强余款障怒臻罄努实验数据，；4 l v n l 湖南大学 学位论文原钢性声蠲 本入郑重声臻：掰曼交辩论文是本天蟊导爨鹃指导下独立避簿研究所取 j | 铎的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 魏毽令人或集体毫经发表或撰写酌旗采豫晶。对本文游研究徽出重瑟贡献 的个人期集体，均已在文中以明确方式标嘎。本人完全意识到本声鹕的法 律后采洳本入承担。 作者签名：蟊耗日期：2 0 0 6 年5 月n 日 学位论文叛权使耀授权书 本学位论义作者究全了髂学校鸯关傈嫠、使粥学位论文的嫂定，嬲意学 校保留并向国窳有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阕移撩阕。本久授权溜最大学霹以将零学馑谂文夔全部或都努蠹容壤入 材关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学整论文。 本学位论文属于 l 、保密西，在年解密后适爝本授税书。 2 、不保密殛。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 尊撵签名； 盏袍 广f 叫 1 日期：2 0 0 6 年5 月聃日 銎甥：2 0 0 6 年5 秀融g 1 i 研究背景 筹1 豪绪论 鬻潜各种数字系统宽其怒数字计簿视的飞速发糯，集成电路得剿了十分广泛 躲应耀，其裁遗水平窝工艺瞧隧之遗邃提褰。鸯了镶逐系绞避簿懿嚣矬，爨痰 啦路测试技术溅为了数字系统暇许制满过程串非常关键的环。然而集成电路的 嶷成发，瓣攘农复杂发爨瑰氆鼹键缀数瓣增长速度，遽绘毫黪溅试瓣寒了缀大篷 雅度，淄藉于雹潦虢了徽移薪的黼题，缝传统的测试敝术和方法已不能谲魑八们 趟系统靠蛙懿溪求。簧解决这些趣簇，遣镪嚣要袋鼹一些裁瓣测试疆谂，溅试 枝术帮方法。 8 0 簿攸阜鼓，太嬲提出? 怒稳卷瞧滚溅试 1 肛塑坠 。u i 等嗍 2 2 工艺变化对稳态电流的影响 随着c m o s 工艺进入瀑亚微米领域 随着c m o s 工岂进入深亚微米领域 8 器件特征尺寸的缩小和规模的增大，尤 器件特征尺寸的缩小和规模的增大，无 硕士学位论文 缺陷i d d q 显著增大，区分有缺陷和无缺陷i d d q 变得越来越困难。而且由于制 作工艺的不同，也可能使得i d d q 过大，影响对电路是否存在故障的判断。表2 1 列出了不同工艺对应的典型的i d d q 值【1 6 j 。 表2 1 不同工艺下的i d d q 值 t h o c h n o l o yi o f f ( p a ) v d d 【v )t o x ( a )v t ( t ) ( um ) n m o sp m o s 0 851 5 0 1 0 0o 8 o 7o 0 1 0 50 0 0 5 - 0 0 2 0 65 - 3 31 0 0 - 8 0o 7 5 0 6 50 0 5 - 0 50 o l - 0 2 0 55 - 2 39 0 7 00 7 0 60 1 2o 1 1 0 3 53 3 2 58 0 6 00 6 5 0 5 5 o 5 1 0 0 1 1 0 o 2 53 3 1 87 0 5 00 6 0 56 6 00 5 2 4 0 182 5 i 85 5 3 5o 5 5 - 0 4 54 0 - 6 02 0 3 0 0 图2 2 表示的是栅长与i d d q 的关系1 6 i ，从图中可以看出，当栅长( l 。r r ) 小 于o 2 5um 时，i d d q 急剧增加。在这种情况下，对于同一设计的电路，由于制 作工艺的不同，即使是无故障的两个电路，其i d d q 值也有很大的差别，这就影 响了对电路是否存在故障的判断。 ” 图2 2 栅长与i d d q 关系 2 3i d d q 测试克服工艺参数影晌的方法 长舢m ) 电流测试基于的是无故障电路的静态电流远小于有故障电路的静态电流的事 实，随着c m o s 工艺进入深亚微米领域，工艺特征尺寸的减小和电路密度和集成 度的增高，无故障电路的静态电流随之增大。深亚微米条件下减小i d d q 的方法 包括：降低温度、衬底反偏、降低v d d 、多阀值设计、采用s o i 工艺和电源电压 总线分离等方法，具体原理及实现方法在文献【”1 中作了比较详细的论述。 9 静克骚工艺参数彩糖髀瓣悫电漉测试方法 幽于工艺不同导致无故簿电路和数障电潞的静杰电流之间的差距变小，影响 了对电路是否存在故障的判断。因此，新的方法被掇融，以克服不同工艺给i d d q 带来的影响。本文介绍其中一种原理和实现都比较简单的方法，楚稔为比傻法1 7 】。 2 3 1 电流特征符号的概念 为了提高区别故障电路与无敞障电路响应的分辨能力，电流特征( c u r r e n t s i g n a t u r e ) 的镶述藏褥竣提毒【搏l 。亳流特餐箍述技术不是校舞擎个阉僵来凑定逮 路是谮有故障，而是根据特征符号来分析。特征符号是对所有测量值的幅值排序 穗柬鹣。 如图2 3 是个滚用o 3 51 1m 工慧制造h p1 2 0 k 的a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 辩纛翡稳态窀滚黧f 抒l 。该强是在黧产嚣试孛醣菜耱方式翻褥熬 无故障电流图，图中的横坐标是按照对应的稳态电流从小到大的顺序排列的测试 淘量，缀垒搽楚每个测试自爨霹痰豹稳态宅流。逮藏是该亳潞豹毫流特薤镣号， 实质上就是用指定的测试向凝集进行测试后，对所有i d d q 按照从小到大的顺序 撵列绘鞭出黪稳态寇流蛰懿鏊本形获。 翻2 30 。3 5 # n l 工翌的h p l 2 0 k a s i c 嚣电流特征 电流特征符号可以应用列任何无故障芯片。即对于工蕊不同的无故障芯片， 翅提燃的测试翱量篡_ 秘鞠弱鲍顺序遴童亍测试，褥到电流韭线形状近识相嚣靛电流 图。 圈2 4 f 】7 】楚与图2 。3 所示媳路采用袒圈设计、不阏工艺的两个模块的电浚特征 符号，该图怒用实测的方法襻到的。每个模块内含有若干个无敌障芯片，对每个 芯片用指定的测试向嶷集进行测试，求褥每个模块对应每个囱量的平均电滚，按 照从小到大的顺序排列，就褥到如图2 3 所示的稳态电流圈。图中横坐标怒与图 2 1 3 棚同排序的测试囱量集，两条曲线分别对应疆个纵坐撂。从图中可以疆出， 两个模块由于工艺的不同，程相同的测试向燕下得到的稳态电流的绝对值肖很大 l o 的差别，但是其基本形状是相同的，即电流特征符号具有稳定性。 图2 4 不同工艺无故障芯片的稳态电流图 2 3 2 用电流比值描述电流特征 文献【1 7 】提出了一种简单的描述电流特征符号的方法，该方法用电流特征的 最大值和最小值的比值来描述电流特征符号，如公式( 2 1 ) 所示。式中s l o p e 是 最初的，也就是在生产测试中得到的电流特征符号曲线的斜率，实质上就是电流 最大值和最小值的比值。 m a x = s l o p e x m i n( 2 1 ) 这样，电流特征符号通过一个公式表现出来，而不再是用测试向量集和相应 的电流来表示。 在生产测试中，对每个模块用指定的测试向量集进行i d d o 测试时，总有一个 测试向量会使得i d d q 值最小。确定了这个向量及其对应的最小i d d q 值后，最 大电流可以用公式( 2 1 ) 计算出来，而一旦测试向量集中有向量引起的i d d q 值 超过计算得来的最大电流时，就认为是有故障的。这样，在实际测试中，只需要 将在生产测试中引起最小i d d q 值的测试向量输入到待测芯片中进行实测，得到 待测芯片的最小电流后，由公式( 2 1 ) 可计算出最大电流，这样，测试向量集中 的其他测试向量就可以用测试仪来比较，而不用测量i d d q 值的大小，只需与计 算出的最大电流比较，若超过的话，就可认为芯片有故障，就不需要对剩余测试 向量进行测试了。 但是，实际上工艺变化对i d d q 测试有两个比较大的影响：其一，对不同的模 块，它们的i d d q 电流在整体上有很大的差异；其二，对于一个模块内的芯片， 它们在同一个测试向量下的i d d q 电流有较小的波动，如图2 4 所示，图中同一 u|兰是：o 瑚 啪 啪 啪 哪 哪 啪 vj。ul-墨匕jo 个测试向量对应多个不同的i d d q 值。这两个影响都应该考虑到，而公式( 2 1 ) 显然只考虑了第一个影响。为了更准确的表现工艺变化对i d d q 的影响，对公式 ( 2 1 ) 进行了修改，得到公式( 2 2 ) 。 m a x = s l o p e xm i n + i n t e r c e p t ( 2 2 ) 对于设计相同的电路，其电流特征都可以用公式( 2 2 ) 来描述，且两个变量 s l o p e 、i n t e r c e p t 是一个确定的值。这两个变量的值可以用线性回归( 1 i n e a r r e g r e s s i o n ) 的方法来确定。 对给定一个样品中的a s i c 芯片( 其中有的芯片是有故障的) 进行i o d q 测试 后，将每一个芯片对应的i d d q 电流的最大值和最小值作为线性回归的应变量和 自变量，得到最初的线形回归，如图2 5 所示。图中横坐标对应最小电流，纵坐 标对应最大电流，这时每个芯片的电流特征在图2 5 中就是一个点【l ”。 ，神上5 洲，i 图2 5 线性回归图( 1 ) 从图中可以看出，较多的点趋近于一条直线，这些点对应的都是无故障芯片。 但是也有的点，偏离得比较远，这样的点称之为“o u t l i e r ”，显然是有故障的芯片 对应的点。对这些点，可以移除，判断的标准是看这些点是否超过平均残差的三 倍标准差。将超过三倍标准差的点移除后，再进行线性回归，直到只剩下无故障 芯片对应的点，如图2 6 所示，得到s l o p e 和i n t e r c e p t 这两个参数，确定这一设 计的无故障的a s i c 芯片的i d d q 最大值与最小值的函数关系【1 7 】。 2 3 3 i d d q 测试克服工艺参数影响的方法 在得到某一设计的 d d q 电流的最大值和最小值的线性关系后，由于测量的 误差和工艺参数的不稳定性，在用于判断待测芯片是否有故障之前，还要指定一 个允许的误差范围。如果测到的i d d q 值超出了这个范围的话，就可以认为是有 1 2 譬#盖|量量差 硕士学位论文 p j 竹1 埘，x ；件岫m - 2 麓 图2 6 线性回归图( 2 ) 故障的。公式( 2 3 ) 允许的范围的上限。 t u p p c r = s l o p e xm i n m e 。s + i n t e r e e p t + 3or 口s i d ( 2 3 ) 式中t u p p 。和是允许的最大电流的上限值，m i n 。；是通过测量得到的电流最 小值，o 。i d 是残数( r e s i d u a l ) 的标准偏差。 上限值的计算是基于选择的产生最小i d d q 值的测试向量恰好也对应实测中 的最小电流值。但是，如果这个向量正好激活某个故障，而测试向量集中的其他 向量并没有激活故障的话，那么这个时候m i n m 。实际上是故障电流，要比无故障 时的m i n 。要大很多，根据公式( 2 3 ) 计算得到的t 。p m 也比较大。而其他测试 向量由于没有激活故障，得到的i d d q 值会比t u p p 。，小很多，在进行比较时，如 果不设置最大电流值的下限的话，则会认为这样的芯片是无故障的。因此，还需 要对最大电流设置下限，公式( 2 4 ) 描述的是最大电流的下限值的计算方法。 t i o w t r2m i n m s a s s u m e 一3or e s i d( 2 4 ) 图2 7 是电流比值法检测故障的原理卧”j 。公式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 在图中对应两 条直线，如果待测芯片测得的最大电流值在这两条直线之间，则该芯片是无故障 的，反之，则是有故障的。 在实际测试中，先对预先确定的引起最小i d d q 值的测试向量进行实测，得 到m i n 。，然后根据公式( 2 3 ) 和公式( 2 4 ) 计算出t 。，和t l 。，。对测试集 中的其他向量对待测芯片进行测试，将得到的值与t p o 。r 和t l 。，比较，若超过 t 。p p e ，则待测芯片的某个故障被检测到；若低于t l o w 。，则说明预先确定引起最 小i d d q 值的测试向量检测到了故障。只有当所有的测试向量的i d d q 值介于两 者之间时，待测芯片才能通过检测。 如图2 8 ，2 9 ，2 1 0 表示的是用比值法对三个不同芯片进行检测的过程【1 7 】。 图中的横坐标是排序后的测试向量，纵坐标是稳态电流。其中1 号向量是产生最 小稳态电流的测试向量，上下两条虚线分别表示根据l 号向量对应的稳态电流值 j#ilel 一种克服j 二芝参数影响的瞬态电流测试方法 帮公式 2 , 3 ) 、( 2 。4 ) 诗冀褥羁貔菠丈毫滚瓣上袋毽帮事袋筐。 i d 瓤t b t 翻畦n e dl i n 。s t a t e 图2 7 比值法检测故障原理嘲 图2 8 所示的芯片是无故障的芯片。虽然由于测嫩过程中的一些不确定因素， 其中有的测试向擞慰应的稳态电流比1 号向量对应的德还要小，但是并不能说这 是由鼓薅弓l 起豹，强为获有测试内爨辩应瓣稳态电浚帮没有超过最大毫滚敬上疆 徨，也没有低予下疆僮。困诧，该蕊片是无敌薄静。 强2 ，8 光故障芯挎电流髓 圈2 , 9 繇示瓣蕊片孛壶予毒灏试囱量雩l 霆豹稳态邀渡超 童了最大上隈氆，舞 以该芯片是育故障芯片。 1 4 豳2 9 超过最大电流上限值的故障芯片 烫2 1 0 爨示懿莛测试囱爨孳| 起戆稳态毫浚魄f 隈篷还要小瓣惨提。这是莲必 事先旗焱靛葶| 起最枣稳态魄漉的1 号商薰正辩激活了敖障，使公式( 2 4 ) 中的 m i i l m 。道大，从而使得t l 。w 。，过大，而不能激活该故障的其他测试向量引起的稳 态电流就w 能比t l 。值要小。显然该芯片也越肖故障的。 囤2 1 0 低于最大电流下隈德的故障芯片 2 4 本章小结 本章介绍了工艺变化对i d d o 测试的影响，详细阐述了i d d q 测试克服工艺变化 带来的影响的一种比较简单的方法：比值法。对该方法的原理以及实现都作了仔 细的研究，为i d d t 测试克服工艺参数的影响提供了思想基础。 1 6 硕士学位论文 第3 章i d d t 测试及其克服工艺参数影响的方法 随着电路集成度的不断提高，c m o s 电路中的开路故障、串扰( c r o s s t a t k ) 故 障越来越多，对电路的影响越来越大，而这些故障用稳态电流的方法不能有效地 检测出来，人们开始寻求新的测试方法。 2 0 世纪9 0 年代中期，人们提出了瞬态电流测试( i d d tt e s t i n g ) 的概念【1 9 23 1 ，企 图通过分析无故障电路和故障电路在两次稳定状态之间电流变化过程的不同来发 现一些其它测试方法不能发现的故障，以提高故障覆盖率，满足人们需要。有学 者在文献【2 4 ，2 5 】中讨论了动态电流测试的可行性和实用性。动态电流测试作为电 压测试和静态电流测试的一种补充手段逐渐受到人们的重视【2 6 1 。 在瞬态电流测试中，信号在电路中传播的过程中由于受到逻辑门延时效应的 影响，而逻辑门的延时大小又和制造工艺、生产环境等因素密切相关，这就带来 了一些不确定的因素。在实际生产中，即使采用同种工艺，不同批次生产的芯片， 其逻辑门的延时值也有所不同，这实质上是由于工艺参数的不同引起的。 3 1 瞬态电流测试的基本理论和方法 3 1 1 故障模型 一个元件、电路或系统的故障是千变万化的，为了研究故障对电路或系统的 影响，诊断( 定位) 故障的位置，有必要对故障作一些分类，并构造最典型的故 障，这个过程叫故障的模型化。用以代表一类故障的典型故障称为模型化故障。 目前常见的故障有固定故障，桥接故障，开路故障，时滞故障等。下面分别对本 文研究的故障模型进行简单介绍。 3 1 1 1 固定型故障 固定故障( s t u c k a t f a u l t s ) 模型主要反映电路或系统中某根信号线( 如门的输入 线、连接导线等) 上的不可控性，即在系统运行过程中永远固定在某一个值上。 在数字系统中，如果该线( 或该点) 固定在逻辑高电平上，则称之为固定1 故障 ( s t u c k a t 1 ) ： 如果该线( 或该点) 固定在逻辑低电平上，则称之为固定0 故障 ( s t u c k a t 0 ) 。根据电路中固定型故障的数目，可分为单固定型故障，即电路中只 存在一个固定型故障，和多固定型故障，电路中只存在二个或二个以上的固定型 1 7 种克服t 艺参数影响的瞬态电流测试方法 故障。这种故障模型中晟常用的是单固定型故障。 固定故障模型在实际应用中非常普遍，对于固定故障的测试生成和故障模拟 技术也日趋完善。 3 1 1 2 开路故障模型 一个二输入c m o s 与非门包括两个串联的n m o s 管和两个并联的p m o s 管。 每一个输入端连接到一个n m o s 管和一个p m o s 管的栅极。当输入端a 、b 中有 一个为低电平时，就会使与它相连的n m o s 管截止，p m o s 管导通，输出端上为 高电平；仅当a 、b 全为高电平时，才会使两个串联的n m o s 管都导通，鼹个并 联的p m o s 管都截止，输出端为低电平。因此，这种电路具有与非的逻辑功能， l = a b 。 如果c m o s 逻辑门内一个三极管的漏极或源极出现开路，对于整个门来说， 将表现为什么故障呢? 通过分析得知，逻辑门内部的单开路故障不一定等效于逻 辑门的单固定故障。以二输入的c m o s 与非门为例，当图3 1 划“x ”的条管脚 发生开路时，如果a 、b 都是高电平，则n 1 、n 2 导通，p l 、p 2 截止，p 1 的开路 故障对输出没有影响输出结果为低电平。如果，接着a 的输入变为低电平，则 应该n 1 截止，p l 导通，由于p 1 管脚的源极开路，p 1 仍然相当于是截止，于是， p 1 、p 2 、n 1 、n 2 都处于截止状态，此时，输出端仍然保持为低电平。但这时并 不是输出端的固定为0 故障。如果接着b 的输入降为低电平，则p 2 导通，n 1 、 n 2 截止，输出为离电平。 + v d d b l b 图3 1c m o s 与非门开路故障电路圈 对其他的管脚进行同样的分析可以得到类似的结果，表2 1 中给出了当a 、b 取所有可能值时，两输入与非门内某一m o s 管开路时的输出。 从表3 1 可以发现：故障电路在一定输入下，其输出仍然保持上一次的状态， 即变成一个具有存储特性的电路单元。因此c m o s 逻辑门的内部管脚开路故障是 硕士学位论文 一种存储型故障，或时序型故障。 表3 1 两输入与非门开路输出表 输出 ab p l 开路p 2 开路n 1 开路n 2 开路 ll0o 不变不变 l0l 不变 ll ol 不变l 11 00llll 要能够测试固定型故障，就要使得故障发生时的逻辑输出值与无故障时的逻 辑输出值不一样。由于开路故障是存贮型故障，就需要一个向量对来区分好电路 和坏电路。从表3 1 可以看出，对于一个2 输入的与非门而言，当有一个m o s 管 发生开路时，对于其所有可能输入组合只有一种输入可能激活故障，使故障逻辑 门的输出保持原有输出。因此，需要在故障门注入一个向量对，使其在前后两个 向量作用下的输出值不同，则无故障时将输出一个跳变，故障时将保持为第一个 向量的输出，此时才能激活故障。如要激活一个二输入与非门的n 1 开路故障， 需要注入的向量对为( 0 x ，1 1 ) ，该门无故障时输出下跳变，故障时输出为1 。因此， 需要跳变才能激活开路故障，即开路故障测试需要一个向量对，而不是一个向量。 类似地，可以推导出激活n 输入的各种基本逻辑门的各个开路故障需要的测 试向量。 表3 2n 输入与非门( 卢l 月) 开路故障测试向量表 故障类型测试向量对无故障输 竹故障输出 p f 开路1 1 1 1 仉1 1 l o l0 o n f 开路 x 0 ，x 一x _ + 1 一1 l 0l - 1 表3 3n 输入或非门( i _ l n ) 开路故障测试向量表 故障类型测试向量对无故障输出 故障输出 p f 开路 x 1 x x + o 00 - 1 0 + 0 n i 开路0 0 _ + o o 1 0 0 0 1 0l + 1 1 9 种克服工艺参数影响的瞬态电流测试方法 表3 4n 输入非门开路故障测试向量表 故障类型测试向量对无故障输出故障输出 p 开路 l + 00 10 0 n 开路 o _ ll _ ol _ i 或门和与门分别可以看成是一个n 输入的或非门和与非门串接一个反向器组 成。将与非门中的m o s 管标记为1 n ，反向器中的m o s 管标记为n + l 。根据以 上分析也可以推导出其各种开路故障的测试向量。 表3 5n 输入与f 1 0 = 1 n ) 开路故障测试向量表 故障类型 测试向量对 无故障输出故障输出 p 开路 i 1 + 1 1 o j l 1 11 + 01 ，l n ，j i ：路 x 0 ，x x _ 1 10 _ 1o + 0 ，开路x 0 ，x x 一1 1 0 1o 一0 n 。，开路 l l ，x 0 ，x x1 _ 01 l 表3 61 1 输入或门( i _ l n ) 开路故障测试向量表 故障类型测试向量对无故障输出故障输出 p ，开路x l ，x x 0 o l 0 i + l n ，开路0 o + 0 0 1 - 0 0 0 0 一l0 + 0 p 。+ 开路 0 0 x l ，x x 0 10 0 n 开路 x ，一t ，x x 啼0 0 1 0i + i 3 1 1 3 延时模型 传输延时是指信号通过元件或导线传播时引起的延迟。电路中的传输延时包 括门传输延时和线传输延时。事实上，当工作频率较低时，电路中的门传输延时 是远远大于线传输延时的，在通常情况下，线传输延时可以忽略不计。电路中的 传输延时起到了波形平移的作用。 电路中的元件转换工作状态需要消耗一定的能量，信号的能量是其幅度和时 间宽度的函数。如果信号宽度太小，这个信号可能无法使元件完成转换状态。为 了使电路的元件发生状态的转换，输入信号的变化必须要维持的最小的持续时间 周期称为元件的惯性延时1 2 7 1 。信号在电路中沿不同路径传播，由于不同器件的传 输延时的不同，就有可能产生静态或动态冒险。由于电路中元件的惯性延时作用， 硕士学位论文 如果冒险的两个跳变的时间间隔较短，则这个冒险可能将不会通过这个逻辑门。 在测试产生中，我们考虑了门的传输延时和惯性延时，将两种延时结合形成延时 模型。 以一个两输入的与非门为例，如图3 2 ，假设该与门的传输延时为2 ，惯性延 时为2 ，在它的两个输入端分别在l 时刻和2 时刻输入一个上跳交和一个下跳变。 若不考虑惯性延，该门将在3 时刻输出一个宽度为1 的脉冲；考虑惯性延后，由 于惯性延时大于脉冲宽度，与门输出将维持为0 。 t l 图3 2 与门惯性延时示意图 3 1 2 冒险与瞬态电流的关系 电路中由于逻辑门的延时效应，使得信号在不同时间到达同一逻辑门的时候， 可能其输出线上产生若干冒险。冒险对瞬态电流的大小的影响是不可忽视的。门 延时的大小不但和门的类型有关，而且和生产工艺相关并服从正态分布。 研究人员发现平均瞬态电流的大小与被测电路中加权上跳变的个数成比例。 然而，这些跳变不一定都是稳定的跳变，其中还可能包含有冒险。 瞬态电流测试方法，冒险这两者与定时的关系紧密。因为在过渡过程中平均 瞬态电流的大小由电路中加权上跳变的个数决定【2 8 】，上跳变的个数受冒睑个数的 影响，冒险的个数又受到电路门延时的影响，如果门延时发生某些改变，冒险的 个数可能也会发生相应的改变，从而导致电路总的加权上跳变个数随之改变。这 样就造成了平均瞬态电流的变化。 如图3 3 所示，一个2 输入或门的输入波形分别为输入l 和输入2 ，阴影部 分表示上下跳变( 由黄线表示) 可能发生的时刻。之所以会存在这么一个跳变发 生的时间区域，是由于芯片制造过程中温度、扰动等多种因素造成的。可以看到， 当这两个跳变在如图3 3 所示的时刻发生时，在或门的输出将产生一个冒险。如 果这两个跳变出现的时刻发生变化，如图3 4 所示，冒险将消失。 2 i 一种克服j 二艺参数影响的瞬态电流测试万法 输入1 输入2 输出 输入1 输入2 输出 二驴 2 输入或非门 对冒险的影响( 1 ) 2 输入或非门 图3 4 延时对冒险的影响( 2 ) 在测试产生算法中，我们采用了传输延时和惯性延时两种延时模型。因此， 我们在考虑了传输延时变化对测试产生影响的同时，还需要考虑惯性延时对测试 产生的影响。现在，以一个2 输入与门为例进行说明，矩形阴影表示的含义和图 3 3 ，3 4 中的相同，设惯性延时的标称值位g ，变化比例为a 。 输入。豳纩一 输胞_ _ 1 输出囫酊1 l 2 输入与非门 图3 5 延时对冒险的影响( 3 ) 如果t l ( 1 + a ) g ，必定有冒险；如果( 1 一) g t i ( 1 + n ) g ，有无冒险视具体情况而定。 硕士学位论文 3 1 3 自动测试生成 对于经典的测试方法如电压测试而言，自动测试生成是指针对一种故障类型， 采用一种专门的算法来产生测试向量的过程，测试向量是面向被测电路的一个输 入向量，能够使电路中的某一故障可以从原始输出端观察出来。 1 9 6 6 年，r o t h 提出了著名的d 算法 2 7 , 2 9 ，并从理论上证明了d 算法的正确 性。此后，国际上又先后提出了基于布尔代数的布尔差分算法【2 7 1 、基于九值逻辑 运算的九值算法、面向通路判定的p o d e m 算法。日本学者弗吉瓦拉( f u j i w a r a ) 和西莫诺( s h i m o n o ) 于1 9 8 3 年提出了著名的f a n 算法【2 9 】【3 0 1 ，有效的提高了测 试生成的效率。在f a n 算法的基础上，人们又提出了s o c r a t e s 算法【3 ，该算 法提出了一种全局蕴涵的策略，并改进了唯一敏化策略和多路回退策略。我国学 者魏道政教授提出的多扇出分支计算的主通路敏化方法以及图论法在实际应用中 也体现出了较大的优越性【2 ”。国防科技大学曾芷德教授提出的g f 二值算法，简 化了测试产生算法的程序实现，提高了算法的效率【32 1 。1 9 9 4 年，中科院计算所闵 应骅教授提出的“布尔过程论”的概念，布尔过程论将布尔代数与时间结合起来， 为异步性描述提供了比较形式的理论基础，并在通路敏化、电源消耗的计算、瞬 态电流测试方法、时延故障诊断等方面取得了实质性的进展 1 2 , 3 3 , 3 4 。 瞬态电流测试研究的是电路状态转换过程中电路的行为。对某一个故障，瞬 态电流测试生成必须保证电路故障点的状态在测试向量对的作用下会发生改变， 也就是说测试向量对需要在故障位置产生一个由0 到1 或1 到0 的跳变以激活故 障。用瞬态电流测试方法区别无故障电路和故障电路，要求两者瞬态电流的差别 足够大。湖南大学计算机通信学院邝继顺教授研究发现了电路的平均瞬态电流和 电路中跳变个数之间的关系并建