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[可靠性杂坛]集成电路故障建模及ATPG原理


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
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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 。
【[可靠性杂坛]集成电路故障建模及ATPG原理】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 ， StuckAtFault）
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 。
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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 。
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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 。
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图4晶体管固定开路故障
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图5晶体管固定短路故障
（3）桥接故障（BridgingFaults）
桥接故障指节点间电路的短路故障 ， 通常假象为电阻很小的通路 ， 即只考虑低阻的桥接故障 。 桥接故障通常分为3类：逻辑电路与逻辑电路之间的桥接故障、节点间的无反馈桥接故障和节点间的反馈桥接故障 。


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