邊界掃描與電路板測(cè)試技術(shù)

引言
電子器件的生產(chǎn)商和電子產(chǎn)品的制造商都在傾向于采用最新的器件技術(shù)，如BGA、CSP(芯片規(guī)模封裝)、TCP(倒裝芯片封裝)和其它更小的封裝，以提供更強(qiáng)的功能、更小的體積，并節(jié)省成本。電路板越來(lái)越密、器件越來(lái)越復(fù)雜、電路性能要求越來(lái)越苛刻，越來(lái)越難的接入問(wèn)題導(dǎo)致了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1149.1——邊界掃描的誕生。邊界掃描測(cè)試BST是一種可測(cè)試結(jié)構(gòu)技術(shù)，它是在芯片的I/O端上增加移位寄存器，把這些寄存器連接起來(lái)，加上時(shí)鐘復(fù)位、測(cè)試方式選擇以及掃描輸入和輸出端口，而形成邊界掃描通道。每個(gè)IEEE 1149.1兼容的器件，都包括一個(gè)4線(xiàn)或5線(xiàn)的測(cè)試端口(TAP)、一個(gè)狀態(tài)機(jī)(TAP控制器)和由邊界掃描單元構(gòu)成的邊界掃描移位寄存器。其中TAP控制器用于控制邊界掃描測(cè)試的執(zhí)行。邊界掃描描述語(yǔ)言(BSDL-Boundary-Scan Description Language)是VHDL語(yǔ)言的子集。測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)使用BSDL文件進(jìn)行測(cè)試生成、分析、故障診斷和在系統(tǒng)編程。

圖1 邊界掃描用于互連線(xiàn)測(cè)試

圖2 集群測(cè)試

邊界掃描在板級(jí)測(cè)試中的應(yīng)用
邊界掃描在板級(jí)測(cè)試中，主要是對(duì)PCB上器件間互連線(xiàn)和管腳的故障進(jìn)行檢測(cè)和隔離，對(duì)在系統(tǒng)編程器件進(jìn)行編程。測(cè)試邊界掃描板的通用測(cè)試策略是：
?執(zhí)行板級(jí)邊界掃描基本結(jié)構(gòu)完整性測(cè)試。
?使用Extest指令，施加激勵(lì)和檢測(cè)響應(yīng)，進(jìn)行邊界掃描器件間互連的測(cè)試，測(cè)試時(shí)將非邊界掃描器件設(shè)置到安全狀態(tài)。
?對(duì)非邊界掃描器件進(jìn)行測(cè)試，如集群測(cè)試、RAM測(cè)試等。
在正常工作模式，帶邊界掃描功能的IC好像沒(méi)有實(shí)現(xiàn)其特定功能。然而，當(dāng)要進(jìn)行測(cè)試或在系統(tǒng)編程時(shí)，器件的掃描邏輯被激活，通過(guò)菊花鏈將多個(gè)具有JTAG接口的器件串聯(lián)起來(lái)，組成一個(gè)掃描鏈，使用單組測(cè)試向量實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路板的完整測(cè)試，如圖1所示。
邊界掃描測(cè)試對(duì)于采用復(fù)雜表面貼裝技術(shù)的電路板功能測(cè)試也是一種較好選擇，它能快速剔除產(chǎn)品的制造故障，讓功能測(cè)試真正進(jìn)行功能性故障的查找。當(dāng)前的主流在線(xiàn)測(cè)試和飛針測(cè)試設(shè)備也都兼有邊界掃描測(cè)試功能。
盡管很多使用中的器件可以使用BST技術(shù)，但仍有部分電路沒(méi)有邊界掃描功能。Teradyne公司的邊界掃描測(cè)試軟件VICTORY，可在其在線(xiàn)測(cè)試ATE上運(yùn)行，其中模塊VCCT (Virtual Component and Cluster Test 虛擬器件和集群測(cè)試)的工作原理是：VCCT將邊界掃描器件的掃描單元作為一個(gè)虛擬的ATE測(cè)試通道，去驅(qū)動(dòng)激勵(lì)非邊界掃描邏輯電路，然后測(cè)試響應(yīng)。VCCT可以組合虛擬通道和真實(shí)的ATE通道進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)。用VCCT進(jìn)行單個(gè)器件或集群(Cluster)測(cè)試時(shí)，關(guān)鍵的任務(wù)是定義測(cè)試目標(biāo)的輸入和輸出，如圖2所示。

JTAG接口在FPGA中的應(yīng)用
FPGA中的JTAG接口，除支持邊界掃描測(cè)試外，還具有在系統(tǒng)編程(ISP)和邏輯分析功能(SignalTap)。
ISC和ISP
ISC(在系統(tǒng)配置)或ISP是IEEE 1149.1的主要新應(yīng)用。如Altera公司的MAX7000系列EPLD就具有在系統(tǒng)編程功能，可用在線(xiàn)測(cè)試設(shè)備(ICT)或下載電纜，通過(guò)JTAG接口在板級(jí)對(duì)可編程器件進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)試和編程，簡(jiǎn)化制造流程。
SignalTap
在A(yíng)ltera公司的Stratix、Excalibur、APEX II等器件中，通過(guò)JTAG接口，實(shí)現(xiàn)了SignalTap II嵌入式邏輯分析儀功能。SignalTap II是二次生成(second-generation)的系統(tǒng)級(jí)調(diào)試工具，能捕獲和顯示SOPC中的實(shí)時(shí)信號(hào)特性，由軟IP核、編程硬件和分析軟件構(gòu)成，通過(guò)JTAG接口下載FPGA配置數(shù)據(jù)和上載捕獲的信號(hào)數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)時(shí)板級(jí)測(cè)試，減少功能驗(yàn)證時(shí)間。

JTAG接口在DSP器件中的應(yīng)用
在DSP器件中，使用JTAG接口主要有兩種工作模式：邊界掃描模式和仿真模式。例如TMS320C6000系列中的JTAG端口由7到17個(gè)信號(hào)組成，其中5個(gè)信號(hào)為IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，仿真信號(hào)EMUn用于選擇芯片的工作模式。芯片具有兩個(gè)TAP，一個(gè)用于邊界掃描，一個(gè)用于仿真。

關(guān)于邊界掃描的DFT問(wèn)題
器件選擇
?選擇IEEE 1149.1兼容的器件：當(dāng)前一些大規(guī)模的集成電路都帶有JTAG接口，采用1149.1兼容的器件，能增加邊界掃描測(cè)試的覆蓋率。
?雙功能的JTAG端口：盡量避免選擇帶雙功能JTAG端口的器件。這些器件的雙功能引腳，在上電時(shí)默認(rèn)為內(nèi)核功能模式，通過(guò)預(yù)定義的JTAG使能引腳，將雙功能引腳切換到JTAG模式，因此，設(shè)計(jì)師必須確認(rèn)在進(jìn)行板級(jí)邊界掃描之前，能夠訪(fǎng)問(wèn)和控制JTAG使能腳。
?所有IEEE 1149.1兼容的器件必須支持強(qiáng)制的SAMPLE/PRELOAD，EXTEST和BYPASS指令，并最好也支持可選的HIGHZ和IDCODE指令。
?對(duì)于CPLD器件，建議采用IEEE 1532兼容器件，這樣可使來(lái)自不同廠(chǎng)家的CPLD器件同時(shí)進(jìn)行配置。
掃描鏈布局
?JTAG控制信號(hào)的連接：TCK、TMS和可選的TRST并行連接，TDI、TDO信號(hào)將邊界掃描器件組成一個(gè)菊花鏈。
?分區(qū)：(1)為了滿(mǎn)足第三方調(diào)試/仿真工具的要求，有些器件(如DSP)必須位于同一個(gè)分離鏈中。(2)為了使不同的FPGA和CPLD廠(chǎng)商的在系統(tǒng)配置軟件工具同各自器件良好通信，不同公司的器件必須位于不同鏈中。(3)不同的邏輯系列器件(如ECL/TTL)放在不同的鏈中。(4)為有利于測(cè)試分區(qū)、診斷分辨率的提高或優(yōu)化測(cè)試向量的執(zhí)行，應(yīng)對(duì)器件進(jìn)行分區(qū)。(5)在系統(tǒng)環(huán)境中，提供到背板接口的器件應(yīng)進(jìn)行分區(qū)，這有利于進(jìn)行板到板互連測(cè)試時(shí)優(yōu)化測(cè)試向量的執(zhí)行。
?盡可能將邊界掃描鏈連接到邊緣連接器，這樣可不需要針床，避免因不清潔導(dǎo)致的接觸不良，有利于背板環(huán)境下的系統(tǒng)級(jí)訪(fǎng)問(wèn)。
?對(duì)于高速的JTAG應(yīng)用，如SDRAM測(cè)試、FLASH編程等，TCK的速度高于10MHz，建議使用一個(gè)阻抗匹配的RC網(wǎng)絡(luò)端接(通常采用60-100Ω的電阻和100pF的電容串接)，所有其它的輸入使用一個(gè)弱的上拉電阻(10kΩ)。為了抑制反射，在菊花鏈的最后一個(gè)TDO引腳串接一個(gè)22Ω的電阻。
?通過(guò)放置一個(gè)0Ω的旁路電阻，可實(shí)現(xiàn)對(duì)邊界掃描器件的物理旁路。有時(shí)由于上市時(shí)間的壓力，邊界掃描器件并未實(shí)現(xiàn)其功能和對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，如果它是掃描鏈中的一部分，將導(dǎo)致電路板上該鏈中的剩余器件無(wú)法進(jìn)行邊界掃描測(cè)試。這時(shí)可以使用旁路電阻對(duì)單個(gè)器件和多個(gè)器件進(jìn)行旁路。
?最好對(duì)進(jìn)入板上的所有IEEE 1149.1輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖，以保證信號(hào)的完整性，特別是TCK和TMS。一個(gè)通用的規(guī)則是，如果電路板線(xiàn)長(zhǎng)度相對(duì)較短，74244型緩沖器可扇出4~6個(gè)器件，如果緩沖器和邊界掃描器件間導(dǎo)線(xiàn)較長(zhǎng)(大于10cm)，建議一個(gè)緩沖器扇出1~2個(gè)器件。
對(duì)非邊界掃描器件的控制
?對(duì)非邊界掃描邏輯控制信號(hào)的訪(fǎng)問(wèn)：為了防止測(cè)試時(shí)的信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致器件損壞或測(cè)試不可靠，非邊界掃描器件的控制信號(hào)必須連到邊界掃描單元，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該器件的非使能控制。
?時(shí)鐘信號(hào)的控制：有時(shí)需要對(duì)同步存儲(chǔ)器讀寫(xiě)的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行控制，用測(cè)試時(shí)鐘替代或?qū)r(shí)鐘關(guān)斷。
?對(duì)連接器的測(cè)試，可將連接器的引腳接至邊界掃描器件的掃描單元，通過(guò)在連接器上外接的短接器，實(shí)現(xiàn)直通測(cè)試。
對(duì)FPGA器件
?IEEE 1149.1只提供了靜態(tài)測(cè)試能力，對(duì)于高速應(yīng)用的BIST，可以充分利用FPGA對(duì)軟IP內(nèi)核的支持能力和可重新配置能力，在電路板裝配階段，將FPGA配置為帶BIST功能的內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)全速自測(cè)試，在系統(tǒng)集成階段和產(chǎn)品發(fā)運(yùn)時(shí)，將FPGA配置為其原有的正常功能。

結(jié)語(yǔ)
IEEE 1149.1很好地解決了微型器件封裝、高密度電路板探測(cè)等問(wèn)題，是內(nèi)置自測(cè)試(BIST)采用的主要技術(shù)。為提高電路板測(cè)試的故障覆蓋率、降低測(cè)試成本，在電路板的設(shè)計(jì)初期，就應(yīng)考慮電路板的測(cè)試策略，采用可測(cè)試性設(shè)計(jì)方法，借助測(cè)試軟件進(jìn)行可測(cè)試性分析、評(píng)估和優(yōu)化，以提高TPS的開(kāi)發(fā)效率，增強(qiáng)電路板的可測(cè)試性。