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

一、掃描鏈插入：從功能電路到可測結(jié)構(gòu)

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

關鍵實現(xiàn)步驟：

觸發(fā)器替換：使用EDA工具（如Synopsys DFT Compiler）自動識別設計中的時序邏輯單元，將其替換為支持掃描功能的觸發(fā)器。例如，在MIPS處理器設計中，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：工具自動分析數(shù)據(jù)流拓撲，將分散的掃描觸發(fā)器串聯(lián)成單條或多條掃描鏈。某AI加速器項目通過優(yōu)化鏈長分布，將最長掃描鏈長度從1200級壓縮至800級，顯著降低了測試時間。

時鐘控制：插入掃描使能信號（scan_en）與測試時鐘（tclk），實現(xiàn)功能模式與測試模式的切換。測試時，通過tclk逐級移入測試模式（Test Pattern），再移出響應數(shù)據(jù)（Response Data）。

二、邊界掃描測試向量生成：從故障模型到向量優(yōu)化

邊界掃描（Boundary Scan，IEEE 1149.1標準）通過在芯片引腳處嵌入邊界掃描單元（BSC），實現(xiàn)對板級互連的測試。其核心挑戰(zhàn)在于生成高效測試向量，覆蓋開路、短路等常見故障。

向量生成流程：

故障建模：基于互連拓撲構(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個引腳，需生成覆蓋全部25萬種故障組合的測試向量。

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

ATPG工具應用：使用TetraMAX或FastScan等工具自動生成測試向量。以某汽車電子ECU為例，工具生成的向量可檢測99.2%的引腳故障，故障覆蓋率較手動設計提升40%。

三、工程實踐：DFT在SoC設計中的應用

在某SoC項目中，DFT實現(xiàn)流程如下：

RTL級插入：通過Design Compiler的compile_ultra -scan命令，在綜合階段自動插入掃描鏈，插入率達98.7%。

形式驗證：使用Formality驗證掃描鏈插入前后的功能等價性，確保測試結(jié)構(gòu)不影響正常工作模式。

測試向量生成：針對掃描鏈生成1024條測試向量，針對邊界掃描生成256條向量，總測試覆蓋率達99.5%。

ATE編程：將測試向量轉(zhuǎn)換為ATE（Automatic Test Equipment）可識別的WGL格式，實現(xiàn)自動化測試。

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)建了從芯片級到板級的完整測試解決方案。隨著AI加速、汽車電子等高可靠性領域的發(fā)展，DFT正朝著低功耗、高覆蓋率方向演進。例如，IEEE 1687標準引入的內(nèi)部JTAG（IJTAG）技術(shù)，進一步提升了嵌入式儀器的測試效率。未來，DFT將成為智能硬件設計的核心基礎設施，推動芯片測試向自動化、智能化邁進。