ATPG（Automatic Test Pattern Generation）

この記事で学べること

ATPG の目的と背景
故障モデル・テストパターン・可観測性／可制御性などの基本概念
DFT（Design for Testability）との関係
実務での利用シーン（スキャン設計、故障解析、歩留まり改善など）
誤解しやすいポイントと注意点
関連用語の体系的整理

概要

ATPG（Automatic Test Pattern Generation）は、半導体デバイスの製造テストに用いるテストパターンを自動生成する技術です。主に スキャン設計（Scan Design） と組み合わせて利用され、故障モデルに基づいて「故障を検出できる入力パターン」を生成します。

ATPG の役割は、以下の 3 点に集約できます。

故障を検出するためのテストパターンを生成する
テスト品質（Fault Coverage）を最大化する
テスト時間・テストコストを最適化する

ATPG は、現代の SoC 開発において不可欠な DFT フローの中心技術です。

なぜ重要なのか

半導体の微細化・複雑化に伴い、以下の課題が顕著になっています。

製造欠陥の増加
回路規模の巨大化による手動テスト生成の不可能性
テスト時間の増大によるコスト増
高品質テスト（低 DPPM）が求められる市場要求

ATPG はこれらの課題に対して、

故障を効率的に検出するパターンを自動生成し
テスト品質を保証し
テストコストを抑える

という役割を果たします。

基本概念の整理

故障モデル（Fault Model）

回路に発生し得る故障を抽象化したモデル
例：Stuck-at Fault（SA0/SA1）、Transition Fault、Path Delay Fault
実務での意味：ATPG が「どの故障を検出すべきか」を定義する基準

可制御性（Controllability）・可観測性（Observability）

可制御性：内部ノードを特定の値に設定しやすい度合い
可観測性：内部ノードの値を出力で観測しやすい度合い
例：深い論理階層の信号は可観測性が低い
実務での意味：ATPG の成功率やパターン数に直結するため、DFT で改善する

スキャン設計（Scan Design）

フリップフロップをシフトレジスタとして連結し、内部状態を制御・観測可能にする設計手法
例：Scan FF、Scan Chain
実務での意味：ATPG の前提となる DFT 技術。スキャンがなければ実用的な ATPG は成立しない

テストパターン（Test Pattern）

故障を検出するための入力ベクトルの集合
例：Scan-in → Capture → Scan-out のシーケンス
実務での意味：ATE（自動テスタ）で実際に適用されるデータ

Fault Coverage（故障検出率）

対象故障のうち、テストで検出できる割合
例：Stuck-at Coverage 99%
実務での意味：品質指標として顧客・製造部門が重視する

実務での具体的な利用シーン

スキャン挿入後の ATPG パターン生成

DFT ツールでスキャン挿入
ATPG ツールで故障モデルに基づきパターン生成
Fault Coverage を評価し、必要に応じて DFT を改善

量産テスト（ATE）での利用

生成したパターンを ATE にロード
Scan-in → Capture → Scan-out を繰り返し、故障を検出
歩留まり改善や不良解析に活用

設計段階での品質保証

早期に Fault Coverage を確認し、設計品質を評価
DFT の不足箇所を特定し、改善サイクルを回す

不良解析（Failure Analysis）

特定の故障を検出するパターンを生成し、物理解析の効率を向上

誤解しやすい点・注意点

「ATPG は万能ではない」

すべての故障を検出できるわけではない
DFT の品質が低いとパターン生成が困難になる

「Fault Coverage が高い＝品質が高い」ではない

モデル化されていない故障は検出できない
Delay Fault や Cell-aware ATPG など、多様なモデルが必要

「パターン数が多いほど良い」わけではない

ATE のテスト時間が増加し、コストが上昇
圧縮技術（Test Compression）が必須

ATPG の全体フロー（DFT との関係）

flowchart TD A[RTL設計] --> B[スキャン挿入] B --> C[ATPG] C --> D[テストパターン生成] D --> E[ATEで適用] E --> F[故障検出・歩留まり評価]

用語	説明	実務での意味
ATPG	故障検出パターンを自動生成する技術	テスト品質とコストを左右する中心技術
Fault Model	故障を抽象化したモデル	ATPG の対象範囲を決める
Stuck-at Fault	ノードが 0/1 に固定される故障モデル	最も基本的なテスト対象
Transition Fault	遷移が遅延する故障モデル	タイミング不良の検出に重要
Scan Chain	FF を直列に接続した構造	内部状態の制御・観測を可能にする
Fault Coverage	故障検出率	テスト品質の指標
Test Compression	パターン数を削減する技術	テスト時間・コスト削減
ATE	自動テスト装置	量産テストでパターンを適用する装置

まとめ

ATPG は 故障検出パターンを自動生成する技術であり、DFT フローの中心に位置する
スキャン設計と故障モデルが ATPG の前提
可制御性・可観測性がパターン生成効率を左右する
Fault Coverage は重要だが、万能ではない
実務では、テスト時間・コスト・品質のバランスが鍵
ATPG は製造テストだけでなく、設計品質評価や不良解析にも活用される