集成电路故障检测

集成电路芯片的硬件缺陷通常是指芯片在物理上所表现出来的不完善性。集成电路故障(Fault)是指由集成电路缺陷而导致的电路逻辑功能错误或电路异常操作。导致集成电路芯片出现故障的常见因素有元器件参数发生改变致使性能极速下降、元器件接触不良、信号线发生故障、设备工作环境恶劣导致设备无法工作等等。电路故障可以分为硬故障和软故障。软故障是暂时的，并不会对芯片电路造成永久性的损坏。它通常随机出现，致使芯片时而正常工作时而出现异常。在处理这类故障时，只需要在故障出现时用相同的配置参数对系统进行重新配置，就可以使设备恢复正常。而硬故障给电路带来的损坏如果不经维修便是永久性且不可自行恢复的。

通常集成电路芯片故障检测必需的模块有三个：源激励模块，观测信息采集模块和检测模块。源激励模块用于将测试向量输送给集成电路芯片，以驱使芯片进入各种工作模式。故，通常希望测试向量集能尽量多得包含所有可能的输入向量。观测信息采集模块负责对之后用于分析和处理的信息进行采集。观测信息的选取对于故障检测至关重要，它应当尽量多的包含故障特征信息且容易采集。检测模块负责分析处理采集到的观测信息，将隐藏在观测信息中的故障特征识别出来，以诊断出电路故障的模式。

最早的电路故障诊断方法主要依靠一些简单工具进行测试诊断，它极大地依赖于专家或技术人员的理论知识和经验。在这些测试方法中，最常用的主要有四类：虚拟测试、功能测试、结构测试和缺陷故障测试。虚拟测试不需要检测实际芯片，而只测试仿真的芯片，适用于在芯片制造前进行。它能及时检测出芯片设计上的故障，但它并未考虑芯片在实际的制造和运行中的噪声或差异。功能测试依据芯片在测试中能否完成预期的功能来判定芯片是否存在故障。这种方法容易实施但无法检测出非功能性影响的故障。结构测试是对内建测试的改进，它结合了扫描技术，多用于对生产出来的芯片进行故障检验。缺陷故障测试基于实际生产完成的芯片，通过检验芯片的生产工艺质量来发现是否包含故障。缺陷故障测试对专业技术人员的知识和经验都要求很高。芯片厂商通常会将这四种测试技术相结合，以保障集成电路芯片从设计到生产再到应用整个流程的可靠性和安全性。然而，对于日趋复杂的电路系统，这些早期方法越发显得捉襟见肘。经过不断的改进和创新，许多新的思想和方法相继问世。电压诊断出现较早且运用较广。电压测试的观测信息是被测电路的逻辑输出值。此方法通过对电路输入不同的测试向量得到对应电路的逻辑输出值，然后将采集的电路逻辑输出值与该输入向量对应的电路预期逻辑输出值进行对比，来达到检测电路在实际运行环境中能否实现预期逻辑功能的目的。此方法简单却并不适用于冗余较多的大规模的集成电路。若缺陷出现在冗余部分就无法被检测出来。而且当电路规模较大时，测试向量集也会成倍增长，这会直接导致测试向量的生成难且诊断效率低下等问题。此外，如果故障只影响电路性能而非电路逻辑功能时，电压诊断也无法检测出来。由于集成电路输出的电压逻辑值并不一定与电路中的所有节点相关，电压测试并不能检测出集成电路的非功能失效故障。于是，在 80 年代早期，基于集成电路电源电流的诊断技术便被提出。电源电流通常与电路中所有的节点都是直接或间接相关的，因此基于电流的诊断方法能覆盖更多的电路故障。然而电流诊断技术的提出并非是为了取代电压测试，而是对其进行补充，以提高故障诊断的检测率和覆盖率。电流诊断技术又分为静态电流诊断和动态电流诊断。静态电流诊断技术的核心是将待测电路处于稳定运行状态下的电源电流与预先设定的阈值进行比较，来判定待测电路是否存在故障。可见，阈值的选取便是决定此方法检测率高低的关键。早期的静态电流诊断技术采用的固定阈值，然而固定的阈值并不能适应集成电路芯片向深亚微米的发展。于是，后人在静态电流检测方法上进行了不断的改进，相继提出了差分静态电流检测技术，电流比率诊断方法，基于聚类技术的静态电流检测技术等。动态电流诊断技术于 90 年代问世。动态电流能够直接反应电路在进行状态转换时，其内部电压的切换频繁程度。基于动态电流的检测技术可以检测出之前两类方法所不能检测出的故障，进一步扩大故障覆盖范围。随着智能化技术的发展与逐渐成熟，集成电路芯片故障检测技术也朝着智能化的趋势前进