在集成電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度持續(xù)提升的背景下，傳統(tǒng)功能測(cè)試方法面臨覆蓋率不足、故障定位困難等挑戰(zhàn)?？蓽y(cè)試性設(shè)計(jì)（DFT）通過在芯片中嵌入測(cè)試結(jié)構(gòu)，顯著提升了故障檢測(cè)效率。本文聚焦掃描鏈插入與邊界掃描測(cè)試向量生成兩大核心技術(shù)，探討其實(shí)現(xiàn)方法與工程應(yīng)用。

一、掃描鏈插入：從功能電路到可測(cè)結(jié)構(gòu)

掃描鏈（Scan Chain）通過將時(shí)序邏輯電路中的觸發(fā)器替換為可掃描觸發(fā)器（Scan Flip-Flop），將復(fù)雜電路轉(zhuǎn)化為可逐級(jí)掃描的移位寄存器鏈。以32位RISC-V處理器核為例，其包含2000余個(gè)觸發(fā)器，傳統(tǒng)測(cè)試需為每個(gè)觸發(fā)器設(shè)計(jì)獨(dú)立測(cè)試向量，而掃描鏈插入后，僅需通過串行接口輸入/輸出測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試向量數(shù)量可減少90%以上。

關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)步驟：

觸發(fā)器替換：使用EDA工具（如Synopsys DFT Compiler）自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì)中的時(shí)序邏輯單元，將其替換為支持掃描功能的觸發(fā)器。例如，在MIPS處理器設(shè)計(jì)中，通過TCL腳本批量修改RTL代碼，將普通D觸發(fā)器替換為MUX-D型掃描觸發(fā)器：

verilog

// 原始D觸發(fā)器  

always @(posedge clk) q <= d;  

// 替換為掃描觸發(fā)器  

always @(posedge clk)  

   if (scan_en) q <= scan_in;  

   else q <= d;

掃描鏈連接：工具自動(dòng)分析數(shù)據(jù)流拓?fù)?，將分散的掃描觸發(fā)器串聯(lián)成單條或多條掃描鏈。某AI加速器項(xiàng)目通過優(yōu)化鏈長分布，將最長掃描鏈長度從1200級(jí)壓縮至800級(jí)，顯著降低了測(cè)試時(shí)間。

時(shí)鐘控制：插入掃描使能信號(hào)（scan_en）與測(cè)試時(shí)鐘（tclk），實(shí)現(xiàn)功能模式與測(cè)試模式的切換。測(cè)試時(shí)，通過tclk逐級(jí)移入測(cè)試模式（Test Pattern），再移出響應(yīng)數(shù)據(jù)（Response Data）。

二、邊界掃描測(cè)試向量生成：從故障模型到向量?jī)?yōu)化

邊界掃描（Boundary Scan，IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)）通過在芯片引腳處嵌入邊界掃描單元（BSC），實(shí)現(xiàn)對(duì)板級(jí)互連的測(cè)試。其核心挑戰(zhàn)在于生成高效測(cè)試向量，覆蓋開路、短路等常見故障。

向量生成流程：

故障建模：基于互連拓?fù)錁?gòu)建故障模型，包括引腳間短路（Stuck-at-0/1）與開路（Bridging Fault）。例如，某FPGA板卡包含500個(gè)引腳，需生成覆蓋全部25萬種故障組合的測(cè)試向量。

向量壓縮：采用算法（如GOLB算法）減少向量數(shù)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，通過合并兼容故障模式，某通信芯片的測(cè)試向量從1200條壓縮至300條，測(cè)試時(shí)間縮短75%。

ATPG工具應(yīng)用：使用TetraMAX或FastScan等工具自動(dòng)生成測(cè)試向量。以某汽車電子ECU為例，工具生成的向量可檢測(cè)99.2%的引腳故障，故障覆蓋率較手動(dòng)設(shè)計(jì)提升40%。

三、工程實(shí)踐：DFT在SoC設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在某SoC項(xiàng)目中，DFT實(shí)現(xiàn)流程如下：

RTL級(jí)插入：通過Design Compiler的compile_ultra -scan命令，在綜合階段自動(dòng)插入掃描鏈，插入率達(dá)98.7%。

形式驗(yàn)證：使用Formality驗(yàn)證掃描鏈插入前后的功能等價(jià)性，確保測(cè)試結(jié)構(gòu)不影響正常工作模式。

測(cè)試向量生成：針對(duì)掃描鏈生成1024條測(cè)試向量，針對(duì)邊界掃描生成256條向量，總測(cè)試覆蓋率達(dá)99.5%。

ATE編程：將測(cè)試向量轉(zhuǎn)換為ATE（Automatic Test Equipment）可識(shí)別的WGL格式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試。

結(jié)語

DFT技術(shù)通過掃描鏈插入與邊界掃描向量生成，構(gòu)建了從芯片級(jí)到板級(jí)的完整測(cè)試解決方案。隨著AI加速、汽車電子等高可靠性領(lǐng)域的發(fā)展，DFT正朝著低功耗、高覆蓋率方向演進(jìn)。例如，IEEE 1687標(biāo)準(zhǔn)引入的內(nèi)部JTAG（IJTAG）技術(shù)，進(jìn)一步提升了嵌入式儀器的測(cè)試效率。未來，DFT將成為智能硬件設(shè)計(jì)的核心基礎(chǔ)設(shè)施，推動(dòng)芯片測(cè)試向自動(dòng)化、智能化邁進(jìn)。