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【SOC 芯片设计 DFT 学习专栏 -- 测试向量生成 ATPG (Automatic Test Pattern Generation) 】

news 来源：原创 2025/7/13 8:39:25

文章目录

    • Overview
      • ATPG 的基本功能
      • ATPG 的工作流程
      • ATPG 应用场景示例
        • 示例 1：检测单个信号的 Stuck-at Fault
        • 示例 2：针对 Transition Fault 的 ATPG
      • ATPG 工具与常用工具链
      • ATPG 优化与挑战

Overview

本文主要介绍 DFT scan 中的 ATPG 功能。在 DFT (Design for Testability) Scan 流程中，ATPG (Automatic Test Pattern Generation) 是一种关键技术，用于生成测试向量以检测半导体设计中的故障。以下是 ATPG 的详细介绍及应用场景的举例：

ATPG 的基本功能

  1. 生成测试向量

    • ATPG 工具根据设计的网表和故障模型生成一系列输入测试向量，这些向量用于检测特定的逻辑故障。目标是覆盖最大数量的潜在故障。

  2. 故障建模

    • ATPG 通常基于故障模型生成测试向量，常见的故障模型包括：
      • Stuck-at Faults (SAF)：假设某一线被固定为 0 或 1。
      • Transition Faults (TF)：针对信号未能及时完成从 0->1 或 1->0 的转换。
      • Path Delay Faults (PDF)：检测关键路径上的时序问题。
      • Bridging Faults：假设相邻的两条信号线被意外短路。

  3. 测试覆盖率分析

    • ATPG 工具评估生成的测试向量集能覆盖多少百分比的故障。如果某些故障未被检测，可以调整策略生成补充向量，或标记这些故障为未检测（Untestable Faults）。

  4. 优化测试效率

    • ATPG 尝试最小化测试向量的数量，从而减少测试时间（Tester Time）和存储需求，同时最大化故障覆盖率。

  5. 逻辑仿真与验证

    • ATPG 工具会通过仿真验证生成的测试向量对故障的实际检测能力，确保测试覆盖率符合期望。

ATPG 的工作流程

  1. 输入准备

    • 输入包含设计的网表（Netlist）、DFT 插入的扫描链（Scan Chain）配置，以及时钟、复位、约束等信息。

  2. 故障列表生成

    • 工具根据设计自动创建可能的故障列表，包括上述的 Stuck-at 和 Transition 等模型。

  3. 生成测试向量

    • 根据故障列表，工具逐个尝试生成相应的输入刺激和期望响应。
    • 确保在扫描模式下，测试向量能导出到需要检测的故障节点。

  4. 故障仿真与优化

    • 将生成的测试向量在仿真环境中运行，验证其对目标故障的检测能力，并尽量合并冗余向量。

  5. 输出测试集

    • 生成的向量集通常以标准测试向量格式（如 WGL、STIL 等）输出，用于实际 ATE（Automatic Test Equipment）测试中加载。

ATPG 应用场景示例

示例 1：检测单个信号的 Stuck-at Fault
  • 设计结构：假设一个简单的 2 输入 AND 门，其输入信号为 A 和 B，输出为 Y。
  • 目标故障：信号 A 固定为 1（Stuck-at-1）。
  • ATPG 步骤：
    1. 在测试模式中初始化扫描链，加载向量：B=1。
    2. 设置输入：A=0。
    3. 检查输出：Y=0，以此验证故障被检测（实际应为 0，但因为 A 固定为 1，则输出会错误）。
示例 2：针对 Transition Fault 的 ATPG
  • 设计结构：一个复杂电路的关键路径存在 Transition 故障。
  • 目标故障：信号 X 上未完成 1->0 的转换。
  • ATPG 步骤：
    1. 在时钟边沿加载扫描模式数据，使 X 从初始状态为 1。
    2. 在下一个激励向量切换时，强制 X 置为 0。
    3. 验证输出延迟，检查路径时序是否满足。

ATPG 工具与常用工具链

  • 主要工具：常见的 ATPG 工具有 Synopsys TetraMAX、Cadence Modus 和 Siemens Tessent。
  • 主要输出：包括 Scan Pattern 向量（可能为多种格式，如 STIL、WGL）、故障覆盖报告、测试时间预测等。
  • 整合流程：
    1. 与 DFT 插入紧密结合，确保 ATPG 支持插入的扫描链结构。
    2. 配合 ATE，在晶圆或成品测试阶段检测可能的生产缺陷。

ATPG 优化与挑战

  1. 优化扫描链

    • 合理的扫描链长度和分布可以显著减少 ATPG 测试向量的数量。

  2. 故障逃逸问题

    • 设计中未建模的故障（例如工艺缺陷引起的桥接问题）可能逃逸。针对这些问题，可以额外增加针对性的故障模型。

  3. 性能瓶颈

    • ATPG 的计算复杂度随设计规模线性或超线性增加，大型 SoC 上需要分区生成以提升效率。

通过 ATPG 技术，设计者可以有效发现芯片内部逻辑或制造过程中的潜在问题，显著提高设计的可测试性和最终产品的质量。

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