芯片DFT Scan测试原理

在芯片制造过程中，可能会引入物理缺陷，这些缺陷在电气层面的表现称为故障。常见的故障模型包括固定型故障（例如引脚固定连接到电源或地）、跳变故障、路径延时故障（如门级端口信号上升下降过慢）、以及静态电流型故障（表现为异常高电流泄漏）。若某个故障能在电路中向后传播并导致芯片输出与预期不符，则称为失效。值得注意的是，并非所有故障都会引发失效，只有那些最终影响到功能正确性的故障才会导致实际问题。

扫描测试Scan是可测性设计（DFT）中广泛使用的一种方法，其核心是在电路中使用带Scan功能的寄存器，并将它们连接成一条或多条扫描链。

简单说Scan 就是给芯片加一套 “测试专用通路”，让芯片内部变得可测、可控、可量产筛片，是现代芯片必做的 DFT 技术。

Scan基本原理

Scan 寄存器：

带Scan功能的寄存器，如下图多了SI/SE两个Pin：

SI是Scan in，是Scan链的输入端；

SE - Scan Enable，Scan使能；

另外Q，在Scan mode下复用为SO，Scan Out Pin

考虑一个只有三个寄存器和一个与门的“芯片”，逻辑功能如下图：

Scan链/扫描链：

Scan串链后，如下图，可以看到三个寄存器通过SI/SO穿成 了一条链，也叫扫描链：

把寄存器拉平，就变成了下图，看着更有“链”的感觉：

Scan测试：

Scan有两种测试模式，Shift和Capture模式；

通过Scan链从SI端口，以较低频率的测试时钟将测试向量逐位移入内部寄存器，并从SO Pin移出来， 并比较输出的数据是否符合预期：

/* Scan模式下，Clk会切换到频率较低的Scan CLK*/

通过Scan链的shift测试，可以覆盖寄存器的基本功能；

那还有组合逻辑的测试，怎么覆盖呢？通过Shift + Capture组合来测试，如下图分三步测试；

1. 通过shift模式，给三个寄存器移入1，1，0的值；

2. 启动Capture模式，即：关闭寄存器的SE，给一个cycle的时钟，这样寄存器可以Capture到组合逻辑的输出结果；

3. 再通过Shift模式，将寄存器的结果输出，和预期结果比对，即可判断电路是否有误

上图的例子，我们假设图中A点生产过程中被Tie 0了，那最终SO输出的结果就是110，而不是预期的111，这样就可以检测到生产中的错误了。

当然，实际芯片的逻辑是相当复杂的，组合逻辑锥也非常复杂，还会现在有自动化工具，可以自动生成测试pattern，并分析测试覆盖率，覆盖覆盖率不达标，也可以通过一些手段增加覆盖率，比如组合逻辑锥太复杂导致测试困难时，可以通过增加旁路寄存器作用DFT的观测点；另外现在芯片寄存器数量也非常庞大，通常一颗芯片寄存器会串成多条寄存器链，来缩短测试时间；

Scan基本作用

DFT Scan测试主要用来做芯片制造过程引入的缺陷（如金属短路、断路、孔缺失、晶体管异常等），是芯片量产检测、定位缺陷、保障良率的核心手段，核心作用如下：

❖解决芯片内部难观测、难控制问题

❖把芯片内部寄存器串成扫描链（Scan Chain），让外部测试仪能像 “读 / 写移位寄存器” 一样，可控、可观测芯片内部几乎所有节点

❖实现高效、基本全覆盖的逻辑测试，能够覆盖几乎所有组合逻辑 + 时序电路（检fault率，可以达到99.999%）

❖支撑量产自动化测试（ATE）

❖提供标准、可自动化的测试方式，芯片出厂前快速筛出坏片，保证交付质量。

❖测试失败时可定位故障位置，帮助工艺 / 设计端分析失效原因，持续改善良率。

/*声明：本文中电路图和时序图仅为说明基本原理，未经严谨的审核和测试，仅供参考 */