伴隨著現代大規模集成電路制造工藝的快速發展，設計工程師必需直面芯片制造過程中可能產生的物理缺陷。現今流行的可測試性設計（DFT：Design For Testability）應運而生，并為保證芯片的良品率擔任著越來越重要的角色。


　　在DFT設計中，測試覆蓋率及其測試效率是最重要的指標。一方面，理想的設計目標當然希望測試能夠遍及整個芯片的邏輯，盡管理想值100%是不容易達到的；另一方面，測試效率亦非常重要，設計工程師總希望用最少的測試向量達到預期的測試覆蓋率，來降低芯片的測試成本。


　　當然，DFT設計必須保證正常的邏輯功能為前提。不幸的是，功能設計總會忽略一些潛在的問題，導致最終的測試覆蓋率往往不盡如人意。這種情況下，設計中有一些邏輯無論如何都不能被觀測到或控制到，因此即使測試矢量的數量有很大的增幅，也不能使結果改善很多。


　　在實際的DFT設計中，存在對測試覆蓋率有較大損害的兩種情況：一種存在于數字邏輯-模擬邏輯（包括存儲器）輸入-輸出處之陰影部分，另一種存在于特定的多芯片封裝情況下未綁出的輸入-輸出焊墊處。二者的共同點在于：測試模式下部分邏輯的不可控或不可觀測。

設計背景

　
　　本文探討的設計目標是一個來自意法半導體的數字音頻信號處理芯片，要求對數字功能邏輯進行掃描鏈測試，覆蓋率達到98%以上。其功能邏輯中存在一些模擬模塊，如鎖相環、模數轉換器和一些存儲器單元等。更為重要的是，該芯片需要基于不同的應用系統需要，不但需要單獨封裝形式，也需要多芯片共享同一封裝。這樣，在某些多芯片封裝中，就有部分焊墊未引出或接地。而測試的設計初衷是產生一組測試向量適用于所有封裝形，就要求考慮最嚴格的封裝下可用的管腳資源。


　　DFT設計有兩個基本原則：可控制性和可觀測性，即DFT設計要求所有輸入邏輯是可控的和輸出邏輯是可測的。顯然，考慮到本設計中的模擬模塊接口和封裝形式的資源有限性，不可控邏輯和不可觀測邏輯對不小于98%的目標測試覆蓋率給出了很大的挑戰。


　　如圖1所示，在某種芯片封裝情況下，除信號test_si和test_so外，其余焊墊并未綁出（接地或懸空），從而造成信號port_A、port_B、port_C和port_D的不可控，以及信號port_Z1、port_Z2和port_Z3的不可觀測（懸空）。導致很多相關邏輯不能正常參于DFT測試，測試覆蓋率受到較大的損害。

　　DFT設計的可控制性和可觀測性是通過原始的管腳來實現的，事實上功能設計不可能專門為DFT保留足夠多的管腳。如圖2所示的數字-模擬接口，由于PLL模塊的存在，顯然信號net_1、net_2和net_3上得到的測試結果不可直接觀測（不可測），組合邏輯1相應的測試覆蓋率降低了；同時，由于PLL模塊的存在，信號net_4、net_5和的net_6不能直接賦值（不可控），導致組合邏輯2的部分邏輯不能正常參于DFT測試，相應的測試覆蓋率受到較大的損害。總的來說，芯片的測試覆蓋率降低了。

解決方案


　　針對設計中的上述情況，可以通過適當添加測試點的方式，使原來不可控和不可測的邏輯變化反映到掃描鏈上，使之變得間接可控和可測，以期提高整個芯片的測試覆蓋率和測試效率。


　　對于圖1所示的某些封裝中，不可控和不可測的未綁出（接地或懸空）管腳，圖3給出了相應的定制的解決方案。

　　　　　　　　　　圖3 添加控制點和觀測點提高測試覆蓋率（封裝部分管腳未綁出情況）


　　對于輸入管腳，添加一個帶有選擇端的寄存器。當控制選擇信號為“0”時，電路處于正常工作狀態，功能邏輯從輸入端接收到正常的輸入數值。當選擇控制為“1”時，電路處于測試狀態。在移位過程中，這些點由測試鏈預置相應的值；在捕獲過程中，將之接地防止不定態在設計中的傳播。


　　在輸出管腳處，添加少量異或門和選擇器件。當控制選擇信號為“0”時，電路處于正常工作狀態，輸出管腳正常輸出功能信號。當選擇控制為“1”時，電路處于測試狀態，用異或門將未能綁出的管腳的變化引出，相當于這些管腳也可以被觀測了。


　　針對圖2所示的數字-模擬接口，部分模擬模塊輸入信號通過組合邏輯給出，但在測試時并沒有邏輯將這些“終點”的信號影響引出觀察，因此這些點是不可觀測的。這與DFT設計可觀測要求（需管腳直接輸出）不相符，可能造成測試覆蓋率的損害。同時，部分模擬模塊輸出信號控制相應的組合邏輯，但在測試中，這些點是“浮空”（不可控制）的。這與DFT設計可控要求（需管腳直接輸入）不相符，造成測試覆蓋率的降低。圖4給出了類似前者的定制解決方案，其實質也是把這些不可控和不可測點連到測試鏈上去，讓這些邏輯間接可觀測或可控制以改善測試結果。

　　　　　　　　　　　圖4添加控制點和觀測點提高測試覆蓋率（數字-模擬接口情況）


　　如圖所示，在模擬模塊輸入信號處添加少量異或門和選擇器件，并將它們連到掃描鏈上去。當控制選擇信號為“0”時，電路處于正常工作狀態，模擬模塊的輸入管腳正常接收功能信號。當選擇控制為“1”時，電路處于測試狀態，用異或門或者其他器件將未能觀測管腳的變化引出，相當于這些管腳間接可以被觀測了。


　　如圖所示，在模擬模塊輸出信號處添加一個帶有選擇端的寄存器。當控制選擇信號為“0”時，電路處于正常工作狀態，模擬模塊信號正常輸出到后續的功能邏輯。當選擇控制為“1”時，電路處于測試狀態：在移位過程中，這些點由測試鏈預置相應的值；在捕獲過程中，將之接地防止不定態在設計中的傳播。


　　對于其他的模擬模塊如ADC, 存儲器等，采用類似的方法可改善整個芯片的測試覆蓋率和測試效率，達到目標測試效果。

結語


　　在前面提及的實際項目DFT設計中，功能邏輯部分含有萬余寄存器。為提高測試覆蓋率，添加僅12個寄存器及很少部分組合邏輯作為測試點后，即可將測試覆蓋率從原來的95%提高到 98.3%。由此看來，這種方法是很有效率的。并且可根據項目實際需要，添加更多點以期達到更高覆蓋率，理論上測試覆蓋率可接近100%。


　　推薦RTL功能設計時就能考慮這種測試結構。這樣做設計工程師之間能夠了解彼此的設計需求，功能測試結構明晰，在DFT設計過程中省去很多麻煩。如果發現這類問題在RTL完成之后，一些DFT工具也提供用戶自定義的測試點插入，但是要注意測試控制信號選取一定要與需要的測試模式匹配，否則無法完成相應的測試期望。這種方法的關鍵是了解在哪里加測試點更為有效。