超大规模集成电路的板级测试研究

2019-10-16李志威潘中良叶小敏

重庆理工大学学报(自然科学) 2019年9期

李志威，潘中良，叶小敏

(1 广州民航职业技术学院飞机维修工程学院，广州 510800；2.华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006；3.马瑞利汽车电子(广州)有限公司，广州 510800)

随着芯片集成度的提高，对其测试也越来越困难。诸如Altera公司的大多数的FPGA和CPLD芯片、TI公司的DSP芯片以及Atmel公司的一些AVR芯片等，其共同特点是体积小、引脚多而密集，对于它们的板级测试，常规的探针测试方法难以进行，测试准确度更难以保证[1-3]。目前对于大规模集成电路的板级测试，研究较多的是边界扫描技术。边界扫描测试标准为大规模集成电路芯片提供了统一的测试标准，使得它们及所在电路板具有较好的电路可测性[4-6]。目前，已有研究将边界扫描技术应用于大型电路的测试环节，例如C919交换机以及在装备产品的应用研究[7-8]。

在大规模集成电路的板级测试过程中，常见的电路中的故障类型有开路故障、呆滞型故障和短路故障。开路故障即两芯片的互连管脚悬空；呆滞型故障可分为呆滞于逻辑“1”和呆滞于逻辑“0”；短路故障又称桥接故障，它是两个或以上的信号线桥接在一起引起的故障，可分为“或”短路(表现为逻辑“1”的驱动能力更强)、“与”短路(表现为逻辑“0”的驱动能力更强)和弱短路(最终的逻辑值不确定)[9-10]。

常用的测试算法包括走步“1”算法、改良二进制技术序列算法、最小权序列算法和计数补偿算法等[3,9]。但是这些测试算法在实际测试应用中针对上述故障类型存在一定的误判率和混淆率[9]，为了更准确有效地进行测试，本文提出在互连网络两端的边界扫描单元分别做输出操作的测试方法。该方法可以兼容上述的测试算法，提高测试系统的故障判断能力。

1 测试方法分析

超大规模集成电路的板级测试主要包括互连测试和簇测试。互连测试指具有边界扫描功能的芯片间互连情况测试，主要过程是提取电路网表文件和BSDL文件中的信息，定位边界扫描芯片，再遍历它们的所有互连网络。簇测试是指用具有边界扫描功能的芯片来“包围”不具备边界扫描功能的芯片或其他组件，使得这些芯片或组件能通过边界扫描方法进行测试。在实际测试中，研究更多的是测试算法问题，这些算法考虑的是只对某一芯片做输出操作，再从获得的响应矩阵进行故障分析，容易出现故障判断错误，特别是对开路故障与呆滞型故障的区分、短路故障与呆滞型故障的区分等容易出现误判的情况，误判的原因是两类故障获得了相同的响应矩阵。本文提出在互连网络两端分别作输出操作的测试方法来解决该问题，并利用此方法配合走步“1”算法为例来说明该方法的优点。

1.1 开路故障与呆滞型故障的区分

如图1所示，具有边界扫描功能的芯片1和芯片2互连，芯片1的I/O管脚悬空时为高电平，芯片2的I/O管脚悬空时为低电平，网络2和网络4分别设置了开路和呆滞“0”故障。如果用走步“1”算法生成测试向量，由芯片1作输出操作，可能出现图1(a)中的故障混淆，此时无法区分开路故障和呆滞“0”故障。如果用同样的测试向量对芯片2再做1次输出操作，如图1(b)所示，得到了不同的响应矩阵。结合两次的响应矩阵，可以进行准确的故障判断。

图1 开路故障与呆滞型故障区分

1.2 短路故障与呆滞型故障的区分

如图2所示，假设芯片1的短路输出类型为“与”短路，芯片2的短路输出类型为“或”短路，网络2和网络4分别设置了开路和呆滞“0”故障。如果用走步“1”算法生成测试向量，由芯片1作输出操作，可能出现图2(a)中的故障混淆，此时无法区分短路故障和呆滞“0”故障。如果用同样的测试向量对芯片2再做1次输出操作，如图2(b)所示，得到了不同的响应矩阵。结合两次的响应矩阵，可以进行准确的故障判断。

图2 短路故障与呆滞型故障区分

在互连网络两端的边界扫描单元分别作输出操作的测试方法，结合改良二进制技术序列、最小权序列和计数补偿等算法进行测试，同样可以增加其故障分辨能力，且该方法不会增加测试向量的生成难度，测试控制软件容易实现。

2 测试系统设计与实现

测试系统一般包括软件控制平台、测试控制电路以及被测电路板。本文设计的测试系统如图3所示，软件控制平台与控制电路的接口采用USB通信，测试控制电路与被测电路采用JTAG接口连接。

图3 本文测试系统

2.1 软件控制平台

软件控制平台采用VC++和MFC编程，与测试控制电路采用USB通信，驱动为Cypress的通用驱动。针对边界扫描测试的特点，把软件控制平台以模块的形式实现。当进行不同的测试时，只要调用相应的模块即可，方便用户做有针对性的测试，操作直观。软件平台提供的功能包括测试文件打开和编辑，连接测试设备，完备性测试模块，互连测试模块以及簇测试模块等。

软件平台应用了在互连网络两端的边界扫描单元分别做输出操作的测试方法。其中互连测试的实现流程如图4所示，接收向量矩阵有两部分，通过这两个向量矩阵可以对一些电特性相似的故障进行区分，以达到更高的故障分辨率。

图4 互连测试流程

2.2 测试控制电路

测试控制电路总体框架如图5所示。测试控制电路通过USB接口与软件控制平台通信，JTAG接口与被测电路板的JTAG接口连接。

图5 测试控制电路的总体框架

2.3 测试电路板

测试电路板主要由具备边界扫描功能的芯片EPM7064AET44和EP1C3T144构成。电路还包括不具备边界扫描功能的高速八位总线收发器芯片MC74VHC245。其原理如图6所示，为了满足电路板的可测性，使用专用的边界扫描测试芯片SN74LVTH182512。

由于该测试电路板的主要目的是进行边界扫描测试的实验，所以D/A电路及其他扩展电路部分没有在该测试板上体现，芯片间的互连管脚采用排针和跳线帽连接，以方便制造电路故障进行测试实验。同时，由于JTAG口也有在线调试的作用，为了减少电路中的接口数量，使用跳线形式来连接边界扫描链路，使得电路板上只需1个JTAG口就可以满足边界扫描测试要求，也可实现EP1C3T144和EPM7064AET44的在线调试。

图6 被测电路板的边界扫描结构

在测试实验时，测试板的测试通路采用串行连接方式，电路中3个具有边界扫描功能的芯片都没有包含TRST信号引脚。U1和U2之间可以做互连测试，U1、U3和U4构成簇结构，可以做簇测试。

3 测试结果分析

软件控制平台可以完成完备性测试、互连测试和簇测试。由于篇幅有限，完备性测试相对简单，这里不对测试结果进行分析，但需要注意的是必须先完成完备性测试，确认边界扫描链路完好，再进行后面的互连测试和簇测试。簇测试的原理和算法与互连测试类似，这里重点分析互连测试。在互连测试和簇测试上实现了对互连网络两端的边界扫描单元分别做输出操作的测试方法，兼容走步“1”、改良二进制技术序列、最小权序列和计数补偿等测试算法，可以选择其中一种算法进行测试。下面以走步“1”算法进行单故障和综合故障测试结果分析。

3.1 单故障测试

测试电路板上分别设置了开路、短路、呆滞“0”和呆滞“1”故障，如图7所示。设置开路的网络分别是Net2(U1的127脚和U2的2脚)、Net8(U1的121脚和U2的10脚)和Net14(U1的111脚和U2的19脚)。测试结果如表1所示：包含2个测试响应矩阵，测试矩阵1为U2作输出操作获得的响应矩阵(下同)，测试矩阵2为U1作输出操作获得的响应矩阵(下同)。从测试结果可以看出：对于开路故障的诊断结果正确。

图7 测试电路板分别设置的故障位置

如图7所示，电路板上设置的短路故障是网络Net1(U1的128脚和U2的1脚)与Net9(U1的120脚和U2的12脚)短路，网络Net5(U1的124脚和U2的7脚)与Net13(U1的112脚和U2的17脚)短路。从表2的测试结果可以看出：测试平台准确地判断了故障位置以及故障类型。同时，在多次测试实验中发现芯片EP1C3T144的输出管脚短路是“或”短路，芯片EPM7064AET44的输出管脚短路是“与”短路，芯片SN74LVTH182512的输出管脚短路是“与”短路。从测试结果可以看出：对于短路故障的诊断结果正确。

表1 开路故障测试数据和故障诊断结果

表2 短路故障测试数据和故障诊断结果

如图7所示，电路板上设置的呆滞“0”故障是网络Net6(U1的123脚和U2的8脚)桥接与地。从表3的测试结果可以看出：对于呆滞“0”故障的诊断结果正确。

表3 呆滞“0”故障测试数据和故障诊断结果

表4 呆滞“1”故障测试数据和故障诊断结果

如图7所示，电路板上设置的呆滞“1”故障是网络Net4(U1的125脚和U2的6脚)桥接于电源。从表4的测试结果可以看出：对于呆滞“1”故障的诊断结果正确。在测试中需要注意：由于是用电源直接与I/O管脚连接来设置故障，所以不宜长时间测试，测试完毕应立刻断开连接，以免损坏电路。

3.2 多故障综合测试

测试板上设置的综合故障和测试结果如图8所示。网络Net2(U1的127脚和U2的2脚)与网络Net9(U1的120脚和U2的12脚)短路，Net4(U1的125脚和U2的6脚)、Net7(U1的122脚和U2的9脚)和Net13(U1的112脚和U2的17脚)开路，Net12(U1的113脚和U2的16脚)呆滞“0”故障，Net15(U1的110脚和U2的20脚)呆滞“1”故障。从表5测试结果可以看出：对于电路板中存在多种故障的情况，测试平台能够正确给出诊断结果，没有出现故障歧义。