数字集成电路测试系统的研制

摘要：介绍了基于向量测试法的测试系统原理、结构组成以及各功能模块工作过程。本系统是关技术员在总结多年的实际测试经验并参考国外同类测试系统的基础上开发成功的，生产成本较低、性能可靠，是一种适合于国内半导体行业的实际生产情况的测试系统。

关键词：集成电路 测试系统 测试向量调制 精密测量单元（PMU） 待测器件（DUT） 时序产生器（TG） 图形发生器（PG）

随着数字集成电路的应用日趋广泛和国家对半导体行业发展支持，国内CMOS数字集成电路设计能力得到了长足的发展。但，由于一般IC设计公司不会去考虑生产线设备的开发，而大多数加工厂没有系统研能力，因而国内从事集成电路后直道加工的企业所用的测试设备大部分是从外引进，这些设备价格昂贵，操作复杂，在一定程序上增加了集成电路生产成本。

为了摆脱集成电路生产上设备购买的高成本投入，我们研制开了集成电路测试设备，取得一定成果，并在测试技术方面积累了丰富的经验。下面就研发成功的数字集成电路测试系统做一介绍。

1 设计目标

该数字测试系统主要为数字集成电路测试提供一个硬件平台，适用于任何采用向量输入输出测试方法。目前研制成功的测试系统工作在50MHz的主频，主要参数指标如下：

·最高测试速率：10MHz

·时序调整精度：1ns

·测试向量量大深度：64kbits×4Page

·测试管脚数：128PIN（或64PIN×2DUT）

·电流测试能力：500mA

·Iddq电流测试分辨率：0.122nA

·测试向量电压分辨率：2.5mV

2 测试系统工作原理

不管数字集成电路功能有多复杂，工作在多高的电压，都可以将其看作一个二值逻辑器件。因此现在的大多数测试方法，不管是故障定位还是功能测试，都需要测试向量的输入，而数字集成电路测试系统实际上就是一个用于向量产生和比较的硬件平台。

所谓测试向量，就是一个串连续的“0”和“1”组成的数字序列。在测试数字IC之前，通过对测试要求和芯片功能的分兵，利用向量编程器先写好测试所需的向量，定义好的向量的时序要求，并将其下载到测试系统的存储器中，然后启动测试系统的控制模块。控制模块按照事先写好测试程序语句，按一定顺序将测试向量从存储器中读出并送到向量调制模块。向量调制模块对向量序列进行波形调制电压调制，最后送出与待测IC（DUT）工作电压匹配的波形序列。同时测试系统还监测DUT的输出滤形，通过向量调制模块将其转换成与测试系统工作电平匹配的数字信号，测试系统将回送数字信号与预先设定的向量进行比较，并钭比较结果送给控制模块进行处理。测试系统原理如图1所示。

3 系统结构的实现

该测试系统按硬件电路功能可分成八大模块：①计算机接口模块；②时钟发生（Timing Generator）模块；③测试向量发生模块（Pattern Generator）；④参考电压发生模块（VI/VO）；⑤精密测量单元（PMU）；⑥DUT电源供电模块（DPS）；⑦管脚测试模块（PE）；⑧外部设备接口模块。

测试系统在实现采用自定义总线鸨，计算机通过总线实现对各模块的数据读写操作，各模块间也通过决线进行数据交换。为实现生产操作方便，该系统在硬件上分成两大部分——主机和测试头。除向量合成部分，其余模块都在主机中完成。从各模块产生的信号，包括时钟同步信号、测试向量序列、参考电压、PMU信号等一起送待测试头总线。每个管脚测量模块都包含各自向合成模块，向量合成模块从测试头总线中获取各种信号，按要求将它们合成最终的数字测试信号，或对DUT返顺的信号进行分析比较，将结果通过总线回送到主机的控制模块中。

3.1 计算机接口模块

为了实现计算机测试系统的控制，设计了基于PC机ISA总线插槽的接口卡，使用了计算机总线0x300～0x30F的地址。

利用计算机读写时序，通过地址译码和数据锁存电路，形成测试机总线的读写时序。除了对测试机读写数据的电路，接口卡中还包括个可编程定时器以及64Kbyte存储器。存储器主要为测试程序保存系统变量提供空间，使运行于DOS操作系统的主程序暂时退出时仍能保存测试数据，还为各个应用程序之间提供数据交换的通道。

3.2 时充产生电路

时钟产生模块（TG）主用于产生各种精确控制时钟、同步脉冲等。通过程序设置，可以精确调整各时钟的相位。功能框图如图2所示。

TG核心由一个可编程的16位自复位计数器和多路16位数值比较组成。系统主晶振产生50MHz的时钟信号，作为16位计数器的计数脉冲，计数周期即为测试一位向量的持续时间，因此，测试向量时间长度在20ns和2 16×20ns之间。16位比较器将计数器当前值与寄存器的数值进行比较，当两者数值相等时，输出变为高电平，脉冲出现的周期即为计数周期。改变比较器输入寄存器中数值就可改变比较器输出脉冲相对于计数器溢出脉冲的相位关系。

TG所产生的各种时钟信号决定了测试向量的周期和时间精度，这些时钟信号一部分形成主控制模块（PG）的工作时钟，另一部分提供给向量合成模块，作为测试向量时间调制信号或DUT输出信号的采样时钟测验向量合成模块的同步工作时钟。

为了满足实际测试时不同工作速率的需要，测试系统的TG内设计了8组时间可独立设置的时钟（SPLIT TIMINGS）。测试时可在不同的8组时钟间任意切换，以提高向量存储器的利用率和测试效率。

3.3 测试向量发生模块

向量发生模块即测试系统主控制模块，它根据用户编写的测试向量文件，产生测试向量序列，其原理框图如图3所示。

核心处理器模块是向量发生模块中最主要的模块，其实质是一个可以执行20多条指令的简单微控制器。由于该控制器指令及指令存储器的特殊性，其指令时序与普通处理器不同。该控制机器周期由4个CLOCK组成，分别记为C1、C2、C3、C4，其中C1为取指令和译码周期，C2为指令执行周期，C3为堆栈地址变化周期，堆栈地址寄存器根据情况加1或减1，C4为堆栈操作周期，数据并栈或出栈。由于测试时要求时序非常严格，指令与测试向量一一对应，因此处理该控制器所有指令均为单机器周期指令，且机器周期与测试向量周期相等，最小机器周期为100ns(即最高工作频率为10MHz)。

失效处理模块一方面对从PE卡上过来的测试结果进行合成分类，产生控制计算机所需的PASS、FALL信号，同时又将测试结果合成查找特这时序所需的数据供核心处理器执行匹配指令（MATCH）时用。该模块还可以实现失效数据的实时存储，待测试结束后为失效分析提供依据。

测试向量发生模块的附量功能主要包括测试向量模块地址译码电路、测试结果屏蔽信号产生电路、TRIG信号产生电路（测试程序开发调试时为示波器提供同步触发信号）、工作时钟处理电路等等。

3.4 参考电压发生模块

在实际测试时，由于DUT的工作电平参差不一，而测试系统内部的逻辑工作电平为0至5V，为了与待测器件电平匹配，需对最终合成的向量进行电压调制，将0到5V的数字信号转换为DUT可以接受的工作电平，参考电压发生模块为这一过程提供了精确的电压参考。测试系统的参考电压发生模块由18通道的独立可编程电压发生器组成。

3.5 直流测试模块

在数字电路测试时，除了功能测试，必须还有一些睦流参数需要测试。因此，在测试系统中还设计了精密测量单元（PMU）、DUT电源供应模块（DPS）。

精密测量单元主要用于测量DUT管脚的漏电流及输出驱动能力等，对精度的要求较高，设计时分别采用了16位的D/A转换器以及16位A/D转换器。PMU可以工作于两种模式：加电压测电流和加电流测电压。考虑到测试中可能出现的各种情况，在实现线路中加入了过流保护电路和过压保护电路。在整个测量范围内分成不同的测量档位，在测量值较小时，也可以达到很高的精度和稳定性。PMU的功能框图如图4所示。

DPS单元主要为DUT提供工作电压，兼作DUT的工作电流测量。DPS的线路与PMU基本相似，但DPS只有加电压测电流工作模式，且DPS中的D/A转换器是12位的。

3.6 管脚测试模块（PE）

该模块位于测试头部分，电路框图如图5所示，每个DUT测试管脚对应一个管脚测试模块。管理测试模块包括向量合成模块、动态负载以及失效数据存储器等。向量合成模块主要功能是将主机中各模块送出的信号合成为DUT可以接受的测试向量，或将DUT的输出信号转换成0～5V的数值信号，与PG产生的测试向量进行比较，并将结果送到主机。动态负载是为了模拟DUT驱动负载时的工作状态。

3.7 其他功能模块

为了使测试系统能在实际生产中应用，测试系统中还包括其他一些模块，如外部设备通讯模块，为测试机与机械手或探针台提供通讯接口，是实际生产中所必须的。同时还包括了一个控制盒接口，用于测试程序完成后生产时方便操作。

3.8 应用软件

软件部分主要实现硬件的控制，并为用户提供一个友好、易于操作和开发测试程序的界面。应用软件主要由一个C语言函数库、程序编译器、测试向量编译器、测试向量导入器以及其它一些调度工具组成。

经过一段时间的在线运行，证明此测试系统工作稳定可靠，可适用于多种测试方法，基本上解决了各类ASIC及MCU的硬件测试平台的问题。该测试系统生产成本大大低于国外同类测试系统的引进成本，非常适合于国内半导体集成电路生产现状。