半导体测试：基于PXI 平台的先进性能中的AC/DC和V-I测试

前言

       当今半导体测试工程师面临的挑战是如何寻找和创建一个新的测试解决方案，该方案被要求能够显著降低测试成本，并满足可配置、开放架构、灵活的测试解决方案的需求，这些解决方案可以提供与专用ATE平台相媲美的功能。特别是，对于低至中等数量的测试需求，例如在试生产、验证和集中生产过程中的测试应用，对灵活且经济高效的ATE解决方案的需求尤为迫切。对于这些应用，测试工程师过去一直依赖传统的测试系统，这些系统的购置成本很低，但运营成本很高，或者是内部设计的机架堆叠的解决方案。然而，基于PXI平台的半导体测试系统解决方案在功能和性能方面在过去这些年中取得了显著的进步，为测试工程师提供一个可行的替代方案，以满足当前和未来的测试需求。

        对于数字和系统芯片测试应用，今天的PXI测试系统提供中等到高数字通道计数能力，每个引脚都有参数测量单元（PMU）功能。然而，现有的PXI数字子系统由于其有限的定时引擎能力，在很大程度上仅限于验证设备的DC和功能测试特性。为了完全满足“big ATE”中的测试要求，基于PXI的测试系统（及其数字子系统）还必须能够测试设备的交流特性，例如设置和保持时间——这一能力是当前一代PXI仪器不容易实现的。最新一代的PXI系统和仪器提供了专利ATE系统中的许多功能，包括一个先进的定时引擎和用于导入测试向量和开发测试程序的软件工具。

半导体测试要求

       数字和混合信号设备的基本测试需求包括直流/交流参数和功能测试。对于直流测试，设备的所有引脚都必须有特征，这需要一个PMU。一个PMU可以提供源电压来测量电流或提供源电流来测量电压，并且设备的所有引脚必须能够被访问。如果使用单个PMU，则需要某种类型的开关/多路复用器。一旦完成直流特性化，就可以对设备进行功能/交流参数测试。在这种情况下，具有足够深的内存、每通道可编程性（电压、负载和方向）、可编程边缘位置和实时比较的数字仪器为测试交流参数和功能提供了关键特性。图1显示了一个处理这些功能的基本设置。

                图1  带PMU、数字仪表和开关矩阵的系统配置。

        所示配置对于即使是中等引脚数的ATE系统也不实用。现在的PXI测试系统采用了每管脚或每通道一个PMU的架构，提供了高通道数配置和优异的测试性能（速度和测量精度）。图2详细说明了一个数字仪器的结构，其中包括每个引脚的PMU配置。PXI测试系统在小型、紧凑、单PXI机箱中提供高通道数数字和混合信号测试系统。

               图2  3U PXI，32通道数字I/O，带每引脚PMU架构

执行直流参数测试

       如前所述，PMU可用于两种模式之一，以对数字设备的输入和输出引脚进行直流特性测试：

施加电压并测量电流。通过这种方法，PMU采用恒定电压，并利用其车载测量能力，测量被测设备/管脚所消耗的电流。PMU提供的电压也可以测量。

施加电流并测量电压。通过这种方法，参数测量单元要么施加一个恒定的电流流过一个器件，要么从一个器件引脚引入一个灌电流，然后测量产生的电压。也可以测量PMU的灌/拉电流。

通过将每个通道的PMU与数字测试功能组合在一台仪器中，可以大大简化在数字和混合信号设备上执行的一系列直流测试。在数字设备上进行的常见直流测试包括输入电压电平（VIH/VIL）、输出电压电平（VOL/VOH）、输入漏电和输出短路电流测试。

执行输入泄漏测试和V-I测试

       测试一个设备的输入包括漏电流测试以及表现在被测设备（DUT）的每个输入端上的保护二极管的特性。这些测试是通过在规定的测试电压范围内，逐步向DUT输入引脚施加恒定电压，并测量每个步骤的输入电流（图3）来实现的。由于漏电流通常在uA范围内，PMU应设置为更灵敏的电流范围，以实现更精确的测量。

               图3  使用数字仪表的PMU功能进行输入泄漏测试

       要执行输入泄漏测试，DUT需要通电，同时PMU引脚设置为施加电压/测量电流模式。在每个输入电压设置下，PMU测量输入电流，然后根据DUT规格验证该值。PMU提供的实际测试电压也可以被测量。该测试技术也可用于VIL和VIH的测试。

        为了测量/表征连接到设备接地和VCC引脚的输入保护二极管，PMU配置为施加电压/测量电流模式，电压以小增量递增，以便为每个二极管生成V-I曲线。该器件在0.7伏的结电压下开始导电。

交流参数测试能力

        为了充分利用大型ATE专有数字仪器中的功能和功能，现在基于PXI的数字子系统必须具有每引脚或通道的灵活和动态计时能力。与现有3U PXI数字子系统采用“单一”定时系统（其中所有I/O通道都用同一时钟边缘进行时钟）不同，每引脚动态定时系统提供了在多通道基础上独立和动态定位数据的灵活性。此外，在模拟复杂的总线定时或测试脉冲宽度灵敏度时，数据格式（例如不归零或归零等）提供了更大的灵活性。有了这些动态计时特性和数据格式，基于PXI的测试系统可以提供与大型ATE系统相当的测试能力。

        动态计时意味着能够在测试步骤内以足够的分辨率移动边缘。对于一个独特的定时系统的挑战是边缘位置将被限制在向量时钟速率的上升或下降边缘，并且对于一个完整的向量突发，边缘位置将是固定的。

        例如，如果矢量时钟速率为100MHz，则边缘位置将被限制为5ns分辨率，且时钟速率较慢，从而导致相应的分辨率降低。为了充分表现和测试切换速率为100MHz或更高的数字设备，测试系统必须能够以1ns或更好的分辨率在数据/时钟边缘进行增量和动态移动。一个典型的应用是描述设备的设置和持续时间，这需要相对于时钟的数据增量移动。

        为了执行此测试，数据（或时钟）相对于时钟（或数据）以小增量移动，从而允许设备实现完整的交流特性。使用数字子系统的多时间设置功能，可以为序列或测试步骤分配不同的值，允许时钟边缘通过设备的指定设置和持续时间范围。

        在不求采用1-GHz或更高的定时时钟速率的情况下，一个提供足够的定时分辨率的解决方案是采用动态时序内插器。该内插器能够灵活地将驱动/感测测试矢量以1-ns或更好的分辨率定位在测试步骤内的任何位置，而不仅仅是在矢量时钟的边缘边界上。这种灵活性允许用户精确地创建矢量定时，而无需求助于过采样（over sampling）等变通方法，这是一种使用多个向量来实现中等边缘位置分辨率的技术。此外，“动态”编程引脚时序的能力极大地简化了时序Shmoo图的创建/执行、设备交流参数的验证/特征描述，以及WGL、STIL和VCD测试向量的转换。使用仅支持每引脚“静态”计时的仪器来执行这些测试需要更长的测试时间，在某些情况下，仪器的功能可能不适合应用。

        通过将每针定时结构的特性与软件工具相结合，可以很容易地表现出数字和混合信号设备的动态性能。例如，通过使用二维Shmoo图，可以基于电源变化或其他参数来表征设备的性能。图4详细说明了这两个参数与电源变化的Shmoo图。在每种情况下，在一系列定时和电源条件下将测试向量应用于被测设备，并显示每个特定操作条件下的通过/失败结果。

                             图4  设置、持续时间Shmoo图

总结

        下一代PXI数字仪器提供的功能和测试功能通常只能在专用的ATE半导体系统中找到。随着这些新的、先进的数字子系统的出现，基于PXI的半导体测试解决方案现在可以为数字、混合信号和射频测试应用提供更广泛的测试能力和功能。现在的PXI系统为验证、集中生产和故障分析应用提供了令人信服的测试解决方案，提供了与专用ATE相当的功能和性能。