内容简介
本书系统、深入地介绍了高速复杂互连的串扰测试基本理论、原理、技术与方法,主要内容涉及三个方面:高速复杂互连线串扰测试、高速复杂互连结构串扰测试、高速互连通路串扰故障的ATPG技术。书中以非理想互连线的渐进式串扰故障和复杂拓扑结构的串扰故障测试技术为核心,论述了复杂互连线串扰测试方法;以过孔、球栅阵列焊点等为对象,讨论复杂互连结构信号传输性能及等效电路、双路径复杂互连结构串扰及故障测试技术;以串扰尖峰脉冲及时延故障为对象,讨论高速互连通路串扰故障的ATPG技术。
本书可作为从事电路与系统、电子信息技术、测控技术与仪器方向学术研究的科技人员及企事业单位管理人员的参考书,也可作为高等院校电路、计算机、机械制造、自动化等专业研究生和高年级本科生的教材。
目录
第1章 绪论
1.1 信号完整性测试产生的背景
1.1.1 信号完整性及串扰问题
1.1.2 高速互连串扰测试面临的挑战
1.2 国内外研究现状
1.2.1 串扰估计与仿真
1.2.2 串扰故障模型
1.2.3 串扰测试算法
1.2.4 测试工具及设备
1.3 本书的内容与结构
第2章 高速互连串扰的理论基础及测试原理
2.1 引言
2.2 高速互连电路的基本概念及理论基础
2.2.1 高速互连电路的基本概念
2.2.2 传输线方程
2.2.3 传输线的工作特性参数
2.3 串扰的定义及耦合机理
2.3.1 串扰的定义
2.3.2 容性耦合与感性耦合
2.3.3 奇模与偶模传输模式
2.4 串扰的影响因素及特性仿真与分析
2.4.1 耦合长度因素对串扰的影响
2.4.2 线间距对串扰的影响
2.4.3 互连线宽度对串扰的影响
2.4.4 跳变时间对串扰的影响
2.4.5 攻击线数目对串扰的影响
2.5 串扰的故障模型及测试
2.5.1 串扰的攻击特性
2.5.2 最大攻击者模型
2.5.3 多跳变故障模型
2.5.4 HT故障模型
2.5.5 MDSI故障模型
第3章 非理想互连几何结构的串扰测试技术
3.1 引言
3.2 非理想互连几何结构的定义及分类
3.2.1 基本定义
3.2.2 互连结构的分类
3.3 非理想几何结构的串扰特性仿真与分析
3.3.1 互连线的等分化处理
3.3.2 非均匀平行互连结构的串扰仿真与分析
3.3.3 均匀非平行互连结构的串扰仿真与分析
3.3.4 非均匀非平行互连结构的串扰仿真与分析及简化
3.4 基于正交设计的高速互连系统渐进式串扰故障测试
3.4.1 高速互连系统几何结构的形式化描述
3.4.2 串扰故障类型
3.4.3 串扰故障测试的基本原理
3.4.4 渐进式串扰故障的基本思想
3.4.5 基于正交设计的串扰故障主次因分析
3.5 渐进式串扰故障测试算法
3.5.1 测试算法的实现
3.5.2 不同故障模型算法的对比
3.6 仿真实验结果
第4章 复杂拓扑结构高速互连的串扰测试技术
4.1 引言
4.2 复杂互连拓扑结构串扰特性分析
4.2.1 复杂互连拓扑结构对串扰的影响分析
4.2.2 三态双向信号对串扰的影响分析
4.3 复杂拓扑结构互连串扰故障测试CFMC方法
4.3.1 CFMC方法的基本思想
4.3.2 互连拓扑结构的描述及约简
4.3.3 互连拓扑结构表达
4.3.4 互连拓扑结构的约简
4.3.5 三态双向网络的互斥约简
4.4 CFMC测试生成算法
4.4.1 复杂拓扑结构互连串扰影响因素的主次因分析
4.4.2 测试算法的实现
4.5 仿真实验结果
第5章 复杂互连结构信号传输性能分析及等效电路
5.1 引言
5.2 过孔与BGA焊点
5.2.1 过孔
5.2.2 BGA焊点
5.3 复杂互连结构模型传输性能分析
5.3.1 复杂互连结构模型
5.3.2 频率变化的影响
5.3.3 介电常数的影响
5.3.4 过孔结构参数对传输性能的影响
5.3.5 BGA焊点结构参数对传输性能的影响
5.4 复杂互连结构等效电路建模
5.4.1 印制线的高频特性
5.4.2 过孔的寄生效应
5.4.3 焊点的寄生效应
5.4.4 复杂互连结构等效电路模型及其分析
第6章 双路径复杂互连结构串扰分析及故障测试技术
6.1 引言
6.2 双路径复杂互连结构串扰分析
6.2.1 双路径复杂互连结构模型
6.2.2 频率变化对串扰的影响
6.2.3 过孔结构参数对串扰的影响
6.2.4 BGA焊点结构参数对串扰的影响
6.2.5 路径间距变化对串扰的影响
6.3 双路径复杂互连结构等效电路建模
6.3.1 边缘场与串扰的关系
6.3.2 路径间耦合强度与串扰的关系
6.3.3 双路径复杂互连结构等效电路模型
6.4 双路径复杂互连结构故障测试
6.4.1 故障电压检测法的基本思想
6.4.2 故障电压检测法流程图
6.4.3 电压数据有效性的判定方法
6.4.4 故障函数提取方法
6.5 故障测试与验证
6.5.1 过孔裂纹故障测试与验证
6.5.2 焊点空洞故障测试与验证
第7章 高速互连通路串扰故障的ATPG技术
7.1 引言
7.2 串扰故障测试问题及其定义
7.2.1 基本问题及其定义
7.2.2 OCFAN与BFAN算法的基本思想
7.3 串扰故障测试生成的OCFAN算法
7.3.1 故障类型及时间参数
7.3.2 11值逻辑变量与真值表
7.3.3 OCFAN算法的基本流程
7.4 OCFAN算法的故障传播
7.4.1 故障传播条件
7.4.2 传播路径
7.4.3 敏化策略
7.5 OCFAN算法的反向回推
7.5.1 反向回推的基本流程
7.5.2 多重回推的目标值
7.6 最大时间攻击优化模型与仿真实验及验证
7.6.1 优化模型
7.6.2 应用算例
7.6.3 仿真实验及验证
7.7 串扰时延故障测试算法-BFAN
7.7.1 真值表与蕴含
7.7.2 BFAN算法的基本流程
7.8 BFAN算法验证结果及分析
7.8.1 BFAN算法测试矢量生成过程
7.8.2 时延信息的确定
7.8.3 串扰故障的激励模型
7.8.4 验证与分析
参考文献
前言/序言
随着电路系统向着规模极大化、工艺尺寸微小化、工作速度高速化和时钟频率高频化方向快速发展,高速互连中几何尺寸持续缩小、互连线间距逐步减小,布线密度大幅度提高,门与门、模块与模块、单元与单元、芯片与芯片之间互连线的传输线效应日趋明显,耦合噪声对电路传输性能的影响日益突出,由此产生了串扰、过冲、下冲、振荡等一系列信号完整性问题。在信号完整性问题中,串扰成为了高速互连电路设计、分析中不容忽视的严峻问题。
当高速互连在工作过程中受到噪声、电磁干扰、制造工艺等非确定性因素所产生的结构变化(如工艺随机扰动、封装引线、工艺波动造成的尺寸偏差等)的影响时,会出现由于串扰故障所导致的系统失效,而串扰故障模型及测试方法是保证高速电路性能质量和可靠性的关键所在。传统的电路故障模型以固定型故障为主,然而,串扰故障具有明显的瞬态性,与信号的跳变方向、跳变时间等相关,耦合电容和耦合电感与互连几何结构相关性增强,传统故障模型已不能完全适应。同时,高速电路中存在着大量的高速复杂互连线、互连结构、互连单元(如焊点、过孔)以及互连通路ATPG问题等,对高速互连的传输性能带来了新的挑战。因此,作者在对以上问题长期研究的基础上,结合研究中取得的成果编写了本书。
本书全面论述了高速复杂互连的串扰故障测试技术与方法,共分为7章。第1章绪论讨论了信号完整性测试产生的背景、国内外研究现状以及本书的主要结构等。其余章节作为技术知识内容可以分为三大部分。其中,第一部分(第2~4章)从串扰的理论基础及测试原理出发,讨论了串扰的基本概念、影响因素及串扰故障模型,着重对非理想互连几何结构及复杂拓扑结构两个复杂互连对象下的串扰测试技术与方法分别进行了研究和论述;第二部分(第5~6章)以过孔及球栅阵列焊点复杂互连单元为对象,分析了其传输性能及等效电路,着重对由复杂互连单元组成的双路径中串扰测试问题进行了研究与论述,讨论了基于故障电压检测法串扰故障测试技术;第三部分(第7章)针对高速互连通路串扰故障的ATPG技术,研究了以基于FAN算法的尖峰脉冲故障APTG测试方法以及串扰时延故障测试方法。
本书的主要技术知识内容汇集了桂林电子科技大学尚玉玲副研究员近年来的部分研究成果,指导硕士研究生(张培、马剑锋、郭航、石光耀、曲礼等)的学位论文工作的部分成果,以及与江苏大学博士后导师杨平教授合作研究的成果。其中部分研究成果已经在高速互连串扰故障测试研究领域的相关学术刊物和学术会议上发表。本书由尚玉玲副研究员主持撰写,李春泉参与了第7章内容的撰写与整理。部分在读硕士研究生孙丽媛、于浩、豆鑫鑫、尹宝山、谈敏等参与本书的排版、校对等工作,在此表示衷心的感谢。
本书所汇集的部分科研成果是在国家自然科学基金“面向TSV的三维集成电路故障非接触测试方法研究”(61661013)、国家自然科学基金“高速电路互连的信号完整性故障与测试方法研究”(61102012)、国家自然科学基金“复杂环境下汽车线束布线网络拓扑结构生成及可靠性分析方法研究”(51465013)、广西自动检测技术与仪器重点实验室主任基金“SOC核间互连的串扰故障测试方法研究”(YQ15109)等资助下完成的,并且得到了美国北卡罗来纳州立大学Yuanshin Lee教授、江苏大学杨平教授、西安电子科技大学李玉山教授、西安电子科技大学刘洋副教授等同行的支持和帮助,在此表示衷心的感谢。
由于信号完整性测试学科方向本身具有的前沿性、多学科性与学科交叉性,研究对象、研究方法以及工程化方向方面都在快速变化着,新的需求、新的特征以及新的挑战不断出现,因此,本书作为专门介绍与探讨串扰测试技术的书籍,既是入门读物,又具有一定的专业知识深度,书中各章均以描述基本原理及现阶段研究成果为主,希望能够引导读者对信号完整性测试这个学科方向发生兴趣,进而共同参与和推动高速复杂互连串扰故障测试技术的发展。
由于作者水平和经验有限,书中难免存在疏漏之处,恳请读者批评指正。
作 者
2017年4月
《高速复杂互连的串扰故障测试技术》图书简介 引言 在当今电子系统设计飞速发展的浪潮中,集成电路的集成度不断提高,信号传输速率日益攀升。特别是在高速数字系统、高频通信设备以及高性能计算领域,互连线之间的串扰问题日益凸显,已成为制约系统性能、可靠性和稳定性的关键瓶颈之一。本文所介绍的《高速复杂互连的串扰故障测试技术》一书,正是针对这一严峻挑战,深入剖析串扰的成因、影响,并系统地阐述了一系列先进、高效的串扰故障测试技术。本书旨在为广大电子工程师、科研人员以及相关专业的学生提供一份全面、实用且前沿的参考指南,帮助他们深刻理解串扰现象,并掌握有效的测试与诊断方法,从而优化产品设计,提升产品质量。 第一章:高速互连中的串扰现象与机理 本章将详细探讨高速互连环境中串扰的本质。首先,我们将追溯电子信号在传输线上传播的基本原理,介绍信号完整性(Signal Integrity, SI)和电源完整性(Power Integrity, PI)在高速设计中的重要性。随后,我们将深入分析导致串扰的根本原因,包括但不限于: 耦合机制: 重点解析电场耦合和磁场耦合在互连线之间如何产生串扰。我们将讨论平行传输线、交叉传输线、以及复杂布线结构下的耦合强度差异。 信号变化率: 阐述信号边沿陡峭度(slew rate)对串扰的影响。信号变化越快,产生的瞬时电流越大,耦合越强。 传输线特性: 分析传输线的阻抗、介电常数、长度、间距等物理参数如何影响串扰的幅度与时域特性。 布线拓扑: 探讨不同布线拓扑(如单端、差分、菊花链、星型等)下串扰的分布规律与传播路径。 电源和地噪声: 解释电源和地噪声如何通过耦合效应放大或诱发串扰,以及电源分配网络(PDN)的设计对串扰的影响。 通过对这些基本机理的深入理解,读者能够对串扰的产生过程形成直观而深刻的认识。 第二章:串扰对高速系统性能的影响 本章将重点剖析串扰对高速电子系统性能造成的具体影响。我们将从多个维度进行分析: 信号失真: 详细阐述串扰如何导致信号幅度衰减、时序抖动(jitter)、波形展宽、峰值下降等问题,从而影响信号的识别和判读。 时序错误: 分析串扰诱发时序错误(timing errors)的机理,包括建立时间(setup time)和保持时间(hold time)违例,可能导致的数据错误和逻辑失效。 误码率(BER)升高: 解释串扰如何增加信号的随机性和不确定性,直接导致误码率的显著上升,尤其是在通信系统中。 系统稳定性下降: 探讨串扰可能引发的振荡、寄生谐振以及其他不稳定现象,严重影响系统的正常运行。 功耗增加: 分析串扰在某些情况下可能导致信号检测阈值的变化,从而影响接收端的功耗。 EMI/EMC问题: 阐述串扰作为一种内部电磁干扰源,如何与其他电磁干扰相互作用,共同加剧系统的电磁兼容性(EMC)问题。 本章还将通过实际案例分析,展示串扰在不同应用场景下(如 DDR 内存接口、PCIe 总线、USB 接口、SerDes 通道等)造成的典型故障表现。 第三章:串扰故障的测试需求与挑战 在明确了串扰的机理及其危害后,本章将转向串扰故障测试的需求和面临的挑战。 测试的必要性: 强调在产品设计、验证、制造以及后期维护阶段,进行串扰故障测试的绝对必要性。 测试目标: 界定串扰故障测试的核心目标,包括: 定性评估: 判断串扰是否存在以及其严重程度。 定量测量: 精确量化串扰的幅度、耦合系数、时域响应等参数。 故障定位: 识别引发串扰的具体互连线对或布线区域。 裕量分析: 评估当前设计在不同工作条件下的串扰裕量。 根源分析: 结合测试结果,追溯串扰产生的根本设计或制造原因。 测试面临的挑战: 详细分析当前串扰故障测试所面临的技术难点: 信号带宽要求: 高速信号的测试需要极宽的带宽,对测试设备提出严苛要求。 精确的激励和探测: 如何生成足够纯净、具有代表性的激励信号,并对微弱的串扰信号进行精确探测,是巨大挑战。 复杂互连结构: 现代PCB和IC封装中,互连结构极其复杂,测试覆盖率和可达性成为难题。 时域与频域的结合: 串扰问题既有时间特性,也有频率特性,需要有效的时频联合分析方法。 测试成本与效率: 如何在保证测试精度的前提下,提高测试效率,降低测试成本。 动态和概率性: 串扰往往具有动态性和概率性,非典型的串扰可能难以复现和捕获。 设计与制造的协同: 串扰问题往往是设计和制造环节共同作用的结果,测试需要考虑两者的关联。 第四章:基于时域分析的串扰故障测试技术 本章将重点介绍一系列基于时域分析的串扰故障测试方法,这些方法能够直接观察信号在时间轴上的变化,捕捉串扰的瞬时影响。 示波器测量技术: 高带宽示波器: 强调选择具备足够带宽、采样率和垂直分辨率的示波器。 差分探头与共模抑制: 介绍如何利用高性能差分探头,有效抑制共模噪声,清晰观测差模信号。 眼图(Eye Diagram)分析: 深入解析眼图的构成及其与串扰的关系。通过分析眼高、眼宽、抖动等参数,直观评估串扰对信号质量的影响。 模板测试: 介绍如何设置自定义模板,快速判断信号是否符合时序和幅度要求,以及串扰对眼图模板穿越率的影响。 瞬态信号捕捉: 利用示波器的触发功能,捕捉可能由串扰引起的异常瞬态信号。 信号发生器与激励技术: 差分信号发生器: 介绍如何使用能够产生高质量差分信号的信号发生器,模拟真实的高速接口。 模式序列生成: 讨论如何生成特定的测试模式(如 PRBS, k28.5 等),以最大化地激发出串扰。 误码率测试仪(BERT): 阐述BERT在时域串扰测试中的应用,通过测量误码率来评估信号完整性。 TDR(时域反射仪)与TDT(时域传输)技术: TDR在互连线参数测量中的应用: 介绍TDR如何测量传输线的阻抗、长度、以及由于阻抗不匹配导致的反射,这些反射可能加剧串扰。 TDT在串扰幅度测量中的应用: 详细阐述TDT如何测量信号在互连线中的传输特性,并结合激励信号,推断串扰的耦合强度。 S参数(Scattering Parameters)在时域的应用: S参数测量: 介绍网络分析仪(VNA)测量S参数的基本原理。 S参数到时域的转换: 讲解如何利用数学变换(如IFFT)将频域的S参数转化为时域的瞬态响应,从而分析串扰的时域行为。 第五章:基于频域分析的串扰故障测试技术 本章将聚焦于利用频域分析方法来诊断和评估串扰问题。频域分析能够揭示信号在不同频率分量上的表现,是理解串扰频率特性的关键。 网络分析仪(VNA)测量技术: S参数测量: 深入探讨S参数(S11, S21, S12, S22)在评估互连线性能和串扰方面的作用。 串扰耦合参数(Sij): 重点讲解S21(传输系数)和S12(互耦系数)与串扰幅度的关系。分析远端串扰(FEXT)和近端串扰(NEXT)在S参数中的体现。 高频衰减与损耗: 分析S参数如何反映互连线在高频下的损耗,以及损耗对串扰的影响。 阻抗匹配与回波损耗: 解释S11(回波损耗)与阻抗匹配的关系,以及阻抗不匹配如何恶化串扰。 频谱分析仪(SA)的应用: 信号频谱分析: 介绍频谱分析仪如何显示信号的功率谱密度,通过观察特定频率上的异常能量,推断串扰的存在。 谐波与杂散信号: 分析串扰可能与信号的谐波或杂散信号相互作用,产生更复杂的频谱特征。 频域串扰模型与仿真: 耦合模型: 介绍常用的串扰耦合模型,如基于电容和电感的集总参数模型、分布参数模型等。 电磁场仿真软件: 讨论使用Ansys HFSS, CST Studio Suite等电磁场仿真工具,对复杂的互连结构进行精确的串扰仿真,预测串扰性能。 仿真与测量结果的比对: 强调仿真结果与实际测量结果的比对校准,以提高仿真的准确性。 信号完整性仿真工具: IBIS模型: 介绍IBIS(I/O Buffer Information Specification)模型在仿真中的应用,如何结合IBIS模型与电路仿真器,分析串扰对接收端信号的影响。 SPICE等电路仿真器: 讨论如何构建包含寄生参数和驱动/接收器模型的电路,利用SPICE等工具进行串扰仿真。 第六章:先进的串扰故障诊断与定位技术 本章将介绍一些更为先进的、旨在精确诊断和定位串扰故障的技术。 差分信号测试与差分对优化: 差分信号的优点: 阐述差分信号在抑制共模噪声和降低串扰方面的优势。 差分对的匹配: 强调差分对的走线长度、间距、阻抗等参数的严格匹配,以最小化串扰。 差分对之间的串扰: 分析差分对与相邻差分对之间的串扰,以及如何通过布局和布线规则来优化。 基于故障注入的测试: 人为引入故障: 讨论如何通过在PCB上故意制造小规模的阻抗变化、寄生电容/电感等,来模拟串扰的发生,从而验证测试方法的有效性。 故障敏感区域分析: 结合仿真和故障注入,识别设计中对串扰最敏感的区域,并进行重点优化。 机器学习与AI在串扰诊断中的应用: 大数据分析: 探讨如何收集大量的测试数据(包括正常和异常情况),训练机器学习模型。 模式识别: 利用机器学习算法,识别与特定串扰模式相关的信号特征。 自动化故障分类与定位: 展望机器学习在自动化串扰故障分类和快速定位方面的潜力。 产线级串扰测试技术: 在线测试(ICT)与边界扫描(JTAG): 讨论如何将串扰相关的测试项目集成到ICT和JTAG测试流程中,实现高效的制造过程中的串扰检测。 ATE(自动测试设备)平台的串扰测试: 介绍如何构建能够执行高速串扰测试的ATE平台。 第七章:串扰故障的预防与抑制设计指南 本书不仅关注串扰的测试,更强调从设计源头进行预防和抑制。 PCB布局与布线规则: 间距规则: 详细阐述传输线之间的最小间距要求,以及如何根据信号速率和耦合强度进行动态调整。 参考平面管理: 强调参考平面的完整性,以及如何利用参考平面有效地隔离信号。 差分对设计: 提供详细的差分对布线指南,包括宽度、间距、长度匹配、过孔处理等。 信号层与电源/地层交错: 分析信号层与电源/地层交错对串扰的影响,以及如何进行优化。 屏蔽技术: 介绍使用屏蔽层、保护线等技术来降低串扰。 器件选择与接口设计: 驱动器/接收器选择: 讨论选择具有良好信号完整性特性的驱动器和接收器。 阻抗匹配网络设计: 强调正确的阻抗匹配,以减少信号反射,进而缓解串扰。 封装与连接器选择: 分析不同封装和连接器对串扰的影响。 电源完整性(PI)设计对串扰的影响: PDN阻抗: 强调低PDN阻抗对于抑制电源噪声、减少串扰的重要性。 去耦电容布局与选型: 提供最优的去耦电容布局和选型建议。 仿真与验证的贯穿: 早期仿真: 强调在设计早期就进行串扰仿真,发现潜在问题。 多场景仿真: 考虑不同工作温度、电压、器件参数变化等条件下的串扰分析。 与实际测量的比对反馈: 建立仿真与实际测量的反馈机制,不断提升仿真精度。 结论 《高速复杂互连的串扰故障测试技术》一书,以其系统性、全面性和前沿性,为读者提供了一套完整的串扰解决方案。本书不仅深入剖析了串扰的成因机理,更详细阐述了多样化的测试技术,从时域到频域,从基础到高级,为工程师们提供了强大的诊断工具。同时,本书的预防性设计指南,更是帮助读者从源头上规避串扰风险,提升产品设计的健壮性和可靠性。我们相信,本书的出版将对推动高速电子系统设计与测试技术的发展,以及提升电子产品的整体性能和质量,做出重要贡献。