集成电路故障建模及ATPG原理

2020-04-13 17:16

一、故障建模的基本概念

故障建模是生产测试的基础，在介绍故障建模前需要先理清集成电路中几个容易混淆的概念：缺陷、故障、误差和漏洞。

缺陷是指在集成电路制造过程中，在硅片上所产生的物理异常，如某些器件多余或被遗漏了。故障是指由于缺陷所表现出的不同于正常功能的现象，如电路的逻辑功能固定为1或0。误差是指由于故障而造成的系统功能的偏差和错误。漏洞是指由于一些设计问题而造成的功能错误，也就是常说的bug。表1列出了一些制造缺陷和相应的故障表现形式。

表1 制造缺陷和故障表现形式

在实际的芯片中，氧化层破裂、晶体管的寄生效应、硅表面不平整及电离子迁移等都可能造成一定程度的制造缺陷，并最终反映为芯片的功能故障。

故障建模是指以数学模型来模拟芯片制造过程中的物理缺陷，便于研究故障对电路或系统造成的影响，诊断故障的位置。为什么要进行故障建模呢？这是因为，电路中可能存在的物理缺陷是多种多样的，并且由于某些物理缺陷对于电路功能的影响过于复杂，不能被充分地理解，分析的难度很大。而故障化模型中的一个逻辑故障可以描述多种物理缺陷的行为，从而回避了对物理缺陷分析的复杂度。

二、常见故障模型

1．数字逻辑单元中的故障模型

在数字逻辑中常用的故障模型如下。

（1）固定型故障（SAF，Stuck At Fault）

这是在集成电路测试中使用最早和最普遍的故障模型，它假设电路或系统中某个信号永久地固定为逻辑0或者逻辑1，简记为SA0（Stuck－At－0）和SA1（Stuck－At－1），可以用来表征多种不同的物理缺陷。如图1所示，对于器件U0来说，SA1模拟了输入端口A的固定在逻辑1的故障，对于U1来说，SA0模拟了输出端口Y固定在逻辑0的故障。

图1 固定型故障

对于图2所示的组合电路，共包含2×（Npins＋Nports）＝2×（11＋5）＝32个固定型故障。

图2 固定型故障举例

下面的例子说明了故障合并的含义。对于图3所示的传输电路，端口A的SA0故障和端口Z的SA0故障等效，同样的端口A的SA1故障和端口Z的SA1故障等效，因此在考虑测试矢量集的时候可以合并故障，只需要从子故障集合｛A：SA0，Z：SA0｝和｛A：SA1，Z：SA1｝中各选择一个故障类型。

图3 故障的合并

（2）晶体管固定开／短路故障（Stuck－open／Stuck－short）

在数字电路中，晶体管被认为是理想的开关元件，一般包含两种故障模型——固定开路故障和固定短路故障，分别如图4和图5所示。在检测固定开路故障的时候，需要两个测试矢量，第一测试矢量10用于初始化，可测试端口A的SA0故障，第二个测试矢量00用来测试端口A的SA1故障。对于固定短路故障的时候需要测量输出端口的静态电流。