GX5295數字IO&PMU功能在半導體Continuity 測試中的應用

　　本文以Texas Instruments 20針TSSOP封裝的SN74HC273為例介紹使用GX5295的直流參數測量單元(PMU)對半導體器件進行Continuity測試。

　　關鍵詞：

　　GX5295, PMU, Parametric, Continuity Test, Semiconductor Test, ATEasy

　　Introduction

　　在測試半導體器件的功能之前，通常需要驗證器件的結構完整性，包括從測試件到被測器件的連接。直流參數測量單元(PMU)，用于通過強制(force)電壓/測量(measure)電流(FVMI)以及強制電流/測量電壓(FIMV)對器件進行直流特性測試。同樣的，PMU可用于驗證UUT和tester之間的連接的完整性。

　　本文重點介紹如何使用GX5295的每引腳PMU功能在被測器件上執行連續性測試(Continuity test)和短路/開路測試(continuity and shorts / opens tests)。測試程序是用ATEasy編寫的，也可以使用任何主流編程語言。下面所以截圖都是基于ATEasy應用程序。這里描述的測試可以在從半導體IC到印刷電路板的各種device上進行，因此ATEasy應用程序可以被很容易地移植到其他器件的測試中。

　　圖1.Marvin Test Solutions GX5295 -PXI digitial I/O&PMU

　　本文的重點也是測試的第一步，是要確定被測器件(DUT，Device Under Test)是否與tester完好連接 - 在這個例子中tester是GX5295數字IO (DIO)。該測試稱為“Continuity”測試，它通過檢測IC引腳上的ESD二極管(IC里面會有ESD保護電路的設計)來驗證tester和DUT之間的連續性。tester到DUT的連續性是通過將小電流施加到DUT引腳，并測量是否存在電壓來測量的。這利用了GX5295的PMU的強制電流，測量電壓(FIMV)能力。

　　ESD保護二極管是一個半導體器件，正常情況下當電流流過時，它產生的電壓應與半導體結(junction)上的壓降一致。如果ESD二極管不存在，或者在Continuity測試時如果tester未連接到DUT引腳，電流將不會流過ESD二極管，并且電壓將與半導體結壓降不一致。如果ESD二極管發生故障，則可以檢測出其他異常的電壓，例如在二極管被短路的情況下，ESD二極管上測量的電壓為“0”伏。(這是后面的測試中的理論基礎)

　　Pin Mapping

　　在進行任何測試或測量之前，您必須定義系統配置。創建了一個ATEasy “Command”，這個命令允許測試程序員定義安裝在測試夾具中的DUT(被測設備)的數量及其引腳數。有關在ATEasy中定義命令的其他信息，請參閱ATEasy Help/Commands在線文檔。假設所有的DUT都是同一種器件。通過下面這個命令指定要測試的DUT器件數量(nCount)，每個DUT(nPins)的引腳數：

　　Dut Define Counts(nCount, nPins)

　　為了在DUT引腳上加電流/測量電壓，有必要在軟件中定義tester resources和DUT IO之間的連接。在本示例中，使用ATEasy中定義的另一個特殊命令執行引腳映射，該命令將在結構化陣列中存儲“Tester-Channel to DUT-Pin”相關性。引腳映射結構還保留DUT引腳名稱和引腳類型(輸出，輸入，IO，Vcc1:4和Ground) - 這對于提供有關被測試引腳的信息非常有用。使用時，“Dut Define PinMap”命令指定DUT pin_type，DUT pin_name，DUT pin_number以及包含DIO通道號channel_number的數組。channel_number[]用于索引DIO通道號，以支持從多個DUT的引腳映射到對應的DIO通道。命令的形式如下：

　　Dut Define PinMap pin_type ("pin_name",pin_number, channel_number[])

　　以Texas Instruments 20針TSSOP封裝的SN74HC273八通道鎖存器為例。

　　圖2.Texas Instruments SN74HC273 -TSSOP封裝

　　用于定義DUT器件數量，DUT引腳數和DUT / DIO引腳映射的命令如下所示。

　　注意：為了清楚起見，DIO通道陣列被定義為與引腳映射命令一致，但是可以通過諸如從文件或電子表格讀取或通過從專用GUI輸入通道號等方式來輸入：

　　Dut Define Counts(1,20)

　　Dut.DioChannels={0}

　　Dut Define PinMap Input ("Clr-", 1, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={1}

　　Dut Define PinMap Output ("Q1" , 2, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={2}

　　Dut Define PinMap Input ("D1" , 3, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={7}

　　Dut Define PinMap Input ("D2" , 4, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={4}

　　Dut Define PinMap Output ("Q2" , 5, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={5}

　　Dut Define PinMap Output ("Q3" , 6, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={6}

　　Dut Define PinMap Input ("D3" , 7, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={3}

　　Dut Define PinMap Input ("D4" , 8, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={8}

　　Dut Define PinMap Output ("Q4" , 9, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={-1}

　　Dut Define PinMap Ground ("Gnd" ,10, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={17}

　　Dut Define PinMap Input ("Clk+",11, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={15}

　　Dut Define PinMap Output ("Q5" ,12, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={10}

　　Dut Define PinMap Input ("D5" ,13, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={13}

　　Dut Define PinMap Input ("D6" ,14,Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={12}

　　Dut Define PinMap Output ("Q6" ,15, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={11}

　　Dut Define PinMap Output ("Q7" ,16, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={14}

　　Dut Define PinMap Input ("D7" ,17,Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={9}

　　Dut Define PinMap Input ("D8" ,18,Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={16}

　　Dut Define PinMap Output ("Q8" ,19, Dut.DioChannels)

　　Dut.DioChannels={1000}

　　Dut Define PinMap Vcc1 ("Vcc" ,20, Dut.DioChannels)

　　注意：需要提一下兩個特殊的引腳映射參數。首先，為DUT “Gnd”信號指定的“-1”DIO通道表示該DUT引腳未映射到任何DIO通道。在這種情況下，這是由于DUT負載板的布局，其將DUT Gnd引腳連接到接地層而不是DIO通道。其次，為DUT“+ 5V”Vcc引腳指定DIO通道“1000”表示Vcc引腳連接到GX5295上的四個輔助IO引腳(Aux)之一。這些“Aux”通道從1000開始映射到DIO通道。將DIO通道1000指定為DUT Vcc輸入意味著GX5295 AUX 0通道將為DUT提供Vcc電壓。

　　Continuity Measurement

　　為了進行continuity test ，已經定義了另一個ATEasy命令。該命令接受DUT number和DUT pin。 DUT pin是個變量(Variant)，可以接受由DUT映射命令定義的DUT名稱，DUT pin作為文本參數，或DUT pin number作為一個數字參數。通過引用(指針)傳遞另外兩個參數，并返回與DUT pin變量相關聯的DUT pin number和DUT pin name。該命令在施加小負載電流至引腳后返回該引腳的一個Double類型的電壓測量值。命令的形式如下：

　　dMeasurement = Dut PMU Measure Continuity (nDutNumber,varDutPin, pnDutPin, psDutPin)

　　作為面向對象的編程語言，ATEasy為其Task/Test結構中定義的每個測試提供唯一的名稱(請參閱ATEasy Help/Test)。測試名稱可以使用“Test”對象變量和“Name”屬性在運行時以文本字符串的形式訪問，如下所示：

　　string = Test.Name

　　通過簡單地使用Test.Name調用Dut PMU Measure Continuity()命令，并將Test.Name定義為DUT pin name或DUT pin number來大大簡化整個測試程序。下面的示例通過定義the test name來測量DUT引腳的連續性，并使用ATEasy的內部定義的TestResult變量來存儲連續性測量值。對于每個測試，連續性測量都可以被以一樣的方式調用：

　　TestResult=Dut PMU Measure Continuity (1, Test.Name,pnDutPin, psDutPin)

　　ATEasy Task/Test結構的一個例子如下圖所示。請注意，每個測試名稱是唯一的，與上面的引腳映射命令中使用的名稱相同。還要注意，每個測試提供了用于判定continuity test的Pass/Fail狀態的最小和最大電壓值(最小/最大參數在高亮顯示的命令上方可見)。ATEasy將根據Min / Max參數自動評估返回到TestResult的測量值，以確定每個continuity test的Pass/Fail狀態，并將自動將評估結果的報告傳遞給測試日志Test Log(standard output)或ATEasy Test Executive(ATEasy測試管理驅動)。

　　圖3.Continuity Task/Test Structure and Test Command

　　Test PMU Measure Command 附加到進行continuity測量的procedure中被調用。在這個procedure中， TestContinuity位于名為DUT的驅動程序中，本文中討論的命令也是這樣。這個procedure調用另一個這個procedure，_GetPinInfo 在結構數組中搜索通過命令傳遞的DUT Variant pin的name或number，當搜索到時，提取與該引腳相關聯的DUT pin number和DIO channel number。 _GetPinInfo的代碼如下所示：

　　Procedure _GetPinInfo(nDutNumber,varDutPin, nDioPin, pnDutPin, psDutPin): Void

　　--------------------------------------------------------------------------------

　　nDutNumber: ValShort !DUT devicenumber

　　varDutPin: Val Variant !DUT Pin("Name", "Number" or valNumber)

　　nDioPin: VarShort !DIO Channel number

　　pnDutPin: VarShort !ReturnedDUT pin number

　　psDutPin: VarString !ReturnedDUT pin name

　　nHandle: Short !DIO handle

　　iPin:Long !Pin index counter

　　{

　　! Get the DIO session handle

　　Dio Get MasterHandle(nHandle)

　　If VarType(varDutPin)=vtBstr

　　! The procedure searches the structure array for the"name"

　　! or "number" of the DUT pin passed in by thecommand,...

　　For iPin=0 to m_nDutCount[1]-1

　　! and when"name" is found...

　　IfLCase(m_astDomain[nDutNumber-1,iPin].Name)=LCase(varDutPin)

　　! theDUT pin number is saved, ...

　　pnDutPin=iPin+1

　　! theDUT pin name is saved, ...

　　psDutPin=m_astDomain[nDutNumber-1,iPin].Name

　　! theDIO channel number is used for the measurement process

　　nDioPin=m_astDomain[nDutNumber-1,iPin].DIO

　　ExitLoop! exit the loop

　　! or when "number"is found...

　　ElseIfVal(varDutPin)=(iPin+1)

　　! theDUT pin number is saved, ...

　　pnDutPin=iPin+1

　　! theDUT pin name is saved, ...

　　psDutPin=m_astDomain[nDutNumber-1,iPin].Name

　　! theDIO channel number is used for the measurement process

　　nDioPin=m_astDomain[nDutNumber-1,iPin].DIO

　　ExitLoop! exit the loop

　　EndIf

　　Next

　　! If the DUT pin "name/number"was not found...

　　If iPin=m_nDutCount[1]

　　! generate an error exceptionand return

　　Error 1,"DUT pinname/number ""+varDutPin+"" not found"

　　Return

　　EndIf

　　Else

　　pnDutPin=varDutPin

　　! If the DUT pin number exceeds it'slimits...

　　If pnDutPin<1 orpnDutPin>m_nDutCount[1]

　　! generate an error exceptionand return

　　Error 1,"DUT pin number"+Str(pnDutPin)+" invalid"

　　Return

　　EndIf

　　! The DUT pin name is saved, and ...

　　psDutPin=m_astDomain[nDutNumber-1,pnDutPin-1].Name

　　! the DIO channel number is used for themeasurement process

　　nDioPin=m_astDomain[nDutNumber-1,pnDutPin-1].DIO

　　EndIf

　　}

　　_GetPinInfo返回的DIO channel number用于continuity測量。 DIO channel置于Force Current模式中，+ 5V和-2V的整流電壓(電壓鉗位)施加到DIO通道，以將DUT引腳電壓保持在DUT的安全級別。對DIO通道施加小的負電流(-0.5mA)，并測量所得到的電壓。測量完成后，DIO通道返回動態(dynamic)模式(默認)，測量電壓返回到正在被調用命令中。完整的ATEasy算法如下所示：

　　Procedure TestContinuity(nDutNumber,varDutPin, pnDutPin, psDutPin): Double

　　--------------------------------------------------------------------------------

　　nDutNumber: ValShort !DUT devicenumber

　　varDutPin: Val Variant !DUT Pin("Name", "Number" or valNumber)

　　pnDutPin: Var Short !ReturnedDUT pin number

　　psDutPin: VarString !ReturnedDUT pin name

　　nDioPin:Short !DIO Channel number

　　dContinuity:Double !Continuityvoltage measurement

　　nHandle:Short !DIO handle

　　{

　　! Get the DIO session handle

　　Dio Get MasterHandle(nHandle)

　　_GetPinInfo(nDutNumber,varDutPin,nDioPin,pnDutPin,psDutPin)

　　! The DIO channel is placed in the Force Current mode and...

　　Dio Setup Channels Mode PmuForceCurrentModeRangeOfChannels(nHandle,nDioPin,nDioPin)

　　! commutating voltages (voltage clamps) of +5V and -2V are defined

　　Dio Setup Channels PMU ForcedCurrentCommutatingVoltageRangeOfChannels(nHandle,nDioPin,nDioPin,5.0,-2.0)

　　! A small negative current (-0.5mA) is applied to the DIO channel, and...

　　Dio Setup Channels PMU ForceCurrentRangeOfChannels(nHandle,nDioPin,nDioPin,-0.5,aPmuCurrentRange_n2ma_to_p2ma)

　　! the resulting voltage is measured

　　Dio Measure PmuVoltage(nHandle,nDioPin,dContinuity,250)

　　! The DIO channel is returned to dynamic (default) mode and...

　　Dio Setup Channels Mode DynamicIo RangeOfChannels(nHandle,nDioPin,nDioPin)

　　! the measured voltage is returned to the calling command

　　Return dContinuity

　　}

　　Results

　　ATEasy將根據Min / Max參數自動評估返回到TestResult的測量值，以確定每個continuity test的Pass/Fail狀態，并將自動將評估結果的報告傳遞給測試日志Test Log(standard output)或ATEasy Test Executive(ATEasy測試管理驅動)。圖4顯示了測試執行器輸出，引腳2的DUT開路故障，以及引腳9的DUT短路故障。(這兩種故障被稱為continuity故障)

　　結合圖5二極管的伏安特性曲線可分析：引腳2的測量值為-1.8220V已經遠超二極管反向擊穿電壓值，所以是開路故障，在status一列被標記為“Fail”;引腳9的測量值為+0.0020V表現為非常小的正電壓值，所以是短路故障，在status一列被標記為“Fail”，這兩個電壓測量值都超出了Min (-0.85V)/ Max(-0.5V)參數范圍。

　　圖4.ATEasy Test Executive Output with DUT continuity Failures

　　圖5.二極管的伏安特性曲線