引 言

邊界掃描技術(shù)是聯(lián)合測試行動組JTAG（Joint Test Action Group）于1987年提出一種電路測試方法，并于1990年被IEEE接納，形成了IEEE 1149．1標準。因此邊界掃描技術(shù)也被稱為JTAG測試技術(shù)。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，JTAG測試技術(shù)得到了越來越廣泛的應用，尤其是在電路板制造行業(yè)中，很多工廠已經(jīng)把其作為必備的生產(chǎn)測試流程。

能夠進行JTAG測試的電路板必須采用支持IEEE 1149．1標準的電子元器件，這里稱為BS（Bound—ary Scan）器件。BS器件的管腳和內(nèi)部邏輯電路之間增加了由移位寄存器構(gòu)成的邊界掃描單元，各邊界掃描單元串行連接。把電路板上的所有BS器件連接起來，就形成了邊界掃描鏈。通過串行掃描方式設(shè)定和讀取器件管腳的狀態(tài)，實現(xiàn)對電路板的測試和診斷。

電路板的JTAG測試包括以下3個步驟：

第一步：測試邊界掃描鏈的完整性，確保JTAG的掃描鏈路和各個接口工作正常。這一步是JTAG測試的基礎(chǔ)，必須在其他測試開始之前進行；

第二步：測試電路板各BS器件管腳之間的互連；

第三步：對電路板上的可編程邏輯器件進行在線編程。

在此主要研究BS器件管腳之間的互連測試?；ミB測試采用網(wǎng)絡(luò)互連模型，用網(wǎng)絡(luò)描述電路板上的互連，把網(wǎng)絡(luò)之間的短路和開路作為電路板的故障模型。實際上，電路板在制造過程中發(fā)生的故障有其特殊的成因，根據(jù)這些特點，可以進一步細化網(wǎng)絡(luò)互連模型的故障模型，使之更加符合電路板制造業(yè)的實際缺陷，從而提高工廠 JTAG測試的效率。

在以下章節(jié)里，首先介紹網(wǎng)絡(luò)互連模型，并給出了傳統(tǒng)的故障模型，然后根據(jù)電路板制造業(yè)的特點，對傳統(tǒng)故障模型進行了擴展，給出了一種更貼近電路板生產(chǎn)實際的故障模型，最后提出了基于新故障模型的測試方案。

1、電路板的網(wǎng)絡(luò)互連模型

JTAG互連測試采用網(wǎng)絡(luò)互連模型。其核心思想是把電路板上元器件管腳之間的連接描述為網(wǎng)絡(luò)。一個網(wǎng)絡(luò)是由1個輸入節(jié)點、1個輸出節(jié)點，和1根連接輸入／輸出節(jié)點的導線構(gòu)成的，圖1是網(wǎng)絡(luò)的示意圖。網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出點對應著電路板上存在互連關(guān)系的2個管腳，網(wǎng)絡(luò)的導線對應著這兩個管腳之間的基板導線。

把電路板上所有的管腳互連都定義成網(wǎng)絡(luò)，就構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)表。圖2是一個由5個網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)表。

JTAG技術(shù)提供了一套寫入和讀取機制，通過JTAG可以把測試代碼串行加載到網(wǎng)絡(luò)表的各個輸入點，然后從輸出點串行讀出測試結(jié)果。通過對測試結(jié)果的分析，來檢查網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)生了故障。

在對網(wǎng)絡(luò)進行互連測試時，涉及到以下幾個概念：

并行測試向量PTV（Parallel Test Vector）：在一次測試循環(huán)中，加載到各網(wǎng)絡(luò)上的測試代碼構(gòu)成的向量，記為vpj，j=1，2，…，P。對某個固定的電路板而言，它的PTV維數(shù)是確定的．等于網(wǎng)絡(luò)的總數(shù)N。

并行響應向量PRV（Parallel Response Vector）：采用某個PTV進行測試所得到的測試響應向量稱為并行響應向量，記為rpj，j=1，2，…，P。

串行測試向量STV（Sequential Test Vector）：在多次測試循環(huán)中施加到同一網(wǎng)絡(luò)的測試代碼構(gòu)成的向量，記為vQj，j=1，2，…，N。STV的數(shù)量等于網(wǎng)絡(luò)的總數(shù)N，其維數(shù)等于測試循環(huán)的次數(shù)（或PTV的數(shù)目）。

串行測試響應向量SRV（SeqLlential Response Vector）：網(wǎng)絡(luò)在輸入一定的STV后的輸出響應向量為串行測試響應向量，記為rQj，j=1，2，…，N。當網(wǎng)絡(luò)無故障時，其SRV與STV相同。

測試矩陣：以PTV為列向量，STV為行向量構(gòu)成的矩陣。

故障征兆：當某個網(wǎng)絡(luò)存在故障時，表征故障的SRV稱為故障征兆，記為Sfi。

2 傳統(tǒng)的互連故障模型（故障模型1）

傳統(tǒng)的互連故障模型包括2種故障：一種是單個網(wǎng)絡(luò)輸出呆滯。另一種是幾個網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)生短路。如圖3所示。

單個網(wǎng)絡(luò)輸出呆滯，是指網(wǎng)絡(luò)的輸出值為固定為1或者固定為O。因此又被稱為S—A一1（Stuack—At一1）或S—A一0（Stuack—At—O）。造成這類故障的原因主要有以下2個：

（1）網(wǎng)絡(luò)發(fā)生開路，外界不能給其施加激勵，從該網(wǎng)絡(luò)讀取的響應始終為1或者始終為0。具體為1或O取決于電路工藝。

（2）網(wǎng)絡(luò)跟電源或地短路，造成網(wǎng)絡(luò)輸出始終為1或者始終為O。

發(fā)生S—A一1或S—A一0故障的網(wǎng)絡(luò)，其測試輸出為全“l(fā)”SRV或全“0”SRV。

短路故障是指一個網(wǎng)絡(luò)和其他1個或幾個網(wǎng)絡(luò)發(fā)生橋接，短路故障所涉及的網(wǎng)絡(luò)具備相同的輸出結(jié)果，即在不同的STV激勵下，涉及短路的網(wǎng)絡(luò)SRV相同。短路故障有兩種類型：

（1）線“或”短路W—O（Wired—OR—Short）：最終的邏輯值為各網(wǎng)絡(luò)STV的邏輯“或”。數(shù)學描述如下，其中B表示涉及短路的網(wǎng)絡(luò)的集合；

（2）線“與”短路W—A（Wired—AND—Short）：最終的邏輯值為各網(wǎng)絡(luò)STV的邏輯“與”。數(shù)學描述如下；

對網(wǎng)絡(luò)進行測試時，測試時間取決于PTV的數(shù)量，測試的診斷能力則受到混淆癥候和混迭癥候的影響?；斓Y候（Abasing Syndrome）：當測試矩陣中某個網(wǎng)絡(luò)的STV或某個短路故障響應相同時，將無法確定這個網(wǎng)絡(luò)是否包含在該短路故障中，這種現(xiàn)象稱為混迭癥候。混淆癥候（Confolmding Syndrome）：當多個獨立故障的輸出結(jié)果相同時，不能確定故障現(xiàn)象究竟是由哪個故障引起，這種現(xiàn)象稱為混淆癥候。上述的故障模型是目前互連測試研究中常用的故障模型?，F(xiàn)把這種模型稱為故障模型1。故障模型1把網(wǎng)絡(luò)作為一個整體來測試，認為網(wǎng)絡(luò)是發(fā)生故障的最小單元。但在實際上網(wǎng)絡(luò)包括輸入點，輸出點和連線，這幾個環(huán)節(jié)可能分別發(fā)生不同的故障。

通過對電路板生產(chǎn)過程的分析，可以在故障模型1的基礎(chǔ)上把網(wǎng)絡(luò)故障加以細化，從而得出更接近電路板生產(chǎn)實際的互連故障模型。

3 以管腳故障為參考點的互連故障模型（故障模型2）

電路板在生產(chǎn)過程中發(fā)生的管腳互連故障可以分為以下幾類：

電路板基板導線的故障；

焊接故障：包括元器件管腳與基板之間的焊料缺失；管腳焊點上的焊料橋接；管腳斷裂或抬起導致管腳脫離焊點等；

元器件故障：包括電路板上的元器件缺失；在貼片時使用了錯誤的元器件；元器件安裝方向相反等；

隨著電路板生產(chǎn)技術(shù)的進步，基板的制造過程已經(jīng)非常成熟，基板上的導線發(fā)生故障的可能性很小，工廠在制造過程中的問題大都發(fā)生在元器件的組裝階段，即焊接或元器件引起的故障。

前面已經(jīng)說明，電路板上的元器件是串行連接成邊界掃描鏈的。元器件故障會導致電路板上的邊界掃描鏈中斷，因此在測試邊界掃描鏈的完整性時就可以發(fā)現(xiàn)并修復元器件的問題。這樣在進行管腳互連測試時，元器件故障就已經(jīng)被排除了，所以互連測試主要是檢查元器件管腳的焊接故障，包括以下2個方面：

管腳和電路板導線開路：包括元器件管腳脫離焊點，元器件管腳與基板之間的焊料缺失；

管腳之間短路，即元器件管腳焊點上的焊料橋接。

管腳對應著網(wǎng)絡(luò)的輸入或輸出點，把管腳故障作為參考點來定義網(wǎng)絡(luò)互連故障，可以得出：網(wǎng)絡(luò)短路就是網(wǎng)絡(luò)的輸入點之間或輸出點之間發(fā)生短路，而開路就是指網(wǎng)絡(luò)的輸入點或輸出點跟網(wǎng)絡(luò)導線之間斷開。

對于單個網(wǎng)絡(luò)而言，其輸入點和輸出點可能只有一端發(fā)生故障，可能兩端同時發(fā)生同一類故障，也可能兩端各發(fā)生不同的故障。因此網(wǎng)絡(luò)的互連故障可以有更多的類型，現(xiàn)歸納如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)輸出呆滯：故障原因包括網(wǎng)絡(luò)一端開路一端正常；或兩端同時開路；如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)跟電源或地發(fā)生短路也會造成這類故障。這些故障都表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)SRV固定為1（S—A一1）或者固定為O（S—A一0）。

（2）網(wǎng)絡(luò)短路：N（N≥2）個網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)生短路，且這些網(wǎng)絡(luò)本身沒有開路故障，如圖5所示。這種短路故障可能是W—A短路，也可能是W—O短路，這些短路網(wǎng)絡(luò)可能一端短路另一端正常，也可能網(wǎng)絡(luò)兩端同時和其他網(wǎng)絡(luò)短路。

（3）輸入短路，輸出開路：如圖6所示，某個網(wǎng)絡(luò)輸入點跟其他網(wǎng)絡(luò)短路，同時輸出點開路。在這種情況下，該網(wǎng)絡(luò)的SRV為S—A—O或S—A一1，輸入點因為和其他網(wǎng)絡(luò)短路，會對短路組合的SRV產(chǎn)生影響。

（4）輸入開路，輸出短路：如圖7所示，某個網(wǎng)絡(luò)輸入點開路，同時輸出點跟其他網(wǎng)絡(luò)短路。在這種情況下，該網(wǎng)絡(luò)的輸入值對輸出值沒有影響，網(wǎng)絡(luò)的輸出值是由短路組合決定的。

如果把網(wǎng)絡(luò)的輸入點和輸出點對調(diào)，第四種情況就變成了第3種情況。但是在把電路板描述成網(wǎng)絡(luò)表時，對于輸入點和輸出點發(fā)生何種故障是完全不可知的，所以，第3種情況和第4種情況應該分開來考慮。

在此把上述故障模型稱為故障模型2，其中第1種和第2種情況與故障模型1是等效的，在建模時考慮到網(wǎng)絡(luò)兩端可能發(fā)生不同的故障，增加了第3種和第4種情況。

每個網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果只能直接反映輸出端的故障，如果輸入端也存在故障，那么它就可能被忽視。這里把這種現(xiàn)象稱為漏判。

工廠測試的目的是發(fā)現(xiàn)故障并進行維修，其流程如圖8所示：測試中如發(fā)現(xiàn)故障，就要進行維修，修復后再進行驗證測試。如果發(fā)生了漏判，一次測試不能發(fā)現(xiàn)所有故障，則只能在電路板輸出端維修完成后，進行驗證測試時，才能發(fā)現(xiàn)輸入端的故障，于是必須再次維修并再次驗證測試。這就增加了測試的時間和維修的復雜性。如果能夠基于故障模型2找到方法消除漏判，就可以有效提高生產(chǎn)測試的效率。

4 基于故障模型2的測試方案

故障模型2引入了網(wǎng)絡(luò)一端開路，一端短路的故障。在測試時采用走步1算法和走步0算法生成測試矩陣，能夠同時檢測出網(wǎng)絡(luò)兩端的故障，避免發(fā)生漏判。

設(shè)網(wǎng)絡(luò)總數(shù)為N，走步1算法的初始測試矢量為1，O，0，…，O（N維），然后讓1順序移位，構(gòu)成N行N列的測試矩陣，所以稱作走步1算法。走步O算法與走步1算法原理相同，只是走步O算法的初始測試矢量為O，1，1，…，1，然后讓O順序移位。走步1算法和走步0算法生成的測試矩陣，PTV數(shù)量都是N。

表1和表2是走步1算法和走步0算法生成的測試矩陣示例，網(wǎng)絡(luò)總數(shù)為5。

走步1算法生成的測試矩陣能實現(xiàn)對所有W一O短路的完全診斷，每個故障征兆都有惟一的故障成因與之對應，不會發(fā)生混迭或混淆；對網(wǎng)絡(luò)一端W—O短路，一端開路的故障也具有診斷能力。因為STV中“1”的位置是網(wǎng)絡(luò)的標志，如果發(fā)生了W一O短路，可以根據(jù)SRV中“1”的位置，分析出哪些網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了短路，哪些網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了開路，從而避免漏判。例如，用走步1矩陣對表1的5個網(wǎng)絡(luò)中進行測試，如果網(wǎng)絡(luò)1的SRV是00000，網(wǎng)絡(luò)2的SRV是11000，從 11000這個結(jié)果，可以分析出網(wǎng)絡(luò)1和2的輸入點必然發(fā)生了或短路；但是網(wǎng)絡(luò)1的SRV不是11000，而是全“O”向量，那么可以判定：網(wǎng)絡(luò)1的輸出點發(fā)生了開路，導致輸出S—A一0。

同理，走步O算法生成的測試矩陣能實現(xiàn)對所有W—A短路的完全診斷，對網(wǎng)絡(luò)一端W—A短路，一端開路的故障具有診斷能力。

在實際測試時為了同時覆蓋W—O短路和W—A短路，要把走步1矩陣和走步O矩陣組合起來使用，如表3示。這樣，PTV的數(shù)量就是2N。

走步1矩陣和走步O矩陣構(gòu)成的組合測試矩陣，只有當全部網(wǎng)絡(luò)一起發(fā)生短路時，其結(jié)果才是全“O”SRV或全“1”SRV。而顯然這種故障是不可能發(fā)生的，因此可以認為全“O”SRV和全“1”SRV不是由短路故障造成的，這樣就避免了和開路故障發(fā)生混淆。也就是說，用組合矩陣測試時，只要一個網(wǎng)絡(luò)的輸出是全“0”和全“1”，就可以肯定該網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了輸出開路或者輸出呆滯。綜上所述，組合矩陣能夠?qū)收夏Ｐ?的所有情況進行完備診斷，不會發(fā)生混迭癥候、混淆癥候和漏判問題。組合矩陣的PTV數(shù)量是2N，當網(wǎng)絡(luò)數(shù)量比較大時會造成測試時間過長。因此對于大規(guī)模集成電路板的測試不宜直接采用這種算法。為了縮短測試時間，可以采用兩步測試的方案：第一步用緊湊性比較好的測試矩陣進行初步測試，快速地找出可能存在問題的網(wǎng)絡(luò)，縮小診斷測試的范圍；第二步，采用組合矩陣，對存在故障的網(wǎng)絡(luò)進行精確診斷。這樣就可以又快又好地達到測試目的。第一步測試可以采用改良計數(shù)序列算法或等權(quán)值算法，其PTV數(shù)量級為log2N，是緊湊性最好的一類算法。用這類算法生成的測試矩陣可以發(fā)現(xiàn)所有可能存在問題的網(wǎng)絡(luò)，但不能完全確定故障的位置和類型。

5 結(jié) 語

電路板生產(chǎn)測試目的在于發(fā)現(xiàn)故障并進行維修。測試中對故障的漏判會造成反復維修，影響生產(chǎn)的效率，因此需要盡可能全面地發(fā)現(xiàn)故障?，F(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)輸入端和輸出端的故障為參考點，引入了一端開路，一端短路的故障?；谶@種故障模型的測試可以避免對輸入端故障的漏判，從而減少反復維修。

JTAG測試技術(shù)的應用還包括用BS器件測試非BS器件。因為BS器件之間的互連可能會經(jīng)過一些非BS器件（電阻，功放等），可以通過測試BS器件之間的互連來檢查這些中繼器件。這種測試實際上是假設(shè)網(wǎng)絡(luò)互連模型的導線部分也可能發(fā)生故障。根據(jù)這種情況，本文提出的故障模型2可以進一步擴展，從而應用到 BS器件測試非BS器件的領(lǐng)域。

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