2. 测试基础
在芯片DFT工程中，测试基础是构建高质量测试方案的前提。本章围绕三大核心概念展开：故障模型（如何抽象物理缺陷）、ATPG（自动测试向量生成）原理以及测试覆盖率的量化定义。理解这些基础，是后续提升测试覆盖率、优化测试成本的起点。
2.1 故障模型（Fault Models）
物理制造缺陷（如金属桥接、氧化层击穿、离子污染）种类繁多，无法直接建模。故障模型将物理缺陷映射为逻辑级或晶体管级的可计算行为，使EDA工具能够自动生成测试向量。工业界最常用的三大故障模型如下：
| 故障模型 | 抽象层次 | 对应物理缺陷 | 测试复杂度 |
|---|---|---|---|
| Stuck-at（固定故障） | 逻辑门级 | 短路到VDD/GND、断线 | 低（经典模型） |
| Transition（跳变故障） | 时序逻辑级 | 晶体管开关速度退化、电阻性开路 | 中（需两拍向量） |
| Bridging（桥接故障） | 互连级 | 相邻金属线短路、漏电流 | 高（依赖版图） |
2.1.1 Stuck-at 故障模型
Stuck-at 模型假设信号线固定为逻辑0（SA0）或逻辑1（SA1）。它是历史最悠久、使用最广泛的故障模型，也是ATPG工具的基础。一个节点同时存在SA0和SA1两个故障。
- 故障数量： 对于N个节点，共2N个Stuck-at故障。
- 测试要求： 对每个故障，至少需要一个测试向量使故障点与正常值相反，并将差异传播到输出。
- 局限性： 无法覆盖时序相关缺陷（如信号跳变太慢）和互连桥接缺陷。
2.1.2 Transition 故障模型
Transition 故障模型用于检测信号跳变速度是否满足时序要求。它分为慢上升（Slow-to-Rise, STR）和慢下降（Slow-to-Fall, STF）两种。测试需要两拍向量：第一拍初始化节点到相反值，第二拍施加跳变并捕获结果。
- 测试向量对： (V1, V2)，V1设置初始值，V2产生跳变。
- 捕获方式： 通常使用Launch-on-Capture (LOC)或Launch-on-Shift (LOS)。
- 覆盖率目标： 先进工艺节点下，Transition覆盖率通常要求>90%。
2.1.3 Bridging 故障模型
Bridging 模型模拟两条或多条信号线之间意外短路。根据短路后的逻辑行为，分为Wired-AND（线与）和Wired-OR（线或）模型。Bridging故障的检测依赖于版图相邻信息，通常由版图寄生提取工具提供候选故障列表。
| 桥接类型 | 逻辑行为 | 检测难度 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
| Wired-AND | 短路后输出为各驱动值的AND | 中 | NMOS上拉网络短路 |
| Wired-OR | 短路后输出为各驱动值的OR | 中 | PMOS下拉网络短路 |
| 反馈桥接 | 形成组合反馈回路 | 高 | 相邻寄存器数据/时钟线短路 |
2.2 ATPG 原理
ATPG（Automatic Test Pattern Generation）是EDA工具自动生成测试向量的过程。其核心算法基于D算法、PODEM或FAN等经典方法，现代工具则融合了结构扫描和压缩技术。
2.2.1 ATPG 核心步骤
- 故障选择： 从故障列表中选择一个目标故障（如某节点的SA0）。
- 故障激活： 在故障点施加与正常值相反的逻辑值（如对SA0，需在该点施加逻辑1）。
- 故障传播： 将故障效应（D或D'）通过逻辑路径传播到至少一个可观测输出（如扫描链输出或Primary Output）。
- 向量生成： 通过回溯算法（如PODEM）确定输入端的逻辑值，形成测试向量。
- 故障模拟： 用生成的向量模拟所有故障，标记被检测到的故障，更新故障列表。
2.2.2 现代ATPG技术
- 扫描链（Scan Chain）： 将寄存器连接成移位寄存器链，提供可控性和可观测性，大幅降低ATPG复杂度。
- 测试压缩（Test Compression）： 通过片上解压/压缩逻辑，减少测试数据量和测试时间。常见方法包括LFSR重播种、XOR网络等。
- 多捕获时钟（Multiple Capture Clocks）： 在扫描测试中插入多个捕获时钟，提高Transition故障覆盖率。
- X-tolerance： 处理未知态（X态）传播问题，避免X态掩盖故障效应。
2.3 测试覆盖率定义
测试覆盖率是衡量测试向量检测故障能力的量化指标。不同故障模型对应不同的覆盖率定义，但核心公式统一为：
其中“可检测故障总数”通常排除冗余故障（即无法通过任何测试向量检测的故障）。
2.3.1 常用覆盖率指标
| 覆盖率类型 | 计算公式 | 典型目标 | 说明 |
|---|---|---|---|
| Stuck-at 覆盖率 | 检测SA故障数 / 总SA故障数 | ≥98% | 最基础指标，DFT验收必看 |
| Transition 覆盖率 | 检测STR/STF故障数 / 总跳变故障数 | ≥90% | 先进工艺关键指标 |
| 桥接覆盖率 | 检测桥接故障数 / 总桥接故障数 | ≥85% | 依赖版图信息 |
| 动态故障覆盖率 | 随时间累积检测故障数 / 总故障数 | — | 用于评估测试向量效率 |
2.3.2 覆盖率与测试质量的关系
测试覆盖率并非越高越好，需要平衡测试成本（向量数量、测试时间、ATE内存）和测试质量（缺陷检出率）。工程上通常遵循以下原则：
- 覆盖率拐点： 当Stuck-at覆盖率超过95%后，每提升1%所需的向量数量呈指数增长。
- 缺陷覆盖率（Defect Coverage）： 实际物理缺陷的检出率，与故障覆盖率之间存在映射关系，通常通过缺陷仿真评估。
- 测试逃逸（Test Escape）： 未被测试覆盖的缺陷导致的不良品流出，是覆盖率不足的直接后果。