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VLSI 测试综述 李 华 伟 摘 要 本文在综述基本的 VLSI 测试方法和可测试性设计技术的基础上，对基于核的片上系统的可测试性 设计和测试方法进行简单介绍。最后，通过分析集成电路设计和制造工艺的发展给测试带来的影响，展望 VLSI/SOC测试技术的发展方向。 关键词 VLSI，SOC，测试，可测试性设计 1 电子产品实现过程中的测试问题 有句古老的格言说：“是人就会犯错误。”为了让不“完美”的人制造出相对“完美”的 产品来，就有了“测试”的概念，它被广泛地应用于人类的生产活动中。电子测试技术，就 是应电子产品设计和制造的需求而产生和发展起来的、有着四十多年历史的一个应用科学领 域。电子产品从质量和经济两个方面受益于测试技术的发展和应用。质量和经济实际上是一 个产品不可分割的两个属性。最优化(optimized)的质量，意味着以最小的成本满足了用户的 需求。一个好的测试过程能够在次品到达用户手中之前把它们淘汰出来。生产这些次品的费 用往往会被转嫁到好产品的出售价格中，如果次品太多，那么少数好产品的价格就会过于昂 贵。如果一个电子产品的设计工程师荒苌羁汤斫獠返闹圃旌?a id=sogousnap0_14测试过程背后的物理原理， 很难想象他能设计出高质量的产品来。 一个电子产品的设计是从确定用户需求开始的，用户需求来自于某项特殊应用需要完成 的功能。根据用户需求书写产品规范，它一般包括以下内容：功能定义（输入输出特征）、 操作特征（功耗、频率、噪声等）、物理特征（例如封装）、环境特征（温度、湿度、可靠性 等）以及其他特征（成本、价格等）。有了详细的功能规范，就可以开始具体的设计了，它 也分为几个阶段。第一个阶段是体系结构设计，即为实现目标功能制定一个由若干可实现的 功能块构成的系统级结构。第二个阶段称为逻辑设计，进一步将各功能块分解成逻辑门。最 后是物理设计，用物理器件（例如晶体管）来实现逻辑门，产生一个芯片版图。物理版图被 转化成光掩模，送到硅片制造生产线上加工成芯片。在加工过程中，材料的不纯和缺陷、设 备的不完善??及人为的失误等等都是引起故障的原因，因此芯片制造出来后的生产测试是必 不可少的。测试的另一个重要功能是制造过程诊断（process diagnosis）。对每个故障芯片， 必须分析引起故障的原因是由于制造过程的问题、还是设计或者测试本身的问题、甚至可能 一开始制定规范时就有问题。对故障芯片的分析称为失效模式分析（failure mode analysis， 简称FMA），可以有许多不同的测试手段，包括使用光电显微镜检查确定失效原因以改进工 艺过程。 图1 是一个现实的超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，简称VLSI）芯片实 现过程，不同阶段之间的虚线表明了所涉及到的测试内容。对用户需求和功能规范的测试通 常称为“审查”，对设计过程的测试称为“设计验证”，对制造过程的测试就是集成电路领域 常说的“测试”，也是本文所采用的测试的含义。传统的测试方法是使用自动测试设备 （Automatic Test Equipment，简称ATE或测试仪）对被测芯片施加测试向量，捕获芯片的 输出结果与预期的正确结果进行比较，以判断芯片中是否存在某一类型的故障。 但是，测试并不是等芯片制造出来才考虑的问题，特别是对一个复杂的系统，在设计过 程中就必须考虑是否能够开发出检测所有故障的测试集，测试开发的时间和难易程度，对每 个芯片进行测试的成本等问题。这些问题与设计本身的特点密切相关。因此，设计和测试开 发，是在图1 中“书写功能规范”之后、“加工制造”之前的一个紧密结合的过程。测试方 法的选择在设计中直接体现为可测试性设计（Design For Testability，简称DFT），可测试性 设计已经成为一个现代数字系统设计中必不可少的成分，由于它对设计本身增加了硬件开 销，也会在不同程度上影响系统的性能，因此必须慎重考虑。 确定需求 审查 书写功能规范 审查 设计和测试开发 设计验证 加工制造 工艺过程测试 和失效模式分析 生产测试 失效模式分析 用户 给用户好的芯片 图1 一个现实的VLSI 芯片的实现过程 本文拟简单介绍基本的 VLSI 测试方法和可测试性设计技术，对基于核的片上系统 （Sy 2 基本的VLSI 测试技术和方法 据，例如一个10 输入 的与 进的缺陷。结构测试基于电路的结 构（ stem-On-a-Chip，简称SOC）的可测试性设计和测试方法只是略微涉及。有兴趣的读者 可以阅读本文提供的参考文献。本文最后将通过分析集成电路设计和制造工艺的发展给测试 带来的影响，试图对VLS