（检测技术与自动化装置专业论文）数字集成电路自动测试硬件技术研究.pdf

i - ， 寸 ，l p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：随里旦! 壑日期：2 吖p 年月歹日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：艘雕毒蕲签名：鑫垒墨 日期：2 0 o 年月f 日 j 。y - ， 一 k o 摘要 摘要 随着经济发展和技术的进步，集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 产业取得 了突飞猛进的发展。集成电路测试是集成电路产业链中的一个重要环节，是保证 集成电路性能、质量的关键环节之一。集成电路测试是集成电路产业的一门支撑 技术，而集成电路自动测试设备( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ，a t e ) 是实现集成电 路测试必不可少的工具。 基于上述考虑，以本课题为研究基础，开展研制集成电路自动测试设备的工 作，拟在集成电路测试产业中缩短与国外的差距。课题研制的数字集成电路测试 设备能基本上满足测试数字集成电路需求，同时又具有操作方便，实用性强，价 格相对低廉等特点，这能给中小型的集成电路封装厂商减少大笔费用。 本文首先介绍了集成电路自动测试系统的国内外研究现状，讨论了集成电路 测试面临的技术难题，接着介绍了数字集成电路的测试技术，包括逻辑功能测试 技术和直流参数测试技术。逻辑功能测试技术介绍了测试向量的格式化作为输入 激励和对输出结果的采样；直流参数测试技术讲述了开路短路、输入漏电流和输 出电压的测试方法。 第三、四章是本文的重点章节，详细讲解了自动测试仪的核心部件数字 集成电路测试板的设计原理。在数字测试板中，逻辑功能测试分为三个部分：用 于存储测试向量和测试结果的存储器；基于现场可编辑门阵列( f i e l d p r o g r a n m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 设计的控制逻辑电路；电子引脚。直流参数测 试中包含有：数模转换器；精密测试单元( p r e c i s i o nm e a s u r e m e n tu n i t ，p m u ) ； 模数转换器。第四章节的末节还介绍对数字集成电路测试板中的直流参数测试单 元进行校准的处理过程。 论文的最后部分，讲述了对一款典型的数字集成电路器件进行测试设计，并 得到结果。在设计实验过程中，该款芯片按照器件手册书要求基于研制的数字集 成电路自动测试仪上进行逻辑功能测试设计和直流参数测试设计，逻辑功能测试 中选择自动测试仪的最高测试频率运行测试向量，再对被测芯片的五个直流参数 测试项目进行测试，都得到了通过。验证了研制的数字集成电路自动测试仪是满 足测试要求的。 _ ， kl。，” 摘要 关键词：数字集成电路，自动测试仪，逻辑功能测试，直流参数测试 _ 。y k 、 允 l - a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dp r o g r e s so ft e c h n o l o g y ，i n t e g r a t e dc i r c u i t i n d u s t r yh a sg o tg r e a ta c h i e v e m e n t i ct e s tp l a yag r e a tr o l e i ni ci n d u s t r i a lc h a i n ，i ct e s t m a k e ss u r ei ch a sg o o dp e r f o r m a n c ea n dq u a l i t y i ct e s ti sas u p p o r t i n gt e c h n o l o g yi n i ci n d u s t r y , a n dt h ea u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ( a t e ) i sat o o lw h i c hc o m p l e t e st h ei c t e s t b a s e do nt h ea b o v ed e s c r i p t i o n ，a sa no p p o r t u n i t yo ft h i ss u b j e c t c a r r yo u t d e v e l o p m e n to fad i g i t a li ca t e t h a ti si no r d e rt os h o r t e nw i t l lf o r e i g nt e c h n o l o g yi n t h ei ct e s ti n d u s t r y t h es u b j e c t sd e v e l o p e dad i g i t a li ca t ew h i c hc a l lb a s i c a l l ym e e t t h ed e m a n df o rd i g i t a li ct e s t i na d d i t i o n ，t h ed i g i t a li ca t ew i t hau s e r - f r i e n d l y , p r a t i c a l ， r e l a t i v e i n e x p e n s i v e ，e t c ， w h i c hc a l lr e d u c es i g n i f i c a n tc o s tf o ri c m a n u f a c t u r e s f i r s t l y ，ir e l a t et h er e s e a r c ho fa u t o m a t i ct e s te q u i p m e n ta th o m ea n da b r o a d ， d i s c u s s et h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e sf a c e db yi ct e s t ，a n dt h ed i g i t a li ct e s tt e c h n o l o g y w h i c hi n c l u d e sf u n c t i o nt e s tt e c h n i q u e sa n dd cp a r a m e t e rt e c h n o l o g y t h el o g i c f u n c t i o nt e s tt e c h n o l o g yp r e s e n t st h et e s tw a v e f o r mg e n e r a t i o na n do u t p u to ft h ed e v i c e u n d e rt e s ts a m p l i n g ；t h ed cp a r a m e t e rt e s td e s c r i e st h et e s tm e t h o d so ft h eo p e ns h o r t a n di n p u tl e a k a g ec u r r e n ta n do u t p u tv o l t a g e i nt h ec h a p t e r a n d o ft h ep a p e r , ie x p l a i nt h ed e t a i li nt h ed e s i g np r i n c i p l e o fd i g i t a li ct e s tb o a r dw h i c hi st h ec o r ec o m p o n e n ti nt h ed i g i t a li ca t e i nt h ed i g i t a l t e s tb o a r d ，t h e r et h r e em a i np a r t sc o m p o s e so ft h el o g i cf u n c t i o nt e s t ：t h es r a m sw h i c h s t o r et e s tp a t t e r n sa n dr e s u l to ft e s t ；t h ed e s i g no ft h el o g i cc o n t r o lu n i tb a s e do nt h e f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) ；p i ne l e c t r o n i c 口e ) t h ed cp a r a m e t e rt e s t c o n t a i n sad i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r ( d a c ) a n dp r e c i s i o nm e a s u r e m e n tu i t e sf e m o ) a n daa n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) i nt h el a s tp a r to ft h ec h a p t e ri vc h a p t e r , ia l s o p r e s e n tt h ec a l i b r a t i o np r o c e s si nt h ed cp a r a m e t e r t e s tu n i t eo fd i g i t a li ct e s tb o a r d i nt h el a s tp a r to ft h ep a p e r , ie x p l a i nat e s td e s i g nf o rat y p i c a li cd e v i c e ，a n dg e t s t h er e s u l t s i nt h ed e s i g ne x p e r i m e n t , t h ed i g i t a li ci na c c o r d a n c ew i t hs p e c i f i c a t i o ni s t e s t e dt h el o g i cf u n c t i o na n dd c p a r a m e t e ri nt h ed e v e l o p m e n to f t h ed i g i t a li ca t e i n m !些!兰!兰!一一一 - _ - _ _ _ _ l _ _ _ - _ _ - - - _ _ - _ _ - - _ _ _ - _ i _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ - _ l _ - i - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 一一 t h el o g i cf u n c t i o nt e s t , t e s tp a t t e r n sr u nt h em a x i m u mt e s tf i c q u e n c eo ft h ed i g i t a li c a t e ，t h e nc a r r yo u tf i v ed cp a r a m e t e rt e s ti t e m s a l lo ft h e mh a v e b e e na d o p t e d 1 1 1 e e x p e r i m e n tv e r i f i e st h a tt h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a li ca t e m e e t st h ed i g i t a li ct e s t r c q u i r c m e m t s k e yw o r d s ：d i g i t a li c ，a u t o m a t i c t e s te q u i p m c n t ，l o g i cf u n c t i o n ，d cp a r a m e t e r i v 一 p _ j k ( ， 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 集成电路自动测试系统的国内外研究现状2 1 3 集成电路自动测试系统的测试费用4 1 4 集成电路自动测试面临的挑战5 1 5 课题实现的主要技术指标- 5 1 6 课题研究的主要内容和组织结构6 第二章集成电路测试技术8 2 1 集成电路测试的必要性8 2 2 集成电路测试的分类9 2 3 集成电路测试的原理与方法1 0 2 3 1 数字器件的逻辑功能测试1 0 2 3 1 1 测试周期及输入数据1 3 2 3 1 2 输出数据1 5 2 3 2 数字器件的直流参数测试1 7 2 4 集成电路生产测试的流程2 0 第三章数字测试板逻辑功能电路设计2 1 3 1 数字集成电路自动测试仪的总体硬件架构2 1 3 2 数字测试板逻辑功能硬件电路设计2 3 3 2 1 存储器设计2 4 3 2 2 电子引脚2 5 3 3 数字测试板逻辑功能测试f p g a 设计2 8 3 3 1f p g a 实现功能描述2 9 3 3 2f p g a 内部各个模块的实现3 1 3 3 2 1 时钟管理模块3 1 3 3 2 2 存储器控制逻辑3 2 3 3 2 2 电子引脚控制电路3 4 v 目录 第四章数字测试板直流参数电路设计3 6 4 1 数字测试板直流参数测试硬件电路设计3 6 4 1 1 模数转换器3 7 4 1 2 数模转换器3 8 4 1 3 精密测量单元4 0 4 2 数字测试板直流参数测试单元校准4 4 第五章数字器件测试设计与验证分析5 0 5 1 测试芯片简介5 0 5 2 数字器件逻辑功能测试设计5 1 5 3 数字器件直流参数测试设计5 6 5 3 数字器件测试结果5 8 第六章总结与展望5 9 致谢6 0 参考文献6 1 攻硕期间取得的研究成果6 2 v i j k i r 0 一 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 随着经济的发展，人们生活质量的提高，生活中遍布着各类电子消费产品。 电脑、手机和m p 3 播放器等电子产品和人们的生活息息相关，这些都为集成电路 产业的发展带来了巨大的市场空间。2 0 0 7 年世界半导体营业额高达2 ，7 4 0 亿美元， 2 0 0 8 世界半导体产业营业额增至2 ，8 5 0 亿美元，专家预测今后的几年随着消费的 增长，对集成电路的需求必然强劲n 1 。因此，世界集成电路产业正在处于高速发展 的阶段。 集成电路产业是衡量一个国家综合实力的重要重要指标。而这个庞大的产业 主要由集成电路的设计、芯片、封装和测试构成。在这个集成电路生产的整个过 程中，集成电路测试是惟一一个贯穿集成电路生产和应用全过程的产业。如：集 成电路设计原型的验证测试；晶圆片测试；封装成品测试；只有通过了全部测试 合格的集成电路才可能作为合格产品出厂，测试是保证产品质量的重要环节。 集成电路测试是伴随着集成电路的发展而发展的，它为集成电路的进步做出 了巨大贡献，可以这么说没有集成电路的测试就不可能造就当今辉煌的集成电路 产业。我国的集成电路自动测试系统起步较晚，虽有一定的发展，但与国外的同 类产品相比技术水平上还有很大的差距，特别是在一些关键技术上难以实现突破。 国内使用的高端大型自动测试系统，几乎是被国外产品垄断。市场上各种型号国 产集成电路测试，中小规模占到8 0 。大规模集成电路测试系统由于稳定性、实用 性、价格等因素导致没有实用化。因此，大规模超大规模集成电路测试系统主要 依靠进口满足国内的科研、生产与应用测试。鉴于以上的现状，国内测试封装厂 家的对于中小规模集成电路测试需求很大，研制出一种中小型且实用化的集成电 路自动测试系统具有非常重要的意义。通过该测试系统的开发、生产、产业化， 替代同类国外测试系统进1 ：3 ，并以此课题为研究基础，进一步对中高档集成电路 自动测试系统进行探索和研究。虽然这是一个长期的过程，但是这对促进我国集 成电路产业的良性健康发展大有益处，并会带来良好的社会效益和经济效益。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 集成电路自动测试系统的国内外研究现状 为了保证芯片的质量和性能，在集成电路的各个阶段都要进行检验和测试，以 保证每一步的正确性，这大大节省了集成电路的开发设计周期。集成电路测试技 术是集成电路产业的三大支撑技术之一。集成电路测试从某种程度上推动着集成 电路向低成本方向发展。4 0 年来，集成电路测试仪发展到了第四代，从最出的小 规模到现代的超大规模集成电路测试仪，a t e ( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ) 的发展 过程大致可以分为以下四个阶段比。 1 ) 1 9 6 5 年- 1 9 6 9 年，在这个阶段只能对引脚数小于1 6 的小规模集成电路进行 测试。利用跳线、拨码开关、继电器和二极管矩阵等搭建外围电路，编写测试程 序对集成电路进行直流参数测试。 2 ) 1 9 6 9 年- 1 9 7 2 年，测试对象扩展到中规模集成电路，可测引脚数达2 4 个。 同时随着图形技术的研究深入，可以在低速图形下实现对2 4 引脚以下的数字集成 器件进行逻辑功能测试，同时也能对集成电路进行直流参数测试，这是一个质的 飞跃。 3 ) 1 9 7 2 年- 1 9 8 0 年，被测集成电路的引脚数高达6 0 个，测试速率提高到i o m h z 。 从1 9 7 5 年开始，被测集成电路的引脚达到1 2 8 个，测试速率达到2 0 m h z 。对各类 电平标准器件都能进行测试了。 4 ) 从1 9 8 0 年开始，集成电路自动测试系统发展到第四代，集成电路自动测试 系统取得了巨大的发展。可测引脚数高达2 5 6 个。测试图形速率达到i o o m h z 。测 试系统的智能化水平进一步提高，根据被测器件信息能自动生成测试向量，并加 强了数字系统与模拟系统的融合。有些系统实现了与激光修条设备的联机工作， 对存储器，a d ，d a 进行修正。到了现在，自动测试系统的测试图形速率已经达 到2 0 0 m h z 以上，可测引脚数达到了5 1 2 个，定时分辨率为5 0 0 p s ，自动测试系 统的发展是惊人的。 国外的对自动测试系统的研制工作起步早，从最初的测试简单的小规模器件， 到如今的超大规模集成电路，如中央处理器、嵌入式内存，数字信号处理器，模 数数模转换器。如今国际上自动测试系统已经发展到了一个比较成熟的阶段，高 档集成电路自动测试系统大都是日本和美国生产的。从1 9 7 0 年仙童( f a i r c h a r d ) 推出s e n t r y 以来，各家制造商都针对主流测试市场推出中、高档测试设备，如泰 瑞达( t e r a d y n e ) 公司2 0 0 1 年推出的j 7 5 0 ，在全世界的装备数量达到5 0 0 台以上， 相继又推出了c a t a l y s t 、t i g e r 和f l e x 等不同档次的一系列新产品；安捷伦公司 2 一 第一章绪论 在h p - 8 3 0 0 0 技术基础上推出的9 3 0 0 0 系列，受到市场上的青睐；美国c r e d a n c e o 一公司吸纳了原来i m s 公司和s c h l u m b e r g e r 技术基础上推出的v a n g u a r d 和s a p p h i r e 等在市场上颇有竞争力。日本a d v a n t e s t 公司则研制出了t 6 0 0 0 系列的不同指标、 不同模式的新一代自动测试系统，继续保持着该公司在存储器和模拟器件测试系 统的领先 图卜1j 7 5 0 集成电路自动测试系统 我国集成电路自动测试系统的研发始于上世纪7 0 年代，经过了几十年的发展， 从无到有，从小到大，由仿制到自主研发。我国拥有5 0 m h z 测试验证平台和1 0 0 m l t z 通用测试系统平台，已经能够比较全面的满足数字i c 测试、模拟i c 测试和混合 信号测试，芯片探针测试。我国集成电路自动测试技术的进步推动着我国集成电 路产业的发展。然而，国产集成电路自动测试系统虽然取得了一定的发展，但与 当今美国和日本的技术水平相比仍然存在着较大的差距。特别是集成电路设计进 入高性能的c p u 、d s p 时代，我国测试行业已经很难跟上我国集成电路产业发展的 需要，在一定程度上制约了我国集成电路产业的发展。目前能够独立承担专业测 试服务的公司并不多，不能满足国内众多集成电路设计公司的验证分析和产品化 测试需求，虽然有很多外资企业在国内设立测试机构，但是大多数是不对外提供 测试服务，这种状况日益成为我国集成电路产业发展的一个瓶颈。我国已经成为 的第二大集成电路生产国家，但是集成电路测试技术还相对落后，还有待于进一 步的提高们。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 3 集成电路自动测试系统的测试费用 在元器件的生产过程中测试费用占整个成本的很大比例，估计一片i c 器件生 产成本的3 0 左右都要用于测试。随着集电路产业的不断发展，芯片的体积在不断 的变小、功能逐渐的变强，自动测试系统将要面对的是片上系统( s y s t e mo nc h i p ， s o c ) 。测试s o c 是一个费时间，需要生成上千条的测试矢量才能达到足够高的故 障覆盖率，测试成本可能占到芯片成本的一半。 1 9 9 8 年的国际测试会议中提出了测试摩尔定律，根据该定律预测未来几年中， 每一晶体管的硅投资成本将低于其测试成本，硅成本已迅速下降，测试成本却基 本保持不变。并且，被测器件的速度常常比测试设备测试的速率高。也就是说， 测试设备的发展速度已跟不上被测对象的发展。同时，测试成本在制造成本中所 占比例过大卿。图1 - 2 显示了未来元器件生产成本和测试成本发展趋势： 图1 - 2 元器件生产成本和测试成本发展趋势 有两个主要的因数影响着测试成本： 1 ) 测试设计费用。测试设计需要花费大量时间，耗费大量的人力资源。测试设计 包括：可测性设计、测试向量的生成和测试程序的编写。 2 ) 测试系统的价格。如今，一台通用集成电路自动测试系统的价格往往高达几百 万美元，预计到了2 0 1 4 年价格将超过两千万美元。自动测试系统的价格不断 攀升的一个重要原因是随着集成电路的发展，器件工作频率提高和引脚数目增 多，自动测试系统生产厂商为满足测试需要不断新功能添加到原来的测试系统 中。由于新功能的添加会暴露出新的问题，一些新功能是否能兼容现存的系统 架构，它们的添加会使系统变得更加复杂等等。此外，系统的测试效率也是决 定价格的一个重要因数。 4 一 p 一 第一章绪论 1 4 集成电路自动测试面临的挑战 集成电路从小规模到中规模，再到大规模，超大规模集成电路，发展到现在 的芯片系统，起码集成百万以上的晶体管，堪称超级超大规模集成电路了。芯片 系统往往是模数混合电路。随着集成电路功能实现复杂性，其规模也不断提高， 使得集成电路测试系统向开放式、模块化和标准化方向发展，在集成电路测试技 术面临更大的挑战，这就需要我们提出相关的测试策略和实现方法。系统芯片可 测试性设计的难题很多。 1 ) 随着集成电路设计规模迅速提升，测试向量数目的急剧增加，迫切需要有效的 测试设计，采用什么样的硬件电路和快速的测试算法以较小的硬件开销和分析 出所有的故障； 2 ) 半导体芯片中的晶体管的特征尺寸每年大约减小1 0 5 ，随着电路设计和工艺 的革新，晶体管密度几乎成平方级增长1 。先进的0 1 5 u m 设计工艺使得设计 人员能将大量晶体管放置到集成电路上，这使得引入和新的电子和物理效应， 不断涌现出新的失效故障模型，串扰、电迁移和信号完整性问题更为突出； 3 ) 芯片的工作速度不断提升，数字信号在高速的数字通道上表现出复杂的模拟特 性，噪声随之引入，因而对测试系统提出了更高的设计要求。导致高速自动测 试系统售价昂贵，一台测试频率为i g h z 的自动测试系统每增加一个引脚的费 用大约为3 0 0 0 美元。 4 ) 模数混合自动测试系统往往需要采用一套复杂的数字信号处理系统来实现。基 于数字信号处理器测试是以数字化仪器和任意波形发生器代替纯模拟仪器完 成模拟信号的参数测试。 5 ) 随着集成电路工艺技术进步和设计方法的提高，可以把中央处理器、数字信号 处理器、内存等模块设计在一块芯片上，这就是s o c 。s o c 采用i p 核设计，供 测试的端口少，且i p 核提供商为了保护知识产权往往不愿意过多的透漏i p 核 的具体实现细节，在这种情况下，内部i p 核测试需要构建复杂的数学模型导 致难以测试。 1 5 课题实现的主要技术指标 本课题的是电子科技大学自动化工程学院自动控制工程中心与广东某半导体 公司长期合作项目的一部分。根据合作的意向书内容，该项目要求研制一套基于 电子科技大学硕士学位论文 p c i 总线的中小规模集成电路的数字集成电路自动测试仪。在设计方案时，充分考 虑了该公司在使用其它相似类型的测试仪时，提出了很多关于实用化的建议。由 于国外同级别的测试设备造价都相对较高，对于国内的一些集成电路生产厂商来 说是一个很大的一笔开销，所以本项目研制的数字集成电路自动测试仪，在满足 该半导体公司需求的同时，具有价格低廉且实用化程度高等特点，可以向国内的 其它集成电路生产厂商进行推广，有良好的市场前景。 该课题研制的数字集成电路自动测试仪能够对1 6 个引脚以内的数字集成电路 进行逻辑功能测试和直流参数测试，逻辑功能测试是能够对数字集成电路进行功 能验证：直流参数测试能够对数字集成电路进行开路短路测试、输出电压测试、 漏电电流测试和电源电流测试。系统最大可扩展配置为3 2 个数字通道，4 个精密 测量单元。具体的技术指标如下： 1 逻辑功能测试的最高速率为i o m h z ； 2 定时器定时的最小脉冲宽度为5 n s ，为每个数字通道提供三个定时脉冲； 3 电子引脚( p i ne l e c t r o n i c ) 口3 提供的数字通道，引脚类型为输入，输出， 双向； 4 驱动器输出电压范围为o 5 v ( 分辨率为0 3 m y ) ； 5 比较器输入电压范围为o 5 v ( 分辨率为0 3 m v ) , 6 动态电流负载提供电流范围为4 0 m a ( 分辨率为0 2 m a ) ； 7 直流参数测量单元提供电压范围为_ 7 v 、提供电流最大范围为3 5 m a ，测 试的最慢速度小于l o m s ，测量精度小于0 5 。 数字集成电路自动测试仪的具体测试对象是数字集成电路中的一小类。按照 电路工作的电平分，测试对象的工作电平应该是r t l 、c m o s 、l v t t l 、l v c m o s ；根 据集成电路规模的大小来划分，测试对象是元器件个数小于1 0 0 个的小规模数字 集成电路；从电路完成的功能角度来分，测试对象是门电路、触发器、锁存器、 编码器、译码器和计数器等完成简单功能的数字集成电路。 1 6 课题研究的主要内容和组织结构 ： 本课题目标是构建数字集成电路自动测试硬件平台，设计了系统中各个子模 块的硬件电路；本人工作的重心是设计系统的核心部件一数字集成电路测试板， 该板主要分为两大部分：逻辑功能测试单元和直流参数测试单元。在研制的过程 中，参阅了很多相关的资料，参考多台国外同类产品，并在此基础上进行认真分 6 第一章绪论 析、探讨和研究。为了验证该自动测试仪的性能，按照串并转换移位寄存器7 4 l s l 6 4 规范书，设计了逻辑功能测试和直流参数测试的验证方案。通过分析逻辑功能测 试和直流参数测试的测试实验数据，验证逻辑功能测试和直流参数测试的指标符 合测试要求，通过实验也证明数字集成电路自动测试仪性能符合要求。 下面分章节将对课题内容进行具体介绍： 第一章绪论中主要介绍课题研究的背景、集成电路自动测试系统国内外发展 趋势、集成电路测试的费用、集成电路测试未来面临的挑战、本课题实现的主要 技术指标和课题研究的主要内容； 第二章详细阐述了集成电路的逻辑功能测试和直流参数测试的测试技术和方 法和集成电路测试的流程。 第三章首先介绍了数字集成电路自动测试仪的体系结构，测试仪中各个组成 部分的功能，接着重点论述数字集成电路测试板中的逻辑功能测试电路设计，其 中对时钟管理模块设计、存储器设计和控制、电子引脚电路的控制几个关键部分 进行了分析。 第四章叙述了直流参数测试电路的工作原理，并根据工作原理设计了数字测 试板中的直流参数测试硬件电路，最后对数字测试板的其中一个直流参数测试单 元进行了校准。 第五章主要介绍测试7 4 l s l 6 4 的实验，通过分析实验数据验证7 4 l s l 6 4 符合 参数要求，证明了所设计数字集成电路自动测试仪的满足数字集成电路测试要求。 第六章总结了论文的设计工作，并针对设计中存在的问题提出了意见。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章集成电路测试技术 近些年来，随着集成电路功能复杂性的不断增强，测试的费用也随着提升， 半导体工业面临着探索有效的测试策略。开发出新的测试设计，使得耗费时间和 金钱都得到大大降低。在许多需要解决的问题当中，最重要的是是芯片的验证。 9 0 n m 器件的一套掩膜成本超过1 3 0 万美元，通过测试验证，分析失效原因，减少 器件缺陷就成为集成电路制造环节中不可缺少的一部分。根据最新数据统计表明， 由于芯片集成度的增加嘲，验证难度越来越大，对一款复杂逻辑芯片而言，整个产 品周期中大部分时间都用于芯片验证工作。使用新测试策略对设计中的复杂功能 进行验证，已经成为降低产品测试成本和缩短产品上市时间所需要面对的重要挑 战。 2 1 集成电路测试的必要性 随着集成电路应用领域扩大，大量用于各种整机系统中。在系统中集成电路 往往作为关键器件使用，其质量和性能的好坏直接影响到了系统稳定性和可靠性。 如何检测故障剔除次品是芯片生产厂商不得不面对的一个问题，良好的测试 流程，可以使不良品在投放市场之前就已经被淘汰，这对于提高产品质量，建立 生产销售的良性循环，树立企业的良好形象都是至关重要的。次品的损失成本可 以在合格产品的售价里得到相应的补偿，所以应寻求的是质量和经济的相互制衡， 以最小的成本满足用户的需要。 作为一种电子产品，所有的芯片不可避免的出现各类故障，可能包括：1 固 定型故障；2 跳变故障；3 时延故障；4 ：开路短路故障；5 桥接故障，等等。测试 的作用是检验芯片是否存在问题，测试工程师进行失效分析，提出修改建议， 从工程角度来讲，测试包括了验证测试和生产测试两个主要的阶段。 一款新的集成电路芯片被设计并生产出来，首先必须接受验证测试。在这一 阶段，将会进行功能测试、以及全面的交流( a c ) 参数和直流( d c ) 参数的测试等， 也可能会探测芯片的内部结构。通常会得出一个完整的验证测试信息，如芯片的 工艺特征描述、电气特征( d c 参数、a c 参数、电容、漏电、温度等测试条件) 、 时序关系图等等。通过验证测试中的参数测试、功能性测试、结构性测试，可以 8 第二章集成电路测试技术 诊断和修改系统设计、逻辑设计和物理设计中的设计错误，为最终规范( 产品手册) ，测量出芯片的各种电气参数，并开发出测试流程。 当芯片的设计方案通过了验证测试，进入生产阶段之后，将利用前一阶段设 计好的测试流程进行生产测试。在这一阶段里，测试的目的就是对被测芯片进行 “p a s s 或“f a i l 判断。由于要每一片芯片进行生产测试，所以测试成本是这 一阶段的首要问题。出于此种目的，测试的效率很关键，生产测试生产没有验证 测试那么全面，测试通常所采用的测试向量集不会包含过多的测试向量，但是必 须有足够高的模型化故障的覆盖率以满足质量上的要求。 2 2 集成电路测试的分类 依照器件开发和制造阶段、采用的工艺技术、测试项目种类以及待测器件等 的不同，测试技术可以分为很多种类。器件开发阶段的测试包括： 1 晶圆测试( w a f e rt e s t ) ：对裸露的、尚未切割的每颗晶圆进行探针测试。 测试过程中，要让测试仪的探针与晶粒上的节电接触，测试晶粒的电气特性不合 格的晶粒会被标上记号。探针卡的阻抗匹配和延时问题必须加以考虑，以便于时 序调整和矫正。 2 生产测试：晶圆上的芯片经过封装后，对成品进行全面的电性能测试 3 老化测试：通过生产性测试的产品并不是完全一致的，在实际应用当中， 有些会很快失效，而有些会能长时间正常工作。老化测试是通过一个长时间的连 续或周期性的测试使不耐用的器件失效，从而确保老化测试后器件的可靠性。老 化测试分为静态老化测试和动态老化测试。静态老化测试是在给器件提供供电电 压下，提高器件的工作温度，对其寿命进行测试。动态老化测试是在静态老化测 试的基础上施加激励嘲。 4 质量控制测试：为确保生产产品的质量，对准备出厂的合格器件进行抽样 测试，确保良品的合格率。 目前，集成电路针对不同的应用场合分为民用标准级、工业标准级和军用标 准级别，不同的级别参数测试的标准高低不同。图2 1 集成电路一般的测试流程： 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 - ii c 测试流程 2 3 集成电路测试的原理与方法 通常的按测试项目种类分主要包括： 1 逻辑功能测试：根据被测器件的真值表，设计向量，对器件逻辑功能进行 测试。 2 直流参数测试：在d u t 的引脚上施加电流或电压，测出具体的参数数值。 测试项目包括：开路短路测试，输出驱动电流测试，漏电电流测试，电源电流测 试，转换电平测试等。 2 3 1 数字器件的逻辑功能测试 逻辑功能测试是旨在于检查被测器件在类似实际使用的环境下是否能实现其 预期逻辑功能的一类测试，也就是我们常说的功能测试。功能测试根据被测器件 1 0 第二章集成电路测试技术 的真值表、状态方程、测试图形来测试器件的逻辑功能。功能测试是全集的，测 试向量集不会包含多余的测试向量，但必须有足够高的故障覆盖率。在电路中传 输的逻辑“i o 是由带定时特性和电平特性的波形，与波形形状、脉冲宽度、脉 冲边缘或斜率以及上升沿和下降沿的位置都有关系。功能测试关注的重点是测试 图形产生的速度、边沿定时控制的特性、输入输出控制和屏蔽选择。 参照被测器件( d u t ) 的器件手册，考虑各个方面的性能，必须仔细检查下列 项的准确值： 被测器件电源电压最小值最大值； v v 删( 输出电压) ： v 。j v 。( 输入电压) ； i 乱i 删( 输出负载电流) ； 动态电流负载参考电平v r e f ； 测试频率周期； 输入信号时序( 时钟建立时间保持时间控制信号) ； 输入信号波形编码方式； 输出时序( 在周期内何时对输出进行采样) ； 向量序列( 向量文件内的开始停止位置) 。 从上可以看出，逻辑功能测试中需要配置大量的资源信息，主要由两大块组 成，一是测试向量文件，另外一块是包含测试指令的主测试程序。测试向量代表 了测试待测器件所需的激励输入和期望输出的逻辑状态。主测试程序设定测试速 率、引脚部件电平值、输入通道的编码格式、波形和时序等所必需的信息。从向 量存储器里输出的数据与时序，编码格式以及电平数据结合在一起，通过引脚电 路施加给被测器件。输入的测试数据就包含测试向量、输入信号时序、输入信号 格式化编码、输入电平组等。 执行功能测试时，设定必要的初始程序、合理的电平和电流值和定时条件后， 测试系统逐个周期的给d u t 提供激励，同时在一个周期内对d u t 的输出进行监测， 输出信号与测试向量表示的期望值相互比较，如果输出引脚输出的逻辑状态与期 望不相符合，则功能测试失效。 电子科技大学硕士学位论文 铡试向量 电子引脚 输入状态- 翻 ( 1 1 1 0 0 1 0 1 ) 向量格式化 皇码 驱动器开关 、 定时发生器 哪心羔 w 甚 i 1 0 眦 啦 输出状态 、 输出结果采样 j 姬f ( l 咖l 昵l l ) 图2 2 集成电路逻辑功能测试原理图 对输出响应的检测有两种方法。 一种方法称为比较法： 输入激励同时应用于被测电路和一个称为金器件( 设为无故障) 的相同器件， 比较两者输出响应即可判断被测电路正确性。这种比较法一般适用于比较简单的 标准中小规模( s s i 、m s i ) 电路的测试。 第二种方法称为存储响应法： 在计算机的控制下，被测器件的测试集存放在测试系统高速缓冲存储器中。 测试时，测试图形根据测试主频逐排读出，输入激励顺次施加于被测器件，逐拍 与期望响应作为比较。如果比较结果全部一致，则证明器件功能合格；否则称器 件功能失效。这种方法涉及大量测试数据的存储和读出操作，但它具有相当的灵 活性，也适用于时序电路的测试。该方法的优点是可以根据测试要求，在确保一 定的测试可接受的前提下，将一个很长的测试集进行压缩，这样不仅节省了存储 空间，而且加快了测试速度，因此存储响应原理为众多测试系统所采用。测试的 顺序为测试矢量一被测电路一与标准响应比较一结果分析。 1 2 第二章集成电路测试技术 图2 - 3 存储响应法 2 3 1 1 测试周期及输入数据 1 测试周期 测试周期是测试器件过程中的工作频率，为每一条测试向量所持续的时间。 功能测试建立时序的第一步是定义测试周期的时序关系。 2 输入数据 激励给d u t 的数据是含有时序和电平信息的，一般由以下因数构成： 测试向量； 输入信号格式化编码组； 输入信号电平组； 输入信号时序组。 激励给d u t 的输入信号是以测试向量数据形式存储的逻辑“i 0 ，而代表逻 辑“i 0 的电平则由电子引脚中的v 。l l v ，。参考电平规定的。输入信号要求设置为 包含唯一格式化编码方式和设定时序更为复杂的数据形式，主程序中会包含这些 信息并通过相应的代码实现设置。 3 输入信号格式 根据d u t 输入引脚的特性，设定其输入信号的编码格式以完成功能测试，使 用得当还可以保证规格书定义的所有交流参数被测试。信号格式与测试向量、时 沿设定及输入电平组合起来作为d u t 的输入信号波形。图2 4 给出了一些信号格 式的简单描述。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 向量数据厂 = = q ：厂 时沿设定n0 n 00n 眦厂 厂 d n r z 厂 厂一 r z 厂厂 r o 厂 厂一 s b c 厂 几r 厂 厂 图2 _ 4 信号格式化编码 n r z ( n o nr e t u r nt oz e r o ，不返回) ： 代表存储于向量存储器的实际数据，它不含有时沿信息，只在每个周期的起 始点( t o ) 发生变化。 d n r z ( d e l a y e dn o nr e t u r nt oz e r o ，延迟不返回) ： 顾名思义，它和n r z 一样代表存储于向量存储器的数据，只是周期中数据的 转变点不在t o 。如果当前周期和前一周期的数据不同，d n r z 会在预先定义的前延 处发生跳变。 r z ( r e t u r nt oz e r o ，归零码) ： 当数据为逻辑“1 时提供一个正向脉冲，数据为逻辑“0 时则保持为低状 态。r z 信号含有前( 上升) 沿和后( 下降) 沿这两个时间沿。当相应引脚的所有 向量都为逻辑“1 ”时，用r z 格式则等于提供正向脉冲的时钟，脉宽是可以调节 的。一些上升沿有效的信号，如芯片的片选( c s ) 信号，会要求使用r z 编码格式。 r 0 ( r e t u r nt oo n e ，归一码) ： 当数据为逻辑“0 时提供一个负向脉冲，数据为逻辑“1 时则保持