如何提高電路可測(cè)試性

隨著電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸越來(lái)越小，目前出現(xiàn)了兩個(gè)特別引人注目的問(wèn)題︰一是可接觸的電路節(jié)點(diǎn)越來(lái)越少；二是像在線(xiàn)測(cè)試（ In-Circuit-Test ）這些方法的應(yīng)用受到限制。為了解決這些問(wèn)題，可以在電路布局上采取相應(yīng)的措施，采用新的測(cè)試方法和采用創(chuàng)新性適配器解決方案。
　　通過(guò)遵守一定的規(guī)程（ DFT-Design for Testability ，可測(cè)試的設(shè)計(jì)），可以大大減少生產(chǎn)測(cè)試的準(zhǔn)備和實(shí)施費(fèi)用。這些規(guī)程已經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，當(dāng)然，若采用新的生產(chǎn)技術(shù)和組件技術(shù)，它們也要相應(yīng)的擴(kuò)展和適應(yīng)。本文主要介紹電路可測(cè)試性的相關(guān)知識(shí)，以及如何提高電路可測(cè)試性。
　　1、什么是可測(cè)試性
　　可測(cè)試性的意義可理解為︰測(cè)試工程師可以用盡可能簡(jiǎn)單的方法來(lái)檢測(cè)某種組件的特性，看它能否滿(mǎn)足預(yù)期的功能。簡(jiǎn)單地講就是︰
　　l．檢測(cè)產(chǎn)品是否符合技術(shù)規(guī)范的方法簡(jiǎn)單化到什幺程度？
　　編制測(cè)試程序能快到什幺程度？
　　發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品故障全面化到什幺程度？
　　接入測(cè)試點(diǎn)的方法簡(jiǎn)單化到什幺程度？
　　為了達(dá)到良好的可測(cè)試必須考慮機(jī)械方面和電氣方面的設(shè)計(jì)規(guī)程。當(dāng)然，要達(dá)到最佳的可測(cè)試性，需要付出一定代價(jià)，但對(duì)整個(gè)工藝流程來(lái)說(shuō)，它具有一系列的好處，因此是產(chǎn)品能否成功生產(chǎn)的重要前提。
　　2、為什么要發(fā)展測(cè)試友好技術(shù)
　　過(guò)去，若某一產(chǎn)品在上一測(cè)試點(diǎn)不能測(cè)試，那幺這個(gè)問(wèn)題就被簡(jiǎn)單地推移到直一個(gè)測(cè)試點(diǎn)上去。如果產(chǎn)品缺陷在生產(chǎn)測(cè)試中不能發(fā)現(xiàn)，則此缺陷的識(shí)別與診斷也會(huì)簡(jiǎn)單地被推移到功能和系統(tǒng)測(cè)試中去。
　　相反地，今天人們?cè)噲D盡可能提前發(fā)現(xiàn)缺陷，它的好處不僅僅是成本低，更重要的是今天的產(chǎn)品非常復(fù)雜，某些制造缺陷在功能測(cè)試中可能根本檢查不出來(lái)。例如某些要預(yù)先裝軟件或編程的組件，就存在這樣的問(wèn)題。（如快閃存儲(chǔ)器或 ISPs ︰ In-System Programmable Devices 系統(tǒng)內(nèi)可編程器件）。這些組件的編程必須在研制開(kāi)發(fā)階段就計(jì)劃好，而測(cè)試系統(tǒng)也必須掌握這種編程。
　　測(cè)試友好的電路設(shè)計(jì)要費(fèi)一些錢(qián)，然而，測(cè)試?yán)щy的電路設(shè)計(jì)費(fèi)的錢(qián)會(huì)更多。測(cè)試本身是有成本的，測(cè)試成本隨著測(cè)試級(jí)數(shù)的增加而加大；從在線(xiàn)測(cè)試到功能測(cè)試以及系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試費(fèi)用越來(lái)越大。如果跳過(guò)其中一項(xiàng)測(cè)試，所耗費(fèi)用甚至?xí)?。一般的?guī)則是每增加一級(jí)測(cè)試費(fèi)用的增加系數(shù)是 10 倍。通過(guò)測(cè)試友好的電路設(shè)計(jì)，可以及早發(fā)現(xiàn)故障，從而使測(cè)試友好的電路設(shè)計(jì)所費(fèi)的錢(qián)迅速地得到補(bǔ)償。
　　3、文件資料怎樣影響可測(cè)試性
　　只有充分利用組件開(kāi)發(fā)中完整的數(shù)據(jù)資料，才有可能編制出能全面發(fā)現(xiàn)故障的測(cè)試程序。在許多情況下，開(kāi)發(fā)部門(mén)和測(cè)試部門(mén)之間的密切合作是必要的。文件資料對(duì)測(cè)試工程師了解組件功能，制定測(cè)試戰(zhàn)略，有無(wú)可爭(zhēng)議的影響。
　　為了繞開(kāi)缺乏文件和不甚了解組件功能所產(chǎn)生的問(wèn)題，測(cè)試系統(tǒng)制造商可以依靠軟件工具，這些工具按照隨機(jī)原則自動(dòng)產(chǎn)生測(cè)試模式，或者依靠非矢量相比，非矢量方法只能算作一種權(quán)宜的解決辦法。
　　測(cè)試前的完整的文件資料包括零件表，電路設(shè)計(jì)圖數(shù)據(jù)（主要是 CAD 數(shù)據(jù)）以及有關(guān)務(wù)組件功能的詳細(xì)資料（如數(shù)據(jù)表）。只有掌握了所有信息，才可能編制測(cè)試矢量，定義組件失效樣式或進(jìn)行一定的預(yù)調(diào)整。
　　某些機(jī)械方面的數(shù)據(jù)也是重要的，例如那些為了檢查組件的焊接是否良好及定位是否所需要的數(shù)據(jù)。最后，對(duì)于可編程的組件，如快閃存儲(chǔ)器， PLD 、 FPGA 等，如果不是在最后安裝時(shí)才編程，是在測(cè)試系統(tǒng)上就應(yīng)編好程序的話(huà)，也必須知道各自的編程數(shù)據(jù)?？扉W組件的編程數(shù)據(jù)應(yīng)完整無(wú)缺。如快閃芯片含 16Mbit 的數(shù)據(jù)，就應(yīng)該可以用到 16Mbit ，這樣可以防止誤解和避免地址沖突。例如，如果用一個(gè) 4Mbit 存儲(chǔ)器向一個(gè)組件僅僅提供 300Kbit 數(shù)據(jù)，就可能出現(xiàn)這種情況。當(dāng)然數(shù)據(jù)應(yīng)準(zhǔn)備成流行的標(biāo)準(zhǔn)格式，如 Intel 公司的 Hex 或 Motorola 公司的 S 記錄結(jié)構(gòu)等。大多數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，只要能夠?qū)扉W或 ISP 組件進(jìn)行編程，是可以解讀這些格式的。前面所提到的許多信息，其中許多也是組件制造所必須的。當(dāng)然，在可制造性和可測(cè)試性之間應(yīng)明確區(qū)別，因?yàn)檫@是完全不同的概念，從而構(gòu)成不同的前提。
　　4、良好的可測(cè)試性的機(jī)械接觸條件
　　如果不考慮機(jī)械方面的基本規(guī)則，即使在電氣方面具有非常良好的可測(cè)試性的電路，也可能難以測(cè)試。許多因素會(huì)限制電氣的可測(cè)試性。如果測(cè)試點(diǎn)不夠或太小，探針床適配器就難以接觸到電路的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果測(cè)試點(diǎn)位置誤差和尺寸誤差太大，就會(huì)產(chǎn)生測(cè)試重復(fù)性不好的問(wèn)題。在使用探針床配器時(shí)，應(yīng)留意一系列有關(guān)套牢孔與測(cè)試點(diǎn)的大小和定位的建議。
　　5、最佳可測(cè)試性的電氣前提條件
　　電氣前提條件對(duì)良好的可測(cè)試性，和機(jī)械接觸條件一樣重要，兩者缺一不可。一個(gè)門(mén)電路不能進(jìn)行測(cè)試，原因可能是無(wú)法通過(guò)測(cè)試點(diǎn)接觸到激活輸入端，也可能是激活輸入端處在封裝殼內(nèi)，外部無(wú)法接觸，在原則上這兩情況同樣都是不好的，都使測(cè)試無(wú)法進(jìn)行。在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)該注意，凡是要用在線(xiàn)測(cè)試法檢測(cè)的組件，都應(yīng)該具備某種機(jī)理，使各個(gè)組件能夠在電氣上絕緣起來(lái)。這種機(jī)理可以借助于禁止輸入端來(lái)實(shí)現(xiàn)，它可以將組件的輸出端控制在靜態(tài)的高歐姆狀態(tài)。
　　雖然幾乎所有的測(cè)試系統(tǒng)都能夠逆驅(qū)動(dòng)（ Backdriving ）方式將某一節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)帶到任意狀態(tài)，但是所涉及的節(jié)點(diǎn)最好還是要備有禁止輸入端，首先將此節(jié)點(diǎn)帶到高歐姆狀態(tài)，然后再“平緩地”加上相應(yīng)的電平。
　　同樣，節(jié)拍發(fā)生器總是通過(guò)激活引線(xiàn)，門(mén)電路或插接電橋從振蕩器后面直接斷開(kāi)。激活輸入端決不可直接與電路相連，而是通過(guò) 100 歐姆的電阻與電路連接。每個(gè)組件應(yīng)有自己的激活，復(fù)位或控制引線(xiàn)腳。必須避免許多組件的激活輸入端共享一個(gè)電阻與電路相連。這條規(guī)則對(duì)于 ASIC 組件也適用，這些組件也應(yīng)有一個(gè)引線(xiàn)腳，通過(guò)它，可將輸出端帶到高歐姆狀態(tài)。如果組件在接通工作電壓時(shí)可實(shí)行復(fù)位，這對(duì)于由測(cè)試器來(lái)引發(fā)復(fù)位也是非常有幫助的。在這種情況下，組件在測(cè)試前就可以簡(jiǎn)單地置于規(guī)定的狀態(tài)。
　　不用的組件引線(xiàn)腳同樣也應(yīng)該是可接觸的，因?yàn)樵谶@些地方未發(fā)現(xiàn)的短路也可能造成組件故障。此外，不用的門(mén)電路往往在以后會(huì)被利用于設(shè)計(jì)改進(jìn)，它們可能會(huì)改接到電路中來(lái)。所以同樣重要的是，它們從一開(kāi)始就應(yīng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，以保證其工件可靠。
　　6、改進(jìn)可測(cè)試性
　　使用探針床適配器時(shí)，改進(jìn)可測(cè)試性的建議
　　套牢孔 呈對(duì)角線(xiàn)配置
　　定位精度為± 0.05mm （± 2mil ）
　　直徑精度為± 0.076/-0mm （ +3/-0mil ）
　　相對(duì)于測(cè)試點(diǎn)的定位精度為± 0.05mm （± 2mil ）
　　離開(kāi)組件邊緣距離至少為 3mm
　　不可穿通接觸
　　測(cè)試點(diǎn)
　　盡可能為正方形
　　測(cè)試點(diǎn)直徑至少為 0.88mm （ 35mil ）
　　測(cè)試點(diǎn)大小精度為± 0.076mm （± 3mil ）
　　測(cè)試點(diǎn)之間間隔精度為± 0.076mm （± 3mil ）
　　測(cè)試點(diǎn)間隔盡可能為 2.5mm
　　鍍錫，端面可直接焊接
　　距離組件邊緣至少為 3mm
　　所有測(cè)試點(diǎn)應(yīng)可能處于插件板的背面
　　測(cè)試點(diǎn)應(yīng)均勻布在插件板上
　　每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少有一個(gè)測(cè)試點(diǎn)（ 100 ％信道）
　　備用或不用的門(mén)電路都有測(cè)試點(diǎn)
　　供電電源的多外測(cè)試點(diǎn)分布在不同位置
　　組件標(biāo)志
　　標(biāo)志文字同一方向
　　型號(hào)、版本、系列號(hào)及條形碼明確標(biāo)識(shí)
　　組件名稱(chēng)要清晰可見(jiàn)，且盡可能直接標(biāo)在組件近旁
　　7、關(guān)于快閃存儲(chǔ)器和其它可編程組件
　　快閃存儲(chǔ)器的編程時(shí)間有時(shí)會(huì)很長(zhǎng)（對(duì)于大的存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)器組可達(dá) 1 分鐘）。因此，此時(shí)不容許有其它組件的逆驅(qū)動(dòng)，否則快閃存儲(chǔ)器可能會(huì)受到損害。為了避免這種情況，必須將所有與地址總線(xiàn)的控制線(xiàn)相連的組件置于高歐姆狀態(tài)。同樣，數(shù)據(jù)總線(xiàn)也必須能夠被置于隔絕狀態(tài)，以確?？扉W存儲(chǔ)器為空載，并可進(jìn)行下步編程。
　　系統(tǒng)內(nèi)可編程組件（ ISP ）有一些要求，如 Altera ， XilinX 和 Lattuce 等公司的產(chǎn)品，還有其它一些特殊要求。除了可測(cè)試性的機(jī)械和電氣前提條件應(yīng)得到保證外，還要保證具有編程和確證數(shù)據(jù)的可能性。對(duì)于 Altera 和 Xilinx 組件，使用了連串矢量格式（ Serial Vector Format SVF ），這種格式近期幾乎已發(fā)展成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。許多測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)這類(lèi)組件編程，并將連串矢量格式（ SVF ）內(nèi)的輸入數(shù)據(jù)用于測(cè)試信號(hào)發(fā)生器。通過(guò)邊界掃描鍵（ Boundary-Scan-Kette JTAG ）對(duì)這些組件編程，也將連串?dāng)?shù)據(jù)格式編程。在匯集編程數(shù)據(jù)時(shí)，重要的是應(yīng)考慮到電路中全部的組件鏈，不應(yīng)將數(shù)據(jù)僅僅還原給要編程的組件。
　　編程時(shí)，自動(dòng)測(cè)試信號(hào)發(fā)生器考慮到整個(gè)的組件鏈，并將其它組件接入旁路模型中。相反， Lattice 公司要求用 JEDEC 格式的數(shù)據(jù)，并通過(guò)通常的輸入端和輸出端并行編程。編程后，數(shù)據(jù)還要用于檢查組件功能。開(kāi)發(fā)部門(mén)提供的數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能地便于測(cè)試系統(tǒng)直接應(yīng)用，或者通過(guò)簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換便可應(yīng)用。
　　8、對(duì)于邊界掃描（ JTAG ）應(yīng)注意什么
　　由基于復(fù)雜組件組成精細(xì)網(wǎng)格的組件，給測(cè)試工程師只提供很少的可接觸的測(cè)試點(diǎn)。此時(shí)也仍然可能提高可測(cè)試性。對(duì)此可使用邊界掃描和集成自測(cè)試技術(shù)來(lái)縮短測(cè)試完成時(shí)間和提高測(cè)試效果。
　　對(duì)于開(kāi)發(fā)工程師和測(cè)試工程師來(lái)說(shuō)，建立在邊界掃描和集成自測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)上的測(cè)試戰(zhàn)略肯定會(huì)增加費(fèi)用。
　　時(shí)間和成本降低的程度對(duì)于每個(gè)組件都是不同的。對(duì)于一個(gè)有 IC 的電路，如果需要 100 ％發(fā)現(xiàn)，大約需要 40 萬(wàn)個(gè)測(cè)試矢量，通過(guò)使用邊界掃描，在同樣的故障發(fā)現(xiàn)率下，測(cè)試矢量的數(shù)目可以減少到數(shù)百個(gè)。因此，在沒(méi)有測(cè)試模型，或接觸電路的節(jié)點(diǎn)受到限制的條件下，邊界掃描方法具有特別的優(yōu)越性。是否要采用邊界掃描，是取決于開(kāi)發(fā)利用和制造過(guò)程中增加的成本費(fèi)用。
　　開(kāi)發(fā)工程師必然要在電路中使用的邊界掃描組件（ IEEE-1149.1- 標(biāo)準(zhǔn)），并且要設(shè)法使相應(yīng)的具體的測(cè)試引線(xiàn)腳可以接觸（如測(cè)試數(shù)據(jù)輸入 -TDI ，測(cè)試數(shù)據(jù)輸出 -TDO ，測(cè)試鐘頻 -TCK 和測(cè)試模式選擇 -TMS 以及 ggf. 測(cè)試復(fù)位）。測(cè)試工程師給組件制定一個(gè)邊界掃描模型（ BSDL- 邊界掃描描述語(yǔ)言）。此時(shí)他必須知道，有關(guān)組件支持何種邊界掃描功能和指令。邊界掃描測(cè)試可以診斷直至引線(xiàn)級(jí)的短路和斷路。除此之外，如果開(kāi)發(fā)工程師已作規(guī)定，可以通過(guò)邊界掃描指令“ RunBIST ”來(lái)觸發(fā)組件的自動(dòng)測(cè)試。尤其是當(dāng)電路中有許多 ASICs 和其它復(fù)雜組件時(shí)，對(duì)于這些組件并不存在慣常的測(cè)試模型，通過(guò)邊界掃描組件，可以大大減少制定測(cè)試模型的費(fèi)用。