（检测技术与自动化装置专业论文）多通道高精度集成电路直流参数测试.pdf

姐 r 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：扯日期： 。f 。年彳月岁日 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：耻导师签名：二砬 日期：年月日 摘要 摘要 集成电路是当今三大信息产业之一，集成电路的飞速发展必然带动集成电路 测试装置的不断更新，从而降低集成电路生产成本，提高i c 生产效益。集成电路 测试是保障芯片内部电路质量的主要测试手段，集成电路测试已经受到许多国家 的高度重视，因此研究集成电路测试具有非常重要的实际意义。 论文出于实际应用设计了集成电路测试仪，介绍了多通道集成电路测试板的 设计与研究。本设计主要针对中小规模集成电路的测试。论文首先阐述了课题研 究背景，从实际应用需求角度出发设计了集成电路测试仪。进而对国内外发展情 况进行了详细的分析，探究国内外集成电路测试装置的研发成果，集成电路测试 仪分别有低档中档高档三个档次，不同档次的测试仪的测试对象不相同。国内主 要是中小规模的集成电路测试仪的研发和设计，对于大规模的超大规模的集成电 路测试系统的研究与国外发达国家的技术水平相比差距比较大，国内i c 生产企业 对大规模集成电路的测试仍然依靠国外进口测试仪进行测试，大大增加了生产成 本，不利于国内集成电路行业的发展，亟需研究出高速、低功耗、高性价比的集 成电路测试系统，用以改变当前测试系统匮乏的局面。 随着i c 器件集成度的不断提高，芯片管脚数目也越来越多，测试速度也要求 越来越高。以往的逐个引脚测试已经不能适应集成电路的高速发展，多个引脚、 多个站点同时测量成为测试系统必须具备的基本功能。本文中设计的多个独立通 道同时施加测量，采用了a d 公司最新研制的四单元p m u 芯片a d 5 5 2 2 ，内部有 四个可编程电流量程，每个通道都包含电压和电流箝位功能，一个窗口比较器用 于t 模式测量。提供外部可扩展大电流量程。 设计中采用a d 5 5 2 2 的s p i 串口进行数据的传输，通过2 9 位控制字控制芯片 内部寄存器来完成测量，可完成f v m i ，f i m v ，t e s t 等测量模式。通过f p g a 对芯片进行逻辑控制，主要设计了s p i 串口逻辑、串并转换程序和外部扩展量程 的继电器控制逻辑。对实验数据进行了多次测量分析，进行了芯片内部校准和外 部软件校准，最后得出的测量结果基本达到设计指标。 关键词：集成电路测试，a d 5 5 2 2 ，多通道 - 一 a b s t r a c t a b s t r a c t i ci sc u r r e n t l yo n eo ft h et h r e em a j o ri n f o r m a t i o ni n d u s t r y , w i l li n e v i t a b l yb r i n g a b o u tt h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i t si n t e g r a t e dc i r c u i tt e s t i n gd e v i c e c o n t i n u o u s l yu p d a t e d ，t h e r e b yr e d u c i n gt h ei cp r o d u c t i o nc o s t s ，i n c r e a s ei cp r o d u c t i o n i ct e s t i n gi sam e t h o dt op r o t e c tt h eq u a l i t yo ft h ec i r c u i tc h i p ，i n t e g r a t e dc i r c u i tt e s t i n g h a sb e e na t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c et om a n yc o u n t r i e s ，s ot h er e s e a r c hi ct e s th a sv e r y i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n , w ed e s i g ni n t e g r a t e dc i r c u i tt e s t e r , t h e ni n t r o d u c e m u l t i - c h a n n e li n t e g r a t e dc i r c u i tt e s tb o a r dd e s i g na n dr e s e a r c h t h i sd e s i g na i m e da t s m a l la n dm e d i u m s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i tt e s t i n g f i r s to fa l l ，t h er e s e a r c hp a p e r d e s c r i b e dt h eb a c k g r o u n d ，ap r a c t i c a l p o i n t o fv i e w a p p l i c a t i o n sd e s i g n e d i n t e g r a t e dc i r c u i tt e s t e r f u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ed o m e s t i ca n dd e t a i l e da n a l y s i s c a r r i e do u tt oe x p l o r et h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t so fi n t e g r a t e dc i r c u i tt e s t e q u i p m e n t , i n t e g r a t e d c i r c u i tt e s t e rw e r et h r e e g r a d e s o fl o w g r a d e m i d - r a n g e h i 曲一g r a d e , d i f f e r e n tg r a d e so ft h et e s t i n gi n s t r u m e n tt e s to b j e c ti sn o tt h es a m e m a i n l y s m a l la n dm e d i u m s c a l ed o m e s t i ci n t e g r a t e dc i r c u i tt e s t e ro ft h es t u d ya n dd e s i g nf o r l a r g e s c a l eu l t r a - l a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i tt e s ts y s t e mo ft e c h n i c a ls t a n d a r d si n d e v e l o p e dc o u n t r i e sa n dt h eg a pc o m p a r e dt ol a r g e r , d o m e s t i ci cp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e l s it h et e s t i n gi ss t i l lr e l y i n go nf o r e i 班i m p o r t st e s t e rf o rt e s t i n g ，g r e a t l yi n c r e a s e d p r o d u c t i o nc o s t s ，i s n o tc o n d u c i v et ot h ed o m e s t i ci c i n d u s t r y , n e e dw o r k o u t h i g h s p e e d , l o wp o w e r , c o s t e f f e c t i v ei ct e s ts y s t e m st oc h a n g et h ec u r r e n tt e s t i n g s y s t e ms h o r t a g es i t u a t i o n i cd e v i c ei n t e g r a t i o nw i t ht h er i s i n gn u m b e ro fm o r ea n dm o r ec h i pp i n s ，t e s t s p e e dr e q u i r e m e n t sa r eh i 曲t h ep r e v i o u so n eb yo n ep i nt e s tc a n n o ta d a p tt ot h er a p i d d e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i t s ，an u m b e ro fp i n s ，m u l t i p l es i t e ss i m u l t a n e o u s l y m e a s u r eat e s ts y s t e mm u s th a v et h eb a s i cf u n c t i o n s t h i sa r t i c l ew a sd e s i g n e dt o i m p o s ean u m b e ro fi n d e p e n d e n tc h a n n e l ss i m u l t a n e o u s l ym e a s u r e d ，u s i n gan e w l y d e v e l o p e dq u a dp a r a m e t r i cm e a s u r e m e n tu n i ta d 5 5 2 2 ，丽t l lf o u rp r o g r a m m a b l e c u r r e n tr a n g e s ，e a c hc h a n n e li n c l u d e sf vv o l t a g ec l a m p sa n df ic u r r e n tc l a m p s ，a a b s l r a c t w i n d o wc o m p a r e du s e di nt - m o d em e a s u r e m e n t a d 5 5 2 2c a l lb ee x t e n d e dt op r o v i d e 趾e x t e r n a lh i g hc u r r e n tr a n g e w eu s e da d 5 5 2 2s p i s e r i a ld a t at r a n s m i s s i o n ，t h r o u g ht h e2 9 b i t sc o n t r o lw o r d s c o n t r o l t h ec h i pi n t e r n a lr e g i s t e r st oc o m p l e t et h es u r v e y , t ob ec o m p l e t e db yf v m i ， f i m v , t e s ta n do t h e rm e a s u r e m e n tm o d e o nt h ec h i pt h r o u g ht h ef p g al o g i cc o n t r o l ， t h em a i nd e s i g no ft h es p is e r i a li n t e r f a c el o g i c ，s t r i n g ，a n dt h ec o n v e r s i o np r o c e s sa n d e x t e r n a le x p a n s i o no fr a n g eo ft h er e l a yc o n t r o ll o g i c t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n a l y s i so f s e v e r a lm e a s u r e m e n t sc a r d e do u tc h i pc a l i b r a t i o na n de x t e r n a ls o f t w a r ec a l i b r a t i o n ，t h e c o n c l u s i o nt h a tt h em e a s u r e dr e s u l t sm e e tt h es p e c i f i c a t i o n k e y w o r d s ：i ct e s t i n g ，a d 5 5 2 2 ，m u l t i c h a n n e l n l 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 国外发展情况3 1 3 国内研究情况5 1 4 课题主要研究内容7 第二章集成电路直流参数测试仪总体介绍9 2 1 测试仪基本组成和功能9 2 2 系统硬件组成1 0 2 3 接口部分1 1 2 4 模拟部分1 1 2 4 1 大功率模拟板1 l 2 4 2 多通道模拟板1 2 2 4 3 带隔离模拟板1 3 2 5 数字部分1 3 2 5 1 数字测试板1 3 2 5 2 时间频率测试板1 4 2 6 本章小结1 4 第三章多通道集成电路参数测试的硬件设计1 5 3 1 多通道直流参数测试电路设计目标1 5 3 2 设计方案及特色1 5 3 3 设计结构图1 6 3 4 接口总线1 7 3 5 精密测量单元a d 5 5 2 2 1 8 3 5 1a d 5 5 2 2 基本功能n 们和内部电路1 9 3 5 2a d 5 5 2 2 内部寄存器2 1 3 5 3 补偿电容的选择2 9 3 6a d 5 5 2 2 控制实现2 9 3 7 工作模式3 2 i v 目录 3 7 1 施加电压测电流( f i ) 3 2 3 7 2 施加电流测电压( f i m v ) 3 4 3 7 3t e s t 模式3 5 3 8 扩展量程的实现3 5 3 9 本章小结3 6 第四章多通道集成电路测试板驱动设计3 8 4 1f p g a 逻辑总体介绍3 8 4 2 地址译码实现3 8 4 3a d 5 5 2 2 时序逻辑分析3 9 4 4s p i 模块实现4 1 4 5a d 模块实现n 4 3 4 6 驱动函数设计4 5 4 6 1 底层测试函数设计流程图4 5 4 6 2 底层驱动代码4 6 4 6 3f v m v 函数变量参数说明4 7 4 7 本章小结4 8 第五章实验结果分析以及误差校准4 9 5 1 误差分析4 9 5 2 芯片内部校准5 1 5 3 软件校准5 2 第六章结论和展望5 7 致谢5 8 参考文献5 9 攻读硕士期间取得的研究成果6 l v 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 进入2 1 世纪，随着科技的不断发展进步，集成电路测试技术已成为发展集成 电路产业的三大支撑产业技术之一。集成电路在现代i c 产业中的应用超过了四分 之一，任意一块集成电路都是为完成一定的电参数特性而设计集成的单片电路， 集成电路参数的测试就是运用各种方法，检测那些在制造过程中由于物理缺陷等 各方面引起的芯片不稳定，电特性无法达到设计要求的次品，保障电子芯片产品 的性能和质量指标，进而抬升i c 产品的成品率，提高经济效益。如果存在无缺陷 的集成电路设计产品的话，集成电路的测试也就不需要了。但是由于实际集成芯 片的生产过程所带来的以及生产材料本身带有或多或少的缺陷，这是不可避免的， 因而无论怎样设计生产的集成芯片都存在不合格产品，因而集成电路测试是分析 集成电路是否存在缺陷的主要手段，在集成电路设计制作过程中占有不可或缺的 重要地位。 因此，集成电路测试仪的开发与研制受到了许多国家的高度重视。 传统的集成电路测试主要是依靠示波器或万用表来判断一些芯片( 诸如t t l 芯片、c m o s 芯片) 管脚功能的好坏，孤立了集成电路的设计、调试验证、生产 三个环节，需要重复多次测量，浪费大量的生产时间，因而不能适应当今大规模 的集成电路芯片量产的需求，而且传统的测试方法成本较高，不利于提高生产效 率。对于大规模i c 测试来说，需要研制更为高速、低功耗、多通道的有效测试程 序，来满足当今大规模集成电路的量产需求。 集成电路直流测试系统从上世纪产生发展到现在大致经历了四个时代【l 】。 第一代集成电路测试始于1 9 6 5 年，测试的对象主要是小规模的集成电路，可 测试的管脚数为1 6 个。采用简单的电阻、电容电路搭建，输入固定的测试序列， 来完成对集成电路芯片管脚的直流参数测试。 第二代集成电路测试发展始于1 9 6 9 年，计算机的飞速发展，处理速度的加快， p c 已达到控制测试系统基本程序的水平，测试的对象也扩展到中规模的集成电路， 可测试的芯片管脚数达到2 4 个，取得了重大的成就。 电子科技大学硕士学位论文 第三代集成电路测试始于1 9 7 2 年，测量对象发展到大规模的集成电路( l s i ) ， 可测试的芯片管脚数达到6 0 多个。随着大规模和超大规模集成电路的出现，测试 对象也发展为大规模的、超大规模的集成电路( l s i v l s i ) ，可测试的芯片引脚增 加到1 2 8 个。不但能够测试c m o s 电路，也能测试t t l 、e c l 电路。这时作为独 立发展的半导体自动测试仪器，无论其软件、硬件都已经很成熟。 第四代测试系统的发展从1 9 8 0 年开始，测量的对象为超大规模集成电路 ( v l s i ) ，可测试的芯片管脚数达到2 5 6 个。测试系统的技术水平进一步提高，能 够与计算机辅助设计( c a d ) 连接，自动产生测试代码序列，增强了数字测试与 模拟测试的融合，能够满足数模混合电路测试的要求。 集成电路的集成度和产品性能的增长遵循摩尔定律，平均每1 8 个月就增加一 倍，。据专家预测，今后几十年，集成电路技术及其产品仍将遵循这一规律发展。 集成电路测试测试对象种类不同可分为存贮器测试仪、数字集成电路测试仪、 模拟与数字混合信号的集成电路电路测试仪，还有在线测试系统和验证系统等。 由于大部分测试仪的测试对象、测试方法以及测试内容不同，且差异比较大，因 此不同测试仪在结构、配置和技术性能上相对差异比较大。 集成电路根据测试的目的不同可以分成以下几大类： ( 1 ) 验证测试：验证性测试是在芯片投产之前进行，目的是为了确保电路设 计的正确性，测试芯片电路的功能指标，在测试过程中，在不同的环境条件下反 复测试，得出芯片电路的参数特性指标，也叫特性测试。 ( 2 ) 生产测试：生产测试是芯片大批投产后在常温的环境下进行的测试，测 试范围相对要小。主要是为了测试芯片是否合格，为了节约测试成本， ( 测试时 间、硬件成本等等) ，未必测试芯片所有的功能和参数，只是判断是否满足性能指 标，是否为合格品。 ( 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，而有些会在很长时间正常工作。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， 一般采用高温进行老化测试，因为高温能够加速暴露器件的潜在失效。 ( 4 ) 成品测试：在将采购来的器件集成到系统之前，通常应进行成品检测。 成品测试需要根据具体情况进行全面的或是简单的测试【2 1 。 根据测试对象来分，集成电路测试可以分为圆片测试和成品测试，圆片测试 是圆片制造的最后一道工艺，由测试仪结合分选机完成，而成品测试是对封装好 的电路进行测试，有测试仪结合分选机完成。 2 第一章绪论 2 1 世纪初，s o c 技术出现，s o c 技术成为迅速发展起来的超大规模集成电路的 主流技术。s o c 采用先进的超深亚微米c m o s 工艺技术，从整个系统的角度出发， 将处理机制、模型算法、嵌入式软件等各层次电路直至器件的设计紧密结合在单 个芯片上，完成整个系统的功能。随着s o c 应用的日益普及，在测试程序生成、 工程开发、硅片查错、量产等领域对s o c 测试技术提出了越来越高的要求， 传统的测试和验证方法已不能满足大规模集成电路测试的需求，基于c o r e 的 系统级集成芯片要求芯片设计者必须改变传统的设计开发方式，以便缩短上市时 间，扩大销售额。随着集成芯片技术的不断发展，一种嵌入式的测试方法应运而 生，它能使开发者在较短的时间内生产出高质量的合格产品。提高经济效益且大 大减少了系统验证、检测和调试的时间。 论文提出了多通道的集成电路参数测量技术，应用于解决当今集成电路测试 技术的飞速发展带来的相关问题。多通道技术是针对集成度越来越高，芯片管脚 数目也随之增加的情况而提出的，多通道测试技术的应用提高了自动测试设备的 d u t 的可测试性( a t e ) 的能力，提供一个独立的测试床，或嵌入到更大的系统 测试功能，国产集成电路直流参数测试系统虽有一定的发展，但在品种、测试技 术和工艺水平上与国外的同类产品相比都有较大的差距。器件引脚越来越多，要 求测试站点也有所增加，如果单纯的靠过多的芯片实现多个通道同时测量，势必 会增加电路板功率，噪声干扰严重，功率消耗增加。 多通道的集成电路测试技术的可编程逻辑，如现场可编程门阵列( f p g a ) ， 实现关闭加载a t e 测试逻辑和功能。在以前需要的应用f p g a 速率低，但测试通 道数又要求比较多。随着f p g a 技术的迅速发展，多通道集成电路测试技术现在 可以执行大部分的a t e 测试功能，同时保持和超过他们的表现。这种方法的复杂 程度可以达到同时大幅度降低了当前的测试系统的成本。此外，f p g a 技术的快速 发展超出了自动测试的测试策略，使得多通道测试拥有更广大的发展和改善空间。 为了说明这一方案的可行性，一些应用软件的开发和分析，包括集成电路和 p c i 总线系统的运作，这些应用程序已被证明在5 0 m h z 运行速度的匹配和超过现 代自动测试规范。更多的应用是计划在不久的将来，远远超过这些。 1 2 国外发展情况 国外集成电路测试技术已经发展到相当高的水平，针对不同的测试对象开发 电子科技大学硕士学位论文 了相应的测试系统。根据相关部分的统计预测，2 0 0 3 年全球i c 市场为两百多亿美 元，其中亚太地区对模拟与混合信号集成电路的需求量占据了一半，并且每年递 增11 个百分点，预计2 0 0 6 年亚太区域i c 市场将达到1 4 0 亿美元而成为全球需求 量最大且增长速度最快的i c 技术集中地。 集成电路测试系统的水平是集成电路测试产业的重要标志，高水平的集成电 路测试系统主要集中在集成电路生产大国美国和日本。美国有h p 公司、t e r a d y n e 公司、s c h l u m b e g e r 公司、c r e d e n c e 公司、i m s 公司、l t x 公司，日本有a d v a n t e s t 公司、安腾等著名公司。目前台湾地区半导体设计公司有1 1 5 家，制造公司有2 0 家，封装公司有3 6 家，测试公司有3 0 家。国外集成电路测试系统主流产品仍是 4 0 m h z 速率、2 5 6 脚的测试系统。体系结构以各种p e rp i n 为主流。其中s e q u e n c e r p e r p i n 的测试系统较为先进。 目前国际上测试系统根据测试对象的不同主要有三大类【7 】： ( 1 ) 高端产品：测试对象主要针对高性能的c p u 、d s p 、高速、大容量的存储 器及高端的s o c 、a s i c 电路。 ( 2 ) 中端产品：主要测试速率在几十兆到几百兆之间，测试通道在几十个到几 百个之间的。其特点为：一般采用新型高速、高密度、低功耗m o s 器件，在测试 精度、速度、测试范围做了优化调整，使测试系统的体积、功耗、成本都大为降 低。主要测试对象是新型的消费类i c 、通用类的存储器、微控制器、数模混合i c 及不断出现的s o c 、a s i c 类芯片。 ( 3 ) 专用设备：对特定的测试对象而提出的最优设计的测试系统，针对性强， 专用性，其特点是结构相对简单，应用范围小。 以上产品成本低，但测试范围窄、适应性差。主要用于中低档i c 及特殊的集 成电路测试需求，对以上测试系统而言，每种系统都有其特定的测试范围。但最 受欢迎的测试设备必定是性价比最优的设备，能够提供较强的测试能力，适应较 宽的测试范围，且成本低的设备。此类设备能够满足大多数集成电路i c 测试的需 求。 国际上先进的测试设备制造商都针对主流集成电路测试市场推出中、高档测 试设备。但是任何一套测试设备或者系统都无法满足日益更新的测试需求。测试 性能、产品价格的矛盾，设备的适应性和复杂性的矛盾仍需解决。各大测试设备 制造商( 如泰瑞达、爱德万公司) 都先后提出了测试系统的开放和标准化设计， 使系统在设计配置上具有灵活性，可以不断的升级，快速的编程，以适应各种集 成电路芯片测试的需求，设计出性价比最优的系统。但目前国际化的测试系统开 4 第一章绪论 放性标准仍未形成。主要是各大测试设备制造商都希望采用各自的标准。所以目 前测试系统的开放标准都有局限性。 1 3 国内研究情况 国内的集成电路测试现状是尚未形成独立的集成电路测试产业。我国测试技 术的发展相对较晚，在技术水平上相对于国外发达国家的水平还有较大差距，我 国在7 0 年代初才开始集成电路测试仪的开发与研制。随着近几年测试技术的飞速 发展，国产的集成电路测试装置的水平，特别是自发设计的中小规模测试装置的 水平有了很大提高，国家对此给予了极大的重视。集成电路生产企业对芯片测试 的发展也给予了极大的支持与投入。国内研究或制造集成电路测试仪的研究所与 工厂主要有中国科学院计算技术研究所、半导体所、北京自动测试技术研究所、 光华无线电仪器厂( 7 6 7 厂) 、北京无线电仪器厂、北京科力公司等。国产集成电 路测试仪虽有一定的发展，但与国际水平仍存在较大差距。市场上各种型号国产测 试仪，中小规模占8 0 ，只有少数采用计算机辅助测试。大规模i c 测试系统由于 价格、可靠性、实用性等因素导致没有实用化。因此，大规模i c 测试系统主要依靠 进口解决国内的科研、生产与应用测试。 我国集成电路产业从诞生到现在，大致经历了三个发展阶段【l 】： 1 9 6 5 年1 9 7 8 年：以计算机和军工配套为目标，以开发逻辑电路为主要产品， 初步建立集成电路工业基础及相关设备、仪器、材料的配套条件； 1 9 7 8 年1 9 9 0 年：主要引进美国二手设备，改善集成电路装备水平，在“治散 治乱 的同时，以消费类整机作为配套重点，较好地解决了彩电集成电路的国产 化； 1 9 9 0 年2 0 0 0 年：以9 0 8 工程、9 0 9 工程为重点，以c a d 为突破口，抓好科 技攻关和北方科研开发基地的建设，为信息产业服务，集成电路行业取得了新的 发展。 国内测试产业的发展，据相关统计，虽然自上世纪8 0 年代起陆续有六五、七 五、八五等每五年为一期的国家科技计划支持，使得我国集成电路测试技术取得 一系列科研成果( 1 0 m h z 的数字测试系统、2 0 m h z 的内存测试系统、4 0 m h z 的数 字测试系统) ，但是这些成果并未得到进步的提高，不能满足i c 集成芯片生产 的需求，因此目前国内i c 生产线中的中、高档的测试系统仍然以国外进口为主， 电子科技大学硕士学位论文 基本上没有国内自发研制的中、高档的半导体集成电路测试设备或是测试生产线。 主要原因在于过去的几十年里，国内集成电路测试行业还未成型，因此没有足够 的大规模集成电路供以实验开发。目前国内已经装配i c 生产线的测试系统，主要 偏重在低端的数字测试系统、模拟及数字混合测试系统等。目前国内在更高档测 试能力上仍十分薄弱无法与国外发达国家相媲美。 随着集成芯片的集成度和性能不断的提高，芯片测试装置的测试速度和引脚 数也与日俱增，对测试装置的要求也向着高速、低功耗数模混合测试的方向发展。 特别是s o c 、a s i c 等性能较高的芯片的出现，以及i c 芯片工作时频、封装形式 日益复杂，集成电路行业对测试装置提出了更高的要求，要求测试装置在提高测 试速度的同时降低功耗，具有更高的性价比，这对芯片测试装置的可靠性也提出 了更高的挑战。随着i c 测试装置的测试能力大大改进，测试速度越来越快，测试 精度也越来越高，测试装置的可靠性就成为测试过程中非常重要的一部分。 芯片测试是集成电路生产过程中必须的环节，而测试速率和测试效率是关系 集成电路发展快慢的两个重要因素。当今芯片设计业高速发展，与之相比我国测 试行业的发展却相对落后，目前只有几家公司能独立完成芯片测试装置的研发和 设计，还不能满足i c 企业芯片研发和设计的验证测试要求，这很大程度上限制了 我国集成电路行业的发展。如今对于高端的集成电路的测试，主要还是依靠国外 进口测试装置进行测试，国内测试装置远远满足不了市场的需求。 在s o c 测试方面，客户急需那种能全面测试低端到高端芯片的解决方案，而 削减影响芯片单价的测试成本更是芯片制造商要解决的课题，测试服务公司或测 试设备供应商必须拿出针对各个芯片的低成本测试解决方案。进入s o c 时代以后， s o c 所需的测试验证费用越来越高，i c 供应商在测试上的花费接近产品总成本的 三成，这也意味着将带来巨大的商机。 全球半导体业发展到今天，集成电路测试贯穿在集成电路设计、芯片制造、 封装及集成电路应用的全过程，以前它被合并在制造业或封装业中，但随着人们 对集成电路品质的重视，再加上技术、成本和知识产权保护等诸多因素，测试业 目前正成为集成电路产业中一个不可或缺的独立行业。 测试既是集成电路产业链中的一环，也是集成电路产品验证出厂的关键，由 于测试技术含量高、知识密集，一直是我国集成电路产业发展的制约因素。近几 年来，对于刚刚提速的国内半导体业来说，其测试能力相对i c 设计、制造、封装， 这却是最薄弱的一环。特别是产品进入高性能c p u 、d s p 时代以后，高性能c p u 、 d s p 产品，每年都以5 0 以上，远高于其他i c 产品的速度发展，加上其作为高端 6 第一章绪论 产品，测试验证和生产费用越来越高，i c 供应商在测试上的花费接近产品总成本 的三成，这也意味着将给测试技术带来巨大的商机。 根据i n s t a t 公司2 2 6 年出具的中国集成电路产业报告分析得出的结论，相对 了比较成熟的集成电路封装企业来讲，中国国内的专业测试公司相对匮乏( 目前 不超过2 0 家) ，随着s o c 时代的到来，市场对独立的、专业的测试服务机构的需 求会越来越迫切。 根据我国集成电路产业发展总体规划和首都微电子产业发展规划，对集成电 路测试的要求，我所将着重开展下列各方面的研究、开发和生产，测试系统方面， 重点开发下列三种系统： 1 v x i 数模混合集成电路测试系统：测试速率2 5 m h z 。 该系统的最大特点是模块化设计，具有很强的扩展能力。其核心是设计高性 能板。该性能板由开关矩阵、可程控负载、比较器、模拟通道等组成，能达到最 佳性能价格比。 2 大型通用数模混合集成电路测试系统： 为了满足测试音响电路、电话机电路和电表电路直流及交流参数的需求，开 发该系统以用于集成电路生产厂进行芯片测试和成品测试，重点采用d s p 技术、 高精度。 3 超大规模数字集成电路测试系统：测试速率1 0 m h z ，管脚数1 2 8 。 在中、大规模集成电路测试系统的基础上，根据市场需求，研制超大规模数 字集成电路测试系统。开发的超大规模数字集成电路测试系统重点要向采用 c m o s 技术、高集成、高可靠性方向发展。 测试理论方法和测试应用技术方面，进一步围绕各种v l s i 、s o c 电路测试方 法、测试码生成、测试程序自动生成等开展研究、开发和应用工作。 在国家i c 集成电路基金的大力支持下，国产中、高档测试系统已经研制成功， 目前正逐步进入小批量生产阶段。相信不久的将来会逐步服务于国内i c 生产线中。 国内的测试技术水平也会达到相当的水平。 1 4 课题主要研究内容 本论文提出了多通道集成电路直流参数测量技术，分析了国内集成电路测试 技术的发展现状，从实际应用出发设计研发了多通道的直流参数测试板。 电子科技大学硕士学位论文 第二章主要介绍了集成电路直流参数测试仪的设计，首先介绍了测试仪的设 计原理结构框图，接着介绍了测试仪的硬件组成部分，对各个部分实现的功能指 标做了详细阐述。主要包括模拟部分和数字部分，其次还有接口部分和继电器控 制。 第三章介绍了多通道集成电路测试板的设计原理，针对设计目标制定相应的 设计方案。着重介绍了主要芯片精密测量单元a d 5 5 2 2 的基本功能，内部测试电路 结构原理，以及内部主要的控制寄存器和a d 5 5 2 2 的两种主要工作模式。最后介绍 了大电流量程的扩展方案。 第四章介绍了多通道测试板驱动程序的设计。分析了a d 5 5 2 2 的时序逻辑，针 对s p i 接口设计时序逻辑控制程序。介绍了地址模块，数据并转串模块的逻辑分 析和扩展量程的继电器控制设计。 第五章对实验结果的误差分析，从硬件和软件两方面进行校准，硬件主要是 a d 5 5 2 2 内部自带校准，软件方面是针对线性误差进行最小二乘法拟合校准。最后 分析校准数据，达到了设计指标。 第六章是本论文的总结以及对未来的展望。 第二章集成电路直流参数测试仪总体介绍 第二章集成电路直流参数测试仪总体介绍 2 1 测试仪基本组成和功能 测试仪结构示意图： 系统 p c i p c i 继电器 以些八接 1 篁垡卜 p c 机 板 d u t id u t 2 厂 口 厂 板 图2 1 测试仪结构示意图 测试仪基本功能： 本方案设计的集成电路测试仪具备以下功能： 1 ) 测试模拟集成电路、数字集成电路及数模混合集成电路。如运算放大器、 集成稳压器、电压比较器、模拟开关及t t l ，e c l ，c m o s 数字电路，包括微机外围 器件、静态r a m 、动态r a m 、e p r o m 和一定范围的专用集成电路。 2 ) 测试i c 器件的直流、交流及动态参数。如：开路短路测试、输出驱动电 流电压测试、漏电电源测试、电源电流测试、转换电平测试、精密运放的偏移电 压、偏移电流、增益带宽积等，具有良好的稳定性和测试精度。 3 ) 本系统可提供多达6 4 管脚的模拟i c 测试和3 2 管脚的数字i c 测试能力。 对6 4 管脚都可提供电压电流源的激励，可进行模拟i c 的直流参数的测量。对数 字i c ，每管脚可在测试过程中动态地设制成输入( 驱动) 、输出( 比较) 或三态， 驱动电平及比较电平可通过软件进行设置。在进行数字i c 功能测试的过程中，也 可对其时间参数进行测试。 本测试仪的测试时间快，测试集成芯片4 5 5 8 的1 0 项指标，总测试时间约为 5 0 0 m s ，平均每项指标的测试时间约为5 0 m s 。 系统稳定性好，失误率 1 0 0 k h z 2 n r o n c d u t 开关和电容将发生与a d 5 5 2 2f o h 引脚的电压范围相同的电压偏移。因此， 开关和电容的额定电压应考虑这一点。c f f 电容可以具有1 0 或以下的公差，这一 额外变量会直接影响建立时间，特别是在低电流的测量电流模式下。所选的 c c o m p 电容公差应不大于5 。表1 列出了不同负载电容下补偿电容c c o m p 和 c f f 的建议值。 表3 - 1 4 建议的补偿电容选择 一 c c o m pc f f l l o a d s ln f 1 0 0 p f 2 2 0p f s 1 0 n f 1 0 0 p f 1i l f s 1 0 0 n fc t o a d l 0 0c l o , w 10 3 6a d 5 5 2 2 控制实现 2 9 电子科技大学硕士学位论文 四通道p m ua d 5 5 2 2 可为d u t 提供强制函数和测量函数，但p 删外部需要进行 数字化处理。这可以通过下述方法实现： 每个p m u 通道均有一个专用的a d c ，从而可提供最快的吞吐速率和结果。 多个通道可共用一个a d c 。四个p m u 通道共用一个a d ca d 7 8 6 5 。在一些应用 中，可能有更多通道共用一个a d c ，例如8 个或1 6 个p m u 通道。 利用各m e a s o u t x 引脚的内部禁用功能，可以实现多个通道共用一个a d c 。这 就要求对p m u 寄存器执行写入命令，以使能或禁用相应的开关。如果选择这种方 法，则应注意，一次只能选择一个m e a s o u t x 通道。 本设计采用了1 4 位四通道a d ca d 7 8 6 5 能够处理m e a s o u t x 路径的0v 至4 5 v 输出范围，所以适合本应用。此外，如果希望升级路径，速度更快但尺寸相同的 其它a d c ( 例如1 6 位、5 0 0k s p s a d 7 6 8 6 ) 。 一些应用要求p m u 能够驱动各种大小的d u t 电容，尤其在p m u 与电源引脚相 连，或者p m u 用作器件电源，且存在d u t 的去耦旁路电容的应用中。这种情况下， 将一个外部开关而不是固定电容与c c o m p 引脚相连，可使附加c c o m p 电容得以接 通或断开，从而优化各种容性负载条件下的建立时间和稳定性。本设计采用增加 外部继电器扩展c c o m p 电容实现优化a d 5 5 2 2 功能。a d 5 5 2 2 的电源线路应采用尽可 能宽的走线，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的突波效应。快速开关数字 信号应利用数字地屏蔽起来，以免向电路板上的其它器件辐射噪声，并且绝不应 靠近参考输入。必须将所有v r e f 线路上的噪声降至最低。应避免数字信号与模拟 信号交叠。电路板相反两侧上的走线应彼此垂直，以减小电路板的馈通效应。像 所有薄型封装一样，必须避免弯曲封装，并且在组装过程中必须避免封装表面上 出现点负载。设计需要1 0v 输出范围，则a d 5 5 2 2 要求使用一个5v 基准电压源。 本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能， 必须采用适当的布局、接地和去耦技术。精心考虑电源和接地回路布局有助于确 保达到额定性能。安装a d 5 5 2 2 所用的印刷电路板( p c b ) 应采用模拟部分与数字部 分分离设计，并限制在电路板的一定区域内。如果a d 5 5 2 2 所在系统中有多个器件 要求a g n d 至d g n d 连接，则只能在一个点上进行连接。 本设计总线1 6 位数据并行输入，经过并转串写入a d 5 5 2 2 ，需要写两次总共 3 2 位数据，将后