??? 摘? 要: 介紹了基于向量測試法的測試系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)組成以及各功能模塊的工作過程。本系統(tǒng)是有關技術人員在總結(jié)多年的實際測試經(jīng)驗并參考國外同類測試系統(tǒng)的基礎上開發(fā)成功的,生產(chǎn)成本較低、性能可靠,是一種適合于國內(nèi)半導體行業(yè)的實際生產(chǎn)情況的測試系統(tǒng)。

??? 關鍵詞: 集成電路? 測試系統(tǒng)?? 測試向量調(diào)制?? 精密測量單元(PMU)? 待測器件(DUT)? 時序產(chǎn)生器(TG)? 圖形發(fā)生器(PG)

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　　隨著數(shù)字集成電路的應用日趨廣泛和國家對半導體行業(yè)發(fā)展的支持,國內(nèi)CMOS數(shù)字集成電路設計能力得到了長足的發(fā)展。但是,由于一般IC設計公司不會去考慮生產(chǎn)線設備的開發(fā),而大多數(shù)加工廠沒有系統(tǒng)研發(fā)能力,因而國內(nèi)從事集成電路后道加工的企業(yè)所用的測試設備大部分是從國外引進的,這些設備價格昂貴,操作復雜,在一定程度上增加了集成電路生產(chǎn)的成本。

　　為了擺脫集成電路生產(chǎn)上設備購買的高成本投入,我們研制開發(fā)了集成電路測試設備,取得了一定的成果,并在測試技術方面積累了豐富的經(jīng)驗。下面就研發(fā)成功的數(shù)字集成電路測試系統(tǒng)做一介紹。

1 設計目標

　　該數(shù)字測試系統(tǒng)主要為數(shù)字集成電路測試提供一個硬件平臺,適用于任何采用向量輸入輸出的測試方法。目前研制成功的測試系統(tǒng)工作在50MHz的主頻,主要參數(shù)指標如下:

　　· 最高測試速率:10MHz　

　　· 時序調(diào)整精度:1ns

　　· 測試向量最大深度:64kbits×4Page

　　· 測試管腳數(shù):128PIN(或64PIN×2DUT)

　　· 電流測試能力:500mA

　　· Iddq電流測試分辨率:0.122nA

　　· 測試向量電壓分辨率:2.5mV

2 測試系統(tǒng)工作原理

　　不管數(shù)字集成電路功能有多復雜,工作在多高的電壓,都可以將其看作一個二值邏輯器件。因此現(xiàn)在的大多數(shù)測試方法,不管是故障定位還是功能測試,都需要測試向量的輸入,而數(shù)字集成電路測試系統(tǒng)實際上就是一個用于向量產(chǎn)生和比較的硬件平臺。

　　所謂測試向量,就是一串連續(xù)的“0”和“1”組成的數(shù)字序列。在測試數(shù)字IC之前,通過對測試要求和芯片功能的分析,利用向量編輯器先寫好測試所需的向量,定義好向量的時序要求,并將其下載到測試系統(tǒng)的存儲器中,然后啟動測試系統(tǒng)的控制模塊。控制模塊按照事先寫好的測試程序語句,按一定順序?qū)y試向量從存儲器中讀出并送到向量調(diào)制模塊。向量調(diào)制模塊對向量序列進行波形調(diào)制和電壓調(diào)制,最后送出與待測IC(DUT)工作電壓匹配的波形序列。同時測試系統(tǒng)還監(jiān)測DUT的輸出波形,通過向量調(diào)制模塊將其轉(zhuǎn)換成與測試系統(tǒng)工作電平匹配的數(shù)字信號,測試系統(tǒng)將回送的數(shù)字信號與預先設定的向量進行比較,并將比較結(jié)果送給控制模塊進行處理。測試系統(tǒng)原理如圖1所示。

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3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

　　該測試系統(tǒng)按硬件電路功能可分成八大模塊:①計算機接口模塊;②時鐘發(fā)生(Timing Generator)模塊;③測試向量發(fā)生模塊(Pattern Generator);④參考電壓發(fā)生模塊(VI/VO);⑤精密測量單元(PMU);⑥D(zhuǎn)UT電源供給模塊(DPS);⑦管腳測試模塊(PE);⑧外部設備接口模塊。

　　測試系統(tǒng)在實現(xiàn)上采用自定義總線結(jié)構(gòu),計算機通過總線實現(xiàn)對各模塊的數(shù)據(jù)讀寫操作,各模塊間也通過總線進行數(shù)據(jù)交換。為實際生產(chǎn)操作方便,該系統(tǒng)在硬件上分成兩大部分——主機和測試頭。除向量合成部分,其余模塊都在主機中完成。從各模塊產(chǎn)生的信號,包括時鐘同步信號、測試向量序列、參考電壓、PMU信號等一起送往測試頭總線。每個管腳測量模塊都包含各自的向量合成模塊,向量合成模塊從測試頭總線中獲取各種信號,按要求將它們合成最終的數(shù)字測試信號,或?qū)UT返回的信號進行分析比較,將結(jié)果通過總線回送到主機的控制模塊中。

3.1 計算機接口模塊

　　為了實現(xiàn)計算機對測試系統(tǒng)的控制,設計了基于PC機ISA總線插槽的接口卡,使用了計算機總線0x300~0x30F的地址。

利用計算機讀寫時序,通過地址譯碼和數(shù)據(jù)鎖存電路,形成測試機總線的讀寫時序。除了對測試機讀寫數(shù)據(jù)的電路,接口卡中還包括一個可編程定時器以及64KByte存儲器。存儲器主要為測試程序保存系統(tǒng)變量提供空間,使運行于DOS操作系統(tǒng)的主程序在暫時退出時仍能保存測試數(shù)據(jù),還為各個應用程序之間提供數(shù)據(jù)交換的通道。

3.2 時序產(chǎn)生電路

　　時鐘發(fā)生模塊(TG)主要用于產(chǎn)生各種精確的控制時鐘、同步脈沖等。通過程序設置,可以精確調(diào)整各時鐘的相位。功能框圖如圖2所示。

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　　TG核心由一個可編程的16位自復位計數(shù)器和多路16位數(shù)值比較器組成。系統(tǒng)主晶振產(chǎn)生50MHz的時鐘信號,作為16位計數(shù)器的計數(shù)脈沖,計數(shù)周期即為測試一位向量的持續(xù)時間,因此,測試向量時間長度在20ns和216×20ns之間。16位比較器將計數(shù)器當前值與寄存器中的數(shù)值進行比較,當兩者數(shù)值相等時,輸出變?yōu)楦唠娖?脈沖出現(xiàn)的周期即為計數(shù)周期。改變比較器輸入寄存器中的數(shù)值就可以改變比較器輸出脈沖相對于計數(shù)器溢出脈沖的相位關系。

　　TG所產(chǎn)生的各種時鐘信號決定了測試向量的周期和時間精度,這些時鐘信號一部分形成主控制模塊(PG)的工作時鐘,另一部分提供給向量合成模塊,作為測試向量時間調(diào)制信號或DUT輸出信號的采樣時鐘以及向量合成模塊的同步工作時鐘。

　　為了滿足實際測試時不同工作速率的需要,測試系統(tǒng)的TG內(nèi)設計了8組時間可獨立設置的時鐘(SPLIT TIMINGS)。測試時可在不同的8組時鐘間任意切換,以提高向量存儲器的利用率和測試效率。

3.3 測試向量發(fā)生模塊

　　向量發(fā)生模塊即測試系統(tǒng)主控制模塊,它根據(jù)用戶編寫的測試向量文件,產(chǎn)生測試向量序列,其原理框圖如圖3所示。

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　　核心處理器模塊是向量發(fā)生模塊中最主要的模塊,其實質(zhì)是一個可以執(zhí)行20多條指令的簡單微控制器。由于該控制器指令及指令存儲器的特殊性,其指令時序與普通處理器不同。該控制器機器周期由4個CLOCK組成,分別記為C1、C2、C3、C4,其中C1為取指令和譯碼周期,C2為指令執(zhí)行周期,C3為堆棧地址變化周期,堆棧地址寄存器根據(jù)情況加1或減1,C4為堆棧操作周期,數(shù)據(jù)進棧或出棧。由于測試時要求時序非常嚴格,指令與測試向量一一對應,因此處理該控制器所有指令均為單機器周期指令,且機器周期與測試向量周期相等,最小機器周期為100ns(即最高工作頻率為10MHz)。

　　失效處理模塊一方面對從PE卡上過來的測試結(jié)果進行合成分類,產(chǎn)生控制計算機所需的PASS、FAIL信號,同時又將測試結(jié)果合成查找特定時序所需的數(shù)據(jù)供核心處理器執(zhí)行匹配指令(MATCH)時用。該模塊還可以實現(xiàn)失效數(shù)據(jù)的實時存儲,待測試結(jié)束后為失效分析提供依據(jù)。

　　測試向量發(fā)生模塊的附屬功能主要包括測試向量模塊地址譯碼電路、測試結(jié)果屏蔽信號產(chǎn)生電路、TRIG信號產(chǎn)生電路(測試程序開發(fā)調(diào)試時為示波器提供同步觸發(fā)信號)、工作時鐘處理電路等等。

3.4 參考電壓發(fā)生模塊

　　在實際測試時,由于DUT的工作電平參差不一,而測試系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯工作電平為0到5V,為了與待測器件電平匹配,需對最終合成的向量進行電壓調(diào)制,將0到5V的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為DUT可以接受的工作電平,參考電壓發(fā)生模塊為這一過程提供了精確的電壓參考。測試系統(tǒng)的參考電壓發(fā)生模塊由18通道的獨立可編程電壓發(fā)生器組成。

3.5 直流測試模塊

　　在數(shù)字電路測試時,除了功能測試,必然還有一些直流參數(shù)需要測試。因此,在測試系統(tǒng)中還設計了精密測量單元(PMU)、DUT電源供應模塊(DPS)。

　　精密測量單元主要用于測量DUT管腳的漏電流及輸出驅(qū)動能力等,對精度的要求較高,設計時分別采用了16位的D/A轉(zhuǎn)換器以及16位的A/D轉(zhuǎn)換器。PMU可以工作于兩種模式:加電壓測電流和加電流測電壓。考慮到測試中可能出現(xiàn)的各種情況,在實際線路中加入了過流保護電路和過壓保護電路。在整個測量范圍內(nèi)分成不同的測量檔位,在測量值較小時,也可以達到很高的精度和穩(wěn)定性。PMU的功能框圖如圖4所示。

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　　DPS單元主要為DUT提供工作電壓,兼作DUT的工作電流測量。DPS的線路與PMU基本相似,但DPS只有加電壓測電流工作模式,且DPS中的D/A轉(zhuǎn)換器是12位的。

3.6 管腳測試模塊(PE)

　　該模塊位于測試頭部分,電路框圖如圖5所示,每個DUT測試管腳對應一個管腳測試模塊。管腳測試模塊包括向量合成模塊、動態(tài)負載以及失效數(shù)據(jù)存儲器等。向量合成模塊主要功能是將主機中各模塊送出的信號合成為DUT可以接受的測試向量,或?qū)UT的輸出信號轉(zhuǎn)換成0～5V的數(shù)值信號,與PG產(chǎn)生的測試向量進行比較,并將結(jié)果回送到主機。動態(tài)負載是為了模擬DUT驅(qū)動負載時的工作狀態(tài)。

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3.7 其他功能模塊

　　為了使測試系統(tǒng)能在實際生產(chǎn)中應用,測試系統(tǒng)中還包括其他一些模塊,如外部設備通訊模塊,為測試機與機械手或探針臺提供通訊接口,是實際生產(chǎn)中所必須的。同時還包括了一個控制盒接口,用于測試程序完成后生產(chǎn)時方便操作。

3.8 應用軟件

　　軟件部分主要實現(xiàn)硬件的控制,并為用戶提供一個友好、易于操作和開發(fā)測試程序的界面。應用軟件主要由一個C語言函數(shù)庫、程序編譯器、測試向量編譯器、測試向量導入器以及其它一些調(diào)試工具組成。

　　經(jīng)過一段時間的在線運行,證明此測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,可適用于多種測試方法,基本上解決了各類ASIC及MCU的硬件測試平臺的問題。該測試系統(tǒng)生產(chǎn)成本大大低于國外同類測試系統(tǒng)的引進成本,非常適合于國內(nèi)半導體集成電路生產(chǎn)現(xiàn)狀。