基于PXI平台的下一代半导体ATE解决方案

作者：Michael Dewey ,Marvin Test Solutions

译者：sophia，Hongke

    电子工业正处于不断的压力下，以降低其制造成本。这对于半导体供应商来说尤其如此，其中测试成本一直被视为没有“增值”的成本。如图1所示，ATE资本成本占IC平均销售价格（ASP）的百分比逐渐变小 - 从2001年的5％上升到2010年的约1％。然而，整体器件的ASP也在减少，意味着在绝对成本方面，测试成本需要以与器件ASAP的减少相同或更大的速率降低，这使得测试工程师面临更大的压力以找到更具成本效益的测试解决方案。实际情况是，通过采用诸如并行测试（四元，八进制等现场测试）等技术来提高传统或“big ATE”测试系统利用率只会在测试费用方面产生有限的改进，而不真正解决测试系统成本的核心问题。对于开发实验室，故障分析实验室或小批量生产的测试需求，多站点测试策略不会提高测试的经济性。

    当今的半导体器件包括各种数字，模拟和RF能力，所有这些都集成在单个封装或SoC（片上系统）中。 结果是，测试解决方案不仅必须是成本有效的，而且灵活，以便解决包括逻辑，存储器，模拟，MEM和RF设备的一系列威廉希尔官方网站 类型。 需要测试解决方案，能够为工程师提供成本有效的自动化设计验证，故障分析和试生产测试活动的能力，而无需使用昂贵的“big ATE”。

    今天的测试工程师面临的挑战是创建新的测试方法和系统，可以提供显着降低的测试成本，以及解决对可配置，灵活的测试解决方案的需求。 COTS（现成商业）硬件在半导体ATE解决方案中总是扮演一些角色 - 有时扩充“big iron”系统，在其他情况下，为原型设备表征提供自动测试设置。数字，模拟和射频测试产品和系统的PXI（Compact PCI Extensions for Instrumentation）的最新进展使测试工程师能够利用PXI平台满足一系列ATE设备测试需求。  特别是，PXI数字产品提供测试仪每引脚功能，包括参数测量单元（PMU）每引脚架构以及包含这些功能的PXI测试系统，现在提供具有高价值和性能的ATE半导体测试功能。此外，这些PXI测试系统为测试工程师提供了经济高效的ATE，可用于故障分析，原型设备验证和试验/早期生产运行 - 允许“大铁”ATE专注于批量生产测试应用程序，同时在紧凑和可配置的平台中提供工程测试组ATE功能。

    数字和混合信号器件的基本测试需求包括直流参数和功能测试。 对于DC测试，必须表征所有器件的引脚，需要一个PMU（参数测量单元）。 如果使用单个PMU，则可以提供激励电压/测量电流或激励电流/测量电压的PMU必须能够访问需要某种类型的开关/多路复用器的所有器件的引脚。 一旦DC特性化完成，就可以执行器件的功能测试。 在这种情况下，具有足够深的存储器，每通道可编程性（电压，负载和方向）和实时比较的数字仪器提供了执行功能测试的关键特性。 解决这些功能的基本设置如图2所示。

    如图2所示的单通道PMU，开关网络和数字仪器的组合对于中等到高引脚数器件而言，迅速变得笨重且性能受限。 此外，用于DC测试的开关时间和编程/测量时间的组合可以容易地需要10甚至100毫秒，需要用于DC参数测试的长测试时间。
    一个更好的解决方案和专有ATE或“big iron”系统通常使用的是每个引脚或通道包含一个PMU，从而产生出众的测试性能（速度和测量精度）。 图3详细说明了包括每引脚配置的PMU的数字仪器的架构。 今天，Marvin测试解决方案的GX5295仪器具有32通道数字I / O和每引脚PMU架构，可作为紧凑型PXI测试平台的一部分，例如TS-900 - 为用户提供高通道数数字和 混合信号测试系统在小型，紧凑的PXI机箱占地面积。 （图4）

    如前所述，PMU可以以两种模式之一使用，以对数字设备的输入和输出线执行直流特性测试：

l l强制电压和测量电流。 使用这种方法，PMU施加恒定电压并使用其板载测量能力来测量被测试的设备/引脚所汲取的电流。 还可以测量由PMU提供的电压。

l  强制电流和测量电压。 使用这种方法，参数测量单元强制恒定电流流过器件或从器件引脚吸收恒定电流，然后测量结果电压。 还可以测量PMU灌电流/源电流。

通过将每个通道的PMU与数字测试功能组合在一个仪器中，可以显着简化对数字和混合信号器件执行一系列直流测试。在数字设备上执行的常见直流测试包括：

·VIH：（电压输入高），施加到器件输入的最小正电压，器件将被逻辑高接受

·VIL：（电压输入低），施加到器件输入的最大正电压，器件将被逻辑低接受

·VOL：（电压输出低），器件输出的最大正电压定义为“保证”最大正低电平指定负载电流

·VOH：（电压输出高）器件输出的最小正电压定义为“保证”最小正高于指定负载电流的高电平

·IIL：（低电平输入泄漏）当输入为逻辑低电平时测量的输入漏电流

·IIH：（高电平输入泄漏）当输入为逻辑高电平时测量的输入漏电流

·IOS（H）：（高电平短路输出电流）输出为逻辑高电平时的短路输出电流

·IOS（L）：（低电平短路输出电流）输出处于逻辑低状态时的短路输出电流

    输出电压电平测试用于在数字输出在指定负载条件下使用时验证数字输出的操作。 它们还可以用于模拟最差情况下的负载条件，以观察在输出负载超过其指定极限时（例如，当对地短路时）DUT的工作情况。 当执行这些类型的测试时，应选择测试电流范围以充分测试输出，而不会损坏被测器件（DUT）。

    以下示例显示如何对数字输出执行VOH测试。 此测试的目的是确保DUT在提供其最大额定驱动电流的同时保持高于其指定输出高电平的输出电压。 对于该测试，PMU被编程为从DUT输出吸收电流，模拟负载条件。

    图5显示了DUT和数字仪器的连接方式。

为了执行该测试，DUT被通电，并且仪器的一个通道（在该示例中为Ch1）用于施加输入逻辑电平，该输入逻辑电平迫使DUT的输出为逻辑高。请注意，每个仪器通道可以配置为PMU或数字I / O模式，提供所需的灵活性和功能以支持VOH，VOL和IOS测试，这些测试要求在执行PMU测量之前将器件的输出编程为正确的状态。第二个数字通道（本例中为Ch2）被设置为PMU强制电流/测量电压模式，初始电流吸收值不会损坏DUT输出引脚。然后，PMU被编程为使器件电流从最小到最大测试值。在每个测试电流值下，测量DUT的输出电压，以确保其处于逻辑高电平的指定电压范围内。还可以测量实际PMU测试电流，并用于为每个输出产生负载与输出电压电平（参见图6）。在这种情况下，被测器件（DUT）是八进制锁存器，每个输出都测试输出电平与电流负载。

    上述测试技术也可用于VOL和IOS测试。 对于VOL测试，DUT的输出将被编程为逻辑低电平，并将指定的负载施加到输出，同时测量输出电压电平以确保其在器件的规范内。 对于IOS参数，输出将被编程为指定的逻辑状态，施加到输出的短路以及所测量的结果电流。

测试器件的输入包括漏电流测试以及表征DUT每个输入端上存在的保护二极管。 这些测试是通过在指定的测试电压范围内逐步施加恒定电压到DUT输入引脚并测量每个步骤的输入电流（图7）来执行的。 由于漏电流通常在uA范围内，因此PMU应设置为更灵敏的电流范围，以实现更精确的测量。

    要执行输入泄漏测试，DUT将通电，PMU引脚将设置为强制电压/测量电流模式。 在每个输入电压设置下，PMU测量输入所汲取的电流，然后根据DUT规格验证该值。 也可以测量PMU正在采集的实际测试电压。

    此处所示的测试技术也可用于VIL和VIH测试。

用于测量/表征连接到设备接地和VCC的输入保护二极管引脚，PMU被配置为强制电压/测量电流，其中电压依次以小增量步进以产生每个二极管的V-I曲线。 图8显示了TTL数字器件的保护二极管的V-I曲线。 注意器件在约0.4伏的结电压下开始导通。

今天的测试工程师正在不断的压力下缩短测试开发时间，并在创建测试程序时变得更有效率。 将测试开发框架与可自动化设备测试的创建和执行的软件工具结合，为测试工程师提供了强大的软件开发环境，以提高测试开发和部署效率。 例如，Marvin Test Solutions的TS-900包括ATEasy - 一个用于管理程序开发和部署的全功能测试执行程序，以及ICEasy，一个简化标准设备测试的创建和执行的测试库，提供用于绘制IV特性并支持 二维Shmoo图。

ICEasy的库包括一整套测试功能，用于表征器件的输入和输出直流特性。 利用TS-900的每引脚PMU功能，用户能够快速创建用于以下类型测试的测试程序：

·打开和短裤

·输入泄漏（IIL，IIH）

·输入电压阈值（VIH，VIL）

·输出短路（IOSH，IOSL）

·输出电压阈值（VOH，VOL）

·功耗（IDD，IDDQ）
    ICEasy的电流 - 电压（I-V）曲线工具使用户能够以图形方式绘制器件ESD二极管的I-V特性。 该测试方法可以提供对影响器件的I / O引脚的器件故障机制的洞察，例如电过载（EOS），静电放电（ESD），接合线问题和封装问题。 并且最近，使用I-V曲线图作为“阻抗特征”在识别已知的真实部件的阻抗或I-V特征与可疑部分相比较的伪造设备中可能是有用的。
     ICEasy的I-V曲线工具允许用户轻松设置电压和电流范围和步进增量，以及按名称定义要测试的特定引脚（或引脚）。 此外，所有I / O引脚可以绘制在同一个图形上，提供了一种简单的方法来比较所有器件的I-V曲线。 （参见图9）绘图数据也可以通过TS-900的测试执行程序（ATEasy）轻松导出。 易于测量I-V特性和绘制结果的能力是故障分析和设计验证应用的关键特性。

ICEasy的Shmoo绘图工具允许用户轻松地在X和Y轴上改变测试参数，而无需编程 - 允许测试工程师直观地观察被测器件的通过/失败操作范围。 TS-900的Shmoo绘图功能是用于器件表征和鉴定的公认测试方法，为用户提供了一种强大的设计验证和早期生产测试认证的技术。 支持自动和交互控制，ICEasy的Shmoo工具允许用户即时更改参数或通过TS-900的测试管理器（ATEasy）控制测试以及记录结果数据。 如图10所示，Shmoo工具允许用户容易地改变一系列测试参数，例如VCC，时钟频率，边沿放置，输入电平等，以便完全表征器件的通过/失败操作条件。

随着提供满足半导体测试需求的仪器和软件，测试工程师现在可以选择采用PXI架构满足当前和未来的ATE要求。 诸如TS-900等系统提供与专有ATE系统相当的特性和性能，如今，在紧凑的20插槽，PXI机箱中，可以使用（16），32通道GX5295数字仪器支持多达512个数字I / O通道。
    此外，通过在PXI平台上进行标准化，用户能够通过结合包括SMU，数字化仪，AWG以及RF信号源和分析仪在内的广泛的仪器来增强系统。
     TS-900具有集成的高性能模块化接收器接口，是希望优化产品生命周期的整体测试策略的用户的理想平台。如表1所示，使用TS-900作为新产品引入过程的一部分或者用于自动化手动设置，与手动或半自动台式测试配置相比提供了显着的优点。例如，测试开发，固定和最重要的是测试时间对于手动设置来说将很长，因为非常少的（如果有的话）测试仪器被优化用于设备测试。采用诸如TS-900之类的测试系统可以为工程师提供更快，更高度自动化的表征器件的过程 - 从几周到几天减少器件特性和验证。此外，TS-900可以成本有效地解决早期生产设备的测试，而不依赖于其昂贵的资本成本（测试时间），固定和长的测试开发时间的“大铁”ATE。通过广泛的软件工具和直观的软件开发/测试执行环境（ATEasy），TS-900满足了测试平台的需要，可以弥合工程实验室和批量生产测试之间的测试差距。