teradyne j750数字信号测试机上实现混合信号测试硕士论文.pdf

分类号 冀为ss 与 密级 论文题目 一坠 壁堕羔望竺 墨壁塑主 童兰 测试机上实现混合信号测试 九 刍 p l 一 舷 薹业硕士学位论文 s p e c l a l l z e dm a s t e r sd l s s e r l i a t l 0 n 培养院系 篮 垦堂暄一一 专业学位名称 皇王量焦 垦王猩 论文 指导 作者 匙壁燮 教师 韭担塑副拯攮 南开大学研究生院 2 0 0 6 年4 月 嬲岁丁蚵鬻茅卿 爹 大mu爰甜 尚 口新月县 摘要 摘要 晶元 w i f e r 测试在集成电路制造过程中是一个非常重要的环节 它直接 影响到最终产品的品质和成本 随着半导体制造工艺的发展 芯片的功能越来 越强大 导致晶元的设计越来越复杂 集成度越来越高 从而使得测试成本也 大大提高 本论文探讨了利用t e r a d y i l ej 7 5 0 数字信号测试系统在l 9 3 s 混合信 号芯片上实现模拟数字混合信号测试的可能性 试图找出一种低成本的混合信 号测试方案 论文首先对j 7 5 0 测试系统的硬件结构进行分析 详细剖析了各部分电路的 功能 然后对l 9 3 s 芯片的模拟量测试项目进行研究 从测试信号的输入 输出 离散化 采样 处理等流程入手 研究l 9 3 s 芯片进行混合测试时 测试向量与 测试波形的产生 传输 检测 从而得知进行模拟量测试对测试系统硬件的要 求 通过以上分析发现j 7 5 0 测试系统之所以无法满足混合信号测试的要求 主 要是因为测试系统本身不能产生模拟量测试所需要的信号 对芯片的输出进行 采集后无法完成a d 转换和实时f f t 变换 在随后的实验中通过搭建简单模拟量测试平台验证了分析的正确性 找到 要在j 7 5 0 测试系统上完成l 9 3 s 模拟量测试 需要对硬件进行的改进 最后开 发了模拟量测试电路板 设计了新的探针测试接口板 在j 7 5 0 数字测试机上实 现了l 9 3 s 晶元测试过程中的混合信号测试 在论文的最后对测试结果进行了分析 通过同一片晶元在不同测试系统下 测试结果的比较 验证了方案的可行性 同时考虑了不同测试系统的测试时间 差异 计算出改进后产能的提高 为l 9 3 s 在j 7 5 0 测试系统上大规模生产提供 了数据 关键词 j 7 5 0 测试机晶元晶元探针测试混合信号测试 探针测试接口板 a b s h a c t a b s t r a c t i ni m e g r a t e dc i r c u i tm a n u f 犯t u r i i 坞 w a f e rt e s ti so n eo f 也ei m p o r t a n ts t 印s t h e t e s td n c t l ya 髓c t s 也eq u a l i t ra 1 1 dc o s to ff i n a jp r o d u c t s a 1 0 n g 谢也t h ed e v e l o p m e n t o fs e m i c o n d u c t o rm a n u f 犯t u r et e c h n 0 1 0 9 y m ef u n c t i o no f i cc h i p sb e c o m em o r ea i l d m o r ep o w 锄la 1 1 d 1 1 i g h e ri m e g r a t e d a n d t h ei c d e s i g ni s m o r ea 1 1 dm o r e c o r n p l i c a t e d t h e s ec h a n g e sm a k et h ec o s to f w a f e rt e s tg r e a t l yi n c r e a s e i n 也e 吐1 e s i s w ei m e n dt ot e s tm el 9 3 sc 1 1 i p am i x s i 印a ls o c u s i n gt e r a d y n ej 7 5 0d i g i t a l t e s t s y s t e m a n dp m v i d eal o wc o s tm i x s i g n a l t e s ts 0 1 u t i o n h 1m e m e s i s u s i n gm ek n o w l e d g el e 锄e db e f o r ea 1 1 dt 1 1 ee x p e r i e n c e s f i r s t l y w ea 工1 a l y z e dt h es y s t e ms 仃u c n l r eo f m ej 7 5 0d i g i t a lt e s t e ri nd e t a i l a n dd e s c 曲e d 廿l e f u i l c t i o no f e a c hp a r to f t h ep c b s s e c o n d l yw ea n a l y z e dt h et e s ti t e m so f l 9 3 sc l l i p w h i c hb e l o n g st om i x s i 印a lt e s t w i mm ea n a l y s i so fm et e s ts i g n a li n p u t o u 中m d i s c r e t i o n s 锄p l i l l ga i l dp r o c e s s i n g w es t u d i e dt 1 1 ew a y t om a 王 t h et e s tv e c t o ra n d s i 阱a lw a v e f o m a 工l dt h ew a yt o 扛a n s f e ra n dd e t e c tt h es i g l l a l t l l r o u 曲廿1 e s es t u d i e s w el l n d e r s t o o dm eh a r d w a r er e q u h dt ot e s tt h ea n a l o gc l l i pl 9 3 s w 曲廿1 ea n a l y s i s a b o v e w ef o u n dw h yt h ej 7 5 0t e s ts y s t e mc a n ts a t i s 母血er e q u i r e m e n to fm i x s i g n a l t e s ti st h a tm et e s ts y s t e mc a l l tf o ma n do u t p u tt h et e s ts i g l l a l sm 砒m a t c hm i x s i g n a l t e s tr e q u i r e s a n di ta l s oh a v e n tc o r n p e t e n c et or e a l t i m ea dc o n v e r s i o na 1 1 df f t n a n s f b 珊 1 1 1 廿1 ef o l l o w i l l ge x p e r i m e n t s u s i l l gas i i n p l ea 1 1 a l o g u et e s tp l a t f o h nb u i l tb y o l l r s e l v e s w ec o i l f m n e dt 1 1 ea n a l y s i sa b o v e a n df o u n do u t 也er e q u n dh a r d w a r e i r n p r o v e m e n to fj 7 5 0 w bd e s i 朗e dan e wc o n v e r s i o nt e s tb o a r da 1 1 dp r o b ei n t e f f a c e b o 砌 a n d i 也 1 e s ei 1 工1 p m v e m e m s w er e a l i z e dm el 9 3 sm i x s i 印a 1t e s ti nj 7 5 0 t e s ts y s t e m l a s t l y w ec o m p a r e 也et e s tr e s l l l t so fo n es a i n p l ew a f e ri nt w ot e s t p l a t f o 肌s a n dv a l i d a t em ef e a s i b i l i 可o f 恤i m p r o v 锄e n t b e s i d e s w ec a l c l l l a t e dt h e d i 毹r e n c eo ft e s tt i m e sb e 似e e n9 3 0 0 0a 1 1 dj 7 5 0 s y s t e m a i l dc a l c u l a t e d l e p r o d u c t i o nc a p a c 时a f t e ri r n p r o v e m e n t k e yw o r d s j 7 5 0t e s t e r w a f e r w a f e rp r o b et e 鸥m i x e ds i g n a lt e s t d r o b ei n f 犯eb o a r d i i 第一章绪论 第一章绪论 第一节超大规模集成电路测试发展现状 自从1 9 5 8 年 美国德州仪器公司和仙童公司各自研制发明了半导体集成电 路 i m e g r a t e dc i r c u j t i c 之后 发展极为迅猛 从小规模集成电路 s m a l ls c a l e h t e g r a t i o n s s i 经中规模集成电路 发展到大规模集成电路 l a r g es c a l e i n t e g r a t i o n l s i 然后发展到现在的超大规模集成电路 v e r yl a r g es c a l e i n t e g r a t i o n v l s i 及最近的特大规模集成电路 此时单片晶元 w 舵r 上集成的 门电路总数已经超过百万个 根据著名的摩尔定律 这一数字还在以每1 8 个月 增加一倍的速度增长 随着集成度的提高 单一芯片 c l l i p 的输入 输出 i 0 引脚从s s i 的十几根 逐渐增加到l s i 的几十根 进而激增到现在l s w l s i 的 几百根 同时芯片的功能也有了飞速的发展 不仅仅是完成早期简单的门电路 振荡器 开关电路等数字信号的处理 现在的系统芯片 s y s t e mo nc l l i p s o c 可以集成微处理器 数字信号处理 d p s 射频 r f 驱动等各种数字和模 拟信号的处理 随着集成电路规模越来越大 内部的功能越来越复杂 对制造设备 工艺 和过程的要求越来越高 制造一块i c 芯片通常需要4 0 0 到5 0 0 道工序 其中任何 一个工序出现问题就会在不同程度上造成产品无法满足设计者的要求 这种出 现问题的产品我们称之为次品 而生产这些次品的费用往往会被转嫁到好产品 的出售价格中 如果次品太多 那么少数好产品的价格就会过于昂贵 为了制 造出相对 完美 的产品来 就有了 测试 的概念 电子测试技术 就是应电子 产品设计和制造的需求而产生和发展起来的 电子产品从质量和经济两个方顽 受益于测试技术的发展和应用 在集成电路芯片的工业化生产过程中 质量和 经济实际上是一个产品不可分割的两个属性 一个好的测试过程能够满足最优 化 o p t i m i z e d 的质量 意味着能够在次品到达用户手中之前把它们淘汰出来 并 以最小的成本满足了用户的需求 i c 的生产概括起来说 一般分为两大部分 前道工序 f 幻n t e n dp r o d u c t i o n 和后道工序 b a c k e n dp r o d u c t i o n 前道工序包括 1 将粗糙的硅矿石转变成 高纯度的单晶硅 2 在晶片 w a f e r 上制造各种i c 元件 后道工序包括 1 对 第一章绪论 晶片划片 焊线 2 对i c 芯片进行封装 3 对芯片电性和功能进行测试 在现代集成电路生产过程中 由于测试设备所能提供的测试通道数 测试 通道深度和测试时间等测试资源是有限的 所以测试的成本越来越高 根据1 9 9 7 年国际半导体技术发展路线图 i n t e m a t i o n a lt e c l l l l o l o g yr 0 a d m a p f o r s e i l l i c o n d u c t o r i t r s 的预测 到2 0 1 2 年 芯片的测试成本将与制造成本持平 图1 1 芯片的制造成本与测试成本 如何降低测试成本 为客户提供即经济又可靠的产品是所有集成电路生产 厂家的一致要求 由于传统的后道测试是在完成了一个芯片所有工序后进行的 后面的工序无法知道前道工序的晶元是否存在电性和功能上的缺陷 而按照正 常的产品进行生产 这样如果出现次品 就会造成时间 设备 材料 人力的 大量浪费 更有可能造成无法按时向客户及时交货 前道测试我们称之为晶元测试 w a f e rt e s t 是在完成晶元生产后对上面集成 的电路进行各种电性和功能测试 将次品挑出来后 然后使用墨印器 i n k e r 将不合格的i c 芯片上打上墨印 或者直接记录下出问题的i c 芯片在晶片 w a f e r 上的坐标 生成晶元坐标图 w a f e rm a p 在后道工序中 切割晶片时 打上墨 印的i c 或者根据坐标图标出的次品i c 被丢弃掉 不进入下一生产工序 这样就 避免了在后道其它工序中人力和材料的浪费 而且可以根据晶元的测试结果分 析次品出现在前道制程的哪一环节 及时更正工艺参数或调整设备 以免出现 更多的次品 第一章绪论 图1 2晶片测试结果图 w a f e rm a p 第二节论文选题目的和意义 1 2 1 选题意义 l 9 3 s 芯片 代号n e p t u n el t e 是f r e e s c a l e 公司 原m o t o r o l a 半导体事业部 开发设计的一种专用系统芯片 s o c 被广泛应用在各种通讯领域 特别是手机 和基站中 世界上有超过7 0 的手机生产商在其产品中采用了n e p t u n el t e 芯片 的解决方案 l 9 3 s 内部集成了微处理器 m c u d p s 存储器 m e m o r y 和r f 处理功能 是一片功能非常强大的混合信号处理器 由于l 9 3 s 集成了数字 模拟和射频信号 所以测试项目复杂 测试周期长 尤其是模拟和数字信号需要不同的测试平台完成测试 随着客户订单的不断增 加 l 9 3 s 的测试产能明显不足 生产出来的产品无法及时完成测试交给客户 如果购买新的混合信号测试机来提高测试产能 每台测试机将近2 0 0 万美元 而 且交货周期很长 无法马上应用到生产 t e r a d y n e 公司的j 7 5 0 自动测试机是一种高度集成化的数字信号测试机 是为 了满足半导体生产厂商低成本数字信号测试需要而开发的 在f r e e s c a l e 天津公司 晶园探针测试部现安装有2 0 台 用于不同型号产品的晶元测试 其中l 9 3 s 的数 第一章绪论 字信号测试部分全部由其来完成 但由于j 7 5 0 是一种数字信号测试系统 无法对 l 9 3 s 的模拟量信号进行测试 所以这一部分的测试需要使用安捷伦公司 a g i l e n t 的9 3 0 0 0s o c 测试系统来完成 由于9 3 0 0 0 测试系统价格昂贵 f r e e s c a l e 天津公司 的装机量只有5 台 而且还有其他的s o c 晶园需要在9 3 0 0 0 上进行测试 这就严重 的影响了l 9 3 s 的产能 另一方面 由于晶园测试是使用探针 p r o b e 与晶园上的焊盘 p a d 或凸块 b u m p 直接接触来输入或输出信号 如果测试次数过多 就会对p a d 或b u m p 造 成损坏 导致在后道的焊线 w i r eb o n d 工序无法在芯片上打线 造成大量次品 按照晶园测试的的规定 一般对同一p a d 或b 硼叩的探针测试不允许超过3 次 如 果对l 9 3 s 采用以往的测试流程 先在j 5 0 上完成数字信号测试后再转到9 3 0 0 0 上 进行模拟量信号测试 每一个p a d 或b u i n p 至少要被接触2 次 大大增加了次品的 产生 如果能够在j 7 5 0 上实现l 9 3 s 的混合信号测试 将所有的测试项目全部在j 5 0 测试系统上完成 将极大的改善当前测试产能不足的状况 而且能够减少对产 品质量的潜在影响 1 2 2 本研究的目的和预期目标 通过对j 7 5 0 测试系统的分析 完成其硬件和软件部分的改进 使j 7 5 0 测试系 统具备测量模拟量信号的能力 从而实现l 9 3 s 晶元在j 7 5 0 测试系统上完成混合 信号测试 同时保证测试结果的准确和可靠 本项目开始于2 0 0 5 年2 月 由于j 7 5 0 的设备供应商t e m d y n e 不能单独为我们 提供解决方案 所以只能依靠公司内部各部门合作来完成 同时 t e r a d y t l e 不可 能向我们提供j 7 5 0 测试系统硬件结构的详细图纸和资料 而其中对j 7 5 0 硬件结构 的分析和改进是项目成功最关键的部分 所以对j 7 5 0 硬件结构的分析成为我们首 要的任务 本人在f r e e s c a l e 公司后道测试工作3 年 前道晶片测试工作1 年 曾在t e m d y i l e 公司接受过j 7 5 0 测试机硬件结构和软件开发培训 对j 7 5 0 测试平台有比较丰富的 经验 利用j 7 5 0 这种数字信号测试机完成混合信号的测试是本人在公司正在研究 的主要课题 4 第二章晶元自动化测试系统 第二章晶元自动化测试系统 第一节测试设备介绍 晶元在生产工厂 w a f e r f a b r i c a t i o n 生产出来后 需要先经过探针测试 p r o b e t e s t 然后再送到后段工序进行切割 焊线和封装 最后经过电测 包装出货 探针测试目的是对每个芯片进行逐一的电性测试 来决定哪一个芯片通过 测试 哪一个芯片未通过测试 未通过测试的芯片被视为坏品 将在印墨迹工 序中被点上墨点 或者在砒如r m a p 文件中记录下次品的坐标 有墨点的芯片在 后工序中不会封装 以节省不必要的后道制造成本 2 1 1 测试系统组成 探针测试系统主要分为探针机 w a f e rp m b e r 自动化测试机 a u t o m a t i ct e s t e q u i p m e m a t e 探针卡 p r o b ec a r d 等三部分 其中最重要的设备就是自动化 测试机a r e 又被称作测试系统 t e s ts y s t 锄 简称测试机 图2 1 是探针测试系 统的示意图 图2 1 探针测试系统示意图 1 测试系统 测试系统生成测试i c 时所需的各种信号并且检测i c 的输出信 号 并将检测的结果反馈回计算机 通过和计算机内预先存储的正确数据相比 第二章晶元自动化测试系统 较 系统判断所测i c 是否合格 同时测试系统将测试结果传输给探针机 并且 控制探针机完成一个个测试步骤 2 探针机 探针机将晶元从工作台上移送到测试头下面 并将探针卡上的 针脚压在i c 芯片上 形成良好的电气接触 探针机还要根据测试系统的测试结 果 给不合格的i c 打上墨印 图2 2 为当今晶园测试行业被广泛使用的t e l 公司 p 8 探针机 图2 2 p 8 探针机 3 探针卡 探针卡 图2 3 负责测试系统与i c 芯片之间的电气连接 在探针 卡上有很多的探针 n e e d l e 测试时 这些探针被压到i c 芯片的焊盘上 从而 完成与i c 芯片的电气连接 图2 3 探针卡 6 第二章晶元自动化测试系统 早期的探针是几厘米长的钨质探针 但是这种钨质探针因为自身的电气特性 无法应用在信号频率高于6 0 m h z 的场合 也无法应付窄间距焊盘 n 踟w p i t c h e dp a d 之后推出的新型探针卡上的探针已经解决了上述的限制 完全可 以满足当今设备的测试需求 图2 4 为现在使用的3 5 u l n 间距的探针布局 图2 43 5 u mn e e m el a y o u t 第二节测试原理 流程及参数 2 2 1探针机测试原理及流程 对于不同的器件 测试系统会调用不同的测试程序来测试 计算机把预先 生成的测试向量送到测试机内 测试机控制通道板把信号电平转换为测试所需 的电平 并把转换后的时序波形经测试卡上的测试针头施加到被测芯片 d e v i c e l 1 1 d e rt e s t d u t 的输入引脚上 然后检测d u t 的输出 把检测结果通过总线传 到测试机进行判断处理 如果返回的测试电信号准确 并且在希望的时间内 芯片通过测试 是好品 如果不是这样 则芯片未通过测试 是坏品 同时测 试系统将收集和归类反馈电信号 用以分析芯片究竟未通过哪项测试 图2 5 显 示了简单的测试信号流程 第二章晶元自动化测试系统 图2 5 铡试信号流程 2 2 2 直流参数测试 直流 d c 参数测试主要是测量芯片管脚的电气特性 常用的测试项目包 括 连接性 输入漏电流 高阻抗漏电流 输出电流电压等 一般是使用参数测 量模块 p a r a m e t e rm e a s u r e m e n tu i l i t p m u 来完成这些功能 以常用的输出电压 为例 它主要测试管脚的带负载能力 在输出为低时 灌入电流 测量输出电 压 随着灌入电流的提高 输出电压也会提高 是否能在一定的负载 灌入电 流 下 输出电压保持在一定的范围内 可以衡量这个管脚的电气特性是否合 格 p m u 是一组可以提供电流源及电压源的电源供应器 同时也是一组具有可 量测电流值及电压值的量测设备 p m u 具有电流及电压限制功能 可让p m u 所 施予电流及电压值不会超过该电流及电压的限制值 以保护d u ti c 不被施予的 电流及电压烧掉 图2 6 为d c 测试部分模块示意图 图2 6d c 测试示意图 第二章晶元自动化测试系统 2 2 3 交流参数测试 交流 a c 测试部分最主要的功能是将存放在本地存储器 l o c a lm e m o r y 中的测试模式 p a t t e m 经由时序产生模块 t i r n i n gg e n e r a t o r 波形格式模块 w j v e f o 肋f o 加a t t e r 及信号驱动模块 d r i v e r 产生给d u t i c 所需要的输入信号 同时d u ti c 输出的信号也经由信号比较模块 c o m p a r a t o r 时序产生模块 t i m i n gg e n e r a t o r 及处理器 s e q u e n c e r 与存放在本地存储器内的数据比较以判 别该i c 的输出信号是否正常 所以a c 测试又称功能测试 f i h l c t i o nt e s t 图2 7 为 一种数模转换 a d c 电路的a c 参数测试图 图2 7 模数转换功能测试框图 除了上面所说的d c 和a c 测试 对于一些特定的i c 还会进行一些专门的测试 如对于存储器芯片或集成了存储器功能的s o c 芯片的存储器功能测试 对于大功 率驱动i c 的电源测试和驱动能力测试等 这些测试项目同上面所说的a c d c 测 试虽然在方式上有很大区别 但也都可以归纳到上面两种测试中 9 第三章t e r a d y n ej 7 5 0 自动化测试机结构分析 第三章t e r a d y n ej 7 5 0 自动化测试机结构分析 第一节j 7 5 0 自动化测试机配置及性能指标 3 1 1 j 7 5 0 测试系统简介 泰瑞达 t e r a d y n e 是全球最大的自动测试设备供应商 成立于1 9 6 0 年 是 在半导体测试设备领域中成立的第一家公司 它为半导体集成电路和超大规模 集成电路提供各种自动化测试解决方案 泰瑞达的自动化测试设备广泛应用在 s o c 通讯 消费品 汽车 识别和因特网 i m e m e t 等各种芯片测试中 j 7 5 0 全自动测试机 a r e 是泰瑞达在9 0 年代研制的一种高集成 低价位的测 试系统 用来满足客户对降低测试成本的需求 j 7 5 0 具有在最经济的状况下测 试包括微控制器 专用集成电路 可编程门阵列 以及可编程逻辑器件等一系 列集成电路所需求的功能和灵活性 图3 1j 7 5 0 a t e 测试系统 虽然j 7 5 0 测试机是为低成本测试开发的 但由于它的集成度非常高 所以在 测试功能上与其他测试机相比毫不逊色 由于各种功能模块高度的集成化 j 7 5 0 省去了一般测试机的主机柜 也就同时省去了机柜和测试头 t e s t h e a d 之间的连 线 实现了 零占地 系统 同时连线的减少可以使系统在高频测试时候更加 1 0 第三章t e r a d y n ej 7 5 0 自动化测试机结构分析 稳定 j 7 5 0 逻辑信号测试系统配置 j 7 5 0 测试系统可以提供5 1 2 通道的逻辑信号 最大可以扩展到1 0 2 4 通道 可以满足绝大部分超大规模集成电路 v l s i 的功能测试需要 高度集成化的通道板 每块通道板集成6 4 通道 每通道具有1 0 0 m h z 的测试频率 1o o m h z 频率全模式信号的驱动和接收 每一通道具有1 6 m 深度的测试模块存储空间 信号边缘的精度可以达到3 2 5 p s 每通道具有独立的时钟和电平设置 2 4 v 2 0 0 m a 的高电压 高电流精密测量单元 p m u 每通道可以提供6 组5 0 m h z 和4 组1 0 0 m h z 频率的信号沿 2 5 6 组通用时钟设置 每通道3 2 个信号沿设置 每通道独立输出和输入信号精密测量单元 p p m u 最高3 2 路并行测试能力 电源板 d e v i c ep o w e rs u p p l y 可提供8 通道1 0 v 1 安培的电流信号 图3 2 是j 7 5 0 测试系统的框图 我们可以看到 由于高度的集成化 每一块电路 板都集成了很多的功能 构造非常复杂 使得以后对系统进行结构分析非常困 难 第三章t e r a d y n ej 7 5 0 自动化测试机结构分析 p c 郅 t c i m o a l s e r ia t in t e f n a i 一 b b s b u s b u s l 一 i n t e f a e e n te f f a ee p l 2 移 势 c 国 毯o 登bm in z x b c 童i j 矗s e f 盘ta 孙w f k w rs 终te 啦 c i fc u ic f v c io e k b u s e s s u p p i i 郫 鎏尹y 孙 r 蛩舞善 n i 0 f 黔謦 量 蜘1 搬l 1 r c h n e lb oa r 矗s 酷 l 瞳t e f n n e fa to f 瑾 s 五城蜓g e n e f a t o r c i o 咎j a u r e 瑾m p p 狐 a as u fe 2 培a u fe 8 一s i n g le 甄n 4 xu i l i t v 4 a d f i n t he c 搿 碰fs 2 fe re n ee s u p p l ie s r e la vb o a f d s lt 工 r镰 r b 图3 2j 7 5 0 测试系统框图 第二节j 7 5 0 自动化测试机结构分析 j 7 5 0 原有的设计是实现低成本的数字信号芯片测试 如果想要实现l 9 3 s 在 j 5 0 上测试 就需要在j 7 5 0 上增加混合信号测试功能 这要求对整个系统的结构 有深入的了解 由于技术方面的原因 但t e r a d y n e 公司不可能提供系统详细的结 构说明以及各部分电路图 f r e e s c a l e 内部也没有任何可以利用的资源 所以只有 依靠经验 对j 7 5 0 测试系统进行分析 了解各个模块的功能 对测试信号的产生 传输 测量过程有了准确和详细的了解后 才能够设计开发出适用于产品的混 合信号测试模块 从图3 2 的测试系统框图中可以看到 j 7 5 0 测试系统主要由几大部分组成 第三章t e r a d y n ej 7 5 0 自动化测试机结构分析 1 p c 工作站 这一部分包括了p c 工作站硬件及测试软件 硬件部分包括了 一台高性能工作站以及与通讯 控制相关的外围接口板 p e r i p h e r a lc o m p o n e m i n t e r f a c e t i m e r p c i t 以及负责探针机控制和通讯的通用接口总线板 g e n e r a l p u r p o s ei n t e r f l 忙eb u s g p i b 工作站负责测试程序的存储调用 测试向量的产生 及控制 测试结果的比较以及输出等 p c i t 接口板包括了3 个部分 图3 3 是p c i t 接口板的框图 1 局域总线接口 l o c a lb u si m e r f 犯e l b i 是总线接口控制器 负责串行总 线的初始化 同时还负责数据传输控制并将传输的状态发送到t c l 0 总线上 2 时钟模块 t i m e rb l o c 蛐产生3 3 m h z 的总线同步时钟 3 测试计算机输入 输出接口f r e s tc o m p u t e ri o t c i o 是计算机和测试机 之间的串行总线 t e s t c o m p u t e r i n t e r f a c e t c i 控制器 所有的测试数据和指令 包括测试程序在内都是通过t c i 总线在控制计算机和测试机之间传送 它提供了 4 条串行总线 条作为控制 另外3 条作为数据传输 图3 3p c 框图 g p i b 是一块符合i e e e 4 8 8 2 标准的通用接口总线接口板 主要完成与探针机和 外部仪器设备的通讯和控制 2 电源 器件电源板 d e v i c ep o w e rs u p p l y d p s 为系统的电路板和测试 第三章t e r a d y n ej 7 5 0 自动化测试机结构分析 器件提供直流电源 3 时钟板 c 1 0 c ku m 蛔b o a r d c u b 系统所有的时钟信号都是由c u b 负 责产生 包括1 0 0 m h z 的系统标准时钟 c u b 还提供数据总线的同步信号和校准 功能 c u b 的另外一个非常重要的功能是对系统的状态进行监测 直流电源的 反馈信号和风扇 每块p c b 的温度和烟雾传感信号都被输入到c u b 当有任一条 件发生变化 c u b 会立即切断测试机的主电源 保护整个测试系统不会被损坏 4 通道板 通道板是j 7 5 0 测试机内部最复杂的一块电路板 它的集成度最 高 功能最强 所有的模块都与测试密切相关 是我们将要分析的重点 5 1 2 通 道的j 7 5 0 共有8 块通道板 每一块上包括了6 4 个测试通道 每一通道有单独的时 序产生模块 t i i l l i n gg e n e r a t o r 波形格式模块 w a v e f o 衄f o 衄a t t e r 测试模式模 块 p a t t e mg e n e r a t o r 8 1 6 m 测试向量存储器 l v m 内存测试模块 m t 0 精 密测量单元 p m u 等 此外还集成了驱动板 继电器 r e l a y 板 电气引脚 p i n e l e c 仃o i l i c s 等 图3 4 是一块标准通道板的框图 图3 4 通道板框图 3 2 1 测试信号流程 为了完成对器件的功能测试 除了必须的硬件支持 测试信号还需要根据 1 4 第三章t e r a d y n ej 7 5 0 自动化测试机结构分析 测试要求 按照一定的顺序产生 通过一定的硬件电路 最后施加到被测器件 上 同样对器件的输出的检测也需要相应的顺序 这个顺序被称为测试流程 最简单的j 7 5 0 测试系统信号通路如图3 5 所示 它包括了最小需要的硬件电路板 和模块 l p c 同l j 一n p s n c 一剖 i 孳 r 嗣 强 c u b t e s 伯r i i c o n t r o e o e o 怒耆 ia ar yd k 2 趟 s d e v i c ei n t e r f a c e t i t r t e i t h 自a 一 b o a r d 图3 5 简单测试信号 在测试开始 计算机通过调用已经编好的测试程序 产生所需的测试向量 通过p c i t 板将数据发到系统总线上 c u b 接收到数据后将他们分别送到d p s 和 通道板 d p s 根据接收到的信息 输出相应的电压施加到被测芯片上 检测 s e n s e 信号用来监测芯片上的电压值 同时d p s 设置钳位电流 以免被测芯片短路造成 测试系统的损坏或电流过大烧毁待测芯片 c u r r e n tt e s t e c p a r a m e 怕r s 图3 6d p s 信号流程 通道板从系统数据总线上接收到数据后 对其进行处理 然后送到测试模 型模块 p a n e mg e n e r a t o lp g 中 p g 利用这些数据输出相应的控制信号来驱 第三章t e r a d y n ej 7 5 0 自动化测试机结构分析 动时序模块 t i m 抽gg e 鼬r 1 b t g 模块包括了测试向量存储控制器 s m a l l v e c t fm 锄 吼l a 曙ev e c t o rm e m o 吼s v m l v m 测试格式 f o 衄a 牡i n g 波形 模块 w a v c f o h n 和时钟 n 嘶n 蓟 驱动 d r i v e r t i g 输出的波形信号在送到p e 后 叠加上电压 通过继电器板上继电器阵列的开闭组合 送到相应的通道 最后 输出到被测芯片的管脚上 孙跚 嗍 臣 避 一叵卜一c h a n n e b ar d p p m u d p s r e i a v 臼o a r d 图3 7p g 信号流程 图3 8 数字通道板信号流程 在通道扳上还有 个重要的单元就是精确测量单元p m u 在j 7 5 0 测试机中 每一个通道上都有单独的精密测量单元 1 6 第三章t e r a d y n ej 7 5 0 自动化测试机结构分析 l d i g i t a i i a 笺躁i c h a nn e i s 舷榉 磊 l 匡勤 l r 宫i a vb o 图3 9p m u 单元测试信号流程 r c 当我们向芯片施加一个电压信号 想要测量它的输出电流 或者相反 对 芯片输入一个电流信号 想要测量它对应的电压输出 这时单独依靠数字通道 板无法实现这种测量 而p m u 正是被设计用来完成这种功能测试 它可以为每 一个通道单独提供一2 v 7 v 的电压 立0 0r a 2 m a 的电流信号 并可以将芯 片输出的电流或电压反馈回来 送入a d c 进行a d 转换 把转换后的数字信号通 过t c i o 系统总线发送到计算机中 每一通道精密测量单元的 d 转换精度达到 1 6 位 b i t 从上面的分析可以看到 p m u 在测试过程中担当的任务 与模拟量测试的 要求很相似 模拟量测试信号同样也是经过采样 离散化后 再经过a d 转换将 输出信号采集到测试系统中 p m u 的这一特性 使我们从系统结构上认为j 7 5 0 本身具有混合信号测试能力 而问题的关键在于测试模式 测试向量的产生和 采样频率是否能满足测试要求 第四章利用j 7 5 0 测试机在晶元测试中实现混合信号测试 第四章利用j 7 5 0 测试机在晶元测试中实现混合信号测试 第一节混合信号测试 在前面我们曾经提到 n e p t i m el t e 是一种混合信号嵌入式芯片 在它里面 集成了m c u d p s 存储器和r f 射频信号处理 其中数字电路部分完成处理 并负责与其他数字单元的通讯 而模拟电路部分负责产生和分析连续信号 同 外部各种模拟量单元相联系 正是这两种技术的混合 对半导体产品的测试提出了挑战 以往向数字电 路施加一个特定的输入信号 我们可以得到一个离散并且确定可知的响应信号 但模拟信号则不同 个特定的输入产生的响应是不确定的 将在一个范围内 影响电路的功能 以前一些对数字电路只有很小影响的缺陷 在混合信号芯片 中却可能大大改变模拟电路的功能 导致芯片无法实现原设计的要求 为了测 试芯片内与模拟量相关部分的功能是否正常 引入了模拟量测试 m i x s i 弘a l t e s t 的方法 在测试系统中除了原本所具备数字方面的测试功能之外 通常还 需要一些额外的选件 在混合信号的测试中 在测试系统中除了原本所具备数字方面的测试功能 之外 通常还需要一些额外的选件 同时由于模拟量和数字量信号共处在同一 芯片中 这两种不同特性的信号往往会互相干扰 如何有效的区隔数字信号与 模拟信号的互相干扰是非常重要的 图4 1 数字信号模拟信号混合信号 第四章利用j 7 5 0 测试机在晶元测试中实现混合信号测试 第二节晶元测试项目 由于l 9 3 s 的集成度非常高 功能强大 所以测试项目繁多 从测试程序中 可以看到在探针测试环节共有一百多项测试项目要完成 测试范围包括了数字 量信号 m c u 以及存储器的测试 图4 2 显示了测试项目的一部分 图4 2l 9 3 s 测试项目 从测试程序中可以看到大部分的测试项目是数字信号和直流信号测试 与 一般的数字芯片测试没有区别 现有的j 7 5 0 测试机可以完全胜任 对于m c u 和d s p 中集成的r a m 和r o m 的测试 在j 7 5 0 上已经有成熟的硬件 和软件解决方案 这里使用了t e r a d y i l e 公司的存储器测试选件 m e m o r yt e s t 0 p t i o n m t o 和相应的软件 由于不属于我们研究的范围 这里不再进一步讨 论 图4 3 是存储器测试程序的一部分 第四章利用j 7 5 0 测试机在晶元测试中实现混合信号测试 图4 3m t o 内存测试程序 为了分析的方便 我们调用了l 9 3 s 在j 7 5 0 上经过改进后的测试程序 其中 已经包括了模拟量信号测试 如图4 4 所示 图4 4 模拟信号测试程序 在图4 4 中标记为蓝色的部分 是对l 9 3 s 内部集成的混合信号控制接口进行 测试的测试项目 混合信号控制接口 m i x e d s i 弘a lc o n 仰1i n t e 血c e 模块是一个 数字接口模块 用来控制后面的混合信号模块 它分为两部分 一部分包含s p i 2 0 第四章利用j 7 5 0 测试机在晶元测试中实现混合信号测试 接口控制 串并行接口 负责模拟信号编码解码 并提供时钟输入 另一部分包 括a d c 控制 混合信号发生器 通用a d 转换器 g e n e r a lp u r p o s ea d c g p a d c 调谐电路 n e c 和寻迹 t r a c k j n g 时钟 对混合信号控制接口模块的测试步骤分为两步 静态测试和动态测试 1 静态测试又称线性测试 测试机根据程序产生测试模式和时钟 通过数 据总线送入d a c 输出一个线性信号 然后经过p e 给这个信号加上o 5 v 的电平 后输入l 9 3 s 的r fd a 士a 管脚 同时p g 和t g 产生 组波形输入l 9 3 s 的r fc s 和 i t f c l k 管脚作为控制信号 控制采样频率和采样点 然后通过精密测量单元 p m u 采集输出数据 并将数据送入a d c 计算机从数据总线上接收到a d 转换 后的数据后与原始数据进行比较 计算出m s c i 的积分非线性f i n t e 酬 n o n l i n e a r i t y i n l 微分非线性 d i 彘r e n t i a ln o n l i l l e a r i t y d n l 失调 o 施e t 和增益 g a i n 5 v d 蜘l t b 删0 一 f f 图4 5 线性测试 2 l 9 3 s 的动态测试是基于频域的测试 测试机的p g 和t g 根据程序产生测 试模式和时钟 通过数据总线送入d a c 输出一个线性信号 然后送入特殊的 r f 测试单元 输出不同频率的连续波信号分别送入l 9 3 s 的r fd a 切 n n 屺c 和 t r a c k i n g 管脚 每通道信号精密测量单元 p p m u 将采集到的输出送回到r f 测试 单元 经f f t 变换转变为频域信号 计算出信噪比 s i g n a it on o i s er a t i o s n r 总谐波失真 t o t a lh 锄o i l i cd i s t o r t i o n t h d 信号对噪比和失真比 s i g r m lt o n o i s e 锄dd i s t o n i o nr a t i o s n a d 等 m o葺 曹 自 j t 第四章利用j 7 5 0 测试机在晶元测试中实现混合信号测试 图4 6 时域 频域信号 以上各项测试都是基于频域的测试 输入输出信号为高频的模拟量信号 前面我们提到j 7 5 0 测试机本身不具备模拟信号测试能力 所以在l 9 3 s 的晶元测 试中 对混合信号控制接口的测试无法进行 这一部分的测试以往都是在后道 工序最终测试中使用另外的s 0 c 测试平台 a g i l e n t9 3 0 0 0 来完成 第三节j 7 5 0 混合信号测试硬件改进 通过前面对j 7 5 0 测试机硬件结构的分析 可以发现对混合信号的2 项测试中 第一项静态测试与通常的d c 测试没有很大区别 不需要额外的硬件资源支持 通过