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数字集成电路在生产制造过程中，由于不完善的制造工艺，可能导致芯片中含有缺陷。故障诊断通过定位失效芯片中的故障位置、识别故障行为，判别引起缺陷的主要机理，从而指导芯片设计和制造工艺的改进，减少类似缺陷的再次发生，最终提高成品率。随着集成电路进入纳米尺度，集成度不断提高，单个失效芯片中可能同时存在多个故障，对于采用了扫描链设计的芯片而言，故障既可能发生在扫描链，也可能发生在组合逻辑，多故障之间还可能相互作用，导致复杂的多故障效应，使故障诊断面临严峻的挑战。本文从可诊断性设计方法、诊断向量生成方法和诊断方法三个角度，研究如何提高数字集成电路的诊断质量。本文的主要贡献及创新性研究成果包括: 1.提出了一种基于扫描单元重连的扫描链可诊断性设计方法。传统的扫描链设计，其主要目的是提高电路的可测试性，并未考虑电路的可诊断性，因而造成扫描链固有的故障区分能力较低，限制了诊断向量生成方法和诊断方法在单故障及多故障情况下的诊断质量。针对该问题，首先分析了导致扫描链固有故障区分能力较低的本质原因:能够提供诊断信息的故障敏感扫描单元较少，且连续连接的故障不敏感扫描单元较多。为此，提出优化扫描单元至扫描链的分配，增加故障敏感扫描单元;然后提出优化扫描链上扫描单元的连接顺序，减少连续连接的故障不敏感扫描单元;最后将该方法扩展至扫描压缩。在ISCAS89和ITC99基准电路上的实验表明，采用所提可诊断性设计方法，当扫描链存在单个固定型故障时，分辨率平均为1.1434（理想值为1），存在两个固定型故障时，分辨率平均为1.9053，与商用工具产生的扫描链相比，分别提高至2.25倍和4.42倍;在一款实际工业芯片上的应用表明，分辨率平均提高至7倍。 2.提出了一种基于同时区分大量故障对的组合逻辑诊断向量生成方法。故障诊断通过分析失效电路在向量下的失效响应来识别故障，因此无论在单故障还是多故障情况下，诊断质量都与向量的故障区分能力密切相关。测试向量生成主要考虑的是测试故障，并未挖掘向量的故障区分能力，所以若在测试向量的基础上直接补充向量区分故障对，则需补充较多的向量，导致诊断向量总数较大、芯片测试开销较高。为此，提出了从向量生成最初就同时考虑测试故障和区分故障对的向量生成流程;并且为了充分挖掘每个向量的故障区分能力，以减少诊断向量总数，提出了能够同时考虑区分大量故障对的诊断向量生成方法。在ISCAS89基准电路上的实验表明，采用所提诊断向量生成方法，与国际上同类方法相比，组合逻辑中未被生成的诊断向量所区分的固定型故障对平均减少了9.16％，诊断向量总数平均减少了30.25％。 3.提出了故障元素图及基于故障元素图的组合逻辑多故障诊断方法。单个失效电路中可能同时存在多个故障，在故障诊断时，故障类型未知，而多故障之间可能发生的相互作用使故障效应更加复杂、多故障诊断更加困难。由于无论什么类型的故障，在其产生的失效向量下，都会使某连线取得非期望的逻辑值，因此，首先提出了故障元素的概念，用于描述各个故障在各个向量下产生的故障效应，从而利用故障元素的集合统一表示类型未知的故障;然后，以故障元素为顶点、故障元素之间的相互作用为边，建立故障元素图，描述多故障之间可能发生的屏蔽与增强作用;最后，根据该图，推测失效电路中最有可能发生的故障，并对这些候选故障进行排序。在ISCAS89基准电路上的实验表明，当组合逻辑存在固定型故障、跳变故障、主导桥接故障等多个故障时，所提多故障诊断方法的运行时间平均为7.227秒;排序最前候选故障的精度平均为0.985（理想值为1）;候选故障的命中率平均为97.08％（理想值为100％），与国际上同类方法相比，提高了14.88％。 4.提出了必要性分析策略及基于充分必要性协同分析的组合逻辑多故障诊断方法。扫描压缩设计通过压缩扫描链移出的芯片响应，减少测试数据量，然而，对失效芯片失效响应的压缩，既损失了诊断信息，又加剧了多故障之间的相互作用。基于故障解释失效响应充分性分析的非压缩失效响应诊断方法，已不足以在面向压缩失效响应时取得较高的诊断质量。针对该问题，观察到另一种新型分析策略:故障解释失效响应的必要性。在此基础上，提出了结合故障解释失效响应的充分性与必要性分析策略、协同排序可疑故障的诊断方法，并将排序最前的可疑故障视为候选故障。在ISCAS89和ITC99基准电路上的实验表明，当组合逻辑存在多个固定型故障或跳变故障时，所提多故障诊断方法的运行时间平均为44.091秒，候选故障的精度平均为0.985，与国际上同类方法相比，提高了18.95％。 5.提出了一种数字集成电路故障诊断系统。该系统结合了以上四种方法等创新性研究成果，集成了可诊断性设计方法、诊断向量生成方法和诊断方法三种功能，弥补了已有EDA工具在可诊断性设计和诊断向量生成方面的缺乏，提高了诊断方法在多故障情况下的诊断质量。这些功能相辅相成，对ISCAS89基准电路的实验表明，当组合逻辑存在多个固定型故障时，在所提故障诊断系统中结合基于同时区分大量故障对的诊断向量生成方法和基于充分必要性协同分析的多故障诊断方法，候选故障的精度平均为0.985，分辨率平均为0.949。