邊界掃描與電路板測試技術(shù)

引言
電子器件的生產(chǎn)商和電子產(chǎn)品的制造商都在傾向于采用最新的器件技術(shù)，如BGA、CSP(芯片規(guī)模封裝)、TCP(倒裝芯片封裝)和其它更小的封裝，以提供更強(qiáng)的功能、更小的體積，并節(jié)省成本。電路板越來越密、器件越來越復(fù)雜、電路性能要求越來越苛刻，越來越難的接入問題導(dǎo)致了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1149.1——邊界掃描的誕生。邊界掃描測試BST是一種可測試結(jié)構(gòu)技術(shù)，它是在芯片的I/O端上增加移位寄存器，把這些寄存器連接起來，加上時(shí)鐘復(fù)位、測試方式選擇以及掃描輸入和輸出端口，而形成邊界掃描通道。每個(gè)IEEE 1149.1兼容的器件，都包括一個(gè)4線或5線的測試端口(TAP)、一個(gè)狀態(tài)機(jī)(TAP控制器)和由邊界掃描單元構(gòu)成的邊界掃描移位寄存器。其中TAP控制器用于控制邊界掃描測試的執(zhí)行。邊界掃描描述語言(BSDL-Boundary-Scan Description Language)是VHDL語言的子集。測試軟件開發(fā)系統(tǒng)使用BSDL文件進(jìn)行測試生成、分析、故障診斷和在系統(tǒng)編程。

圖1 邊界掃描用于互連線測試

圖2 集群測試

邊界掃描在板級測試中的應(yīng)用
邊界掃描在板級測試中，主要是對PCB上器件間互連線和管腳的故障進(jìn)行檢測和隔離，對在系統(tǒng)編程器件進(jìn)行編程。測試邊界掃描板的通用測試策略是：
?執(zhí)行板級邊界掃描基本結(jié)構(gòu)完整性測試。
?使用Extest指令，施加激勵(lì)和檢測響應(yīng)，進(jìn)行邊界掃描器件間互連的測試，測試時(shí)將非邊界掃描器件設(shè)置到安全狀態(tài)。
?對非邊界掃描器件進(jìn)行測試，如集群測試、RAM測試等。
在正常工作模式，帶邊界掃描功能的IC好像沒有實(shí)現(xiàn)其特定功能。然而，當(dāng)要進(jìn)行測試或在系統(tǒng)編程時(shí)，器件的掃描邏輯被激活，通過菊花鏈將多個(gè)具有JTAG接口的器件串聯(lián)起來，組成一個(gè)掃描鏈，使用單組測試向量實(shí)現(xiàn)對整個(gè)電路板的完整測試，如圖1所示。
邊界掃描測試對于采用復(fù)雜表面貼裝技術(shù)的電路板功能測試也是一種較好選擇，它能快速剔除產(chǎn)品的制造故障，讓功能測試真正進(jìn)行功能性故障的查找。當(dāng)前的主流在線測試和飛針測試設(shè)備也都兼有邊界掃描測試功能。
盡管很多使用中的器件可以使用BST技術(shù)，但仍有部分電路沒有邊界掃描功能。Teradyne公司的邊界掃描測試軟件VICTORY，可在其在線測試ATE上運(yùn)行，其中模塊VCCT (Virtual Component and Cluster Test 虛擬器件和集群測試)的工作原理是：VCCT將邊界掃描器件的掃描單元作為一個(gè)虛擬的ATE測試通道，去驅(qū)動激勵(lì)非邊界掃描邏輯電路，然后測試響應(yīng)。VCCT可以組合虛擬通道和真實(shí)的ATE通道進(jìn)行驅(qū)動和檢測。用VCCT進(jìn)行單個(gè)器件或集群(Cluster)測試時(shí)，關(guān)鍵的任務(wù)是定義測試目標(biāo)的輸入和輸出，如圖2所示。

JTAG接口在FPGA中的應(yīng)用
FPGA中的JTAG接口，除支持邊界掃描測試外，還具有在系統(tǒng)編程(ISP)和邏輯分析功能(SignalTap)。
ISC和ISP
ISC(在系統(tǒng)配置)或ISP是IEEE 1149.1的主要新應(yīng)用。如Altera公司的MAX7000系列EPLD就具有在系統(tǒng)編程功能，可用在線測試設(shè)備(ICT)或下載電纜，通過JTAG接口在板級對可編程器件進(jìn)行在線測試和編程，簡化制造流程。
SignalTap
在Altera公司的Stratix、Excalibur、APEX II等器件中，通過JTAG接口，實(shí)現(xiàn)了SignalTap II嵌入式邏輯分析儀功能。SignalTap II是二次生成(second-generation)的系統(tǒng)級調(diào)試工具，能捕獲和顯示SOPC中的實(shí)時(shí)信號特性，由軟IP核、編程硬件和分析軟件構(gòu)成，通過JTAG接口下載FPGA配置數(shù)據(jù)和上載捕獲的信號數(shù)據(jù)。通過實(shí)時(shí)板級測試，減少功能驗(yàn)證時(shí)間。

JTAG接口在DSP器件中的應(yīng)用
在DSP器件中，使用JTAG接口主要有兩種工作模式：邊界掃描模式和仿真模式。例如TMS320C6000系列中的JTAG端口由7到17個(gè)信號組成，其中5個(gè)信號為IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)信號，仿真信號EMUn用于選擇芯片的工作模式。芯片具有兩個(gè)TAP，一個(gè)用于邊界掃描，一個(gè)用于仿真。

關(guān)于邊界掃描的DFT問題
器件選擇
?選擇IEEE 1149.1兼容的器件：當(dāng)前一些大規(guī)模的集成電路都帶有JTAG接口，采用1149.1兼容的器件，能增加邊界掃描測試的覆蓋率。
?雙功能的JTAG端口：盡量避免選擇帶雙功能JTAG端口的器件。這些器件的雙功能引腳，在上電時(shí)默認(rèn)為內(nèi)核功能模式，通過預(yù)定義的JTAG使能引腳，將雙功能引腳切換到JTAG模式，因此，設(shè)計(jì)師必須確認(rèn)在進(jìn)行板級邊界掃描之前，能夠訪問和控制JTAG使能腳。
?所有IEEE 1149.1兼容的器件必須支持強(qiáng)制的SAMPLE/PRELOAD，EXTEST和BYPASS指令，并最好也支持可選的HIGHZ和IDCODE指令。
?對于CPLD器件，建議采用IEEE 1532兼容器件，這樣可使來自不同廠家的CPLD器件同時(shí)進(jìn)行配置。
掃描鏈布局
?JTAG控制信號的連接：TCK、TMS和可選的TRST并行連接，TDI、TDO信號將邊界掃描器件組成一個(gè)菊花鏈。
?分區(qū)：(1)為了滿足第三方調(diào)試/仿真工具的要求，有些器件(如DSP)必須位于同一個(gè)分離鏈中。(2)為了使不同的FPGA和CPLD廠商的在系統(tǒng)配置軟件工具同各自器件良好通信，不同公司的器件必須位于不同鏈中。(3)不同的邏輯系列器件(如ECL/TTL)放在不同的鏈中。(4)為有利于測試分區(qū)、診斷分辨率的提高或優(yōu)化測試向量的執(zhí)行，應(yīng)對器件進(jìn)行分區(qū)。(5)在系統(tǒng)環(huán)境中，提供到背板接口的器件應(yīng)進(jìn)行分區(qū)，這有利于進(jìn)行板到板互連測試時(shí)優(yōu)化測試向量的執(zhí)行。
?盡可能將邊界掃描鏈連接到邊緣連接器，這樣可不需要針床，避免因不清潔導(dǎo)致的接觸不良，有利于背板環(huán)境下的系統(tǒng)級訪問。
?對于高速的JTAG應(yīng)用，如SDRAM測試、FLASH編程等，TCK的速度高于10MHz，建議使用一個(gè)阻抗匹配的RC網(wǎng)絡(luò)端接(通常采用60-100Ω的電阻和100pF的電容串接)，所有其它的輸入使用一個(gè)弱的上拉電阻(10kΩ)。為了抑制反射，在菊花鏈的最后一個(gè)TDO引腳串接一個(gè)22Ω的電阻。
?通過放置一個(gè)0Ω的旁路電阻，可實(shí)現(xiàn)對邊界掃描器件的物理旁路。有時(shí)由于上市時(shí)間的壓力，邊界掃描器件并未實(shí)現(xiàn)其功能和對其進(jìn)行測試，如果它是掃描鏈中的一部分，將導(dǎo)致電路板上該鏈中的剩余器件無法進(jìn)行邊界掃描測試。這時(shí)可以使用旁路電阻對單個(gè)器件和多個(gè)器件進(jìn)行旁路。
?最好對進(jìn)入板上的所有IEEE 1149.1輸入信號進(jìn)行緩沖，以保證信號的完整性，特別是TCK和TMS。一個(gè)通用的規(guī)則是，如果電路板線長度相對較短，74244型緩沖器可扇出4~6個(gè)器件，如果緩沖器和邊界掃描器件間導(dǎo)線較長(大于10cm)，建議一個(gè)緩沖器扇出1~2個(gè)器件。
對非邊界掃描器件的控制
?對非邊界掃描邏輯控制信號的訪問：為了防止測試時(shí)的信號競爭導(dǎo)致器件損壞或測試不可靠，非邊界掃描器件的控制信號必須連到邊界掃描單元，以實(shí)現(xiàn)對該器件的非使能控制。
?時(shí)鐘信號的控制：有時(shí)需要對同步存儲器讀寫的時(shí)鐘信號進(jìn)行控制，用測試時(shí)鐘替代或?qū)r(shí)鐘關(guān)斷。
?對連接器的測試，可將連接器的引腳接至邊界掃描器件的掃描單元，通過在連接器上外接的短接器，實(shí)現(xiàn)直通測試。
對FPGA器件
?IEEE 1149.1只提供了靜態(tài)測試能力，對于高速應(yīng)用的BIST，可以充分利用FPGA對軟IP內(nèi)核的支持能力和可重新配置能力，在電路板裝配階段，將FPGA配置為帶BIST功能的內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)全速自測試，在系統(tǒng)集成階段和產(chǎn)品發(fā)運(yùn)時(shí)，將FPGA配置為其原有的正常功能。

結(jié)語
IEEE 1149.1很好地解決了微型器件封裝、高密度電路板探測等問題，是內(nèi)置自測試(BIST)采用的主要技術(shù)。為提高電路板測試的故障覆蓋率、降低測試成本，在電路板的設(shè)計(jì)初期，就應(yīng)考慮電路板的測試策略，采用可測試性設(shè)計(jì)方法，借助測試軟件進(jìn)行可測試性分析、評估和優(yōu)化，以提高TPS的開發(fā)效率，增強(qiáng)電路板的可測試性。