專利名稱：一種基于特征提取的集成電路故障檢測方法
技術領域：
本發(fā)明屬于集成電路測試領域，特別涉及一種基于特征提取的集成電路故障檢測方法。
背景技術：
伴隨著超大規(guī)模集成電路、數(shù)?；旌闲盘栯娐芳捌舷到y(tǒng)芯片技術的突飛猛進，集成電路的可測性問題變得日益重要。對于集成電路，特別是模擬和數(shù)模混合信號集成電路，由于對集成電路產(chǎn)品規(guī)范的全系統(tǒng)測試非常昂貴，有時甚至不可能，加之受集成電路封裝的限制，解析被測集成電路的輸出響應便成為面向故障診斷的測試中的關鍵問題，通常采用的是測試響應的特征分析技術。在實施特征分析時，通過比較被測電路的實測特征和正常特征(即無故障特征)是否一致來判斷被測集成電路中是否存在故障；進一步，通過提取不同故障下被測集成電路輸出響應的特征，來推斷出被測集成電路中發(fā)生故障的部位或故障狀況。從理論上，借助特征分析技術可以降低測試難度、提高測試效率，但從工程實際的角度考察，使用特征分析技術又不得不面臨一些必須考慮和解決的實際問題，這些問題的來源可以歸納為以下三方面:其一是集成電路元件參數(shù)的容差，造成集成電路的實際輸出往往偏離集成電路的理想輸出，當這種“偏離”在可接受的范圍內，測試者依然認為電路是正常的，即沒有故障；電路元件參數(shù)容差和偏移狀況的復雜性，為特征分析帶來困難。其二是環(huán)境因數(shù)的不可預知性，如環(huán)境噪聲、集成電路工作環(huán)境溫度的改變對電路元件參數(shù)的影響。其三是測試環(huán)節(jié)引入的不確定性，比如信號源輸出的不穩(wěn)定、獲取測試響應信號時測量儀器本身的噪聲和有限精度，等等。上述三方面的因素皆可以用來源于不同方面的“噪聲”來做等效的歸納，這些因素使得在集成電路測試中使用特征分析技術時，可能產(chǎn)生下面兩種常出現(xiàn)的狀況:第一種，故障輸出的特征和無故障輸出特征間的差異極小甚至一致，這被稱為“故障混疊”，此時在故障診斷中會出現(xiàn)“誤判”的現(xiàn)象，這是要避免的；第二種，所提取的被測集成電路特征的“魯棒性”不夠強，比如表現(xiàn)為所提取的特征不穩(wěn)定、可重復性差，這樣在測試中便產(chǎn)生了“似是而非”或“模棱兩可”的現(xiàn)象，這同樣會帶來“故障混疊”，進而出現(xiàn)“誤判”，上述兩種狀況皆是不可接受的。目前，針對集成電路進行故障特征提取的典型方法有基于相關運算的故障特征提取方法，和基于子帶濾波再加積分的特征提取方法。前者通過引入一種加權因子判決標準，采用基于相關運算的故障特征比較策略來提高故障區(qū)分的水平，使用這個策略，對具有相似特征的不同故障，可以實現(xiàn)診斷和定位；這個方法的優(yōu)點是靈敏度高，因為該方法所基于的相關運算可以發(fā)現(xiàn)正常輸出和偏離正常輸出間的細微差別，但這種方法在實施過程中對測量數(shù)據(jù)的質量要求很高，若測量數(shù)據(jù)的信噪比不能達到適當水平，此種方法中所依賴的特征“判據(jù)”便會失效，在工程實際中要保證高的測試數(shù)據(jù)質量，往往代價巨大，這使得該方法在實用中對噪聲敏感，并由此造成該方法的“魯棒性”差和由噪聲引起故障混疊的幾率高。后者是先將被測集成電路的測試響應輸出經(jīng)子帶濾波后，再對每一子帶輸出使用積分器“壓縮”響應輸出形成故障特征，此方法的出發(fā)點是將電路的故障效應置入特定的子帶中觀察，但缺陷是對噪聲較敏感，使得該方法的可重復性差，自然帶來“魯棒性”差的弊端。由于實際電路和工程上對電路的測試過程皆處于噪聲環(huán)境中，因此針對集成電路進行故障特征提取的上述兩種典型方法在實際應用中均存在局限。其他的集成電路故障特征提取方法主要有:基于徑向基函數(shù)分類器的方法，基于斜率模型和測試點選擇算法的方法，基于頻域相關分析的方法，模塊級軟故障特征提取方法，基于特征空間映射的方法，基于“小波-支持向量機”的方法，基于“能量”的特征提取方法，基于“主成分分析+支持向量機”的故障特征提取方法等等。這些方法在理論上可以實現(xiàn)集成電路的故障特征提取，但由于這些方法在工程實用中對測試信號要求較高，造成其實用效果對噪聲敏感，降低了其結果的可靠性、可信性和可復現(xiàn)性，有必要尋求新的技術途徑。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種對噪聲不敏感、電路特征魯棒性強、故障混疊發(fā)生概率低、誤判率低的基于特征提取的集成電路故障檢測方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:本發(fā)明的基本原理是:現(xiàn)有的集成電路故障特征提取方法均是基于盡可能抑制噪聲，而本發(fā)明的技術思想?yún)s是利用噪聲信息，具體來說就是，本發(fā)明的集成電路故障檢測方法是通過對被測集成電路輸出噪聲的在線估計，得到噪聲的統(tǒng)計特性，作為被測集成電路的特征。這一思路的合理性在于:從電路拓撲結構看，被測電路的每一元件在該電路中皆有“獨一無二”的位置；從功能看，被測電路的每一個元件對該電路皆有“獨一無二”的作用，因此該元件的以噪聲形式表現(xiàn)的故障效應在被測電路中也是“獨一無二”的，那么依據(jù)噪聲特性提取的某元件的特征相對其它元件來說也具有“獨一無二”性，這就避免了在故障診斷中可能出現(xiàn)的、由“故障混疊”帶來的“誤判”問題，而且該特征提取方法本身是基于對噪聲的統(tǒng)計特性的分析和處理，使本方法的“魯棒性”強。歸咎于測量和系統(tǒng)擾動固有的不確定性，集成電路輸出信號會偏離預期值并在一定范圍內擾動，當這種擾動處于可接受范圍內時，此時并不認為電路處于故障狀態(tài)。因此，可以認為理想無故障輸出是不變量，而在這個不變量周圍微弱的擾動就是現(xiàn)實中的無故障輸出(正常輸出)。當偏離理想無故障輸出的程度超出可接受范圍時，即認為電路處于故障狀態(tài)，即在理想無故障輸出基礎上的大幅擾動，被認為是電路已發(fā)生故障的標志。因此，集成電路的測量輸出信號可被看作是一個隨機過程的實現(xiàn)，在這個隨機過程中，均值就是理想無故障輸出信號。因此可將理想無故障響應和具有某個均值和方差的白噪聲疊加在一起，來描述電路的實際輸出。又由于集成電路中的每一個元件在電路中具有獨一無二的作用，因此可以認為白噪聲和電路板上的元器件具有一對一的關系?；诖?，使用白噪聲的統(tǒng)計參數(shù)作為被測電路的正常與故障的特征，并以此作為集成電路故障診斷的依據(jù)是完全合理的。具體而言，本發(fā)明提出的一種基于特征提取的集成電路故障檢測方法，步驟如下:(I)將被測集成電路的各個元件參數(shù)設置為標稱參數(shù)，對該被測集成電路進行理論計算或仿真，得到各元件標稱參數(shù)下被測集成電路的理論輸出序列，記為Yaife [η]，I n ^ L, L=S XQ, S表示對計算或仿真輸出采集S個周期的數(shù)據(jù),而Q表示每一周期采樣Q個點的數(shù)據(jù)。(2)在被測集成電路各個元件的參數(shù)容差范圍內，對被測集成電路進行M1次蒙特卡洛(Monte Carlo)仿真，仿真過程中允許被測集成電路的每一元件的參數(shù)皆在容差范圍內同時變動，得到與前述蒙特卡洛仿真次數(shù)相同個數(shù)的被測集成電路的理想無故障輸出序列(即M1個)。記札次蒙特卡羅仿真中的第i次(I彡i彡M1)所得到的被測集成電路的理想無故障輸出序列為, I ^L, L=SXQ, S表示對蒙特卡羅仿真輸出采集S個周期的
數(shù)據(jù)，而Q表示每一周期采樣Q個點的數(shù)據(jù)，稱為第i個理想無故障輸出序列。(3)根據(jù)檢測精度設定閾值和步長；針對步驟(2)中得到的被測集成電路的所有(即M1個)理想無故障輸出序列，逐一選取其中一個理想無故障輸出序列進行以下a)_c)步驟:a)設定一個初值，并由該初值產(chǎn)生一個噪聲序列，使噪聲序列的方差為該初值；b)將步驟(I)中得到的理論輸出序列與步驟a)中得到的噪聲序列相加，得到一理想輸出序列，并通過計算得到該理想輸出序列與被選理想無故障輸出序列的距離；c)若步驟b)中得到的理想輸出序列與被選理想無故障輸出序列的距離小于等于設定閾值，則該初值作為被選理想無故障輸出序列的`理想噪聲方差；若步驟b)中得到的理想輸出序列與被選理想無故障輸出序列的距離大于設定閾值，則將該初值減去設定步長作為新設定的初值，重復進行步驟a)-c)；最終得到被測集成電路各理想無故障輸出序列的理想噪聲方差，及與每個理想噪聲方差對應的理想輸出序列。以下針對步驟(3)舉例說明，敘述對第i個理想無故障輸出序列獲得理想噪聲方差的過程:給第i個理想無故障輸出序列的噪聲方差賦予一個初值，由orJfiii產(chǎn)生一個長度為L的噪聲序列1;,》](I彡η彡L)，使的方差為，稱為生成的噪聲序列(一般地，稱為由方差生成的噪聲序列)。將步驟(I)中得到的理論輸出序列(I彡η彡L)與>u生成的噪聲序列
相加，得到一理想輸出序列+彡η彡L)，接著計算序列
di 與第i個理想無故障輸出序列Cm的距離w。若^ 小于等于預先設定的閾值ThJlJgffc ^就為第i個理想無故障輸出序列的理想噪聲方差；否則，若大于預先設定的閾值Th，則減少七至,2J = rr；fii!:4J. (Α為預先設定的步長)。由>2i產(chǎn)生一個長度為L的噪聲序列(I彡η彡L)，使XgiM的方差為4紀,,,-將&訃/](I彡η彡L)與山生成的噪聲序列尤i&[ ]相加，得到序列=(I彡n彡L)，接著計算序列與第i個理想無故障輸出序列O的距離rwtl ;.,.2。若w小于等于預先設定的閾值Th，則就為第i個理想無故障輸出序列的理想噪聲方差；否則，若 如,^大于預先設定的閾值Th，則減少>3j = 4ma為預
先設定的步長)，重復上述過程，直至當>u = a；m )kA.- A時，由產(chǎn)生長度為L的噪聲序列
權利要求
1.一種基于特征提取的集成電路故障檢測方法，其特征在于:所述集成電路故障檢測方法步驟如下: (1)將被測集成電路的各個元件參數(shù)設置為標稱參數(shù)，對該被測集成電路進行理論計算或仿真，得到被測集成電路的理論輸出序列； (2)在被測集成電路各個元件的參數(shù)容差范圍內，對被測集成電路進行蒙特卡洛仿真，得到與前述蒙特卡洛仿真次數(shù)相同個數(shù)的被測集成電路的理想無故障輸出序列； (3)根據(jù)檢測精度設定閾值和步長；針對步驟(2)中得到的被測集成電路的所有理想無故障輸出序列，逐一選取其中一個理想無故障輸出序列進行以下 a) -c)步驟: a)設定一個初值，并由該初值產(chǎn)生一個噪聲序列，使噪聲序列的方差為該初值； b)將步驟(I)中得到的理論輸出序列與步驟a)中得到的噪聲序列相加，得到一理想輸出序列，并通過計算得到該理想輸出序列與被選理想無故障輸出序列的距離； c)若步驟b)中得到的理想輸出序列與被選理想無故障輸出序列的距離小于等于設定閾值，則該初值作為被選理想無故障輸出序列的理想噪聲方差；若步驟b)中得到的理想輸出序列與被選理想無故障輸出序列的距離大于設定閾值，則將該初值減去設定步長作為新設定的初值，重復進行步驟a)-c)； 最終得到被測集成電路各理想無故障輸出序列的理想噪聲方差，及與每個理想噪聲方差對應的理想輸出序列； (4)在步驟(3)中得到的各理想無故障輸出序列的理想噪聲方差中，挑選數(shù)值最小者作為整個被測集成電路的理想噪聲方差；并將步驟(3)中得到的、與整個被測集成電路的理想噪聲方差所對應的理想輸出序列，作為被測集成電路的理想輸出序列； (5)對無故障的被測集成電路進行若干次實測，得到與實測次數(shù)相同個數(shù)的被測集成電路的無故障輸出序列； (6)針對步驟(5)中得到的被測集成電路的所有無故障輸出序列，逐一選取其中一個無故障輸出序列進行以下a)_c)步驟: a)設定一個初值，并由該初值產(chǎn)生一個噪聲序列，使噪聲序列的方差為該初值； b)將步驟(4)中得到的被測集成電路的理想輸出序列與步驟a)中得到的噪聲序列相加，得到一正常輸出序列，并通過計算得到該正常輸出序列與被選無故障輸出序列的距離； c)若步驟b)中得到的正常輸出序列與被選無故障輸出序列的距離小于等于步驟(3)中設定的閾值，則該初值作為被選無故障輸出序列的實際噪聲方差； 若步驟b)中得到的正常輸出序列與被選無故障輸出序列的距離大于步驟(3)中設定的閾值，則將該初值減去步驟(3)中設定的步長、作為新設定的初值，重復進行步驟a)-c); 最終得到被測集成電路各無故障輸出序列的實際噪聲方差，及與每個實際噪聲方差對應的正常輸出序列； (7)在步驟(6)中得到的各無故障輸出序列的實際噪聲方差中，挑選數(shù)值最小者作為整個被測集成電路的實 際無故障噪聲方差；并將步驟(6)中得到的、與整個被測集成電路的實際無故障噪聲方差所對應的正常輸出序列，作為被測集成電路的實際無故障輸出序列；(8)通過公式
2.根據(jù)權利要求1所述的基于特征提取的集成電路故障檢測方法，其特征在于:步驟(3)b)中計算理想輸出序列與被選理想無故障輸出序列的距離、步驟(6) b)中計算正常輸出序列與被選無故障輸出序列的距離、步驟(10)b)中計算待診輸出序列與被選未知故障輸出序列的距離均采用歐幾里德距離計算公式。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于特征提取的集成電路故障檢測方法，其特征在于:步驟(3)中按照最大熵原理設定步長。
4.根據(jù)權利要求1-3任一所述的基于特征提取的集成電路故障檢測方法，其特征在于:步驟(3)a)中初值的設定是，在步驟(2)得到的被測集成電路的所有理想無故障輸出序列中任選一個序列，計算得到該序列的方差值，以該方差值的2.5-3.0倍作為初值。
5.根據(jù)權利要求1-3任一所述的基于特征提取的集成電路故障檢測方法，其特征在于:步驟(6)a)中初值的設定是，在步驟(5)得到的被測集成電路的所有無故障輸出序列中任選一個序列，計算得到該序列的方差值，以該方差值的2.5-3.0倍作為初值。
6.根據(jù)權利要求1-3任一所述的基于特征提取的集成電路故障檢測方法，其特征在于:步驟(10) a)中初值的設定是，在步驟(9)得到的被測集成電路的所有未知故障輸出序列中任選一個序列，計算 得到該序列的方差值，以該方差值的2.5-3.0倍作為初值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于特征提取的集成電路故障檢測方法。所述檢測方法通過理論計算或仿真得到各元件標稱參數(shù)下被測集成電路的理論輸出序列，通過蒙特卡羅仿真獲得被測電路輸出的理想噪聲特性，通過實測獲得無故障被測電路的實際噪聲特性，然后計算得到被測電路的無故障特征值；對未知故障的被測電路進行實測，獲得未知故障被測電路的噪聲方差，然后計算得到未知故障被測電路的特征值；最后將未知故障被測電路的特征值與被測集成電路的無故障特征值進行比較，從而實現(xiàn)對集成電路故障的診斷。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明對噪聲不敏感、電路特征魯棒性強、故障混疊發(fā)生概率低、誤判率低。
文檔編號G01R31/303GK103197230SQ20131012350
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月11日 優(yōu)先權日2013年4月11日
發(fā)明者謝永樂, 李西峰, 謝三山 申請人:電子科技大學, 成都工業(yè)學院