Design-for-Testability（DFT）的基本知识点

Design-for-Testability（DFT）的基本知识点

目录

• Design-for-Testability（DFT）的基本知识点
  • 基础知识
    • 1. CP和FT
    • 2. 测试工程师需要考虑什么
    • 3. 什么是DFT
  • Fault Model
    • Fault class hierarchy
  • DFT Methods
    • Ad-hoc
    • Scan：
    • 逻辑BIST
    • Boundary Scan
  • DFT-Scan
    • D算法：
    • Scannable Equivalent Filp-Flop
  • ATPG
  • MBIST
    • Memory类型
    • Memory Defects
    • MBIST 算法
    • MBIST 的基本架构

基础知识

1. CP和FT

• CP是(ChipProbe)的缩写,指的是芯片在wafer(晶圆）的阶段,就通过探针卡扎到芯片管脚上对芯片进行性能及功能测试,有时候这道工序也被称WS(WaferSort)

• FT是Final Test的缩写,指的是芯片在封装完成以后进行的最终测试,只有通过测试的芯片才会被出货,详尽的测试。

参考https://blog.csdn.net/lzwsdu/article/details/53502894：

什么情况下需要CP?

1. 因为封装本身可能影响芯片的良率和特性,所以芯片所有可测测试项目都是必须在FT阶段测试一遍的.而CP阶段则是可选

2. CP阶段原则上只测一些基本的DC,低速数字电路的功能,以及其它一些容易测试或者必须测试的项目.凡是在FT阶段可以测试,在CP阶段难于测试的项目,能不测就尽量不测.一些类似ADC的测试,在CP阶段可以只给几个DC电平,确认ADC能够基本工作.在FT阶段再确认具体的SNR/THD等指标

3. 由于CP阶段的测试精度往往不够准确,可以适当放宽测试判断标准,只做初步筛选.精细严格的测试放到FT阶段

4. 如果封装成本不大,且芯片本身良率已经比较高.可以考虑不做CP测试,或者CP阶段只做抽样测试,监督工艺

5. 新的产品导入量产,应该先完成FT测试程序的开发核导入.在产品量产初期,FT远远比CP重要.等产品逐渐上量以后,可以再根据FT的实际情况,制定和开发CP测试

2. 测试工程师需要考虑什么

降低测试成本：

• 从测试规划开始考虑芯片性能要求，ATE,Load Board等，通过减少chain length, memory instance number 来降低成本
• ATPG effciency
• 选择合适的test vectors

3. 什么是DFT

DFT = Design-for-Testability

• 额外的pin

• 会插入或改变原有的逻辑

DFT cost:

• area cost
• performance 降低
• ATPG tool cost 和 pattern debug cost
• ATE testing cost

如何减小DFT cost:

• 合理的test plan, 比如减小chain length, memory concurrent testing
• 减少图形（pattern) 数量
• 增加测试频率

Fault Model

physical fault:

• IO leakage 或 short
• net open
• material pollution

Logic fault:

• signal hard fault
• delay fault
• static current fault

Fault model 就是在physical fault 和 Logic fault之间建立一个桥梁，或者说是一个反应物理fault影响的逻辑模型

比如下面一个SA fault （static fault):

A pin可能在物理上被短路到了地，因此在建模时相当于将其置为静态的0.

Transition fault: 主要考察speed和timing

• STR: slow to rise
• STF: slow to fall

Path delay fault: 也是反应在速度和时序上，考察整个路径上的延时是否超时，通常是关键路径

IDDQ: 测试CMOS电路在静态时的总电流。

• 在静态时CMOS只有leakage电流或二极管反向电流
• 任何开路，短路都会导致总电流异于常规，导致IDDQ variation

Fault class hierarchy

• DT - Detected
• PT - Possibly detected
• UD - Undetectable
• AU - ATPG untestable
• ND - Not detected

DFT Methods

• Ad-hoc (功能点测试)
• Structured (结构化测试）:
  • Scan
  • Built-in self-test (BIST)
    • Memory
    • Logic
  • Boundary scan

Ad-hoc

在设计者关注的地方增加可测试逻辑：

• 增加可控制节点和观测节点
• 将大的电路分解为小的测试blocks

例如在下面的ROM前增加一个scan点可以观察进入ROM的数据是否有误。

缺点：

Scan：

将DFF换成带扫描模式的DFF，并将其串起来形成scan chain

逻辑BIST

BIST = Build in self test

将ATE(自动测试机)的工作（Test data generation, test response evaluation) 放到片上。

另外，可以保护系统的内部数据，因为少了外面的控制和观测，所以对内部节点的信息不可获取。

缺点：

• 开销大
• 较低的fault coverage，较高的测试时间
• Debug 困难，只知道错了，但不知道错在哪

常用于对pin数量要求不大（pin比较少），有安全问题的芯片，例如：公交卡芯片

Boundary Scan

测试多芯片互联。测试板级制造过程的错误，包括使用了错误的元件，pin的错误短路、开路等

• 有独立的子系统（独立时钟）
• 只需要5个pin: TDI, TDO, TMS, TCK, TRST(可以不用) （JTAG)
• 通过将多片的TDO和TDI串联可以测试多片的互联

基本JTAG：

例如，通过TAP模式选择，检测device的身份验证，验证是否时正确的芯片。

DFT-Scan

D算法：

1. 选择一个特定的fault point（猜测的有fault的地方）
2. 输入驱动值，保证其值到达fault point时产生的理论值跟fault相反
3. 传播fault值到最近的输出点
4. 记录测试图形，报fault

例子：下面的U1单元输出怀疑有static fault(接地短路)

• 首先在U1的输入上给0，如果U1没问题，则输出应该时1（绿色，表示无fault), 否则，输出0（红色，表示static 0 fault）
• 其他pin的输入需要做配合，使得最后的输出pin能够反应U1的值，这样U1的fault就被挪到了输出pin上，判断输出值即可判断U1是否有问题

对于这个例子，有如下几个概念：

1. Input Stimulus: 测试激励，这边指 1000
2. Expected response: 预期响应，这边指没有fault时的输出值，为1
3. Test Vector: 测试向量，即上面两个合在一起10001
4. Test pattern：测试图形，为了检测一个目标fault而构建的一个或多个测试向量序列

实际上，我们并不知道U1是否有问题，就算最后输出报了fault，也无法确定是不是U1出错。所以实际上做的时候会迭代多次，根据不同的测试激励逐渐缩小fault点范围，直到排查到fault点。

D-算法的优缺点：

• 优点：
  • Deterministic： 确定的，是一步接一步做的
  • Exhaustive: 穷举的，直到测完或者有undetectable的fault
• 缺点：
  • 一次只能测一个fault
  • 在每一步都要进行决策
  • 对于一些难以检测的fault可能要多次迭代测试

注意：有些fault点是测不到的，比如冗余逻辑。

练习：

Scannable Equivalent Filp-Flop

上面的方法是测组合逻辑，而要测时序逻辑，则需要将DFF进行替换：

之后将所有替换后的DFF串起来形成一条链。

目的：方便将测试激励灌到任意DFF中。

方法：

• SE选中SI端，经过scan shift将测试激励通过SI端移到寄存器中
• SE选中D端，让寄存器Capture数据
• SE选中SI端，继续shift，将待测点结果输出到output pin
• 继续Capture ...

例子：

可以看到，要测标记点的fault，需要给1000的测试激励，首先通过SI端将数据依次打入对应寄存器，之后capture fault结果，然后继续shift，此时经过若干周期就能将所有DFF的capture值从PO导出来，就可以判断fault结果了。

ATPG

自动测试图形(pattern)生成。芯片测试需要有pattern, 手工设计pattern是非常耗时的。主要Tools: Teramax, Testkcompress, Encouter Test.

ATPG flow:

• Read design
• Build design
• DRC
• Prepare for ATPG
• Run ATPG
• Save patterns and faults

Memory 在测试的时候是交给BIST来做的，是一个black box，但是这样在Memory block的附近可观测性很低，如何解决？

• 加bypass逻辑，（mem输入到输出加DFF)
• 使用TetraMax Model (为memory建模)

MBIST

为什么要做MBIST?

• Memory在现在芯片中占比越来越大。（80%-90% Today）

• mem对工艺波动非常敏感

• 目前很多嵌入的mem都有内置的redundancy(冗余逻辑)，可以替换一些失效的mem区域，而失效区域需要BIST来检测到

Memory类型

• SRAM
• DRAM
• CAM
• ROM
• FLASH

MBIST一般只针对SRAM, DRAM, ROM

Memory Defects

1. 地址解码逻辑
2. 读写控制逻辑
3. memory cell

同样，memory 的fault也有stuck-at fault（钳位在固定电平） 和transition fault。此外，mem还有Coupling Fault:

Coupling Fault:

• Inversion Coupling Faults(CFin)

  • 一个cell上的跳变导致另一个cell往反方向跳变

  • 

• Idempotent Coupling Faults

  • 跟上面类似，只是导致另一个cell往固定值跳变

• Bridge Coupling Faults (BF)

  • 在内部cell之间存在桥接，效果是看上去两个cell相或，相与

• Neighborhood Pattern Sensitive faults

MBIST 算法

• Address Decoder Algorithm
• March Algorithm
• Checkerboard Algorithm

MBIST 的基本架构