引言
集成電路集成度的提高使芯片功能和引腳數(shù)不斷增加,同時(shí)也使集成電路的測(cè)試越來(lái)越難。當(dāng)前,集成電路的測(cè)試已經(jīng)完全依靠于自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(AutomatIC Test EQUIPment)。ATE的測(cè)試原理是根據(jù)被測(cè)器件(Device Under Test)的產(chǎn)品參數(shù)規(guī)范(Specification OrDatnsheet)要求,利用ATE的硬件和軟件資源對(duì)DUT進(jìn)行激勵(lì)、施加和響應(yīng)信號(hào)收集,并將收集的響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化后與器件要求的參數(shù)值進(jìn)行比較,從而判斷被測(cè)DUT是否合格。在實(shí)際應(yīng)用中,芯片測(cè)試主要為圓片測(cè)試(中測(cè))和成品測(cè)試(成測(cè))。由于芯片測(cè)試技術(shù)總是落后于集成芯片設(shè)計(jì)和制造的發(fā)展速度,而高性能測(cè)試設(shè)備的價(jià)格又讓芯片生產(chǎn)商望而卻步。為了解決這矛盾,本文提出了一種創(chuàng)新性的測(cè)試方案和測(cè)試技術(shù)。
1 集成電路測(cè)試設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)
集成電路測(cè)試設(shè)備主要包括ATE測(cè)試設(shè)備、測(cè)試接口、操作系統(tǒng)軟件、測(cè)試程序集(Test Program Set,TPS)和相應(yīng)的配套測(cè)試硬件(包括上位機(jī)、測(cè)試分選機(jī)、測(cè)試連接電纜等)。一臺(tái)集成電路測(cè)試設(shè)備(ATE)的硬件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本文主要介紹的是大功率模擬集成電路直流參數(shù)測(cè)試儀器(PVC)部分的設(shè)計(jì)原理、具體功能的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和測(cè)試結(jié)果。
2 PVC的工作原理與電路結(jié)構(gòu)
集成電路在不同的生產(chǎn)階段中都需要對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試,PVC主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)DUT施加激勵(lì)和測(cè)量,其中電壓電流源(Volrage and CurrentSource)、測(cè)量電路(Mensure Circuit)和鉗位電路(LOCk Circuit)是PVC的主要組成部分。
電壓電流源主要用于對(duì)DUT的引腳施加電壓或者電流,也可作為被測(cè)芯片的供電電源使用,本電路中選用高壓運(yùn)放組成負(fù)反饋環(huán),并選用大功率MOS管組成擴(kuò)流電路以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流,從而輸出穩(wěn)定的高電壓和大電流。測(cè)量電路用于檢測(cè)流過(guò)芯片引腳的電流和電壓,電路采用達(dá)爾文鏈接方式來(lái)程控選擇二線(xiàn)或四線(xiàn)方式對(duì)DUT進(jìn)行測(cè)量,以保證測(cè)量精度。鉗位電路是防止因用戶(hù)操作失誤或者高容性負(fù)載等原因致使電路中電壓或者電流值過(guò)大而損害器件。PVC具有分別施加電壓或電流且測(cè)量電流或電壓、不需施加單獨(dú)測(cè)量電壓或電流等工作模式,同時(shí)具有四象限鉗位功能。圖2所示為PVC的電路結(jié)構(gòu)圖,圖中只標(biāo)識(shí)出了電路中的線(xiàn)性元件,電路中選用FPGA進(jìn)行信號(hào)的控制和處理,從而保障了數(shù)字電路部分的最大集成化。
3 PVC硬件電路的實(shí)現(xiàn)
3.1 電壓電流源
系統(tǒng)中的電壓電流源分別由高精度運(yùn)放A1、高壓運(yùn)放A2與擴(kuò)流電路來(lái)構(gòu)成功率緩沖電路,電流取樣電阻與電流檢測(cè)運(yùn)放A3構(gòu)成恒流源,運(yùn)放A1、功率緩沖電路、預(yù)設(shè)負(fù)載RL1與電壓檢測(cè)運(yùn)放A4構(gòu)成恒壓源,設(shè)計(jì)時(shí)也可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)K3來(lái)構(gòu)成恒流源或者恒壓源。
兩種電路環(huán)路的工作原理和實(shí)現(xiàn)方式相似,下面主要介紹恒壓源的實(shí)現(xiàn)方法。
將16位DAC轉(zhuǎn)化后的施加值與環(huán)路反饋值相加后可作為A1的輸入,A1的程控補(bǔ)償電路具有兩方面的作用:一方面,它含有的“積分器”既限制了環(huán)路的轉(zhuǎn)換速率,又使環(huán)路具有較高的直流增益,從而使環(huán)路的誤差電壓幾乎可以降底到0 V;另一方面,該電路還包含有幾組可程控選擇的反饋元件,因而允許整個(gè)儀器在容性負(fù)載較寬的范圍內(nèi)仍能穩(wěn)定工作。功率緩沖器由A2與擴(kuò)流電路構(gòu)成,可用以實(shí)現(xiàn)高電壓和大電流的輸出,其功率緩沖器電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。功率緩沖器的電壓放電倍數(shù)為+6,它實(shí)際上是由A2(OPA454)和大功率三極管構(gòu)成的一個(gè)同相放大反饋環(huán)路。
輸入電壓Vin經(jīng)過(guò)A2放大后,可作為三極管基極輸入電壓。當(dāng)A2輸出電壓與Vout的電位差小于三極管的開(kāi)啟電壓(一般在1~3 V之間)時(shí),負(fù)載的電壓和電流由A2提供;當(dāng)兩點(diǎn)的電位差值大于等于三極管的開(kāi)啟電壓時(shí),負(fù)載所需的電流由功率三極管放大后提供。在本測(cè)試儀中,功率三極管分別選用TIP142與TIP147,該選擇可以滿(mǎn)足為負(fù)載提供1A電流的需求,只是在工作狀態(tài)時(shí)應(yīng)注意對(duì)高壓運(yùn)放A2和功率三極管的散熱。
為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出,需要將輸出電壓值作為反饋量進(jìn)行反饋,PVC輸出端兩點(diǎn)的電壓差值最大為32 V,而集成的儀表放大器不能滿(mǎn)足這么大的輸入范圍,故在設(shè)計(jì)中選用高電壓高精度運(yùn)放(OPA445)來(lái)構(gòu)成儀表放大器,其具體的電壓檢測(cè)放大電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。
為了實(shí)現(xiàn)電路中阻值的匹配,圖4中取R7=R9,R10=R12,R11=R13,電路的輸入輸出關(guān)系為:
由上述表達(dá)式可見(jiàn),通過(guò)選擇不同的阻值,可調(diào)整電壓檢測(cè)放大器的放大倍數(shù)。PVC中選用的DAC的電壓輸出范圍為±10 V。為了提高電壓的測(cè)量精度且與DAC的輸出范圍相匹配,本系統(tǒng)設(shè)置的四個(gè)電壓檔位為:4V、8V、16V、32V,所以,通過(guò)程控四個(gè)電壓檔位的電壓放大系數(shù)可分別對(duì)應(yīng)2.5、1.25、0.625、0.3125。
恒流源的實(shí)現(xiàn)原理與恒壓源的實(shí)現(xiàn)原理一樣,只是在電流檢測(cè)時(shí),應(yīng)將施加的電流值采樣后轉(zhuǎn)化為電壓值,然后再經(jīng)過(guò)電壓檢測(cè)放大器A3構(gòu)成反饋環(huán)。為了與DAC輸出電壓范圍相同,電流檢測(cè)的取樣電壓Vs的范圍設(shè)定為±1 V,電流檢測(cè)放大器的放大倍數(shù)固定為+10,這樣,通過(guò)選取不同的采樣電阻,就可以實(shí)現(xiàn)不同電流檔位的選擇。如,選擇采樣電阻Rs=1Ω,由I=Vs/Rs可得,其選取的電流量程為1 A,其他電流范圍的選取原理與之相同。
3.2 電壓電流鉗位環(huán)
電壓電流鉗位電路主要是為了防止意外情況導(dǎo)致環(huán)路中電壓或電流值的突然增加。通過(guò)選用高精度的雙運(yùn)放可將用戶(hù)設(shè)定的上限值和下限值與反饋信號(hào)進(jìn)行比較,若反饋量在限定值內(nèi),則鉗位電路不工作,反之,鉗位電路中其中一個(gè)通道的二極管導(dǎo)通,此時(shí)A2輸入端電壓為鉗位運(yùn)放的輸出端電壓,而A1輸出端與A2輸入端之間的電壓,則被電阻R1所消耗,故施加環(huán)路被抑制,鉗位環(huán)路工作。
3.3 其它細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)電路不施加而能直接測(cè)量DUT引腳的電壓或者電流值,應(yīng)通過(guò)控制環(huán)路中某些電路的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)電壓時(shí),先斷開(kāi)施加引線(xiàn),再將電壓測(cè)量電路與負(fù)載并聯(lián)連接,即可測(cè)出負(fù)載電壓;測(cè)電流時(shí),先斷開(kāi)K1,讓運(yùn)放A1與功率緩沖器構(gòu)成一個(gè)輸出為0V的反饋環(huán),再將電流檢測(cè)電路串聯(lián)接入負(fù)載電路,這樣即可測(cè)量流過(guò)負(fù)載的電流值。
在對(duì)DUT進(jìn)行施加和測(cè)量時(shí),采用達(dá)爾文接線(xiàn)方式進(jìn)行連接,如PVC結(jié)構(gòu)圖中的FORCE線(xiàn)就是對(duì)DUT施加,而SENSE線(xiàn)為測(cè)試線(xiàn)。施加和測(cè)量引線(xiàn)的分開(kāi)接線(xiàn)可提高系統(tǒng)的測(cè)試精度。
選擇繼電器時(shí),由于系統(tǒng)長(zhǎng)工作于大功率狀態(tài)下,因此除了考慮繼電器的動(dòng)作時(shí)間,還要考慮繼電器的觸點(diǎn)負(fù)荷,選用機(jī)械繼電器時(shí),還要考慮繼電器的開(kāi)關(guān)次數(shù)等細(xì)節(jié)。
電路環(huán)路中不同電流檔位切換時(shí),如果負(fù)載斷開(kāi),則環(huán)路中相當(dāng)于接入了無(wú)窮大阻值的負(fù)載,這會(huì)造成電路再次接入負(fù)載后的環(huán)路穩(wěn)定建立時(shí)間過(guò)長(zhǎng),通過(guò)在環(huán)路斷開(kāi)負(fù)載時(shí)接入一個(gè)預(yù)設(shè)負(fù)載,可用再次接入負(fù)載時(shí)斷開(kāi)預(yù)設(shè)負(fù)載的方法來(lái)減少環(huán)路穩(wěn)定的建立時(shí)間。
4 測(cè)試結(jié)果分析
在電路測(cè)試中,可選用精度為0.1%的低溫漂電阻作為電流取樣電阻進(jìn)行測(cè)試,以完成所有電流檔位測(cè)試。通過(guò)實(shí)測(cè)電流源的電流輸出值與理論值計(jì)算值可得到其施加精度在0.05%左右,而通過(guò)對(duì)電流取樣并經(jīng)過(guò)DAC的轉(zhuǎn)化值與理論值的對(duì)比(由于本系統(tǒng)具有多個(gè)檔位、數(shù)據(jù)龐大,在此就不完全列出做分析),其得出的絕對(duì)誤差值分布具有很好的線(xiàn)性關(guān)系,利用軟件并通過(guò)最小二乘法校正后的電流測(cè)試精度小于0.5%,用同樣的校正方法也可得出電壓的測(cè)試精度(小于0.3%),可以滿(mǎn)足廠(chǎng)方提出的要求。
通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試可知,本文所介紹的系統(tǒng)測(cè)試精度主要受閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定、工頻干擾與高頻干擾、環(huán)路中元件性能不良等因素影響。在本電路中,若出現(xiàn)環(huán)路不穩(wěn)定等情況,可通過(guò)控制程控補(bǔ)償電路和在取樣電路上并聯(lián)補(bǔ)償電容來(lái)調(diào)整。
5 結(jié)束語(yǔ)
實(shí)際的電路測(cè)試結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有大功率負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力,能夠提供精確且寬范圍的激勵(lì)值,可以靈活地對(duì)被測(cè)件施加電壓源激勵(lì)或者電流源激勵(lì),而且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,測(cè)試精度高,可以滿(mǎn)足工廠(chǎng)對(duì)于測(cè)試速度和精度的要求。因此,此電路方案可以極大地降低此類(lèi)測(cè)試儀的開(kāi)發(fā)成本。
評(píng)論
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