可测试性设计DFT课件.ppt
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1、可测试性设计DFT,1,可测试性设计DFT1,Summary,What is DFT and ATPG, why needed in Gate (Logic) Level? Fault ModelStuck-at 故障模型、时延故障模型、基于电流的故障模型基于Stuck-at故障模型的组合电路故障侦测/测试向量生成( Combinational Logic ATPG:D algorithm)DFTSCAN:can Testing Sequential Logic with Combinational Logic ATPGBIST: MBIST、LBISTIDDQATPGATE,2,Summar
2、yWhat is DFT and ATPG, w,Fault Model测试的发展历史DFT设计流程,3,Fault Model3,Why Testing,因为:芯片在生产过程中会产生的电路结构上的制造缺陷!所以:我们需要通过测试来挑出那些有制造缺陷的成品芯片,防止其流入用户手中!,4,Why Testing因为:芯片在生产过程中会产生的电路结构,What is Testing,测试(Testing) 所要检查的不是设计的功能错误,而是芯片在生产过程中引入的电路结构上的制造缺陷(physical defects)测试并不关心设计本身具体实现了什么功能,而是要想办法测试其是否有制造缺陷。对一个测
3、试工程师来说,一块MPEG 解码芯片和一块USB 接口芯片并没有太大的区别,因为芯片功能是设计过程应解决的问题了测试是向一个处于已知状态的对象施加确定的输入激励,并测量其确定的输出响应与“理想”的期待响应进行比较,进而判断被测对象是否存在故障类似以前讲过的RTL仿真(功能仿真)的过程,5,What is Testing 测试(Testing) 所,How Testing:Product Testing,自动测试仪(Automatic Test Equipment, ATE)上运行的测试程序通常包含如下信息:激励向量,响应向量,以及控制和确定ATE时序所需要的信息等,6,How Testing:
4、Product Testing,Fault Model测试的发展历史DFT设计流程,7,Fault Model7,What is a Physical Defect?,8,What is a Physical Defect?,CMOS 工艺中常见的制造缺陷或曰物理缺陷( Physical Defect)包括:对地和对电源的短路由尘粒引起的连线断路金属穿通(metal spike-through) 引起的晶体管源或漏的短路等,9,CMOS 工艺中常见的制造缺陷或曰物理缺陷(,Physical Defects Fault Model,不管是对封装好的成品还是对尚未封装的“裸片”(die),要将探针
5、伸入芯片结构内部进行测试,无论从技术或是经济角度都是根本不可行的。对芯片的测试只有通过有限的输入/输出管脚(I/O pin) 来完成需要通过对芯片内部制造缺陷引起的电路故障建立逻辑上的模型,从而通过测量电路在输入输出管脚上行为,来判断芯片内部是否存在制造缺陷Physical Defects(制造缺陷) Fault Model(故障模型),10,Physical Defects Fault Model,故障模型 由于引起芯片发生故障的制造缺陷原因多种多样,为了便于分析和判断故障,需要将故障的特征进行抽象和分类,把呈现同样效果的故障归并成同一种故障类型,并使用同一种描述方法,这种故障描述方式称为故
6、障模型 当前VLSI 设计中常用的故障模型固定型故障模型(stuck-at fault model):使用最多时延故障模型(delay fault model) 基于电流的故障模型(current-based fault model) .,Fault Model(故障模型),11,故障模型Fault Model(故障模型)11,Fault Model,Stuck-at 故障模型时延故障模型跳变延时(transition delay)故障模型路径延时(path delay)故障模型基于电流的故障模型,12,Fault ModelStuck-at 故障模型12,Stuck-At Fault Mod
7、el,13,Stuck-At Fault Model 13,Single-Stuck-At Fault Model,Stuck-At Fault Model(SSA)的“单故障假设” :在每一个被测芯片DUT (device under test)上最多只会出现一个故障实际上在一块芯片上同时出现多个故障的可能性非常小即使一块芯片出现了多个故障,那么它几乎不可能通过基于“单故障假设”的测试从工程角度考虑,如果不采用这个假设,会大大增加计算复杂度,远远超出目前可能的计算能力,14,Single-Stuck-At Fault Model,基于Stuck-at故障模型的 组合电路故障侦测/测试向量生成
8、,有了Stuck-at故障模型,如何通过IO端口来侦测到故障,生成测试向量(Test Pattern)?A SA-Fault-Detection Algorithm for Combinational Logic Network:D Algorithm (Combinational Logic ATPG ) 算法步骤Target a SA FaultActivate the SA FaultPropagate Fault EffectRecord the Test Pattern,15,基于Stuck-at故障模型的 组,Target a SA Fault (1/4),16,Target a
9、SA Fault (1/4,Activate the SA Fault (2/4),17,Activate the SA Fault (2/4),Propagate Fault Effect (3/4),18,Propagate Fault Effect (3/4),Record the Test Pattern(4/4),Anatomy of a Test Pattern,19,Record the Test Pattern(4/4),Are All Faults Detectable?,20,Are All Faults Detectable?20,How Many Stuck-At Fa
10、ults?,21,How Many Stuck-At Faults?21,Equivalent Faults (1/3),22,Equivalent Faults (1/3)22,Equivalent Faults (2/3),23,Equivalent Faults (2/3)23,Equivalent Faults (3/3),24,Equivalent Faults (3/3)24,Fault Model,Stuck-at 故障模型时延故障模型跳变延时(transition delay)故障模型路径延时(path delay)故障模型基于电流的故障模型,25,Fault ModelStu
11、ck-at 故障模型25,跳变时延故障模型,可以看作是对SA 故障模型的增强,增加了对时域特性的约束在这种故障测试中,先强制驱动测试点电平到故障值,然后在输入点加上一个跳变的激励,经过给定时间后检测测试点是否跳变至正确值与stuck-at 模型的静态检测不同,跳变延时可以检测出门级电路上的上升跳变过慢(STR,slow-to-rise)或者下降跳变过慢(STF,slow-to-fall)故障,也称为门时延故障模型,因为这种模型的故障都可以归结于门输入/输出过慢,26,跳变时延故障模型可以看作是对SA 故障模型的增强,增加,路径时延故障模型,路径时延故障模型与跳变时延故障模型基本上类似,路径时延
12、故障模型可以看作是对指定路径上所有组合门电路的跳变时延之和的故障判断,27,路径时延故障模型路径时延故障模型与跳变时延故障模型基本,Fault Model,Stuck-at 故障模型时延故障模型跳变延时(transition delay)故障模型路径延时(path delay)故障模型基于电流的故障模型,28,Fault ModelStuck-at 故障模型28,静态电流Iddq,Iddq 指CMOS电路在所有门处于静态下的电源总电流在CMOS 逻辑中非翻转状态的门只消耗静态或者二极管反向(diode reverse) 电流。由于静态时PMOS和NMOS管不会同时导通, 流过它的仅是漏电流即静
13、态电流Iddq ,约为1nA。对于一块大规模集成电路,其Iddq应在uA级( Iddq大小与集成度有关) 任何导通的桥接、短路和断路故障都将导致静态电流Iddq上升一个数量级以上,29,静态电流IddqIddq 指CMOS电路在所有门处于静,基于电流的故障模型,可能会导致过大静态电流的故障不一定导致逻辑错误,但会导致潜在的错误行为和早期故障,出现可靠性方面问题的可能。比如一个尚能正常工作的电路将来可能由于金属迁移(metal migration)等机制而逐渐失效在一些关键场合(如心脏起搏器),出现任何不正常的行为都应被认做是故障常见的两类基于电流的故障模型pseudo-stuck-at 故障模
14、型主要建立在SA 故障模型上:在单纯的SA模型中,观察代表逻辑值1 或者0 的电压值;而在pseudo-stuck-at 故障模型中,则是先将故障效应加到指定点,然后观察电源对整个芯片输出的电流大小toggle 故障模型,30,基于电流的故障模型可能会导致过大静态电流的故障30,故障检测分类:,面向故障测试:寻找故障模型化的故障点功能测试:测试芯片的所有功能完整测试:遍历所有的输入向量,31,故障检测分类:面向故障测试:寻找故障模型化的故障点31,完整测试,优点:1. 遍历所有的输入输出,因此故障率能达到100%缺点:1. 由于测试向量繁多,导致测试周期相当的长。 2.不适用于大规模集成电路测
15、试。,32,完整测试优点:32,功能测试,优点:1. 相对于完整测试,功能测试可以省去大部分的冗余向量,缩短测试周期。缺点:1. 需要对芯片有所了解,这样不利于高效率的测试。 2. 故障覆盖率不高,不能覆盖到所有的故障点。,33,功能测试优点:33,面向故障测试,优点:1. 使用ATPG工具,面向故障点,生成优化的测试向量,高效率的对电路进行测试,大大的缩短了测试周期。 2. 同时也弥补了功能测试的不足,由于测试工程师面向的是故障模型。因此,所有芯片对于他们而言都是同等的。 3. 故障覆盖率理论上可以达到100%,34,面向故障测试优点:34,What is ATPG,ATPG:自动测试向量生
16、成通过特定的ATPG工具,结合特定的算法,针对不同的电路生成最优化的测试向量,从而能够在保证故障覆盖率100%的基础上缩短测试周期。ATPG 工具可以满足大部分生产测试中所需的测试向量自动生成的要求,自动生成的测试向量提供给ATE测试程序用,35,What is ATPGATPG:自动测试向量生成35,Fault Model测试的发展历史DFT设计流程,36,Fault Model36,测试的发展历史,70,80s功能测试,面向故障测试+ATPG工具,小芯片,覆盖率,小芯片,数量少IO vs 大规模电路,需要对特定的故障点提前赋值,面向故障测试+ATPG工具+DFT,1. 1970s在Cher
17、ry Hill测试会议上被提出。2.已经形成了集成电路设计的有关工业标准IEEE1149.IEEE1500,37,测试的发展历史70,80s面向小芯片,覆盖率小芯片,数量少,Fault Model测试的发展历史DFT设计流程,38,Fault Model38,What is DFT,结合专门的EDA工具,在设计流程中尽早考虑测试的要求,在设计阶段就为将来的测试工作设计专门用于测试的硬件逻辑。这种通过增加额外的逻辑以增强设计的可测试性的工作就是可测试性设计(DFT,Design for Testability),39,What is DFT39,DFT的作用,提高产品质量降低测试成本,40,DF
18、T的作用提高产品质量40,几种常见的DFT技术,扫描(SCAN)测试 将电路中的存储单元(寄存器Register)转化成为可控制和可观察的存储单元(寄存器) ,将这些单元连接成一个或多个移位寄存器,即扫描链内建自测试(BIST) 在电路内部增加测试电路结构,在测试时这个测试电路结构能够自己产生激励和比较响应静态电流(IDDQ)测试 若存在电流性故障, 会使电路在静态时产生一个高于正常值的电流 。,41,几种常见的DFT技术扫描(SCAN)测试41,扫描测试技术,1 基本原理和方法 2 扫描测试策略 3 基于扫描测试的芯片测试步骤,42,扫描测试技术 1 基本原理和方法 42,Testing S
19、equential Logic: Sequential logic ATPG based on D algorithm,43,Testing Sequential Logic: S,Handling Register Stages,44,Handling Register Stages44,Test Pattern with Three Cycles,45,Test Pattern with Three Cycle,Assessment of Sequential logic ATPG,Then how?,46,Assessment of Sequential logi,Testing Seq
20、uential Logic : Combinational Logic ATPG with help of Full-Scan Designs,Scannable Equivalent Flip-Flop,47,Testing Sequential Logic : C,The Full-Scan Strategy,48,The Full-Scan Strategy48,Scan Chains,49,Scan Chains49,扫描测试 Summarized(1), 扫描测试的基本原理将一个集成电路内所有寄存器改成Scannable后串接起来,组成一个移位寄存器,使得从外部能容易地控制并直接观察
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