集成电路测试基础

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1、第二章.半导体测试基础（3）测试系统三测试系统测试系统称为 ATE，由电子电路和机械硬件组成，是由同一个主控制器 指挥下的电源、计量仪器、信号发生器、模式（pattern）生成器和其他硬件项 目的集合体，用于模仿被测器件将会在应用中体验到的操作条件，以发现不 合格的产品。测试系统硬件由运行一组指令（测试程序）的计算机控制，在测试时提 供合适的电压、电流、时序和功能状态给 DUT 并监测 DUT 的响应，对比每 次测试的结果和预先设定的界限，做出 pass 或 fail 的判断。 测试系统的内脏图 2-1 显示所有数字测试系统都含有的基本模块，虽然很多新的测 试系统包含了更多的硬件，但这作为起点

2、，我们还是拿它来介绍。“CPU”是系统的控制中心，这里的 CPU 不同于电脑中的中央处理器，它由控制测试系统的计算机及数据输入输出通道组成。许多新的测试系统 提供一个网络接口用以传输测试数据；计算机硬盘和 Memory 用来存储本 地数据；显示器及键盘提供了测试操作员和系统的接口。图 2-1.通用测试系统内部结构DC 子系统包含有 DPS（Device Power Supplies，器件供电单元）、 RVS（Reference Voltage Supplies，参考电压源）、PMU（Precision Measurement Unit，精密测量单元）。DPS 为被测器件的电源管脚提供电 压和电

3、流；RVS 为系统内部管脚测试单元的驱动和比较电路提供逻辑 0 和逻辑 1 电平提供参考电压，这些电压设置包括：VIL、VIH、VOL 和 VOH。性能稍逊的或者老一点的测试系统只有有限的 RVS，因而同一时 间测试程序只能提供少量的输入和输出电平。这里先提及一个概念，“tester pin”，也叫做“tester channel”，它是一种探针，和 Loadboard 背面的 Pad 接触为被测器件的管脚提供信号。当测试机的 pins 共享某一资 源，比如 RVS，则此资源称为“Shared Resource”。一些测试系统称拥有“per pin”的结构，就是说它们可以为每一个 pin 独立

4、地设置输入及输出信号的电平和时序。 DC 子系统还包含 PMU（精密测量单元，Precision Measurement Unit）电路以进行精确的 DC 参数测试，一些系统的 PMU 也是 per pin 结 构，安装在测试头（Test Head）中。（PMU 我们将在后面进行单独的讲 解） 每个测试系统都有高速的存储器称为“pattern memory”或“vector memory”去存储测试向量（vector 或 pattern）。Test pattern（注：本人驽钝，一直不知道这个 pattern 的准确翻译，很多译者将 其直译为“模式”，我认为有点欠妥，实际上它就是一个二维的真值

5、表； 将“test pattern”翻译成“测试向量”吧，那“vector”又如何区别？呵呵， 还想听听大家意见）描绘了器件设计所期望的一系列逻辑功能的输入输出 的状态，测试系统从 pattern memory 中读取输入信号或者叫驱动信号 （Drive）的 pattern 状态，通过 tester pin 输送给待测器件的相应管脚；再 从器件输出管脚读取相应信号的状态，与 pattern 中相应的输出信号或者 叫期望（Expect）信号进行比较。进行功能测试时，pattern 为待测器件提 供激励并监测器件的输出，如果器件输入与期望不相符，则一个功能失效 产生了。有两种类型的测试向量并行向量

6、和扫描向量，大多数测试系 统都支持以上两种向量。 Timing 分区存储有功能测试需要用到的格式、掩盖（mask）和时序设 置等数据和信息，信号格式（波形）和时间沿标识定义了输入信号的格式 和对输出信号进行采样的时间点。Timing 分区从 pattern memory 那里接收 激励状态（“0”或者“1”），结合时序及信号格式等信息，生成格式化 的数据送给电路的驱动部分，进而输送给待测器件。 Special Tester Options 部分包含一些可配置的特殊功能，如向量生成器、 存储器测试，或者模拟电路测试所需要的特殊的硬件结构。 The Systen Clocks 为测试系统提供同步的

7、时钟信号，这些信号通常运 行在比功能测试要高得多的频率范围；这部分还包括许多测试系统都包含 的时钟校验电路。 其他的小模块这里不再赘述，大家基本上可以望文生义，呵呵。第二章.半导体测试基础（4）PMU四PMUPMU（Precision Measurement Unit，精密测量单元）用于精确的 DC 参数 测量，它能驱动电流进入器件而去量测电压或者为器件加上电压而去量测产 生的电流。PMU 的数量跟测试机的等级有关，低端的测试机往往只有一个 PMU，同过共享的方式被测试通道（test channel）逐次使用；中端的则有一组 PMU，通常为 8 个或 16 个，而一组通道往往也是 8 个或 1

8、6 个，这样可以整 组逐次使用；而高端的测试机则会采用 per pin 的结构，每个 channel 配置一个 PMU。图 2-2. PMU 状态模拟图 驱动模式和测量模式（Force and Measurement Modes）在 ATE 中，术语“驱动（Force）”描述了测试机应用于被测器件的 一定数值的电流或电压，它的替代词是 Apply，在半导体测试专业术语中， Apply 和 Force 都表述同样的意思。在对 PMU 进行编程时，驱动功能可选择为电压或电流：如果选择了 电流，则测量模式自动被设置成电压；反之，如果选择了电压，则测量模 式自动被设置成电流。一旦选择了驱动功能，则相应

9、的数值必须同时被设 置。 驱动线路和感知线路（Force and Sense Lines）为了提升 PMU 驱动电压的精确度，常使用 4 条线路的结构：两条驱 动线路传输电流，另两条感知线路监测我们感兴趣的点（通常是 DUT） 的电压。这缘于欧姆定律，大家知道，任何线路都有电阻，当电流流经线 路会在其两端产生压降，这样我们给到 DUT 端的电压往往小于我们在程 序中设置的参数。设置两根独立的（不输送电流）感知线路去检测 DUT 端的电压，反 馈给电压源，电压源再将其与理想值进行比较，并作相应的补偿和修正， 以消除电流流经线路产生的偏差。驱动线路和感知线路的连接点被称作 “开尔文连接点”。 量程

10、设置（Range Settings）PMU 的驱动和测量范围在编程时必须被选定，合适的量程设定将保证测试结果的准确性。需要提醒的是，PMU 的驱动和测量本身就有就有 范围的限制，驱动的范围取决于 PMU 的最大驱动能力，如果程序中设定 PMU 输出 5V 的电压而 PMU 本身设定为输出 4V 电压的话，最终只能输 出 4V 的电压。同理，如果电流测量的量程被设定为 1mA，则无论实际电 路中电流多大，能测到的读数不会超过 1mA。值得注意的是，PMU 上无论是驱动的范围还是测量的量程，在连接 到 DUT 的时候都不应该再发生变化。这种范围或量程的变化会引起噪声 脉冲（浪涌），是一种信号电压值

11、短时间内的急剧变化产生的瞬间高压， 类似于 ESD 的放电，会对 DUT 造成损害。 边界设置（Limit Settings）PMU 有上限和下限这两个可编程的测量边界，它们可以单独使用（如某个参数只需要小于或大于某个值）或者一起使用。实际测量值大于 上限或小于下限的器件，均会被系统判为不良品。 钳制设置（Clamp Settings）大多数 PMU 会被测试程序设置钳制电压和电流，钳制装置是在测试 期间控制 PMU 输出电压与电流的上限以保护测试操作人员、测试硬件及 被测器件的电路。图 2-2.电流钳制电路模拟 图当 PMU 用于输出电压时，测试期间必须设定最大输出电流钳制。驱动电压时， P

12、MU 会给予足够的必须的电流用以支持相应的电压，对 DUT 的某个管脚，测试机的驱 动单元会不断增加电流以驱动它达到程序中设定的电压值。如果此管脚对地短路（或者 对其他源短路），而我们没有设定电流钳制，则通过它的电流会一直加大，直到相关的 电路如探针、ProbeCard、相邻 DUT 甚至测试仪的通道全部烧毁。图 2-3 显示 PMU 驱动 5.0V 电压施加到 250ohm 负载的情况，在实际的测试中， DUT 是阻抗性负载，从欧姆定律 I=U/R 我们知道，其上将会通过 20mA 的电流。器件的 规格书可能定义可接受的最大电流为 25mA，这就意味着我们程序中此电流上限边界将会 被设置为

13、25mA， 而钳制电流可以设置为 30mA。如果某一有缺陷的器件的阻抗性负载只有 10ohm 的话，在没有设定电流钳制的情况下，通过的电流将达到 500mA，这么大的电流已经足以对测试系统、硬件接口及器件本 身造成损害；而如果电流钳制设定在 30mA，则电流会被钳制电路限定在安全的范围内， 不会超过 30mA。电流钳制边界（Clamp）必须大于测试边界（Limit）上限，这样当遇到缺陷器件才 能出现 fail；否则程序中会提示“边界电流过大”，测试中也不会出现 fail 了。 图 2-4.电压钳制电路模拟图当 PMU 用于输出电流时，测试期间则相应地需要进行电压钳制。电压钳制和电流钳制在原理上

14、大同小异，这里就不再赘述了。 第二章第二章.半导体测试基础（半导体测试基础（5）The Pin Electrics五、管脚电路 管脚电路（The Pin Electronics，也叫 PinCard、PE、PEC 或 I/O Card） 是测试系统资源部和待测期间之间的接口，它给待测器件提供输入信号并接 收待测器件的输出信号。每个测试系统都有自己独特的设计但是通常其 PE 电路都会包括： 提供输入信号的驱动电路 驱动转换及电流负载的输入输出切换开关电路 检验输出电平的电压比较电路 与 PMU 的连接电路（点） 可编程的电流负载还可能包括： 用于高速电流测试的附加电路 Per pin 的 PMU

15、 结构尽管有着不同的变种，但 PE 的基本架构还是一脉相承的，图 2-5 显示了数字测试系统的数字测试通道的典型 PE 卡的电路结构。 图 2-5.典型的 Pin Electronics1. 驱动单元（The Driver）驱动电路从测试系统的其他相应环节获取格式化的信号，称为 FDATA， 当 FDATA 通过驱动电路，从参考电压源（RVS）获取的 VIL/VIH 参考电平 被施加到格式化的数据上。如果 FDATA 命令驱动单元去驱动逻辑 0，则驱动单元会驱动 VIL 参考电压；VIL（Voltage In Low）指施加到 DUT 的 input 管 脚仍能被 DUT 内部电路识别为逻辑

16、0 的最高保证电压。如果 FDATA 命令驱动单元去驱动逻辑 1，则驱动单元会驱动 VIH 参考电 压；VIH（Voltage In High）指施加到 DUT 的 input 管脚仍能被 DUT 内部电 路识别为逻辑 1 的最低保证电压。F1 场效应管用于隔离驱动电路和待测器件，在进行输入-输出切换时充当快速开关角色。当测试通道被程序定义为输入（Input），场效应管 F1 导通， 开关（通常是继电器）K1 闭合，使信号由驱动单元（Driver）输送至 DUT； 当测试通道被程序定义为输出（Output）或不关心状态（dont care），F1 截止，K1 断开，则驱动单元上的信号无法传送到 DUT 上。F1 只可能处于其 中的一种状态，这样就保证了驱动单元和待测器件同时向同一个测试