基于IDDT的传感器集成电路故障智能检测研究

吕晓鹏

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

0 引 言

当被测电路规模较大时，想要完成对该电路的测试难度较大[1]。传统的电路测试往往采用电压测试的方法，对于电路测试，通过在电路输入端输入且检测电路的输出结果是否与原设计结果相同，使得测试结果过于笼统，且故障检测准确度不足[2]。传统的电路故障不表现在电路的功能失效方面，因此如果电路中的冗余电路出现缺陷将难以检测，虽然电路仍然可以正常工作，但是电路可靠性较低。目前广泛应用在芯片制造领域的技术为IDDQ动态电流检测技术，在检测中具有检测速度快、检测类型多等优势，是一种高速发展的电路故障检测技术。

1 集成电路故障智能检测设计

1.1 确立检测输入向量

使用IDDT技术进行检测首先要输入不同的测试向量。考虑到是对电路的检测，这里在测试时要输入一堆测试向量，使电路形成跳变，且形成不同的多条IDDT通路[3]。通过输入测试的向量对产生的不同跳变形成的多种通络，在输入AB时由00变为01或10，则01（10）→00不会产生电流通路，而在00→11是产生的通路时会在产生4条通路。当01（10）→10（01）时，将会产生L1和L2；当11→01时，则会产生L1和L3。对于IDDT的测试生成在于要在其中找出一组原始的输入当量，而对于判断测试向量在测试中的故障是否可测需运用式（1）进行验证：

式中，△代表在动态电流测试方法中一个故障是否可测的测度，Nffv1,v2代表无故障电路在测试矢量v1、v2的作用下发生的跳变数，Nftv1,v2代表故障电路在测试矢量下的跳变数。式（1）中，在测试矢量中受到影响越大，且故障电路与无故障电路中产生的差别越大，则被测故障的检测率越高。对于发出的向量，需根据电路检测率修改发出的输入向量，以保证发出的测试向量可以对电路中的故障有着良好的跳变。

1.2 确立测试电流模式

全速电流测试检测实时的测试终端问题，通过将IDDQ与IDDT两种技术结合，利用工作频率进行全速的电流测试。对于被测电路，注入两种不断循环的交替向量(V0,V1,V0,V1,…)，在求出故障和正常电路的电源电流差别时，两个连续的向量即可完成测试。在V0→V1的情况下，产生相应的瞬态电流（IDDT1）。当动态电流逐渐稳定后，存在的为静态电流；当输出向量为V1→V0时，重新产生新的瞬态电流，稳定后仍会保留静态电流。通过测试两种向量输入周期时的平均电流，并将其平均电流与正常电流相比，就能判断是否存在故障。

循环周期中容易引起较大的瞬态电流，分别为IDDT1和IDDT2。两种瞬态电流各不相同，两个连续的向量循环输入是使被测电路的跳变变为一正一反的输入，表示在循环周期中测试波形存在4种。这里的静态即为1，稳态即为0。在正脉冲和负脉冲下，输入信号间隔的周期必须相同。在进行全速电流的测试中，跳变情况可以通过设计波形模拟器进行接收。

1.3 使用波形模拟法接收电流跳变

波形模拟在于将电路中的每个点的信号都表示为波形，而波形表示为：

式中，c=0或c=1，ωti代表在ti时刻下的上升沿，而t代表全速电流下瞬态电流跳变情况，i代表此情况下瞬态电流输出下的代表数值，这里为1。在波形模拟器汇总，对于整数阵列可以表示出有限个跳变的波形(c,t1,t2,…,tn,EOA)，其中EOA代表阵列结束。通过波形模拟法来记录电流跳变时的情况，从而处理电路跳变的信息。

1.4 电流跳变信息处理

通过波形模拟器获得相关动态和静态下电流情况，对于其数据采用小波分析：

式（3）为小波函数的连续形式，式（4）为小波函数的离散形式。在式（3）与式（4）中，a、b以及离散形式下的2j和k/2j分别表示在两种形式下的伸缩因子和平移因子，即上文中的两种交替向量得出的数据因子。这里的Z代表整数的集合。离散正交下的小波函数在变换中可形成平方可积函数f(x)的一组正交基，而对于f(x)的小波级数表示为：

对于信号f(x)作小波分析时，信号分解为不同的小波分量ψ(2jx-k)，而后通过不同级对应的不同宽度的时窗，沿着x轴进行逐步分析。另外，采用主元分析，将研究对象中的多个变量转为少数不相关变量中。为了帮助后续完成对主成分的分析，将小波包分析后得出的训练样本集记为X=(X1,X2,…,Xr)，依据其特征向量的维数和总方差不变对数据进行线性交换。通过小波分析对电流跳变信息的分析，判断电路是否出现了故障。

2 实验论证分析

为了验证设计的检测方法的可行性，比较本文方法与传统的电压检测方法。因C17电路具有较好的代表性，这里使用基准电路汇总的C17电路对其进行模拟测试实验，电路图如图1所示。

图2 C17电路图

在电路的不同位置分别注入固定故障、开路故障、桥接故障以及时延故障。开路故障可以使用在电路开路中串接100 MΩ的电阻进行模拟；桥接故障的故障模拟可以选用250 Ω的故障电阻；时延故障可以通过在故障点位置加入反门，使该位置的点处加入一个两级反门的传输延时。为了方便各种故障的表达和书写，实验结果的表格中故障代号为C，C1即为故障模式1，以此类推。实验过程中首先采取故障训练样本对传统方法和本文样本的诊断系统进行训练样本测试。实验结果如表1所示。

表1 电路故障智能检测方法对比

由表1可知，训练样本的检测中共119个故障，本文方法诊断出102个故障，诊断率为85.7%，传统方法诊断出80个故障，诊断率为67.2%。其中，C4型故障难以使用自动监测方法进行检测，因此两种检测方法均为正常，而传统方法无法检测C3型故障模式，因此结果为0。通过结果对比可见，本文方法在检测电路故障时具有更高的准确性。

3 结 论

本文对基于IDDT的传感器集成电路故障智能检测进行了研究，通过设计IDDT的检测输入向量和电流模式，对检测后得出的数据分析做出了设计，通过实验验证设计的可行性。实验中发现，设计的检测方法对于有些故障仍存在无法检测的问题，需要进一步改善，但检测精确性优于传统方法，具有可行性。