數(shù)字集成電路測(cè)試系統(tǒng)的研制

摘要：介紹了基于向量測(cè)試法的測(cè)試系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)組成以及各功能模塊工作過程。本系統(tǒng)是關(guān)技術(shù)員在總結(jié)多年的實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn)并參考國(guó)外同類測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況的測(cè)試系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：集成電路 測(cè)試系統(tǒng) 測(cè)試向量調(diào)制 精密測(cè)量單元（PMU） 待測(cè)器件（DUT） 時(shí)序產(chǎn)生器（TG） 圖形發(fā)生器（PG）

隨著數(shù)字集成電路的應(yīng)用日趨廣泛和國(guó)家對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展支持，國(guó)內(nèi)CMOS數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)能力得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。但，由于一般IC設(shè)計(jì)公司不會(huì)去考慮生產(chǎn)線設(shè)備的開發(fā)，而大多數(shù)加工廠沒有系統(tǒng)研能力，因而國(guó)內(nèi)從事集成電路后直道加工的企業(yè)所用的測(cè)試設(shè)備大部分是從外引進(jìn)，這些設(shè)備價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，在一定程序上增加了集成電路生產(chǎn)成本。

為了擺脫集成電路生產(chǎn)上設(shè)備購買的高成本投入，我們研制開了集成電路測(cè)試設(shè)備，取得一定成果，并在測(cè)試技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。下面就研發(fā)成功的數(shù)字集成電路測(cè)試系統(tǒng)做一介紹。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

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

·最高測(cè)試速率：10MHz

·時(shí)序調(diào)整精度：1ns

·測(cè)試向量量大深度：64kbits×4Page

·測(cè)試管腳數(shù)：128PIN（或64PIN×2DUT）

·電流測(cè)試能力：500mA

·Iddq電流測(cè)試分辨率：0.122nA

·測(cè)試向量電壓分辨率：2.5mV

2 測(cè)試系統(tǒng)工作原理

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

所謂測(cè)試向量，就是一個(gè)串連續(xù)的“0”和“1”組成的數(shù)字序列。在測(cè)試數(shù)字IC之前，通過對(duì)測(cè)試要求和芯片功能的分兵，利用向量編程器先寫好測(cè)試所需的向量，定義好的向量的時(shí)序要求，并將其下載到測(cè)試系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中，然后啟動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的控制模塊?？刂颇K按照事先寫好測(cè)試程序語句，按一定順序?qū)y(cè)試向量從存儲(chǔ)器中讀出并送到向量調(diào)制模塊。向量調(diào)制模塊對(duì)向量序列進(jìn)行波形調(diào)制電壓調(diào)制，最后送出與待測(cè)IC（DUT）工作電壓匹配的波形序列。同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)還監(jiān)測(cè)DUT的輸出濾形，通過向量調(diào)制模塊將其轉(zhuǎn)換成與測(cè)試系統(tǒng)工作電平匹配的數(shù)字信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)將回送數(shù)字信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的向量進(jìn)行比較，并鈄比較結(jié)果送給控制模塊進(jìn)行處理。測(cè)試系統(tǒng)原理如圖1所示。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

該測(cè)試系統(tǒng)按硬件電路功能可分成八大模塊：①計(jì)算機(jī)接口模塊；②時(shí)鐘發(fā)生（Timing Generator）模塊；③測(cè)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(cè)量單元（PMU）；⑥D(zhuǎn)UT電源供電模塊（DPS）；⑦管腳測(cè)試模塊（PE）；⑧外部設(shè)備接口模塊。

測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)采用自定義總線鴇，計(jì)算機(jī)通過總線實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的數(shù)據(jù)讀寫操作，各模塊間也通過決線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)操作方便，該系統(tǒng)在硬件上分成兩大部分——主機(jī)和測(cè)試頭。除向量合成部分，其余模塊都在主機(jī)中完成。從各模塊產(chǎn)生的信號(hào)，包括時(shí)鐘同步信號(hào)、測(cè)試向量序列、參考電壓、PMU信號(hào)等一起送待測(cè)試頭總線。每個(gè)管腳測(cè)量模塊都包含各自向合成模塊，向量合成模塊從測(cè)試頭總線中獲取各種信號(hào)，按要求將它們合成最終的數(shù)字測(cè)試信號(hào)，或?qū)UT返順的信號(hào)進(jìn)行分析比較，將結(jié)果通過總線回送到主機(jī)的控制模塊中。

3.1 計(jì)算機(jī)接口模塊

為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的控制，設(shè)計(jì)了基于PC機(jī)ISA總線插槽的接口卡，使用了計(jì)算機(jī)總線0x300～0x30F的地址。

利用計(jì)算機(jī)讀寫時(shí)序，通過地址譯碼和數(shù)據(jù)鎖存電路，形成測(cè)試機(jī)總線的讀寫時(shí)序。除了對(duì)測(cè)試機(jī)讀寫數(shù)據(jù)的電路，接口卡中還包括個(gè)可編程定時(shí)器以及64Kbyte存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器主要為測(cè)試程序保存系統(tǒng)變量提供空間，使運(yùn)行于DOS操作系統(tǒng)的主程序暫時(shí)退出時(shí)仍能保存測(cè)試數(shù)據(jù)，還為各個(gè)應(yīng)用程序之間提供數(shù)據(jù)交換的通道。

3.2 時(shí)充產(chǎn)生電路

時(shí)鐘產(chǎn)生模塊（TG）主用于產(chǎn)生各種精確控制時(shí)鐘、同步脈沖等。通過程序設(shè)置，可以精確調(diào)整各時(shí)鐘的相位。功能框圖如圖2所示。

TG核心由一個(gè)可編程的16位自復(fù)位計(jì)數(shù)器和多路16位數(shù)值比較組成。系統(tǒng)主晶振產(chǎn)生50MHz的時(shí)鐘信號(hào)，作為16位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)周期即為測(cè)試一位向量的持續(xù)時(shí)間，因此，測(cè)試向量時(shí)間長(zhǎng)度在20ns和2 16×20ns之間。16位比較器將計(jì)數(shù)器當(dāng)前值與寄存器的數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者數(shù)值相等時(shí)，輸出變?yōu)楦唠娖?，脈沖出現(xiàn)的周期即為計(jì)數(shù)周期。改變比較器輸入寄存器中數(shù)值就可改變比較器輸出脈沖相對(duì)于計(jì)數(shù)器溢出脈沖的相位關(guān)系。

TG所產(chǎn)生的各種時(shí)鐘信號(hào)決定了測(cè)試向量的周期和時(shí)間精度，這些時(shí)鐘信號(hào)一部分形成主控制模塊（PG）的工作時(shí)鐘，另一部分提供給向量合成模塊，作為測(cè)試向量時(shí)間調(diào)制信號(hào)或DUT輸出信號(hào)的采樣時(shí)鐘測(cè)驗(yàn)向量合成模塊的同步工作時(shí)鐘。

為了滿足實(shí)際測(cè)試時(shí)不同工作速率的需要，測(cè)試系統(tǒng)的TG內(nèi)設(shè)計(jì)了8組時(shí)間可獨(dú)立設(shè)置的時(shí)鐘（SPLIT TIMINGS）。測(cè)試時(shí)可在不同的8組時(shí)鐘間任意切換，以提高向量存儲(chǔ)器的利用率和測(cè)試效率。

3.3 測(cè)試向量發(fā)生模塊

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

核心處理器模塊是向量發(fā)生模塊中最主要的模塊，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)可以執(zhí)行20多條指令的簡(jiǎn)單微控制器。由于該控制器指令及指令存儲(chǔ)器的特殊性，其指令時(shí)序與普通處理器不同。該控制機(jī)器周期由4個(gè)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)并?；虺鰲?。由于測(cè)試時(shí)要求時(shí)序非常嚴(yán)格，指令與測(cè)試向量一一對(duì)應(yīng)，因此處理該控制器所有指令均為單機(jī)器周期指令，且機(jī)器周期與測(cè)試向量周期相等，最小機(jī)器周期為100ns(即最高工作頻率為10MHz)。

失效處理模塊一方面對(duì)從PE卡上過來的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行合成分類，產(chǎn)生控制計(jì)算機(jī)所需的PASS、FALL信號(hào)，同時(shí)又將測(cè)試結(jié)果合成查找特這時(shí)序所需的數(shù)據(jù)供核心處理器執(zhí)行匹配指令（MATCH）時(shí)用。該模塊還可以實(shí)現(xiàn)失效數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，待測(cè)試結(jié)束后為失效分析提供依據(jù)。

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

3.4 參考電壓發(fā)生模塊

在實(shí)際測(cè)試時(shí)，由于DUT的工作電平參差不一，而測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯工作電平為0至5V，為了與待測(cè)器件電平匹配，需對(duì)最終合成的向量進(jìn)行電壓調(diào)制，將0到5V的數(shù)字信號(hào)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(cè)試系統(tǒng)的參考電壓發(fā)生模塊由18通道的獨(dú)立可編程電壓發(fā)生器組成。

3.5 直流測(cè)試模塊

在數(shù)字電路測(cè)試時(shí)，除了功能測(cè)試，必須還有一些睦流參數(shù)需要測(cè)試。因此，在測(cè)試系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了精密測(cè)量單元（PMU）、DUT電源供應(yīng)模塊（DPS）。

精密測(cè)量單元主要用于測(cè)量DUT管腳的漏電流及輸出驅(qū)動(dòng)能力等，對(duì)精度的要求較高，設(shè)計(jì)時(shí)分別采用了16位的D/A轉(zhuǎn)換器以及16位A/D轉(zhuǎn)換器。PMU可以工作于兩種模式：加電壓測(cè)電流和加電流測(cè)電壓?？紤]到測(cè)試中可能出現(xiàn)的各種情況，在實(shí)現(xiàn)線路中加入了過流保護(hù)電路和過壓保護(hù)電路。在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)分成不同的測(cè)量檔位，在測(cè)量值較小時(shí)，也可以達(dá)到很高的精度和穩(wěn)定性。PMU的功能框圖如圖4所示。

DPS單元主要為DUT提供工作電壓，兼作DUT的工作電流測(cè)量。DPS的線路與PMU基本相似，但DPS只有加電壓測(cè)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(cè)試模塊（PE）

該模塊位于測(cè)試頭部分，電路框圖如圖5所示，每個(gè)DUT測(cè)試管腳對(duì)應(yīng)一個(gè)管腳測(cè)試模塊。管理測(cè)試模塊包括向量合成模塊、動(dòng)態(tài)負(fù)載以及失效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等。向量合成模塊主要功能是將主機(jī)中各模塊送出的信號(hào)合成為DUT可以接受的測(cè)試向量，或?qū)UT的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5V的數(shù)值信號(hào)，與PG產(chǎn)生的測(cè)試向量進(jìn)行比較，并將結(jié)果送到主機(jī)。動(dòng)態(tài)負(fù)載是為了模擬DUT驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)的工作狀態(tài)。

3.7 其他功能模塊

為了使測(cè)試系統(tǒng)能在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用，測(cè)試系統(tǒng)中還包括其他一些模塊，如外部設(shè)備通訊模塊，為測(cè)試機(jī)與機(jī)械手或探針臺(tái)提供通訊接口，是實(shí)際生產(chǎn)中所必須的。同時(shí)還包括了一個(gè)控制盒接口，用于測(cè)試程序完成后生產(chǎn)時(shí)方便操作。

3.8 應(yīng)用軟件

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

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