數字集成電路測試系統的研制

摘要：介紹了基于向量測試法的測試系統原理、結構組成以及各功能模塊工作過程。本系統是關技術員在總結多年的實際測試經驗并參考國外同類測試系統的基礎上開發成功的，生產成本較低、性能可靠，是一種適合于國內半導體行業的實際生產情況的測試系統。

關鍵詞：集成電路 測試系統 測試向量調制 精密測量單元（PMU） 待測器件（DUT） 時序產生器（TG） 圖形發生器（PG）

隨著數字集成電路的應用日趨廣泛和國家對半導體行業發展支持，國內CMOS數字集成電路設計能力得到了長足的發展。但，由于一般IC設計公司不會去考慮生產線設備的開發，而大多數加工廠沒有系統研能力，因而國內從事集成電路后直道加工的企業所用的測試設備大部分是從外引進，這些設備價格昂貴，操作復雜，在一定程序上增加了集成電路生產成本。

為了擺脫集成電路生產上設備購買的高成本投入，我們研制開了集成電路測試設備，取得一定成果，并在測試技術方面積累了豐富的經驗。下面就研發成功的數字集成電路測試系統做一介紹。

1 設計目標

該數字測試系統主要為數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測試方法。目前研制成功的測試系統工作在50MHz的主頻，主要參數指標如下：

·最高測試速率：10MHz

·時序調整精度：1ns

·測試向量量大深度：64kbits×4Page

·測試管腳數：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 測試系統工作原理

不管數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。因此現在的大多數測試方法，不管是故障定位還是功能測試，都需要測試向量的輸入，而數字集成電路測試系統實際上就是一個用于向量產生和比較的硬件平臺。

所謂測試向量，就是一個串連續的“0”和“1”組成的數字序列。在測試數字IC之前，通過對測試要求和芯片功能的分兵，利用向量編程器先寫好測試所需的向量，定義好的向量的時序要求，并將其下載到測試系統的存儲器中，然后啟動測試系統的控制模塊。控制模塊按照事先寫好測試程序語句，按一定順序將測試向量從存儲器中讀出并送到向量調制模塊。向量調制模塊對向量序列進行波形調制電壓調制，最后送出與待測IC（DUT）工作電壓匹配的波形序列。同時測試系統還監測DUT的輸出濾形，通過向量調制模塊將其轉換成與測試系統工作電平匹配的數字信號，測試系統將回送數字信號與預先設定的向量進行比較，并鈄比較結果送給控制模塊進行處理。測試系統原理如圖1所示。

3 系統結構的實現

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

測試系統在實現采用自定義總線鴇，計算機通過總線實現對各模塊的數據讀寫操作，各模塊間也通過決線進行數據交換。為實現生產操作方便，該系統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信號等一起送待測試頭總線。每個管腳測量模塊都包含各自向合成模塊，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字測試信號，或對DUT返順的信號進行分析比較，將結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

為了實現計算機測試系統的控制，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，通過地址譯碼和數據鎖存電路，形成測試機總線的讀寫時序。除了對測試機讀寫數據的電路，接口卡中還包括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變量提供空間，使運行于DOS操作系統的主程序暫時退出時仍能保存測試數據，還為各個應用程序之間提供數據交換的通道。

3.2 時充產生電路

時鐘產生模塊（TG）主用于產生各種精確控制時鐘、同步脈沖等。通過程序設置，可以精確調整各時鐘的相位。功能框圖如圖2所示。

TG核心由一個可編程的16位自復位計數器和多路16位數值比較組成。系統主晶振產生50MHz的時鐘信號，作為16位計數器的計數脈沖，計數周期即為測試一位向量的持續時間，因此，測試向量時間長度在20ns和2 16×20ns之間。16位比較器將計數器當前值與寄存器的數值進行比較，當兩者數值相等時，輸出變為高電平，脈沖出現的周期即為計數周期。改變比較器輸入寄存器中數值就可改變比較器輸出脈沖相對于計數器溢出脈沖的相位關系。

TG所產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制信號或DUT輸出信號的采樣時鐘測驗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，測試系統的TG內設計了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 測試向量發生模塊

向量發生模塊即測試系統主控制模塊，它根據用戶編寫的測試向量文件，產生測試向量序列，其原理框圖如圖3所示。

核心處理器模塊是向量發生模塊中最主要的模塊，其實質是一個可以執行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為指令執行周期，C3為堆棧地址變化周期，堆棧地址寄存器根據情況加1或減1，C4為堆棧操作周期，數據并棧或出棧。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卡上過來的測試結果進行合成分類，產生控制計算機所需的PASS、FALL信號，同時又將測試結果合成查找特這時序所需的數據供核心處理器執行匹配指令（MATCH）時用。該模塊還可以實現失效數據的實時存儲，待測試結束后為失效分析提供依據。

測試向量發生模塊的附量功能主要包括測試向量模塊地址譯碼電路、測試結果屏蔽信號產生電路、TRIG信號產生電路（測試程序開發調試時為示波器提供同步觸發信號）、工作時鐘處理電路等等。

3.4 參考電壓發生模塊

在實際測試時，由于DUT的工作電平參差不一，而測試系統內部的邏輯工作電平為0至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制，將0到5V的數字信號轉換為DUT可以接受的工作電平，參考電壓發生模塊為這一過程提供了精確的電壓參考。測試系統的參考電壓發生模塊由18通道的獨立可編程電壓發生器組成。

3.5 直流測試模塊

在數字電路測試時，除了功能測試，必須還有一些睦流參數需要測試。因此，在測試系統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轉換器以及16位A/D轉換器。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的各種情況，在實現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。管理測試模塊包括向量合成模塊、動態負載以及失效數據存儲器等。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，或將DUT的輸出信號轉換成0～5V的數值信號，與PG產生的測試向量進行比較，并將結果送到主機。動態負載是為了模擬DUT驅動負載時的工作狀態。

3.7 其他功能模塊

為了使測試系統能在實際生產中應用，測試系統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時方便操作。

3.8 應用軟件

軟件部分主要實現硬件的控制，并為用戶提供一個友好、易于操作和開發測試程序的界面。應用軟件主要由一個C語言函數庫、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度工具組成。

經過一段時間的在線運行，證明此測試系統工作穩定可靠，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。該測試系統生產成本大大低于國外同類測試系統的引進成本，非常適合于國內半導體集成電路生產現狀。