基於PXI平臺的下一代半導體ATE解決方案

　　半導體測試行業現狀

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201708/363140.htm

　　電子行業正處於不斷的壓力下必須降低其製造成本。上市時間給半導體製造商很大的壓力，在新產品投入市場後的很短時間內，利潤是最高的，隨後，由於競爭者開發了類似底價產品，利潤水平開始下降。開發一個有效的節省費用的測試程序往往是阻礙新產品投入批量生產的瓶頸。

　　對於半導體供應商來說，其中測試成本一直被視為沒有「增值」的成本。如圖1所示，ATE資本成本佔IC平均銷售價格(ASP)的百分比逐漸變小 - 從2001年的5%上升到2010年的約1%。然而，整體器件的ASP也在減少，意味著在絕對成本方面，測試成本需要以與器件ASAP的減少相同或更大的速率降低，這使得測試工程師面臨更大的壓力以找到更具成本效益的測試解決方案。

　　實際情況是，通過採用諸如並行測試(也叫多點測試)等技術來提高傳統或「big ATE」測試系統利用率，只會在測試費用方面產生有限的改進，而不真正解決測試系統成本的核心問題。對於開發實驗室，故障分析實驗室或小批量生產的測試需求，多站點測試策略不會提高測試的經濟性。

　　當今的半導體器件包括各種數字，存儲器，模擬，混合信號和RF模塊等，所有這些都集成在單個封裝或SoC(system on chip，系統晶片)中。 結果是，測試解決方案不僅必須是成本有效的，而且必須靈活以便解決包括邏輯，存儲器，模擬，MEM和RF模塊的一系列電路類型的測試需求。 測試解決方案要能夠為工程師提供成本有效的自動化設計驗證，故障分析和試生產測試活動的能力，而無需使用昂貴的「big ATE」。

　　今天的測試工程師面臨的挑戰是創建新的測試方法和系統，可以顯著的降低測試成本，以及解決可配置，靈活的測試解決方案的需求。基於PXI(Compact PCI Extensions for Instrumentation)數字，模擬和射頻測試產品和系統的最新進展使測試工程師能夠利用PXI平臺滿足一系列ATE設備的測試需求。特別是，PXI數字產品中提供每引腳具備參數測量單元(PMU)功能，現在提供具有高價值和性能的ATE半導體測試功能。此外，PXI測試系統為測試工程師提供了經濟高效的ATE，可用於故障分析，原型設備驗證和試驗/早期生產運行 - 允許「big iron」ATE專注於批量生產測試應用程式，同時在緊湊和可配置的平臺中提供工程測試功能。

　　半導體測試要求

　　數字和混合信號器件的基本測試需求包括直流參數測試和功能測試。 對於DC測試，必須表徵器件的引腳，需要一個PMU(參數測量單元)。 如果使用單個PMU，需要通過多路復用開關能夠訪問的所有器件的引腳，以實現激勵電壓/測量電流或激勵電流/測量電壓。 一旦DC參數測試完成，就可以執行器件的功能測試。在這種情況下，具有足夠深的存儲器，每通道可編程性(電壓，負載和方向)和實時比較的數位化儀成為執行功能測試的關鍵。 解決這些功能的基本配置如圖2所示。

　　如圖2所示的單個PMU，開關網絡(多路復用)和數位化儀的組合對於中等到高引腳數器件而言，迅速變得笨重且性能受限。此外，用於DC測試的開關時間和編程/測量時間的組合很輕易就需要10甚至100毫秒，用於DC參數測試的時間就會變得很長。

　　一個更好的解決方案和專業的ATE或「big iron」系統通常使用的是每個引腳或通道包含一個PMU，從而提供出眾的測試性能(包括速度和測量精度)。 圖3詳細說明了每引腳配置的PMU的數字儀器的架構。

　　現今，Marvintest的半導體測試解決方案的GX5295具有32通道數字I / O和每引腳PMU架構，可作為緊湊型PXI測試平臺的一部分，例如TS-900半導體測試系統 - 為用戶提供多通道數數字和 混合信號測試系並且具有小型，緊湊的PXI機箱佔地面積。 (圖4)

　　直流參數測試

　　如前所述，PMU可以使用兩種模式之一，以對數字設備的輸入和輸出線執行直流特性測試：

　　§ 強制電壓/測量電流

　　使用這種方法，PMU施加恆定電壓並使用其板載測量能力來測量被測試的設備/引腳所汲取的電流,還可以測量由PMU提供的電壓。

　　§ 強制電流/測量電壓

　　使用這種方法，PMU強制恆定電流流過器件或從器件引腳吸收恆定電流，然後測量電壓，還可以測量PMU的灌電流/源電流。

　　通過將每個通道的PMU與數字測試功能組合在一個儀器中，可以顯著簡化對數字和混合信號器件執行的一系列直流測試。在半導體器件上執行的常見直流測試包括：

　　n VIH：(高電平輸入)施加到器件輸入的最小正電壓，器件將被邏輯高接受

　　n VIL：(低電平輸入)施加到器件輸入的最大正電壓，器件將被邏輯低接受

　　n VOL：(低電平輸出)器件輸出的最大正電壓定義為「保證」指定負載電流下的最大低正電平

　　n VOH：(高電平輸出)器件輸出的最小正電壓定義為「保證」指定負載電流下的最小高正電平

　　n IIL：(低電平輸入漏電流)當輸入為邏輯低電平時測量的輸入漏電流

　　n IIH：(高電平輸入漏電流)當輸入為邏輯高電平時測量的輸入漏電流

　　n IOS(H)：(高電平短路輸出電流)輸出為邏輯高電平時的短路輸出電流

　　n IOS(L)：(低電平短路輸出電流)輸出處於邏輯低狀態時的短路輸出電流

　　示例：VOH，VOL和IOS測試

　　輸出電壓電平測試用於在指定負載條件下使用時驗證數字輸出的操作。它們還可以用於模擬最差情況下的負載條件，以觀察在輸出負載超過其指定極限時(例如，當對地短路時)DUT的工作情況。當執行這些類型的測試時，應選擇不會損壞被測器件(DUT)的測試電流範圍以充分測試輸出。

　　以下示例顯示如何對數字輸出執行VOH測試。此測試的目的是確保DUT在提供其最大額定驅動電流的同時保持高於其指定輸出高電平的輸出電壓。對於該測試，PMU被編程為從DUT吸收電流，模擬負載條件。圖5顯示了DUT和數字儀器的連接方式。

　　為了執行該測試，DUT被通電，並且儀器的一個通道(在該示例中為Ch1)用於施加輸入邏輯電平，該輸入邏輯電平迫使DUT的輸出為邏輯高。請注意，每個儀器通道可以配置為PMU或數字I / O模式，提供所需的靈活性和功能以支持VOH，VOL和IOS測試，這些測試要求在執行PMU測量之前將器件的輸出編程為正確的狀態。

　　第二個數字通道(本例中為Ch2)被設置為PMU強制電流/測量電壓模式，初始電流吸收值不會損壞DUT輸出引腳。然後，PMU被編程為使器件電流從最小到最大測試值。在每個測試電流值下，測量DUT的輸出電壓，以確保其處於邏輯高電平的指定電壓範圍內。還可以測量實際PMU測試電流，並用於為每個提供負載與輸出電壓電平曲線(參見圖6)。在這種情況下，被測器件(DUT)是八進位鎖存器，每個輸出都測試輸出電平與電流負載。

　　上述測試技術也可用於VOL和IOS測試。 對於VOL測試，DUT的輸出將被編程為邏輯低電平，並且在測量輸出電壓電平時將輸出施加到輸出的指定負載，以確保其在器件的規格範圍內。 對於IOS參數，輸出將被編程為指定的邏輯狀態，應用於輸出的短路和測量的結果電流。

　　示例：漏電流測試(IIL，IIH)和V-I測試

　　測試器件的輸入包括洩漏電流測試以及表徵DUT的每個輸入端上的保護二極體。 這些測試通過在DUT輸入引腳上逐步施加恆定電壓並在每個步驟測量輸入電流來執行(圖7)。 由於漏電流通常在uA範圍內，PMU應設置為更靈敏的電流範圍，以實現更準確的測量。

　　要進行漏電流測試，DUT將被通電，PMU引腳將設置為強制電壓/測量電流模式。在每個輸入電壓設置下，PMU測量輸入所汲取的電流，然後根據DUT規格驗證該值。也可以測量PMU正在採集的實際測試電壓。此處所示的測試技術也可用於VIL和VIH測試。

　　用於測量/表徵連接到設備與地和VCC的輸入保護二極體引腳，PMU被配置為強制電壓/測量電流，其中電壓依次以小增量步進以產生每個二極體的V-I曲線。 圖8顯示了TTL數字器件的保護二極體的V-I曲線。 注意器件在約0.4伏的結電壓下開始導通。

　　半導體測試自動化

　　今天的測試工程師正在不斷的壓力下縮短測試開發時間，並在創建測試程序時變得更有效率。 測試開發框架與可以自動創建和執行設備測試的軟體工具結合在一起，為測試工程師提供了強大的軟體開發環境，以提高測試開發和部署生產力。 例如，Marvin測試解決方案的TS-900包括ATEasy - 一個用於管理程序開發和部署的全功能測試執行環境，以及簡化了標準測試的創建和執行的測試庫，它提供了用於繪製IV特性曲線和支持二維Shmoo圖的交互式工具。

　　直流參數自動測試創建

　　ICEasy的庫包括一整套測試功能，用於表徵器件的輸入和輸出直流特性。利用TS-900的每引腳PMU功能，用戶能夠快速創建用於以下類型測試的測試程序：

　　§ Openand Shorts

　　§ Input Leakage (IIL, IIH)

　　§ Input Voltage Threshold (VIH, VIL)

　　§ Output Short Circuit (IOSH, IOSL)

　　§ Output Voltage Threshold (VOH, VOL)

　　§ Power Consumption (IDD, IDDQ)

　　這些預配置的測試結合了ICEasy的器件引腳和引腳組映射功能，為用戶提供了一種簡單而簡化的方法，可以將特定的器件引腳分配測試以及指定每個測試的通過/失敗限制，而無需執行低級別的儀器設置和控制。 結果是更快的測試創建和更短的測試時間。

　　I-V Curve Tool

　　ICEasy的電流 - 電壓(I-V)曲線工具使用戶能夠以圖形方式繪製器件的ESD二極體的I-V特性。 該測試方法可以深入了解可能影響設備I/O引腳的器件故障機制，如電應力(EOS)，靜電放電(ESD)，接合線問題和封裝問題。 而且最近，使用I-V曲線圖作為「阻抗特徵」可能有助於識別假冒產品，其中將已知真實部件的阻抗或I-V標籤出來並與可疑部件形成對比。

　　ICEasy的I-V曲線工具允許用戶輕鬆設置電壓和電流範圍以及步進增量以及按名稱定義要測試的特定引腳(或引腳)。 此外，所有I/O引腳可以繪製在同一個圖形上，提供了一種比較所有器件I-V曲線的簡單方法。 (見圖9)繪圖數據也可以通過TS-900的測試執行環境(ATEasy)輕鬆導出。 易於測量I-V特性並繪製結果的能力是故障分析和設計驗證應用的關鍵特性。

　　Shmoo Plot Tool

　　ICEasy的Shmoo繪圖工具允許用戶在X和Y軸上輕鬆更改測試參數，無需編程 - 允許測試工程師直觀地觀察被測設備的通過/失敗操作範圍。 TS-900的Shmoo繪圖功能是設備表徵和鑑定的公認測試方法，為用戶提供了強大的設計驗證和早期生產測試資格認證技術。 ICEasy的Shmoo工具支持自動化和交互式控制，允許用戶即時更改參數或通過TS-900的測試管理器(ATEasy)控制測試以及記錄生成的數據。 如圖10所示，Shmoo工具允許用戶輕鬆地改變測試參數範圍，例如VCC，時鐘頻率，邊沿放置，輸入電平等，以便完全表徵器件的通過/失敗操作條件。

　　PXI半導體測試系統

　　考慮解決半導體測試需求的儀器和軟體的可用性，測試工程師現在可以選擇採用PXI架構來滿足當前和未來的ATE要求。 諸如TS-900的系統為專有的ATE系統提供了可比較的功能和性能，如今，可以在使用16塊32通道GX5295數字I/O(每引腳帶PMU)的緊湊型20插槽PXI機箱中支持多達512個數字I / O通道。

　　此外，通過在PXI平臺上進行標準化，用戶可以通過結合包括SMU，數位化儀，AWG以及RF信號源和分析儀在內的各種儀器來擴充系統。

　　TS-900具有集成的高性能模塊化接收器接口，是用戶希望優化產品生命周期整體測試策略的理想平臺。如表1所示，與手動或半自動臺式測試配置相比，TS-900作為新產品具有顯著的優勢。採用TS-900等測試系統可為工程師提供更快更自動化的過程，用於表徵器件，從而將器件表徵和驗證從幾周縮短到幾天。此外，TS-900可以有效地解決早期生產設備的測試成本，而不用昂貴的資本成本(測試時間)，固定和長時間的測試開發時間，而不依賴「大鐵」ATE。憑藉廣泛的軟體工具和直觀的軟體開發/測試執行環境(ATEasy)，TS-900滿足了測試平臺的需求，可以彌補工程實驗室和批量生產測試之間的測試差距。