ASIC--DFT可测性设计工程师

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我是靠谱客的博主温暖红牛，最近开发中收集的这篇文章主要介绍ASIC--DFT可测性设计工程师，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

DFT是什么？

DFT是design for test（可测性设计）的缩写，就是在芯片设计过程中，加入可测性逻辑。有的公司把该职位归到前端设计，有的归到中端实现。

DFT职位大多分布于规模较大的数字IC设计公司里，因为大公司对芯片品质要求高，而且规模越大，芯片越贵，DFT就越复杂越重要。DFT主要是通过在芯片中加入可测性逻辑，等芯片制造出来，在ATE（AutomaticTestEquipment，自动测试仪）设备上通过可测性逻辑对芯片进行测试，挑出有制造缺陷的芯片并淘汰掉，留下没有制造缺陷的好芯片。这里需要强调下，DFT只负责挑出制造缺陷，至于逻辑缺陷那是前端设计工程师和验证工程师的职责，DFT工程师也鞭长莫及。

为什么需要DFT对芯片设计如此重要？

大家知道，芯片制造工序非常复杂，有几十上百道工序，比如说掺杂，氧化，光刻，金属互联等等，有化学的，物理的，机械的各种加工过程，先进工艺已经进入7nm的量产阶段，一根头发丝直径约0.1毫米，1nm是十万分之一的头发丝直径，这么精细的尺寸上去制造芯片，制造过程中由于粉尘颗粒，工艺偏差等因素，难免会引入制造缺陷，导致晶体管短路或断路，然后不能正常工作。DFT技术其实就是把DFT逻辑加入到芯片设计中，然后等芯片制造回来，通过事先加入的DFT逻辑对芯片进行体检，挑出体格健壮的芯片，保证送到客户手上的芯片是没有故障的。大家知道，越知名的公司对产品品质的把控越严格。比如以品质著称的德国和日本公司，对产品品质有非常苛刻的要求。这里引入一个概念 --DPPM（DefectivePartsPerMillion），它代表每百万片里有缺陷芯片的数量，这些缺陷芯片指的是通过ATE测试但本身有缺陷的芯片，又称为“逃逸片”，“逃逸片”流到了客户手上，会造成很大损失。知名的芯片公司，有很低的DPPM要求，特别是医疗类或汽车类芯片，要求DPPM几乎为0。因为对于这类芯片，一旦“逃逸片”逃逸片到了客户手上，会严重威胁人身安全。

不同阶段挑出故障片的成本几乎是成倍增加的，比若说，在芯片制造好的wafer上用探针测试，这个阶段测试成本最低，有“逃逸片”，到了封装阶段，封装后会再次对芯片进行测试，想挑出这些缺陷芯片，考虑到封装成本和筛选难度，会造成成倍的损失，如果封装阶段还是没有挑出这些缺陷芯片，客户把芯片集成到了板级系统上，这个时候如果发现芯片缺陷，可能需要更换整块板级系统。如果板级测试阶段还是没有发现缺陷芯片，到了成品阶段，成品到了客户手上，发现芯片故障，再返厂更换，又会成倍增加损失。

所以DFT如此重要，越高的测试覆盖率，越能显著的降低DPPM，越节省后续各个环节的纠错成本。

DFT工程师主要做什么？

DFT设计周期很长，从RTL代码阶段介入，需要和前端工程师一起规划scan模式下的时钟和复位网络，接着插入DFT逻辑，比如Scan chain，Mbist，Boundary Scan等，然后用ATPG，Mbist，Boundary Scan工具产生测试向量，仿真验证测试向量。仿真又分不带时序信息的仿真和带时序的后仿。仿真过程中肯定会碰到问题，然后debug。仿真通过后，将测试向量交付给ATE测试工程师, 然后等芯片流片回来，会把这些测试向量送上ATE机台对芯片进行测试，然后debug 测试failure。等芯片测试通过，良率OK，才算设计周期结束。可以说DFT是芯片设计实现流程中持续时间最长的。

DFT职位的主要工作是：1.将DFT技术，常见的如Scan，Mbist，Boundary Scan技术，实现到设计中去。2.产生测试向量并验证测试向量。3.协助后端实现工程师完成test模式的时序收敛。4.协助测试工程师进行机台调试，debug 测试failure，提高芯片良率。

DFT的附带技能：1.需要对RTL设计熟悉，因为需要将产生的DFT模块集成到现有的RTL代码中，有的时候还需要自己设计一些DFT用的小模块。2.还要对整个设计的时钟复位网络熟悉，因为需要和前端设计工程师讨论如何改进时钟和复位网络，达到尽可能高的测试覆盖。3.还要熟悉DFT 模式下的时序约束，协助设计实现工程师产生时序约束的sdc并完成DFT模式下的时序收敛。4. 精通tcl，perl，makefile等脚本语言，因为Tcl是和工具直接交互的语言, 用makefile实现自动化的DFT 流程，让工作更有效率，perl用来处理报告结果，提取有效信息。

DFT技术水平主要体现在搭建更高效的DFT实现流程，实现很高的芯片测试覆盖率，减少测试向量的数量，很丰富的机台测试后结果debug经验，从而实现很高的芯片良率，降低PDDM。

DFT技术介绍和所用工具

DFT技术主要包括Scan，Mbist和Boundary Scan这三个方面。

1.Scan技术又包括扫描链插入和基于扫描链结构的ATPG（AutomaticTestPatternGeneration，自动测试向量生成）技术。

扫描链的构建，首先得基于扫描结构的触发器。下图中，左边是普通的D触发器，右边是扫描结构的触发器，通过在数据Dpin上加入一个二输入多路选择器（MUX），就引入了一条新的数据输入路径SI，MUX的选择端又SE控制，所有触发器的SE会接到一起，并连到芯片PAD上统一控制。

然后前一级触发器的Qpin接后面一级触发器的SIpin，中间直连或者经过简单的缓冲器或反相器，这样所有触发器首位相连，就构成了扫描链，扫描链的起点和终点最终都会接到PAD上，结构如下，绿色部分就是扫描链结构。

芯片的主要工作部分是组合逻辑，组合逻辑实现运算，而时序逻辑让这些组合逻辑运算出的数据踩上节拍，整齐的按计划传送。触发器和触发器之间的组合逻辑千变万化，相当于修了许多条分支小路，每条路上还有红绿灯，数据通行效率低下，而扫描链结构相当于给触发器之间建了另一条高速公路，在SE（shiftenable）为高的情况下，可以在时钟驱动下，很快速的通过PAD把数据加载到各个扫描触发器上。任何一个组合逻辑的输入要么接到前面的触发器上，要么接到输入PAD上，而组合逻辑的输入最终会接到后面的触发器的Dpin或者连到输出PAD上。所以，等扫描链加载上数据后，组合逻辑就有了激励，然后在SE为低时，时钟跳动一次，就可以将组合逻辑的最终响应捕获到后面的触发器里，然后再把SE切到高，把捕获的数据shift到输出PAD上观测，和无缺陷情况下的期望值比较，以此来判断触发器本身和触发中间的组合逻辑有没有制造缺陷。有缺陷的地方会出现短路和断路等故障。ATPG工具就是基于这样的扫描链结构，根据算法推算出应该加载到扫描链上的激励序列和期望序列，这样的序列称为测试向量(pattern)。

扫描链插入，业界常用的是synopsys的DFT Compiler，mentor的tessent shell也有串scan chain的引擎。测试向量生成常用Mentor的tessent工具或者synopsys的TetraMax，向量产生完，还要用仿真工具VCS，Questa sim去做测试向量的仿真验证，仿真分不带时序信息的门级仿真和带时序信息的后仿真。主要目的是用仿真器模拟机台测试，去验证测试向量是否正确。

2. Mbist（MemoryBuilt-inSelfTest）是为了测试芯片中ram和rom IP的，测试原理是在设计中插入内建自测试逻辑，靠内建自测试逻辑产生激励，对ram 和rom进行读写，然后在内建自测试逻辑中去比较测试结果。所以不依赖测试机台也能完成自测试。Mbist结构如下，紫色的左右logic部分和RAM部分代表原有的功能逻辑。Mbist工具会加入选择器（mux）将输入控制截获，然后通过左上角绿色的Bistcontroller产生测试向量，对RAM进行读写，然后将读的结果送到右上角的红色comparator，比较测试结果和期望值，以此来判断Ram本身到底有没有制造缺陷。

Mbist逻辑插入和向量生成常用Tessent LV flow和近几年推出的的Tessent shell flow。Pattern验证还是用VCS，Questasim等仿真工具。

3. Boundary scan主要是用来测芯片和芯片间互联的，因为芯片焊接到PCB上时容易发生虚焊，靠boundary scan电路可以测出这种故障。

BoundaryScan基于IEEE 1149.1协议，主要逻辑有TAPcontroller和boundaryScanchain构成，标准接口有TCK，TDI，TMS，TRSTn（可选）和

TDO这个五个。每一个芯片自己的TDI和TDO之间有一条boundaryScanchain，前一个芯片的TDO会接到下一个芯片的TDI上。所有芯片的TCK，TMS，TRSTn会接到一起，结构如下所示。

Boundary scan的原理是在pad输入和输出信号上插入boundary scan cell，相当于在pad信号进入core logic的地方或者core logic往pad走的地方安排了哨兵，然后把各个pad接口上的这些哨兵通过boudary scan chain（类似电话线）连起来，通过chain逻辑使得前一个芯片的输出pad产生激励，后一个芯片的输入pad去观测响应，然后把响应结果通过chain shift出来然后和预期值比较，来判断芯片互联有没有问题。如下图所示，BC代表boundaryscancell。