（测试计量技术及仪器专业论文）存储器测试技术及其在质量检验中的应用研究.pdf

y8 4 g b l g 存储器测试技术及其在质量检验中的应用研究 测试计量技术与仪器 专业 研究生：张必超 指导教师：蒋大文 电子元器件的质量特别是存储器的质量真接关系到电子设备研制的可靠性 水平。因此，在上机之前对所有的存储器必须进行严格的测试和检验。但随着 超深亚微米等技术的应用使得电路的集成度同益增高，大规模数字集成电路的 测试难度越来越大。随着质量体系认证工作的同益深入开展，国内很多电子设 备研制单位通常配备了成套数字集成电路及其它电子元器件的检验测试系统。 但从国外引进的大型测试系统，往往缺乏针对入场质量检测的测试程序及灵活 的测试适配器。 论文主要针对以上大型系统本身的缺陷，研究解决办法。首先，介绍了集 成电路主要是存储器及测试技术发展现状、趋势。论述了存储器的基本结构、 分类、故障模式以及其测试基本原理。然后，研究分析了产生存储器测试图形 的各种测试生成算法，包括齐步法、跳步法、行列走步法等。这些测试算法， 复杂程度不同，故障覆盖率也不同，在实际应用中可以适当选取。 此外，还对b i s t 测试技术在存储器测试中的应用进行了探讨。存储器特别 是嵌入式d r a m 的传统方法和b i s t 测试完全不一样，b i s t 测试方法将成为不仅 是存储器而是整个集成电路的主流测试技术。因为，随着微电子工艺和技术以 及通信技术的发展，特别是半导体存储器、中央微处理器、数字信号处理器和 可编程逻辑器件的需求量越来越大，性能要求也越来越高。但是随着系统芯 片的闩益普及，测试成本正呈现出增加的趋势。为了保持较低的测试成木，未 来的测试将会是完全i b i s7 r ，它已经在存储器测试、通信系统测试等方面与扫描 洲试结合并成功应用，它的优势已经突最m 来。基于b i s q l 的测试技术的发展和 完善是v i s j 制造业商1 珩，的项熏要课题。 最后，针对现有测试系统，疗质量检验测试中的不足，我们结合测试邶沦研 究，探讨解决方案，并把测试理论应用到已有的存储器测试系统中，进行测试 程序开发，并设计开发了大量测试适配器，解决了：厂程应用急需的各种存储器 质量检验测试难题。 经过实验对比与验证，经重新开发设计的测试适配器以及开发的测试程序 达到了预定目标，解决了工程应用中的难题，取得良好的科研与经济效益，受 到某部项目验收组的充分肯定。 关键词：存储器 测试生成测试图形适配器 川火学硕i 。学位论文 r e s e a r c ho i lm e m e r yt e s tt e c h n o l o g i e sa n di t s a p p l i c a t i o ni nq u a l i t yt e s t i n g m a j o r ：m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g i e sa n di n s t r u m e n t g r a d u a t e ：z h a n gb i c h a oa d v i s o r ：j i a n gd a w e n t h eq u a l i t yo fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t ，e s p e c i a l l ym e m o r y , i sr e l a t e dt ot h e r e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，a l lt h ec o m p o n e n t s ，i n d l u d i n gm e m o r y , s h o u l d b et e s t e db e f o r et h e ya r es e to nas y s t e m b u tt h et e s to fv l s ii si n c r e a s i n g l y d i f f i c u l tw i t ht h eu s eo fv d s mt e c h n o l o g y w i t ht h ea t t e s t a t i n go fq u a i l t ys ) ，s t e m ， m a n yb i gt e s ts y s t e m sa r ei n t r o d u c e di n t oc h i n a b u tt h e s es y s t e m sa r es h o r to f p r o g r a m sm a da d a p t e r su s e di nq u a l i t yt e s t f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ea c t u a l i t ya n dt r e n do fm e m o r ya n dt h et e s t t e c h n o l o g y0fme m o r y t h epa p e rdi s c u s s e smo s t l yofc o n f i g u r a t i o n ，c l a s s i f ya n d f a u l tm o d eo fm e m o r y s e c o n d l y , s t u d yt h ea l g o r i t h mo ft e s tg e n e r a t i o no fm e m o r y , i n c l u d i n gm a r c h i n g ，w a l k i n ga n dr o ww a l k i n g t h e s ea l g o r i t h m sa r ed i f f e r e n ti nt h e c o m p l e x i t ya n df a u l to v e r l a y w ec a np r o p e r l ys e l e c to n eo f t h e mi no u r c a s e b e s i d e s d i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no r bi s ti nm e m o r yt e s t b i s tt e c h n o l o g y w i l lb et h em a i nt e s tt e c h n o l o g yo fi c ，n o to n l yi nm e m o r yt e s t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm a c r oe l e c t r o n i ct e c h n i c s a n dc o m m u n i c a t i o n ，t h en u m b e ro f m e m o r y , c p l d ，c p u ，d s pi si n c r e a s i n g t h eq u a l i t yo ft h e mi s m o r eh i 曲l y d e m a n d e db u tt e s tc o s ti si n c r e a s i n gw i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fs o c i no r d e rt o k e e pl o w e rt e s tc o s t ，t h et e s ti nf u t u r ew i l lb eb i s tt e s te n t i r e l y t h eb i s tt e s t t e c h n o l o g yh a ss h o w n i t ss u p e r i o r i t yi nm e m o r yt e s tb yu s i n gi tc m n b i n e dw i t hs c a n t e s t t e c h n e l e g y t h e d e v e l o p m e n t o fb i s ti sa n i m p o r t a n t t a s ki nv l s i ma n u f a c t u l 。m g 1 i n n a l y , i no r d e rt ot n a k eu pt h e1 a c ko ft h et e s ts y s t e m ，w es t u d yt e s tt h e o r y u q 川人学硼i 学位沦义 a n du s ei to nt h es y s t e mw ee x p l o i tal o to ft e s tp r o g r a ma n da d a p t e r sa n ds e t t l e s o m ed i f f i c u l tp r o b l o mi nq u a l i t yt e s to fm e m o r y t h ee x p e r i m e n t a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a t a l lt h eh a n d r e d so fm e m o r yt e s t p r o g r a m ss a t i s f i e dt h er e q u e s t i ts e t t l e dt h ep r o b l e mi ne n g i n e e r i n g t h es o l u t i o n s a t s oa c q u i r e dr e s e a r c hb e n i f i t sa n de c o n o m i cb e n i f i t s o n eo ft h em i n i s t r i e sp r a i s e d j t k e yw o r d s ：m e m o r y t e s tp a t t e r n t e s tg e n e r a t i n g a d a p t e r 蚓大学硕f 。学位论文 1 绪论 1 1 课题的目的和意义 为保障陆基、海基、空基和天基等各类电子平台设备的质量与可靠性水平； 保证各类平台设备适应海岛、高山、酷暑、严寒等复杂气候条件下具备连续不 间断： 作的能力，依据要求，要在立足于现有测试检验手段条件下，解决各类 电子平台大量采用的存储器类集成电路检测与可靠性筛选难题。本研究论文是 基于某部“十五”技术基础研究课题写成。论文作者为该研究课题任务负责人。 本课题针+ 对大量电子设备采用的电路品种多、批量小、可靠性要求高的特 点，基于现有的集成电路测试系统软硬件平台，进行深入的理论研究、技术改 造设计及软件开发，解决现有平台在工程应用中遇到的难题，为提高电子设备 可靠性水平提供更强的检验测试与可靠性筛选能力。通过对现有数字集成电路 测试系统的分析研究与改进设计，克服现有平台缺陷，拓展测试系统的测试能 力，提高了存储器的可靠性保障水平。 电子元器件的质量，特别是存储器类集成电路的质量直接关系到研制设备 的可靠性水平。很多电子设备，工作环境恶劣，持续工作时间长，对元器件的 可靠性水平要求极高。为解决存储器类集成电路测试与可靠性筛选问题，很多 单位相继引进国外大型测试平台。但几乎都遇到工程应用中类似的难题：一方 面由于进1 3 数字集成电路测试系统存在测试向量版权以及软件开发成本等原 因，引进时测试系统只配备少量测试程序，远不能满足多品种集成电路测试检 验的需要，几乎所有的进口测试系统都存在后续测试程序开发问题；第二，进 口测试系统所配的测试接1 3 电路板价格昂贵且通用性差，使得系统测试能力无 法从硬件上进行扩展，从而使测试软件开发也受到限制；第三是测试效率太差， 无法满足整机设备研制进度要求。因此，针对现有平台在工程应用中遇到的问 题，开展相应的测试技术研究，解决应用难题，对提高电子设备质量与可靠性 水平，保障设备研制周期与进度，具有重要的现实意义与技术、经济价值。 1 2 国r a i l , 研究现状 1 21 数字集成电路现状 近年柬，随羲计算机技术和半导体技术的b 速发展，包括存储器存内的数 7 芦集成l 乜路的性能有了极大提高，其发展现状主要表现鸹：。 烈) i t j 、擎最k 学也论业 1 绪论 11 课题的目的和意义 为保障陆基、海基、空基和天基等各类电子平台没各的质量与可靠性水甲； 保证各类平台设备适应海岛、高l u 、酷暑、严寒等复杂气候条件下具备连续不 问断i 作的能力，依据要求，要在立足于现有测试检验手段条件下，解决各类 电子平台大量采用的存储器类集成电路检测与叫靠性筛选难题。本研究论文是 基于某部“十五”技术基础研究课题写成。论文作者为该研究课题任务负责人。 本课题针对大量电子设备采用的电路品种多、批量小、可靠性要求高的特 点，基于现有的集成电路测试系统软硬件平台，进行深入的理论研究、技术改 造设计及软件开发，解决现有平台存工程应用中遇到的难题，为提高电子设备 可靠性水平提供更强的检验测试与可靠性筛选能力。通过对现有数字集成电路 测试系统的分析研究与改进设计，克服现有平台缺陷，拓展测试系统的测试能 力，提高了存储器的可靠性保障水平。 电子元器件的质量，特别是存储器类集成电路的质量直接关系到研制设备 的可靠性水平。很多电子设备， _ 作环境恶劣，持续工作时间长，对元器件的 可靠性水平要求极高。为解决存储器类集成电路测试与可靠性筛选问题，很多 单位相继引进国外大型测试平台。但几乎都遇到工程应用中娄似的难题：一方 面由于进厂 数字集成电路测试系统存在测试向量版权以及软件开发成本等原 因，引进时测试系统只配备少量测试程序，远不能满足多品种集成电路测试检 验的需要，几乎所有的进口测试系统都存在后续测试程序丁_ i = 发问题；第二，进 口测试系统所配的测试接口电路板价格昂贵且通用性差，使得系统测试能力无 法从硬件上进彳了扩展，从而使测试软件开发电受到限制；第三足测试效率a 差， 无法满足整机设备研制进度要求。因此引对现有平台存工程应用中遇到的问 题，”展相应的测试技术研究，解决应用难题，对提高电子设备质量与可靠性 水平，保障设备研制周期与进度，具有重要的现实意义与技术、经济价值。 l ，2 国内外研究现状 121 数字集成电路现状 近年束，随着计算机技术和半导体技术的飞速发展，包括存储器在内的数 j 集成电蹄的悱能韵了极大提高，其发展现状j 要表现诅：。 芦集成i * 的性能订了擞= j = 提高，其发展现状j ；：要表现裨= p q 川人学埘l 学位论文 ( 1 ) 器件的集成度不断提高 半导体加工 ：艺水甲不断提高，亚深微米以及超亚深微米技术广泛应用于 生产”1 ，集成电路集成度大幅度提高，前几年常用的中小规模系列电路迅速 向大规模电路( l s i ) 、超大规模电路( v l s i ) 发展。 ( 2 ) 器件工作速度不断提升 数字集成电路在工作速度方面迅速地向高速集成电路、超高速集成电路 ( v h s i c ) 方向发展”1 ，以我们熟悉的微机中央处理器( c p u ) 为例，i n t e l 公司由早期的8 0 8 0 、8 0 8 5 、8 0 8 8 迅速发展到8 0 2 8 6 、8 0 3 8 6 、8 0 4 8 6 以及8 0 5 8 6 ( p e n t i u m ) ，到现在p e n t l u m 4 代的2 8 g 的c p u 已经广泛应用。 ( 3 ) 器件功耗不断降低 数字集成电路工作速度不断提高，而同时其功耗在不断下降。近年来 7 4 5 4 a l s 先进低功耗肖特基系列电路的问世，不仅提高了工作速度，低功耗的 特性更加吸引用户。c m o s 数字电路工作速度不断提高，使得高速c m o s 系列 取代传统t t l 系列成为可能。在中央处理、协处理器、单片机等电路中c m o s 工艺已经取代双极型工艺。为了进一步降低功耗，近年来，数字电路的工作电 压也由传统的5 v 降到33 v 、2 5 v 等低压“。 ( 4 ) 专用集成电路( a s i c ) 取代通用集成电路 计算机辅助设计、辅助制造、辅助测试( c a d c a m c a t ) 技术的推广一应 用，使得专用集成电路( a s i c ) 得以很大发展，并在很多领域中迅速替代通用 中、小规模数字集成电路。专用集成电路又叫定制电路，包括可编程逻辑阵列 ( p a l ) 、通用陈列逻辑( g a l ) 可编程逻辑器件( p l d ) ，以及现场可编程门 阵列( f p g a ) 等。 ( 5 ) 器件封装形式的发展 数字集成电路集成度的提高、电路引脚数的不断增加、表面贴装工艺的推 广，早期中小规模集成电路大量采用的双列直插式( d i p ) 封装形式已不能满 足l s i 、v l s 电路的需求。各种新的封装形式纷纷产生，包括s o j 、p i 。c c 、 q f p 、p g a 、b g a 封装等。”。 122 数字集成电路测试系统现状 随着数字集成咆路一l ：能的不断提高数字集成l 乜路测试系统【丝，| = h 应地得到 u q 川人学埘t 学位论文 了飞速发展。主要表现在 图11b g a 、p 6 a 及l q f p 封装形式 ( 1 ) 测试通道数大幅增加 数字电路集成度的不断提高、专用集成电路的出现以及器件引脚数不断增 加，使测试系统的测试通道数不断增加。由测试中小规模集成电路的2 4 通道测 试系统，测试大规模电路的4 8 通道、6 4 通道测试系统，发展到测试超大规模 集成电路的1 2 8 通道、2 5 6 通道甚至更多通道的测试系统。目前，有的大型测 试系统已经能够达到1 0 0 0 以上的通道数。如a d v a n t e s t 公司的t 6 6 9 1 的最大通 道数高达1 2 8 0 个，还有t e r a d 峨公司的j 7 5 0 、h ：p 公司的f 6 6 0 等也达到 了1 0 2 4 个测试通道”1 。 ( 2 ) 测试系统速率极太提高 随着数字集成电路工作频率的不断提高，测试系统的测试速率也由几兆、 几十兆向几百兆发展。如h p 公司的8 2 0 0 0 d 4 0 0 的测试速率已经达到4 0 0 兆 赫。 ( 3 ) 测试系统定时精度高 在测试速率提高的同时，系统定时精度也在不断提高。如h p 公司的f 6 6 0 、 n t t 公司的u l 一5 0 0 等定时精度已经达到_ + 5 0 p s 。 ( 4 ) 图形存储容量增加 大规模超大规模集成电路测试系统的速度不断提高，通道数不断增加，图 形存储容擐不断增加，总定时精度越来越高。目前，不少系统采用双计算机结 构r _ 一台拧制和管理测试系统，另一台为用户接i - i ) ，采用的计算机是3 2 位的 超小型机和工作站( s u n 、a p p l l o ) 。通过计算机网络，测试系统能够和c a d 系 统相连，_ 者结合可自动生成测试程序。 ( 5 ) a s i c 测试验证系统的发展 专用集成电路( a s i c ) 的发展促进了a s i c 验证系统的发展。早期的验证 系统和传统的测试系统之间在测试速度、精度以及测试图形的灵活性等方面有 较大差距。1 。但近年来这种差距逐渐缩小，a s i c 验证系统也逐步进入了测试系 统市场。 ( 6 ) 并行测试技术应用 为提高测试效率，有的测试系统采用了一机多个测试台和并行测试技术， 如1 0 2 4 通道配置的j 7 5 0 测试系统可同时并行测试3 2 个器件。1 。 图1 2 一套2 5 6 通道的j 7 5 0 k 测试系统 ( 7 ) 边界扫描技术应用 新一代数字集成电路测试系统一般都支持边界扫描技术“，刘i e e e l 1 4 9 1 1 9 9 0 测试标准的使用，使测试系统能满足众多类型的专用集成电路测试需 要。 叫j 1 1 人学坝卜学位论文 1 3 发展趋势 1 31 存储器发展趋势 随着信息科学及产业的发展，数字集成电路为各项工程技术所广泛应用， 而存储器是通信与信息领域中最常用的器件之一。存储器的工艺不断改进，使 得它的容量增大，集成度和工作速度不断提高。因此，存储器的可靠性测试研 究就非常必要，快速而高效地对存储器测试，是批量存储器测试的一个重要课 题。存储器测试是数字集成电路测试的一项关键内容，这是因为： ( 1 ) 存储器是电子产品的关键部分，当今的各种数字系统中几乎全部包含 有存储器。 ( 2 ) 存储器芯片的密度和复杂程度日益提高，程度甚至超过了微处理器。 ( 3 ) 存储器结构具有规律性，这种有规律的结构虽然在设计初期可易于进 行可测性设计，但因包含时序特征的单元，存储器测试比结构有规律的组合电 路的测试更复杂得多。 ( 4 ) 存储器电路类型多样化。有静态随机存储器( s r a m ) ，动态随机存 储器( d r a m ) ，只读存储器( r o m ) ，只读可编程存储器( p r o m ) ，可擦除存 储器( e p r o m ) ，紫外线可擦除存储器( u v e r o m ) ，以及电可擦除存储器 ( e e p r o m ) 等，另外还有近年发展迅猛的快闪存储器( f l a s hm e m o r y ) 等类型。 ( 5 ) 另外，嵌入式存储器不论在数量上还是在芯片面积中所占的比例上都 有明显增加，存储器占集成电路的比例越来越大。根据半导体工业协会和 i t r s 2 0 0 0 的统计分析，嵌入式存储器在芯片面积的比重2 0 0 2 年为5 2 ，到2 0 1 4 年将达到9 4 3 ，这个统计预测数据见图1 3 。 图13 存储单元在芯片面积中所占的比例 ， 一 l|圈豳豳豳阿舢 喘圈嚣豳豳随驯 涨豳圈豳豳姗m圈豳盟删踹豳盟舭姗且 。il1iiii，ll 耋薹 。 p u 川人学颧i 学位论义 存储器电路包含数量众多、结构有规律的存储单元阵列，内部还有大量的 模拟器件，例如存储器电容、电压电路和敏感放大器( 读电路) 等，这些部件 并不是都能直接存取操乍，需要涮接的测试方法。由于存储器每一个单元可能 处于不同的状态，按逻辑测试方法测试存储器需要庞大而复杂的测试图形才能 对存储器的存储单元进行全面的测试。这些特性决定了对存储器测试的要求与 模拟电路和数字电路有很大不同。 表面看来存储器的测试非常简单，只需要将其内部每一个存储单元逐个测 试一遍。但事实上并不如此简单，这是因为每个存储单元的改变都有可能影响 存储器内部单元的变化。这种相关性产生了巨大的测试工作量。 在实际应用中，通常的做法是分析半导体存储器的结构，按照结构特点选 择一些有针对性的状态，并把这些状态的输入信息及检验信息编制成测试图形。 因此，确定与选择几种能够有效检验存储器的测试图形是存储器测试算法的主 要内容。针对存储器故障模型中的故障，人们研究了不少测试算法。这些测试 算法可以按图形的功能，长度( 复杂性) ，数据分布和地址变化方式等特征来分 类。若按复杂性分类，经典的分法有0 ( 类，o ( n 2 ) 类和o ( n ”2 ) 类“。n 次图 形产生方式简单，并容易实现。对于成品测试与验收测试，测试单元之间的相 互作用对单元稳定性的影响，以及外围电路随机取址能力有重要作用。从原理 上说n 2 次图形测试也是必需的，但半导体存储器单元的相互作用主要通过行线 和列线。由于行、列外围电路是分开的，因此检测只需要在同行、同列问进行。 随着存储器容量的增加，实现n 2 次图形可以检出上述全部的错误，但测试太浪 费时问，该算法复杂的图形在实际工程中是难以实现的。研究结果进一步发现， 用n m 次图形可以用可接受的较大概率检测出因单元相互影响所产生的错误。 因此，用n 3 尼次图形作为存储器测试图形发生器的基本图形将成为一种必然的 趋势。综上所述，好的算法能够在最小算法复杂度下检测出最多的错误。可见， 编排更为有效的测试图形是设计中十分重要的课题。 存储器测试的时问开销很大，要进行大批量的测试，提高测试系统本身的 工作速度就非常重要，而测试系统的核心是图形发生器，所以必须提高图形发 生器的硬件执行速度。 近年来，嵌入式存储器也是a s c 设计的熏要，c 件，a s l ci 乜路包含各种备 删j 1 1 人学坝j 。学位论义 样的嵌入式存储阵列。这些信息均反映出硅片测试中绝大部分面积都是关于嵌 入式存储单元的，嵌入式存储器测试是必须研究和解决的问题”。嵌入式存储 器除了存储器的测试问题外，有限的i 0 脚限制了直接可控性和可观性，因此， 外部测试方法难以有效，内建自测试就成为研究重点。 在我国，测试系统研究长期不被重视，相对比较落后。目前，我国自主研 究的存储器测试图形发生器只能产生单一的测试图形，多数不能通过编程进行 修改对其进行改进，且速度很慢。而国外在这方面的研究已经形成规模，每年 都有各大测试系统生产厂家推出的新型测试系统。 1 3 2 测试技术发展趋势 在我国，存储器测试技术相对比较落后，所采用的方法大多为8 0 年代的 传统方法。目前用于实际的图形发生器多为组合控制方式。其缺点是一旦测试 图形生成就不能改变，所以限制了它的应用。对于较少数采用可编程的微程序 控制方式，由于其本身硬件速度较慢，只能产生比较简单的图形，否则测试的 速度还将会更低。目前国内较好的测试系统图形发生器都是从过外进口的设备， 但这些系统在国外也只是二流设备，速度最快的只有1 0 0 m h z ，且价格较贵“。 测试系统的核心是图形发生器，产生测试图形最简单的办法是利用存储器 来存储信息，而后输出。为实现高速的信息输出，要引入缓冲存储器，从而形 成多级存储器系统作为通用图形发生器，因为高速输出的图形长度受缓冲存储 器的限制，所以图形发生器的困难在于用多次输出的信息的接合实现长的测试 图形。无论采用高速与低速图形相结合的方法，还是间断高速图形的方法都与 测试电路实际运用情况有较大距离。这种图形发生器不仅图形的长度受到存储 器容量的限制，而且编排图形的工作量很大，因此，要通过软件的方法缩短图 形的长度。最终的测定存储器图形，测试图形简单，它通过多重复杂的循环， 形成较长的图形。由于基本图形短，控制循环的速度就会增加，因此，没有必 要使用专用数据处理设备。 f 前产生测试图形的方法有：”“1 ( 1 ) 由存储器测试图形后输出； ( 2 ) 计算机控制图形存储器内数掘的循环； ( 3 ) 专用处蛸! 机； 叫川人学砸卜学位沦文 ( 4 ) 计算机辅助测试图形产生系统。 前两种方法速度较慢，在实际中使用较多的是专用处理机，包括组合控制 和微程序控制方式。组合控制是由机器执行预定的各个命令对所需部件进行组 合设计，它所执行的命令是固定的。微程序控制是由存储于微程序指令中的微 指令的循环而形成的宏指令来执行控制，改变微指令存储器中的内容，即可改 变执行命令。对于存储器测试系统图形发生器的研制，国外开展的较早，这是 高性能，大批量的存储器开发和生产的必备条件“。大多数发达国家测试图形 的工作速度可达数百m h z 。 1 4 课题的主要工作 141 工程应用中面临的问题 j 7 5 0 k 数字集成电路测试系统在工程应用中有下列问题： ( 1 ) 测试程序太少 由于j 7 5 0 k 数字集成电路测试系统的应用特点是针对集成电路生产厂家进 行批量测试，系统本身只配有少量测试程序。由于进口数字集成电路测试系统， 存在测试向量版权以及软件开发成本等原因，引进时测试系统只配备少量测试 程序，远不能满足多品种数字集成电路测试检验的需要。因此，必须自行开发 大量测试程序。 ( 2 ) 测试适配器价格昂责且通用性差 j 7 5 0 k 测试系统还存在测试适配器不通用的问题。它主要针对测试批量电 路，所配测试适配器不具备多种电路应用要求，通用性差；同时，如果购罱原 配的测试适配器则费用昂贵，每块需要5 0 0 0 美元。按开发1 0 0 种测试程序约需 1 0 0 块测试适配器计算，仅适配器的费用就约需5 0 多万美元，是j 7 5 0 k 系统造 价本身的2 倍。 ( 3 ) 测试效率太差 在系统的使用过程中，我们还发现该系统在调用规模较大的存储器电路的 测试程序时速率太慢，不- z h t k 适应大批量检验测试要求；其测试向量的存储深度 也不能满足大规模存储器电路测试程序的运行要求。 蚋川1 人学坝1 。学位论文 1 42 课题任务 本论文的主要研究目的就是针对研制的电子设备使用的存储器电路品种 多、批量小的特点，针对现有数字电路测试系统在工程应用中的缺陷与遇到的 难题，研究提出解决办法，开发适应设备研制需要的测试程序及适用的测试适 配器，解决工程应用中可靠性测试和筛选难题，以保证电子设备对存储器电路 的质量及可靠性要求。 1 4 3 本论文主要内容 本论文简述了数字集成电路及其测试系统现状，以及存储器电路及存储器 测试技术的发展趋势，论述了存储器电路的结构特点、失效模式等。介绍了功 能测试、直流与交流参数测试技术原理，分析了引进的大规模数字集成电路测 试系统j 7 5 0 k 在存储器测试中存在的缺陷，并针对其缺陷提出了以下改进措施： ( 1 ) 重新设计测试接口电路解决硬件扩展与通用性问题。 ( 2 ) 采用分段寻址测试方法解决系统测试向量存储深度不足的问题。 ( 3 ) 采用齐步法、走步法、行列走步法解决r a m 等存储器的测试图形生 成问题。 ( 4 ) 采用存储空问借用测试技术以提高测试效率。 此外，还根据实际工程需要，采用不同的测试生成算法完成了1 0 0 余种各 类存储器测试图形生成与编程调试。 经过实验对比与验证，经重新设计与改进后的测试系统完全达到了预定目 标，彻底解决了系统在工程应用中的难题。 2 存储器测试基本原理 本章从存储器的类别、结构、故障模式以及常用的测试方法几个方面阐述 存储器测试的基本理论。 2 1 存储器分类 存储器按不同的读写、擦除方式等可以分为静态随机存储器( s r a m ) ，动 态随机存储器( d r a m ) ，只读存储器( r o m ) ，只读可编程存储器( p r o m ) ， 可擦除存储器( e p r o m ) ，紫外线可擦除存储器( u v e r o m ) ，以及电可擦除 存储器( e e p r o m ) 等，另外还有近年发展迅猛的快闪存储器( f l a s hm e m o r y ) 等类型“。 2 2 存储器的故障模式 存储器有自己独特的结构模式，这也决定了它有自己特有的故障模式。掌 握这些故障模式是测试存储器的基础，也才能对存储器的测试方法会有更好的 把握。 2 2 ，1 存储器的结构 电路模型存模拟和测试图形生成算法中非常有用。对应于不同的设计层 次，描述存储器的模型不同，因此就有物理级，逻辑级和系统级存储器电路模 型。本节研究存储单元的逻辑级和电路级失效模型，然后讨论功能级的测试图 形生成。 2 2 1 1 功能模型 典型的r a m 功能模型如图2 1 所示，功能模型中存储元件以阵列形式排列， 阵列周围是周边电路”。在图2 1 中，存储阵列是r c 位，周边电路是存储器 地t _ l l 寄存器( m a r ) ，泽码器，读电路、写电路及其控制和存储数据寄存器。 译码器对m a r 中的地址信息进 i - 译码，确定要存耿的行和列，然后采用写驱 动器和敏感放火器分别进行写和读，要写入存储器和从存储器读出的数据都存 储在存储器数据寄存器巾( m d r ) 。列于动态r a m ，还应有制新屯髂。 删川人学坝j j 学位论文 地址信 图2 1r a m 功能模型 存储阵列呈行列分布，每个字线上的单元以行排列，存储操作通过字线 “w l ”选择行，再通过位线“b l ”选择列，这样就选中要进行读写操作的单 元。每次读写操作只对每列中的一个单元作用。对于以字排列的存储器，同一 字的所有位的读写操作同时进行。在可编址的存储器中，可同时选中同一位的 所有列。 2 2 1 2 存储单元 存储器在逻辑级可用一个d 触发器描述，如图2 2 ( a ) 所示，对其操作 就是“写入”一位0 或“l ”，写入的信息在下一次覆盖操作到来以前一直保 留着。如果未对存储单元进行存取操作，则其一直保持着上一次写入的信息。 存储器保持信息的方式与存储单元的类型有关，存储单元可以分为静态的和动 态的。常用的s r a m 单元由两个交叉耦合的反相器组成，如图2 2 ( b ) 所示。 对存能单元进行“：写”操作时，要先把待写的数据及其反分别罱于位线b l 平u b i 一卜，然后置位线为高，这样一对反相器就可以存储新的信息。对单元读操 作时，先对位线预充电，然后字线位胃为高，反相器t f ，的 个就通过位线l i 的 叫川1 入学坝卜学f = ：e 论兑 个放电。 b l b e b l _ l n _ t 一 j ( a ) 逻辑 ( b ) 静态c m o s ( c ) 动态c m o s 圈22 存储器单元 组成动态存储单元的管子比静态存储单元的要少，有的只有三个，两个甚 至一个。图2 2 ( c ) 是一个d r a m 单元的例子，这种单元通过m o s 电容存储 位信息，写操作与s r a m 的操作相似，读操作则是把b l 充电倒v t ，然后簧 w l 为“高”，存储电容c b i t 通过位线放电，但这样的读操作是破坏性的，需 要重新进行“写”操作。 2 2 1 3r a m 组成 影响存储器测试图形生成的重要因素有两个：一个是阵列结构，一个是存 储器所处的环境，也就是存储器是以单个i c 形式，还是作为宏模块嵌入在s o c 中。 就阵列结构而言，n 字节r a m ，可能按n t i 阵列组成，也可按r + c ( r + c ：= n ) 阵列组成。例如，1 6 k b 的r a m ，可以是1 2 8 行1 2 8 列，也可以是2 5 6 6 47 - 0 ， 或者是6 4 行2 5 6 列，等等。存储阵列也町以分为子阵列以共享读电路。 随着集成电路的发展，许多子系统例如d s p 处理器，微处理器，。般都包 含1 ，部分j i 内r a m ，这样的r a m 称为嵌入式r a m 。几乎所有的s o c 芯片都 包含嵌入，r a m ，测试比较难，原因是不能直接存取操作，可控性和u t 观性 剥 洲j ij 人学坝i 学位论文 就无从谈起“。而目前能较好地解决嵌入式r a m 测试的可行方法是b i s t 测试 方法，这将在以后的章节中作专门论述。 2 2 1 4 随机存储器的工作原理 存储器测试主要是指功能测试，即指测试存储器能否完成正常的存取工作， 而不涉及具体硬件参数测试。事实上，功能测试是检验存储器可靠性最重要的 内容。随机存储器功能测试是在改变寻址顺序和变换测试图形数据条件下完成 的。其测试内容包括判别从指定的存储单元读出的数据是否与预期值相符；检 查数据能否准确无误地写入指定的存储单元，并能长期保持信息等。测试不仅 要检测全部存储单元矩阵，而且还要检查地址译码器和读、写控制等外围电路 的功能是否正常。 下面再简要介绍一下静态r a m 和动态r a m 的工作原理。 ( 1 ) 静态随机存储器的工作原理 在m o s 静态r a m 芯片上，除了集成存储单元矩阵之外，还将地址缓冲 与地址译码器、内部时序电路、“读放”与多路转换器、芯片控制与输入输出 缓冲等外围电路全都集成在一块芯片上，并使其接口与t t l 电路相容。图2 3 是m o s 静态r a m 的基本结构图。 图23i d 0 s 静态r a m 基本结构 旧川人学 i | i i1 。学位论文 寻址 存储器工作时，根据系统所给定的地址码，通过有自锁功能的地址缓冲器， 由地址译码器译码进行寻址。经过行译码器译码给出被选存储单元所处在的行 ( 字驱动线) ，以便驱使该字线，e 存储单元动作；经过列译码器给出被选存储单 元所在的列( 位线) ，以便通过多路转换器与数据输入、输出线接通。这样， 一 组地址码只能选择一个存储单元，反之，矩阵中每一个存储单元也只能由一组 地址码选择。因此，对于正确的译码器寻址，被选择存储单元是唯一的。 读写控制 如果执行写操作，其过程是：读写控制电路将通过数据缓冲的输入数据加 到列译码器所选择的位线上，行译码器使能的字驱动线电平升高，开启该行上 各个存储单元的门管，使存储单元与位线接通，将位线上数据写入被选的存储 单元罩。需要指出，只有被选择存储单元才能将位线上新的数据内容写入其中， 而字驱动线上其他存储单元将再一次把原来的数据写入各自存储单元里。当字 驱动线上电平降低，门管截止，存储单元与位线隔离，保持所存储的信息状态。 如果执行读操作，其过程是：行译码器选择的字驱动线上电平升高，开启 各个存储单元的门管，将存储单元的数据读出到位线上；读写控制电路将列译 码器所选择位线上的读出信号，通过输出缓冲读出；同时又将该行上所有存储 单元原来存储的数据重新写回各自存储单元旱。 ( 2 ) 动态随机存储器的工作原理 作为大容量r a m 的主流产品，动态随机存储器内部集成度很高，并且， 由于其内部地址线和数据线是复用的，工作过程比静态随机存储器更复杂，它 的电荷保持时间有限，必须增加刷新过程，因此就有可能引入更多的错误”。 撩于动态同步随机存储器是实际： 作中应用的重点，这罩对它进行着重分析。 f 面介绍的是存储容量在1 6 k b 和大于1 6 k b 的动态r a m 都采用的单行动态 存储单元和地址分时的输入方案。图2 4 中给出了2 5 6 k x1 位动态r a m 结 构框图。 存储器的工作过程 “读放”过程：“凄放”过程是指经读出放大器的数据渎i i j 过程。下嘶以，尊 管动态存储雏兀的实际j 作过稃为例进行蜕叫。矧251 1 1 给 | ；r ；特有藏t 放大 器的存储单元示意图。读放电路是一个平衡触发器，由时钟控制，a 点和b 点 图2 42 5 6 k 1 位动态r a m 结构框图 分别连到列选择线；a 侧和b 侧分别连接若干个存储单元，芯片存储容量为 1 6 k b ，a 侧或b 侧各有6 4 个存储单元，可用地址线区别a 侧或b 侧的存储单 元。另外每侧各有一个虚设单元，如果b 侧任意一个存储单元被选择，则同时 a 侧的虚设单元也被选择，反之，a 侧任意一个存储单元被选择，则同时b 侧 的虚设单元也被选择。对于1 6 k b 存储单元矩阵，则共有1 2 8 条列选。 寻址 当r a s 为高电平时，对芯片内部的时钟发生器、译码器和读出放大器等外 围电路进行预充电，使其处于备用状态。当r a s 从高电平变为低电平时，就开 始了存储器的工作周期。地址码分两批送至地址输入缓冲器输入端，r a s 时钟 将行地址码接收到地址输入缓冲器罩，并进行泽码，选择出存储单元矩阵相应 行的存储，弘元与被选行对侧的纽虚设单元。当读出放大器由行时钟控制自锁 驱动激励后，被选行卜所有存储单兀的信息呈观在位线h 州时对该行“内存 储单元进行一次刷新。在i i i 脉冲送入时，将列地址码接收到地址缓冲器，同 时列译码器进行译码，选中一列地址的v 3 管导通，使a 侧位线与输入输出数 据线接通。 2 7 行 v n n 一1 r 白一0 j 卜 ：鞋t - k ：fl i v d d v d d 甲 m 1l 型删 j h l tl j 卜 o 0 行 圈25 带读出放大器的存储单元 据线 译码选择 0 译码选择 数据写入与读出输入数据通过写时钟脉冲控制，送到数据输入缓冲器， 然后通过数据总线送至位线上。假定a 点低电平代表“0 ”信号，如需要写入 “1 ”信号，则将输入输出( i o ) 数据线设置为高电平，当列译码器的个输 出端为高电平时，该列的v 3 管导通，因此这列的a 点电压抬到高电平，此时 v 2 管通导，b ，、i 降为低电平。如第6 4 行被选择，则c 6 4 放电到低电平，行驱 动脉冲结束，输入信息就存储在笫6 4 存储p 0 - j 明j 。读m 过私! 是被寻址行的 6 【j 1 ；i 川夫学坝i 。学位论文 1 2 8 个存储单元的信息都呈现在各自的位线上；列译码器开启所选择列的v 3 管，使输出信号经过i o 数据线送到数据输出缓冲器而读出。 刷新动态存储单元为了保持所存储的信息不丢失，需要定期地刷新。通 常的读出或写入操作都能自动完成存储单元的刷新动作。动s o n l y 刷瓶只 需由页才j 时钟进行行选择，对被选的一行存储单元进行刷新，而不需加历i 时 钟，从而使输出端处于高阻态。r a s o n l y , 话1 新既缩短了刷新工作周期，又 降低了器件的功耗。 2 2 2 存储器的故障模式 研究r a m 的故障检铡方法，必须先建立r a m 单元的故障模型，而故障 模型与所描述的缺陷在r a m 中所处的模块有关，因此r a m 故障检测第一步 是必须区分缺陷是处于阵列单元中，还是处于周边电路中。 周边电路是由译码电路、写驱动电路、敏感放大器( 读电路) 和寄存器组 成，尽管这些结构可以按随机逻辑处理，但响应只能通过r a m 单元观察，因 此r a m 故障检测还应包含对周边电路的故障检测“。 r a m 单元的故障模型不能采用随机逻辑的故障模型，因为存储器阵列的 密度比随机逻辑的高得多，采用结构型( s a f ) 故障或桥接故障模型，需要的 测试数据庞大，测试时间很长，相比之下，功能故障模型更适合存储阵列，因 此本节研究存储阵列故障模型。 在规定任何测试方法之前，我们必须对存储器件的物理结构及其可能的失 效机理有详细分析和充分了解，在此基础上才能确定器件的故障模式以及故障 的可测试性。功能测试是在改变寻址顺序与数据图案的基础上进行的，能够检 测的内容一般包括：存储单元的读出、写入数据功能；寻址系统能否正确 选择每个存储单元；存储单元相互间是否会引起干扰；芯片控制电路能否 正确地工怍；数据保持，尤其动态r a m 在规定期间内是否会丢失数据”“。 从分析存储芯片的物理结构，以及对存储芯片性能测试工作中，可得出半导体 存储器件的失效方式分为两利。一种