专用集成电路的可测性与测试案例

专用集成电路的可测性研究与测试案例电子信息工程学院摘要：集成电路的测试技术、设计技术与制造技术一起并称为集成电路的三大关键技术。随着集成电路规模的不断增大，复杂度的提高，测试生成的费用成指数增长，测试开销在电路和系统总开销中所占的比例不断上升。测试问题已不再是一个附属的次要问题，而应该看作系统设计中的一个重要组成部分，只有更好地研究和了解与测试相关的设计内容，将设计和测试于一体，才能更好地对电路进行测试和分析。关键词：专用集成电路可测性测试案例TestabilityResearchandTestCasesforASICAbstract:Testingtechnology,designingtechnologyandfabricatingtechnologyarethreecriticaltechnologiesinintegratedcircuit(IC)industry.WiththeincreaseofIC’sscaleandcomplexity,thecostcausedbytestrisesrapidly,andtheproportionoftestoverallinthetotaloverallofcircuitandsystemkeepsincreasing.Testcannolongerbeviewedasanaccessorialandsubordinatepart,butanimportantcomponentinthesystemdesign.Betterunderstandingofthedesigningcontentsinterrelatedwithtestcouldunitethedesignandtestandleadtobettertestandanalysisofthecircuit.Keywords:application-specificintegratedcircuit(ASIC),testability,testcases1.引言目前数字ASIC电路的规模越来越大，所含门级数量超过几百万，工作速度越来越高，信号引脚数也越来越多，有些电路的信号引脚数甚至超过了一千个，对它们的测试生成、可测性设计、测试方法和测试实现等研究一直是集成电路电路测试研究的难点和热点。国际上对高速度高信号引脚数的数字ASIC芯片的测试研究一直在不断发展和进步，各种理论和方法层出不穷，但要彻底解决ASIC电路的测试，还有很多问题有待解决和完善。国内对高端ASIC芯片的测试研究和实践比较少，而且由于从事理论研究和实践的人员相互间缺少沟通，导致国内ASIC测试理论与实践的脱节。随着国内集成电路设计和制造的快速发展，今后对高端ASIC芯片的测试需求越来越多，因此开展对ASIC芯片的测试研究具有较高的研究价值和现实意义[1]。2.ASIC简介专用集成电路（ASIC）面向某一特定应用或某一用户的特殊要求，品种多、批量小、功能强，它的出现是由集成电路的特点所决定的。集成电路技术的特点之一是与各行各业的相关度高，几乎接近100％；其次，超大规模集成技术表示的是一种能力，它的不断发展主要是取决于应用。ASIC的价格不仅由竞争决定，而且由其所替代的电子系统的价值(包括设计思想、电路系统速度、功耗及可靠性、保密性等)所决定。因此，ASIC的发展具有广阔的前景和应用市场。ASIC按照设计方法的不同，可以分为全定制、半定制和可编程逻辑器件（PLD）三种。全定制专用集成电路能够在最小的芯片尺寸上实现最优的功能，但是设计复杂，研制周期长，一般只适用于高性能、极大批量的通用产品；半定制专用集成电路针对全定制设计的研制周期长、成本高等缺点，采用约束性设计，极大的简化了设计方法，被一般用户广泛使用。半定制专用集成电路包括门阵列和标准单元二种。可编程逻辑器件具有设计灵活、可反复修改、开发周期短等优点，非常适用于专用集成电路设计，也可以直接安装在产品上生产使用。FPGA芯片（FieldProgrammingGateArray，即现场可编程门阵列）是其中的代表。其它还包括CPLD（复杂可编程逻辑器件）以及PLA（可编程逻辑阵列）、PAL（可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）、PROM（可编程只读存储器）等SPLD芯片（简单可编程逻辑器件）。数字集成电路体系划分如下图所示[1]。数字集成电路通用集成电路专用集成电路（ASIC）可编程逻辑器件全定制ASIC半定制ASIC标准单元ASIC门阵列ASICCPLDSPLDFPGAPLAPALGALPROM图1数字集成电路系统3、专用集成电路测试概述(1)测试的重要性在生产阶段完成后，在硅圆片上形成了排成阵列的管芯。每个管芯都可能是一个工作正常的电路，但由于在生产过程中出现的各种问题及随机变化的影响，并不是每个电路都能像原来所设计的那样正常工作，因而对IC产品进行测试是设计制造环节中重要的一步。其过程是按照给定的测试程序，在设计好的测试电路条件下，用所选测试模板对芯片加激励信号，并将实际输出信号与期望输出矢量比较，从而判断芯片的好坏。这样就可以在划片前或封装后将不合格的芯片筛选出来。随着LSI、VLSI以及ULSI的快速发展，电路日趋复杂，测试问题就更加突出了，因为IC的可测性往往与电路的复杂程度成反比。全球半导体业发展到今天，测试已经成为其产业链中独立、不可缺少的一环。同时，计算机技术的飞速发展也为IC测试提供了强有力的技术支持和不断更新的解决方案。IC的集成度越高，实现的功能也越来越多，功耗越来越低，IC的测试成本在其生产过程中占有的比重越来越大。故尽可能的降低IC测试费用并保证电路质量，是IC产品具有竞争力的一个重要方面。(2)测试流程集成电路在大规模生产之前要进行样片的测试和详细分析，在确信芯片的设计和加工都没有问题之后才能进行大规模生产。一般情况下，一个芯片的流程如图2所示。逻辑设计实物仿真通过版图设计仿真通过投片集成流片中测通过封装成测通过环境试验及老化通过出成品YYYYNNNNN图2芯片设计、制造和测试流程图(3)测试目的测试是集成电路研制的重要环节之一。从生产角度看，对集成电路的性能进行合理和有效的测试，是提高器件质量、降低成本、甚至吸引用户的一项重要措施；从研制角度看，对集成电路进行全面的分析，可帮助判断所研制的芯片工艺、线路设计是否正确、并可对质量和可靠性指标进行分析。通过测试，不仅能正确、全面反映器件的各项参数和功能，对器件的硬件故障做出判断，从而达到验证设计、指导工艺的目的，而且通过测试淘汰早期失效电路，将大大提高器件的可靠性和稳定性，从而提高整机的可靠性[2]。(4)测试内容对数字电路来说，测试一般包括直流测试、交流测试和功能测试三部分：1、直流测试：直流测试是为了验证芯片静态电气特性。测试项目包括：输出高电平，输出低电平，输入高电平电流，输出漏电流，电源电流等。直流测试只能测试与输入输出端有直接关系的电流特性，而内部芯片的直流特性仅能由外部管脚所得到的信息进行判断。2、交流测试交流测试是为了预测芯片在特定应用中的行为。测试项目包括：输入端点的延迟时间，输出波形的偏移时间，上升时问，保持时间，晟小时钟宽度，最高时钟频率等。3、功能测试所谓功能测试是检测芯片是否完成所设计的逻辑。对于数字电路来说，就是看芯片是否完成了预定的逻辑功能。功能测试可以在工作频率下进行，也可以进行低速功能测试。它是在集成电路上加上规定的动作条件，然后判断集成电路动作是否异常。(4)测试方法集成电路测试方法有两种。一种是封装后测试即成测，从仅有的外部管脚得到芯片的内部信号，即把测试图形或信号加到输入端，然后通过输出值与期待值的比较来判定集成电路的合格与否，使用测试夹，用计算机及专用软、硬件实现。；另一种是封装前直接从芯片上探取即中测，对集成硅片上每一个芯片的检测，使用探针台，用专用检测计算机，配专用引脚接口和专用软件，实现自动化检测，对不合格芯片涂上标记，这种测试方式又分为接触测量和非接触测量。测试模式通常包括：联机测试、脱机测试和交互式测试。联机测试指测试部分与控制机连接，在一个测试向量的产生、激励、采样、处理全部完成之后，再进行下一个测试向量的测试。这种方式的优点是不需要提供图案存储器，成本低，缺点是速度慢，不适合高速时序电路的测试。脱机测试是指先产生全部的测试向量，保存到测试板上的向量存储器，硬件测试时直接从向量存储器读取激励，发送到被测芯片，同时读取响应，暂存到相应存储器，再由控制机成批读回。这种方式能实现对高速时序电路的测试，但需要较高的硬件成本。交互测试是指由用户每次给出一个测试向量，测试部分进行测试，返回结果后，由用户根据结果控制下一步的测试。这种方式不适于时序电路的测试[3]。4、专用集成电路测试案例专用集成电路测试技术，是应电子产品设计和制造的需求而产生和发展起来的，电子产品从质量和经济两个方面受益于测试技术的发展和应用。良好的测试过程，可以在次品到达用户手中之前就把它们淘汰出来，这对于提高产品质量，建立生产销售的良性循环都是至关重要的。在现代继承电路制造工艺中，芯片加工需要经历一系列化学、光学、冶金热加工等工艺环节，每道工艺都可能引入各种各样的缺陷。与此同时，由于特征尺寸的不断缩小，各类加工设施的成本也急剧上升，例如有人估计90nm器件的一套掩模成本可能超过130万美元，因此器件缺陷造成的损失代价极为高昂。在这种条件下，通过验证测试，分析失效原因，减少器件缺陷就成为集成电路制造中不可缺少的环节。一些专用集成电路测试案例简要总结如下：(1)专用集成电路自动测试系统[4]自动测试技术源于70年代，发展至今，大致可分为三代，其系统组成结构也有较大的不同。第一代测试系统多为专用系统，通常是针对某项具体任务而设计的。其结构特点是采用比较简单的定时器或扫描器作为控制器，其接口也是专用的。因此，第一代测试系统通用性比较差。第二代自动测试系统与第一代主要不同在于：采用了标准化的通用可程控测量仪器接口总线(IEE488)及可程序控制的仪器和测控计算机，从而使得自动测试系统的设计、使用和组装都比较容易。系统中的各种设备都是可程控的，称为自动测试设备(ATE)或可程控设备。自动测试系统是用标准接口总线将可程控设备与测控计算机连接起来的一套多功能自动测试设备。第三代自动测试系统的设计目标是：充分发挥电子计算机的能力，取代传统电子设备的大部分功能，使之成为测量仪器的一个不可分割的组成部分，与整个测试系统融为一体，使整个自动测试系统简化到仅由微型计算机、通用硬件和应用软件三部分组成。科学技术的发展与测试技术的发展是相辅相成的。“工欲善其事，必先利其器”这一句古语可以充分的反映科学技术与测试设备之间的关系，这里的“事”指的是科学技术，“器”则指的是测试设备。随着计算机技术的飞速发展，测试领域发生了根本性的变革。自动测试系统在航空航天、生产科研、军用武器装备、通信、能源等领域得到了广泛的应用。越来越复杂的测试条件、高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。从模拟技术向数字技术的过渡、从单台仪器向多种功能仪器组合过渡、从完全由硬件实现仪器功能向软硬件结合方向过渡、从简单的功能组合向以个人计算机为核心的通用虚拟测试平台过渡、从硬件模块向软件包形式过渡。由于目前一些集成电路模块的测试方法主要依靠手工的方式完成，测试的内容多，使用的仪器多，操作步骤复杂，检测结果受到人的因素影响和限制。例如：由于人受到的培训程度、从业经历和生理习惯的不同，人与人个体之间对同一数据判读的结果存在差异。在长期单调的工作之后，人必然会产生肌体疲劳、心理疲劳，从而导致工作质量的下降，由于测试过程复杂而产生操作失误等严重事故。同一个人在不同的时间对同一检测结果的判读也可能不同。大量的参数的采集与处理的需要，使人付出了艰辛的劳动。耗费大量时间和资源，也不能达到最佳的质量控制效果。同时，人工的测试方法，检测速度也较慢，不能适应大批量快速检测的要求。所以专用集成电路自动测试系统的研究具有广阔的前景。(2)专用集