数字集成电路功能检验检测

数字集成电路功能检验检测：原理、方法与实施

引言
随着半导体工艺持续演进，数字集成电路（IC）的复杂度与集成度呈指数级增长。确保流片后芯片的功能符合设计规范，是产品成功的关键环节。功能检验检测（Functional Testing）作为芯片出厂前的最后一道质量关卡，其目标在于高效、准确地识别制造过程中引入的功能性缺陷，筛选出合格芯片交付客户。该过程贯穿芯片设计验证、样片调试到量产测试的全生命周期。

一、 功能检验检测的核心原理与目标

功能检测的本质是将芯片置于设计意图定义的工作状态下，通过施加特定的输入激励（测试向量），观察其输出响应，并与预期结果（黄金模型或仿真结果）进行比对。

• 故障模型： 基于物理缺陷抽象的逻辑模型是测试生成的基础。常见模型包括：
  • 固定型故障： 信号线被固定在高电平(Stuck-At-1, SA1)或低电平(Stuck-At-0, SA0)。
  • 跳变延迟故障： 信号从0到1或1到0的跳变速度过慢，导致在捕获时钟边沿未达到稳定值。
  • 桥接故障： 两根或多根不应连接的信号线短路，导致逻辑冲突或电平异常。
• 测试覆盖率： 衡量测试质量的核心指标，定义为被测电路中被检测到的故障数占总潜在故障数的百分比。高覆盖率（通常要求>95-99%）是保证测试有效性的前提。
• 检测目标：
  • 验证芯片逻辑功能的正确性。
  • 识别因制造缺陷（如开路、短路、栅氧击穿、掺杂异常等）导致的功能失效。
  • 区分合格品与残次品，保证出货质量。

二、 测试向量生成关键技术

生成高效、高覆盖率的测试向量是功能检测的核心挑战。

• 自动测试向量生成： ATPG是主流方法。基于电路的网表描述和选定的故障模型（主要是SA0/SA1），算法自动推导能激活故障并将其效应传播到可观测输出端的输入组合。
  • 确定性ATPG： 如D算法、PODEM算法、FAN算法等，精确面向特定故障生成向量。优点是高覆盖率，缺点是计算复杂度高。
  • 随机/伪随机向量生成： 快速产生大量输入组合，对简单故障有效，覆盖率提升慢，常用于辅助或内置自测试。
• 测试向量压缩： 大规模芯片测试向量集极其庞大，压缩技术至关重要：
  • 基于编码的压缩： 如差分编码、游程编码、Golomb编码等，利用向量间的相关性减少数据量。
  • 基于扫描链的压缩： 如广播扫描、伊利诺伊扫描、动态压缩等，通过重构扫描链结构或共享激励/响应，在ATE上动态解压缩。
• 故障仿真： 评估生成的测试向量集的故障覆盖率。将向量施加到包含注入故障的电路模型上，模拟输出响应，统计被检测到的故障。

三、 可测试性设计：测试实现的基础

为了提高测试生成效率和故障覆盖率，降低测试成本，必须在设计阶段融入可测试性设计技术。

• 扫描设计： 最广泛应用的技术。
  • 将时序电路中的触发器（FF）替换为可扫描的触发器（SFF）。
  • 在测试模式下，所有SFF连接成一条或多条串行移位寄存器链（扫描链）。
  • 测试过程： 通过扫描链移位载入测试向量 -> 切换到功能模式运行一个周期 -> 切换回扫描模式移出捕获的响应。将内部节点状态变为可控制和可观测。
• 内建自测试： BIST将测试激励生成、响应捕获与分析电路集成在芯片内部。
  • 逻辑BIST： 通常使用伪随机模式生成器和多输入特征寄存器，适合测试随机逻辑。
  • 存储器BIST： 专用算法测试片上SRAM/DRAM等嵌入式存储器。
  • 优点： 降低ATE要求和测试时间，支持在线测试。
• 边界扫描： 基于IEEE 1149.1 (JTAG)标准。
  • 在芯片I/O引脚处增加边界扫描单元。
  • 主要用于板级互连测试、芯片配置和调试，也支持芯片级测试访问。
• 测试点插入： 在难控制或难观察的节点处插入额外的逻辑或控制点，提高该节点的可控性和可观性。

四、 测试实施与设备

功能检验检测主要在自动化测试设备上完成。

• 自动化测试设备： ATE是执行量产芯片测试的专用硬件平台。
  • 测试头： 包含精密电源、高精度信号源（波形发生器）、高速数字通道（引脚电子）、测量单元（数字化仪、比较器）、定时/时钟子系统。
  • 测试仪主机： 运行测试程序操作系统、存储测试向量和程序、处理测试结果。
  • 分选机/探针台： 用于晶圆测试的探针台使探针卡接触芯片引脚；用于封装测试的分选机负责芯片的自动上下料、定位和分拣。
• 测试接口：
  • 探针卡： 连接ATE通道与晶圆上芯片焊盘。
  • 测试插座/负载板： 连接ATE通道与封装好的芯片引脚。
• 测试程序开发：
  • 将设计验证阶段生成的测试向量、时序信息、电平规范等转换为ATE可执行的指令序列。
  • 定义测试流程：初始化、参数测量、功能向量施加、响应比较、故障诊断等。
  • 优化测试时间，减少ATE资源占用。
• 测试流程与数据分析：
  • 晶圆测试： 在划片前对晶圆上的裸片进行初步筛选，标记失效芯片。
  • 终测： 对封装后的芯片进行更全面、严格的测试，包含常温、高温、低温、不同电压下的功能与参数测试。
  • 失效分析： 对测试失效的芯片进行物理或电学分析，定位缺陷根源，反馈给设计和制造环节进行改进。
  • 良率分析与提升： 统计测试数据，分析失效分布和模式，持续优化设计和工艺以提高制造良率。

结论

数字集成电路的功能检验检测是一个融合了设计、算法、精密测量和自动化的复杂系统工程。高效的ATPG算法产生高覆盖率向量，先进的DFT技术（特别是扫描设计）为测试提供物理基础，高性能ATE确保测试的精确执行与大规模量产。随着芯片复杂度不断提升和新工艺带来的挑战（如更低电压、更高频率、三维集成），功能检测技术也在持续发展，例如机器学习辅助的测试生成与诊断、基于高速串行接口的测试访问、针对特定领域架构（如AI加速器）的专用测试方法等。持续优化功能检测的覆盖率、效率和成本，对于保证芯片可靠性、提升产业竞争力至关重要。