IC測(cè)試基本原理與ATE測(cè)試向量生成

IC測(cè)試主要的目的是將合格的芯片與不合格的芯片區(qū)分開(kāi)，保證產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。隨著集成電路的飛速發(fā)展，其規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)電路的質(zhì)量與可靠性要求進(jìn)一步提高，集成電路的測(cè)試方法也變得越來(lái)越困難。因此，研究和發(fā)展IC測(cè)試，有著重要的意義。而測(cè)試向量作為IC測(cè)試中的重要部分，研究其生成方法也日漸重要。

1 IC 測(cè)試

1.1 IC測(cè)試原理
IC 測(cè)試是指依據(jù)被測(cè)器件（DUT）特點(diǎn)和功能，給DUT提供測(cè)試激勵(lì)（X），通過(guò)測(cè)量DUT輸出響應(yīng)（Y）與期望輸出做比較，從而判斷DUT是否符合格。圖1所示為IC測(cè)試的基本原理模型。
根據(jù)器件類(lèi)型，IC測(cè)試可以分為數(shù)字電路測(cè)試、模擬電路測(cè)試和混合電路測(cè)試。數(shù)字電路測(cè)試是IC測(cè)試的基礎(chǔ)，除少數(shù)純模擬IC如運(yùn)算放大器、電壓比較器、模擬開(kāi)關(guān)等之外，現(xiàn)代電子系統(tǒng)中使用的 大部分IC都包含有數(shù)字信號(hào)。


圖1 IC測(cè)試基本原理模型

數(shù)字IC 測(cè)試一般有直流測(cè)試、交流測(cè)試和功能測(cè)試。

1.2 功能測(cè)試
功能測(cè)試用于驗(yàn)證IC是否能完成設(shè)計(jì)所預(yù)期的工作或功能。功能測(cè)試是數(shù)字電路測(cè)試的根本，它模擬IC的實(shí)際工作狀態(tài)，輸入一系列有序或隨機(jī)組合的測(cè)試圖形，以電路規(guī)定的速率作用于被測(cè)器件，再在電路輸出端檢測(cè)輸出信號(hào)是否與預(yù)期圖形數(shù)據(jù)相符，以此判別電路功能是否正常。其關(guān)注的重點(diǎn)是圖形產(chǎn)生的速率、邊沿定時(shí)控制、輸入/輸出控制及屏蔽選擇等。
功能測(cè)試分靜態(tài)功能測(cè)試和動(dòng)態(tài)功能測(cè)試。靜態(tài)功能測(cè)試一般是按真值表的方法，發(fā)現(xiàn)固定型（Stuckat）故障。動(dòng)態(tài)功能測(cè)試則以接近電路 工作頻率的速度進(jìn)行測(cè)試，其目的是在接近或高于器件實(shí)際工作頻率的情況下，驗(yàn)證器件的功能和性能。
功能測(cè)試一般在ATE（Automatic Test Equipment）上進(jìn)行，ATE測(cè)試可以根據(jù)器件在設(shè)計(jì)階段的模擬仿真波形，提供具有復(fù)雜時(shí)序的測(cè)試激勵(lì)，并對(duì)器件的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)的采樣、比較和判斷。

1.3 交流參數(shù)測(cè)試
交流（AC）參數(shù)測(cè)試是以時(shí)間為單位驗(yàn)證與時(shí)間相關(guān)的參數(shù)，實(shí)際上是對(duì)電路工作時(shí)的時(shí)間關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量諸如工作頻率、輸入信號(hào)輸出信號(hào)隨時(shí)間的變化關(guān)系等。常見(jiàn)的測(cè)量參數(shù)有上升和下降時(shí)間、傳輸延遲、建立和保持時(shí)間以及存儲(chǔ)時(shí)間等。交流參數(shù)最關(guān)注的是最大測(cè)試速率和重復(fù)性能，然后為準(zhǔn)確度。

1.4 直流參數(shù)測(cè)試
直流測(cè)試是基于歐姆定律的，用來(lái)確定器件參數(shù)的穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法。它是以電壓或電流的形式驗(yàn)證電氣參數(shù)。直流參數(shù)測(cè)試包括：接觸測(cè)試、漏電流測(cè)試、轉(zhuǎn)換電平測(cè)試、輸出電平測(cè)試、電源消耗測(cè)試等。
直流測(cè)試常用的測(cè)試方法有加壓測(cè)流（FVMI）和加流測(cè)壓（FIMV），測(cè)試時(shí)主要考慮測(cè)試準(zhǔn)確度和測(cè)試效率。通過(guò)直流測(cè)試可以判明電路的質(zhì)量。如通過(guò)接觸測(cè)試判別IC引腳的開(kāi)路/短路情況、通過(guò)漏電測(cè)試可以從某方面反映電路的工藝質(zhì)量、通過(guò)轉(zhuǎn)換電平測(cè)試驗(yàn)證電路的驅(qū)動(dòng)能力和抗噪聲能力。
直流測(cè)試是IC測(cè)試的基礎(chǔ)，是檢測(cè)電路性能和可靠性的基本判別手段。

1.5 ATE測(cè)試平臺(tái)
ATE（Automatic Test Equipment）是自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，它是一個(gè)集成電路測(cè)試系統(tǒng)，用來(lái)進(jìn)行IC測(cè)試。一般包括計(jì)算機(jī)和軟件系統(tǒng)、系統(tǒng)總線控制系統(tǒng)、圖形存儲(chǔ)器、圖形控制器、定時(shí)發(fā)生器、精密測(cè)量單元（PMU）、可編程電源和測(cè)試臺(tái)等。
系統(tǒng)控制總線提供測(cè)試系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)接口卡的連接。圖形控制器用來(lái)控制測(cè)試圖形的順序流向，是數(shù)字測(cè)試系統(tǒng)的CPU。它可以提供DUT所需電源、圖形、周期和時(shí)序、驅(qū)動(dòng)電平等信息。

2 測(cè)試向量及其生成
測(cè)試向量（Test Vector）的一個(gè)基本定義是：測(cè)試向量是每個(gè)時(shí)鐘周期應(yīng)用于器件管腳的用于測(cè)試或者操作的邏輯1和邏輯0數(shù)據(jù)。這一定義聽(tīng)起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單，但在真實(shí)應(yīng)用中則復(fù)雜得多。因?yàn)檫壿?和邏輯0是由帶定時(shí)特性和電平特性的波形代表的，與波形形狀、脈沖寬度、脈沖邊緣或斜率以及上升沿 和下降沿的位置都有關(guān)系。

2.1 ATE測(cè)試向量
在ATE語(yǔ)言中，其測(cè)試向量包含了輸入激勵(lì)和預(yù)期存儲(chǔ)響應(yīng)，通過(guò)把兩者結(jié)合形成ATE 的測(cè)試圖形。這些圖形在ATE中是通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘上升和下降沿、器件管腳對(duì)建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求和一定的格式化方式來(lái)表示的。格式化方式一般有RZ（歸零）、RO（歸1）、NRZ（非歸零）和NRZI（非歸零反）等。
圖2為RZ和R1格式化波形，圖3為NRZ和NRZI格式化波形。

圖2 RZ和R1數(shù)據(jù)格式波形?

圖3 NRZ和NRZI數(shù)據(jù)格式波形

RZ數(shù)據(jù)格式，在系統(tǒng)時(shí)鐘的起始時(shí)間T0，RZ測(cè)試波形保持為“0”，如果在該時(shí)鐘周期圖形存儲(chǔ)器輸出圖形數(shù)據(jù)為“1”，則在該周期的時(shí)鐘周期期間，RZ測(cè)試波形由“0”變換到“1”，時(shí)鐘結(jié)束時(shí)，RZ 測(cè)試波形回到“0”。若該時(shí)鐘周期圖形存儲(chǔ)器輸出圖形數(shù)據(jù)為“0”，則RZ測(cè)試波形一直保持為“0”，在時(shí)鐘信號(hào)周期內(nèi)不再發(fā)生變化。歸“1”格式（R1）與RZ相反。

非歸“0”（NRZ）數(shù)據(jù)格式，在系統(tǒng)時(shí)鐘起始時(shí)間T0，NRZ測(cè)試波形保持T0前的波形，根據(jù)本時(shí)鐘周期圖形文件存儲(chǔ)的圖形數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的信號(hào)沿變化。即若圖形文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為“1”，那么在相應(yīng)時(shí)鐘邊沿，波形則變化為“1”。NRZI波形是NRZ波形的反相。

在ATE中，通過(guò)測(cè)試程序?qū)r(shí)鐘周期、時(shí)鐘前沿、時(shí)鐘后沿和采樣時(shí)間的定義，結(jié)合圖形文件中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，形成實(shí)際測(cè)試時(shí)所需的測(cè)試向量。

ATE測(cè)試向量與EDA設(shè)計(jì)仿真向量不同，而且不同的ATE，其向量格式也不盡相同。以JC-3165型ATE為例，其向量格式如圖4所示。

ATE向量信息以一定格式的文件保存，JC-3165向量文件為*.MDC文件。在ATE測(cè)試中，需將*.MDC文件通過(guò)圖形文件編譯器，編譯成測(cè)試程序可識(shí)別的*.MPD文件。在測(cè)試程序中，通過(guò)裝載圖形命令裝載到程序中。

圖4 ATE測(cè)試向量格式

2.2 ATE測(cè)試向量的生成

對(duì)簡(jiǎn)單的集成電路，如門(mén)電路，其ATE測(cè)試向量一般可以按照ATE向量格式手工完成。而對(duì)于一些集成度高，功能復(fù)雜的IC，其向量數(shù)據(jù)龐大，一般不可能依據(jù)其邏輯關(guān)系直接寫(xiě)出所需測(cè)試向量，因此，有必要探尋一種方便可行的方法，完成ATE向量的生成。

在IC設(shè)計(jì)制造產(chǎn)業(yè)中，設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和仿真是不可分離的。其ATE 測(cè)試向量生成的一種方法是，從基于EDA工具的仿真向量（包含輸入信號(hào)和期望的輸出），經(jīng)過(guò)優(yōu)化和轉(zhuǎn)換，形成ATE格式的測(cè)試向量。

依此，可以建立一種向量生成方法。利用EDA工具建立器件模型，通過(guò)建立一個(gè)Test bench仿真驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)其提供測(cè)試激勵(lì)，進(jìn)行仿真，驗(yàn)證仿真結(jié)果，將輸入激勵(lì)和輸出響應(yīng)存儲(chǔ)，按照ATE向量格式，生成ATE向量文件。其原理如圖5所示。

圖5 ATE向量生成示意圖

2.3 測(cè)試平臺(tái)的建立

（1）DUT模型的建立
① 164245模型：在Modelsim工具下用Verilog HDL語(yǔ)言[5]，建立164245模型。164245是一個(gè)雙8位雙向電平轉(zhuǎn)換器，有4個(gè)輸入控制端：1DIR，1OE，2DIR，2OE；4組8位雙向端口：1A，1B，2A，2B。端口列表如下：
input DIR_1，DIR_2，OE_1，OE_2；
inout [0：7] a_1，a_2，b_1，b_2；
reg [0：7] bfa1，bfb1，bfa2，bfb2；//緩沖區(qū)
② 緩沖器模型：建立一個(gè)8位緩沖器模型，用來(lái)做Test bench 與164245 之間的數(shù)據(jù)緩沖，通過(guò) 在Testbench總調(diào)用緩沖器模塊，解決Test bench與164245模型之間的數(shù)據(jù)輸入問(wèn)題。

（2）Test bench的建立
依據(jù)器件功能，建立Test bench平臺(tái)，用來(lái)輸入仿真向量。
Test bench中變量定義：
reg dir1，dir2，oe1，oe2；//輸入控制端
reg[0：7] a1，a2，b1，b2；//數(shù)據(jù)端
reg[0：7] A1_out[0：7]；//存儲(chǔ)器，用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)
reg[0：7] A2_out[0：7]；
reg[0：7] B1_out[0：7]；
reg[0：7] B2_out[0：7]；
通過(guò)Test bench 提供測(cè)試激勵(lì)，經(jīng)過(guò)緩沖區(qū)接口送入DUT，觀察DUT輸出響應(yīng)，如果滿(mǎn)足器件功能要求，則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理按照ATE 圖形文件格式產(chǎn)生*.MDC 文件；若輸出響應(yīng)有誤，則返回Test bench 和DUT模型進(jìn)行修正。其原理框圖可表示如圖6所示。


圖6 Test bench驗(yàn)證平臺(tái)框圖

（3）仿真和驗(yàn)證
通過(guò)Test bench 給予相應(yīng)的測(cè)試激勵(lì)進(jìn)行仿真，得到預(yù)期的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了器件功能仿真，并獲得了測(cè)試圖形。圖7和圖8為部分仿真結(jié)果。

圖7 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果

在JC-3165的*.MDC圖形文件中，對(duì)輸入引腳，用“1”和“0”表示高低電平；對(duì)輸出引腳，用“H”和“L”表示高低電平；“X”則表示不關(guān)心狀態(tài)。由于在仿真時(shí)，輸出也是“0”和“1”，因此在驗(yàn)證結(jié)果正確后，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行了處理，分別將“0”和“1”轉(zhuǎn)換為“L”和“H”，然后放到存儲(chǔ)其中，最后生成*.MDC圖形文件。

圖8 生成的*.MDC文件

3 結(jié)論
本文在Modelsim環(huán)境下，通過(guò)Verilog HDL語(yǔ)言建立一個(gè)器件模型，搭建一個(gè)驗(yàn)證仿真平臺(tái)，對(duì)164245進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了164245的功能，同時(shí)得到了ATE所需的圖形文件，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期所要完成的任務(wù)。
隨著集成電路的發(fā)展，芯片設(shè)計(jì)水平的不斷提高，功能越來(lái)越復(fù)雜，測(cè)試圖形文件也將相當(dāng)復(fù)雜且巨大，編寫(xiě)出全面、有效，且基本覆蓋芯片大多數(shù)功能的測(cè)試圖形文件逐漸成為一種挑戰(zhàn)，在ATE上實(shí)現(xiàn)測(cè)試圖形自動(dòng)生成已不可能。因此，有必要尋找一種 能在EDA工具和ATE測(cè)試平臺(tái)之間的一種靈活通訊的方法。
目前常用的一種方法是，通過(guò)提取EDA工具產(chǎn)生的VCD仿真文件中的信息，轉(zhuǎn)換為ATE測(cè)試平臺(tái)所需的測(cè)試圖形文件，這需要對(duì)VCD文件有一定的了解，也是進(jìn)一步的工作。