基于PXI平臺的下一代半導體ATE解決方案

　　半導體測試行業(yè)現狀

　　電子行業(yè)正處于不斷的壓力下必須降低其制造成本。上市時(shí)間給半導體制造商很大的壓力，在新產(chǎn)品投入市場(chǎng)后的很短時(shí)間內，利潤是最高的，隨后，由于競爭者開(kāi)發(fā)了類(lèi)似底價(jià)產(chǎn)品，利潤水平開(kāi)始下降。開(kāi)發(fā)一個(gè)有效的節省費用的測試程序往往是阻礙新產(chǎn)品投入批量生產(chǎn)的瓶頸。

　　對于半導體供應商來(lái)說(shuō)，其中測試成本一直被視為沒(méi)有“增值”的成本。如圖1所示，ATE資本成本占IC平均銷(xiāo)售價(jià)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(zhù)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(shí)際情況是，通過(guò)采用諸如并行測試(也叫多點(diǎn)測試)等技術(shù)來(lái)提高傳統或“big ATE”測試系統利用率，只會(huì )在測試費用方面產(chǎn)生有限的改進(jìn)，而不真正解決測試系統成本的核心問(wèn)題。對于開(kāi)發(fā)實(shí)驗室，故障分析實(shí)驗室或小批量生產(chǎn)的測試需求，多站點(diǎn)測試策略不會(huì )提高測試的經(jīng)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(gè)封裝或SoC(system on chip，系統芯片)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(lèi)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(dòng)化設計驗證，故障分析和試生產(chǎn)測試活動(dòng)的能力，而無(wú)需使用昂貴的“big ATE”。

　　今天的測試工程師面臨的挑戰是創(chuàng )建新的測試方法和系統，可以顯著(zhù)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?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/PXI">PXI(Compact PCI Extensions for Instrumentation)數字，模擬和射頻測試產(chǎn)品和系統的最新進(jìn)展使測試工程師能夠利用PXI平臺滿(mǎn)足一系列ATE設備的測試需求。特別是，PXI數字產(chǎn)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(jià)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(jīng)濟高效的ATE，可用于故障分析，原型設備驗證和試驗/早期生產(chǎn)運行 - 允許“big iron”ATE專(zhuān)注于批量生產(chǎn)測試應用程序，同時(shí)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。 對于DC測試，必須表征器件的引腳，需要一個(gè)PMU(參數測量單元)。 如果使用單個(gè)PMU，需要通過(guò)多路復用開(kāi)關(guān)能夠訪(fǎng)問(wèn)的所有器件的引腳，以實(shí)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(shí)時(shí)比較的數字化儀成為執行功能測試的關(guān)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(gè)PMU，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )(多路復用)和數字化儀的組合對于中等到高引腳數器件而言，迅速變得笨重且性能受限。此外，用于DC測試的開(kāi)關(guān)時(shí)間和編程/測量時(shí)間的組合很輕易就需要10甚至100毫秒，用于DC參數測試的時(shí)間就會(huì )變得很長(cháng)。

　　一個(gè)更好的解決方案和專(zhuān)業(yè)的ATE或“big iron”系統通常使用的是每個(gè)引腳或通道包含一個(gè)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(shuō)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(hù)提供多通道數數字和 混合信號測試系并且具有小型，緊湊的PXI機箱占地面積。 (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(xiàn)執行直流特性測試：

　　§ 強制電壓/測量電流

　　使用這種方法，PMU施加恒定電壓并使用其板載測量能力來(lái)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強制恒定電流流過(guò)器件或從器件引腳吸收恒定電流，然后測量電壓，還可以測量PMU的灌電流/源電流。

　　通過(guò)將每個(gè)通道的PMU與數字測試功能組合在一個(gè)儀器中，可以顯著(zhù)簡(jiǎn)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(jiàn)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(shí)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(shí)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(shí)的短路輸出電流

　　n IOS(L)：(低電平短路輸出電流)輸出處于邏輯低狀態(tài)時(shí)的短路輸出電流

　　示例：VOH，VOL和IOS測試

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

　　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(dòng)電流的同時(shí)保持高于其指定輸出高電平的輸出電壓。對于該測試，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，并且儀器的一個(gè)通道(在該示例中為Ch1)用于施加輸入邏輯電平，該輸入邏輯電平迫使DUT的輸出為邏輯高。請注意，每個(gè)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(tài)。

　　第二個(gè)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(huì )損壞DUT輸出引腳。然后，PMU被編程為使器件電流從最小到最大測試值。在每個(gè)測試電流值下，測量DUT的輸出電壓，以確保其處于邏輯高電平的指定電壓范圍內。還可以測量實(shí)際PMU測試電流，并用于為每個(gè)提供負載與輸出電壓電平曲線(xiàn)(參見(jiàn)圖6)。在這種情況下，被測器件(DUT)是八進(jìn)制鎖存器，每個(gè)輸出都測試輸出電平與電流負載。

　　上述測試技術(shù)也可用于VOL和IOS測試。 對于VOL測試，DUT的輸出將被編程為邏輯低電平，并且在測量輸出電壓電平時(shí)將輸出施加到輸出的指定負載，以確保其在器件的規格范圍內。 對于IOS參數，輸出將被編程為指定的邏輯狀態(tài)，應用于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泄漏電流測試以及表征DUT的每個(gè)輸入端上的保護二極管。 這些測試通過(guò)在DUT輸入引腳上逐步施加恒定電壓并在每個(gè)步驟測量輸入電流來(lái)執行(圖7)。 由于漏電流通常在uA范圍內，PMU應設置為更靈敏的電流范圍，以實(shí)現更準確的測量。

　　要進(jìn)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(gè)輸入電壓設置下，PMU測量輸入所汲取的電流，然后根據DUT規格驗證該值。也可以測量PMU正在采集的實(shí)際測試電壓。此處所示的測試技術(shù)也可用于VIL和VIH測試。

　　用于測量/表征連接到設備與地和VCC的輸入保護二極管引腳，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(jìn)以產(chǎn)生每個(gè)二極管的V-I曲線(xiàn)。 圖8顯示了TTL數字器件的保護二極管的V-I曲線(xiàn)。 注意器件在約0.4伏的結電壓下開(kāi)始導通。

　　半導體測試自動(dòng)化

　　今天的測試工程師正在不斷的壓力下縮短測試開(kāi)發(fā)時(shí)間，并在創(chuàng )建測試程序時(shí)變得更有效率。 測試開(kāi)發(fā)框架與可以自動(dòng)創(chuàng )建和執行設備測試的軟件工具結合在一起，為測試工程師提供了強大的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，以提高測試開(kāi)發(fā)和部署生產(chǎn)力。 例如，Marvin測試解決方案的TS-900包括ATEasy - 一個(gè)用于管理程序開(kāi)發(fā)和部署的全功能測試執行環(huán)境，以及簡(jiǎn)化了標準測試的創(chuàng )建和執行的測試庫，它提供了用于繪制IV特性曲線(xiàn)和支持二維Shmoo圖的交互式工具。

　　直流參數自動(dòng)測試創(chuàng )建

　　ICEasy的庫包括一整套測試功能，用于表征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(hù)能夠快速創(chuàng )建用于以下類(lèi)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(hù)提供了一種簡(jiǎn)單而簡(jiǎn)化的方法，可以將特定的器件引腳分配測試以及指定每個(gè)測試的通過(guò)/失敗限制，而無(wú)需執行低級別的儀器設置和控制。 結果是更快的測試創(chuàng )建和更短的測試時(shí)間。

　　I-V Curve Tool

　　ICEasy的電流 - 電壓(I-V)曲線(xiàn)工具使用戶(hù)能夠以圖形方式繪制器件的ESD二極管的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(xiàn)問(wèn)題和封裝問(wèn)題。 而且最近，使用I-V曲線(xiàn)圖作為“阻抗特征”可能有助于識別假冒產(chǎn)品，其中將已知真實(shí)部件的阻抗或I-V標簽出來(lái)并與可疑部件形成對比。

　　ICEasy的I-V曲線(xiàn)工具允許用戶(hù)輕松設置電壓和電流范圍以及步進(jìn)增量以及按名稱(chēng)定義要測試的特定引腳(或引腳)。 此外，所有I/O引腳可以繪制在同一個(gè)圖形上，提供了一種比較所有器件I-V曲線(xiàn)的簡(jiǎn)單方法。 (見(jiàn)圖9)繪圖數據也可以通過(guò)TS-900的測試執行環(huán)境(ATEasy)輕松導出。 易于測量I-V特性并繪制結果的能力是故障分析和設計驗證應用的關(guān)鍵特性。

　　Shmoo Plot Tool

　　ICEasy的Shmoo繪圖工具允許用戶(hù)在X和Y軸上輕松更改測試參數，無(wú)需編程 - 允許測試工程師直觀(guān)地觀(guān)察被測設備的通過(guò)/失敗操作范圍。 TS-900的Shmoo繪圖功能是設備表征和鑒定的公認測試方法，為用戶(hù)提供了強大的設計驗證和早期生產(chǎn)測試資格認證技術(shù)。 ICEasy的Shmoo工具支持自動(dòng)化和交互式控制，允許用戶(hù)即時(shí)更改參數或通過(guò)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(hù)輕松地改變測試參數范圍，例如VCC，時(shí)鐘頻率，邊沿放置，輸入電平等，以便完全表征器件的通過(guò)/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件的可用性，測試工程師現在可以選擇采用PXI架構來(lái)滿(mǎn)足當前和未來(lái)的ATE要求。 諸如TS-900的系統為專(zhuān)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(gè)數字I / O通道。

　　此外，通過(guò)在PXI平臺上進(jìn)行標準化，用戶(hù)可以通過(guò)結合包括SMU，數字化儀，AWG以及RF信號源和分析儀在內的各種儀器來(lái)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(hù)希望優(yōu)化產(chǎn)品生命周期整體測試策略的理想平臺。如表1所示，與手動(dòng)或半自動(dòng)臺式測試配置相比，TS-900作為新產(chǎn)品具有顯著(zhù)的優(yōu)勢。采用TS-900等測試系統可為工程師提供更快更自動(dòng)化的過(guò)程，用于表征器件，從而將器件表征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(chǎn)設備的測試成本，而不用昂貴的資本成本(測試時(shí)間)，固定和長(cháng)時(shí)間的測試開(kāi)發(fā)時(shí)間，而不依賴(lài)“大鐵”ATE。憑借廣泛的軟件工具和直觀(guān)的軟件開(kāi)發(fā)/測試執行環(huán)境(ATEasy)，TS-900滿(mǎn)足了測試平臺的需求，可以彌補工程實(shí)驗室和批量生產(chǎn)測試之間的測試差距。