基于PMU的小型集成電路測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及性能分析

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(1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541000)

0 引言

隨著集成電路集成度的不斷提高，集成電路的測試難度不斷增大。目前，主要依賴于集成電路自動(dòng)測試儀(Automatic Test Equipment)完成集成電路測試。ATE的測試原理是通過對(duì)被測器件(Device Under Test)施加激勵(lì)和收集響應(yīng)信號(hào)，與DUT的技術(shù)手冊參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，從而判斷DUT是否合格[1]。集成電路測試儀主要應(yīng)用在晶圓測試(中測)和成品測試(成測)，文章中的集成電路測試系統(tǒng)針對(duì)成測中的直流參數(shù)測試進(jìn)行設(shè)計(jì)。從半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展情況來看，芯片測試技術(shù)落后于芯片的制造速率，高性能的測試儀器價(jià)格昂貴，大大提高了電路測試的成本[2]。為降低集成電路測試成本，本文提出一種新型的電路測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，滿足小微集成電路測試用戶對(duì)測試精度和測試速度的要求。

1 模擬集成電路測試儀的總體架構(gòu)

模擬集成電路測試儀主要由嵌入式控制器、總線接口電路、PAB板、MAB板和DUT適配板構(gòu)成，系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模擬集成電路測試儀總體架構(gòu)

本文主要介紹集成電路測試儀直流參數(shù)測試板(PAB)的設(shè)計(jì)原理、性能分析及功率擴(kuò)展與實(shí)現(xiàn)。

2 PAB電路的工作原理和結(jié)構(gòu)組成

進(jìn)行模擬集成電路直流參數(shù)測試時(shí)，需要對(duì)DUT提供恒流源和恒壓源激勵(lì)，并精確測量DUT的響應(yīng)值，PMU單元可以完成對(duì)DUT激勵(lì)施加和響應(yīng)測量[3]。電壓源/電流源、鉗位電路和測量電路是PAB板的主要部分，考慮到測試系統(tǒng)精度和成本的要求，選用ADI公司的集成PMU外搭功率擴(kuò)展電路的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。PMU內(nèi)部包括電壓源(Voltage Source)、電流源(Current Source)、比較電路(Compare Circuit)、鉗位電路(Clamp Circuit)、測量電路(Measure Circuit)和補(bǔ)償電路(Compensate Circuit)[4]等4個(gè)部分，小量程測試精度高，但功率有限，需要增加功率擴(kuò)展電路才能滿足多種電路測試的要求。

電壓/電流源對(duì)DUT施加恒流源/恒壓源激勵(lì)，同時(shí)可為DUT提供電源，為了滿足集成電路測試對(duì)大功率的需求，由大功率運(yùn)算放大器和跟隨器組成負(fù)反饋電路，輸出穩(wěn)定的大電流/大電壓。比較電路主要完成激勵(lì)響應(yīng)值與參數(shù)手冊中設(shè)計(jì)值之間的比較，輸出pass/fail。鉗位電路包括電路鉗位和電壓鉗位，主要防止因操作失誤和引入容性負(fù)載帶來的大電流、大電壓損壞測試儀和破壞DUT。測量電路完成DUT響應(yīng)信號(hào)檢測，采用四線開爾文的連接方式連接DUT可提高測量精度[5]。補(bǔ)償電路主要是防止電路產(chǎn)生自激和震蕩。采用四象限技術(shù)設(shè)計(jì)PAB板的工作模式，每個(gè)PMU均具有施加電壓測量電流(FVMI)、施加電流測量電壓(FIMV)、施加電流測量電流(FIMI)、施加電壓測量電壓(FVMV)、施加電壓(FV)、施加電流(FI)、測量電壓(MV)、測量電流(MI)八種工作模式[4]。圖2所示為PAB板的電路結(jié)構(gòu)，使用嵌入式控制器完成PMU的控制和量程切換，以提高電路測試的靈活性。

圖2 PAB的電路結(jié)構(gòu)

3 PAB板硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 電壓源與電流源

為了滿足集成電路大功率測試的需求，同時(shí)兼顧小量程的測試精度，將電流量程大于2mA的進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，小于2mA電流范圍使用PMU內(nèi)部量程，這樣既降低了PMU的發(fā)熱功率，也提高了測試系統(tǒng)的精度。根據(jù)PAB板的原理圖，小功率電壓/電流源由高精度運(yùn)放A1提供，采樣電阻與電流檢測運(yùn)放A3和A4構(gòu)成電流源反饋回來，運(yùn)放A1與電壓檢測運(yùn)放A5和A6構(gòu)成恒壓源反饋回路；大功率電壓源/電流源由高精度運(yùn)放A1、A2和大功率運(yùn)放A9共同完成，采樣電阻、大功率電流儀表放大器、電流檢測運(yùn)放A3和A4構(gòu)成大功率恒流源反饋電路，運(yùn)放A1、A2、A9、大功率電壓儀表放大器與電壓檢測運(yùn)放A5和A6構(gòu)成大功率恒壓源反饋電路，通過模擬開關(guān)完成電流源與電壓源的切換。

恒壓源與恒流源實(shí)現(xiàn)原理基本相同，下面以大功率恒壓源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為例進(jìn)行介紹。

施加DAC的轉(zhuǎn)換值與負(fù)反饋值相加，作為高精度施加運(yùn)放A1的正向輸入，與運(yùn)放A2和大功率運(yùn)放A9共同完成高電壓和大電流的穩(wěn)定輸出。其中，補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)將在后面介紹。功率緩沖電路如圖3所示。大功率運(yùn)放A9(OPA541)做同樣比例放大反饋，放大倍數(shù)為+7倍。

圖3 功率緩沖電路

根據(jù)運(yùn)放虛短虛斷原理，運(yùn)放的放大倍數(shù)為+7倍時(shí)，R1、R2滿足[6]：

(1)

采樣電阻與高精度運(yùn)放(LF411)組成電壓跟隨儀表放大器，輸出電壓經(jīng)分壓電阻后反饋到輸入端，以實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定輸出[11]，電壓檢測儀表放大電路如圖4所示。

圖4 電壓檢測儀表放大電路

為了滿足電壓輸出量程與電壓檢測量程相匹配，設(shè)計(jì)R3=R7，R2=R6，R1=R5，R4=R8。則電路的放大系數(shù)K滿足下面的關(guān)系[4-6]：

(2)

由公式(2)可知，放大倍數(shù)K通過電阻阻值進(jìn)行設(shè)定。PMU的輸出電壓范圍限制在±10 V之間。為提高電壓測量精度，并與PMU的輸出相匹配，將輸出電壓分成4 V、8 V、20 V和40 V四檔，對(duì)應(yīng)的電壓放大系數(shù)分別是：2.5、1.25、0.5和0.25。

恒流源的設(shè)計(jì)原理與恒壓源類似，取樣電阻對(duì)電流進(jìn)行取樣，與電壓檢測運(yùn)放組成負(fù)反饋電路?？紤]到檢測精，現(xiàn)將電流檢測回路中反饋電壓量程設(shè)為±2 V，則電流檢測放大器的放大倍數(shù)應(yīng)為+5，電流量程的切換可通過繼電器切換取樣電阻實(shí)現(xiàn)。例如，取樣電阻的阻值RS=2 Ω，根據(jù)歐姆定律，電流量程應(yīng)選擇1 A。

3.2 補(bǔ)償電路

所設(shè)計(jì)的集成電路測試系統(tǒng)，采用施加運(yùn)放(內(nèi)部補(bǔ)償)和負(fù)載器件(外部補(bǔ)償)分別補(bǔ)償，通過程控方式切換不同的電容。補(bǔ)償電路在集成電路測試中主要有兩個(gè)方面的作用：系統(tǒng)在測試范圍較大的容性負(fù)載時(shí)維持電路的穩(wěn)定；內(nèi)部“積分器”能夠限制環(huán)路的轉(zhuǎn)換速度，增加環(huán)路的直流增益，最大限度降低環(huán)路的誤差電壓值[7]。

補(bǔ)償電路僅對(duì)電壓模式起作用，補(bǔ)償電容越大，電路越容易穩(wěn)定，但會(huì)加長整個(gè)環(huán)路的建立時(shí)間。采用導(dǎo)通電阻小于50 Ω的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器切換不同的電容值完成補(bǔ)償。當(dāng)切換到電流模式時(shí)，外部補(bǔ)償自動(dòng)斷開。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，補(bǔ)償電容選擇的參考值如表1所示[8]。

表1 補(bǔ)償電容選擇參考

注：CDUT被測負(fù)載電容值；C內(nèi)內(nèi)部補(bǔ)償電容值；C外外部補(bǔ)償電容值。

3.3 鉗位電路

鉗位電路主要是防止環(huán)路中電壓或電流值突然升高，保護(hù)DUT和測試儀[9]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種鉗位方式，一種是通過高壓運(yùn)放鉗位，如圖3所示，通過調(diào)整Rlim的大小改變鉗位范圍；另一種是通過PMU環(huán)路進(jìn)行鉗位，圖5所示為鉗位電路原理，鉗位電路通過兩個(gè)高精度運(yùn)放實(shí)現(xiàn)高低鉗位的設(shè)定，比較反饋量是否在所設(shè)定的高低鉗位范圍之內(nèi)，若在范圍之內(nèi)，鉗位電路不工作，若反饋值超出鉗位范圍，鉗位二極管導(dǎo)通，運(yùn)放A2的輸入電壓變成鉗位電壓設(shè)定值，鉗位范圍之外的電壓被電阻R2消耗，施加運(yùn)放A1輸出抑制，鉗位電路開始作用。

圖5 鉗位電路實(shí)現(xiàn)原理

3.4 其他

使用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7686作為ADC轉(zhuǎn)換電路，將4個(gè)PMU的測量輸出端并聯(lián)在一起接入ADC上，通過模擬開關(guān)切換測量輸出環(huán)路的開閉，既簡化了電路設(shè)計(jì)，又能滿足系統(tǒng)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的需求，同時(shí)降低該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)成本[10]。

為了降低繼電器內(nèi)阻對(duì)取樣電阻的影響，在電流/電壓取樣電路中采用四線制開爾文的連接方式。同樣，從提高測試精度方面考慮，對(duì)DUT的施加線(FORCE)和測量線(SENSE)采用開爾文的連接方式分開接線。

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在負(fù)載斷開的情況下切換電流檔位，此時(shí)相當(dāng)于負(fù)載無窮大，接入負(fù)載后需要較長的時(shí)間才能達(dá)到環(huán)路的穩(wěn)定。選擇預(yù)設(shè)負(fù)載并聯(lián)在DUT兩端，當(dāng)負(fù)載斷開時(shí)，切換繼電器將預(yù)設(shè)負(fù)載接入電路，能有效減少環(huán)路再次穩(wěn)定的時(shí)間。

4 測試性能分析

為了測試電流檔位的精度，選用精度0.1%的金屬薄膜電阻進(jìn)行采樣。由于測試工作量比較大，下面對(duì)電壓源的精度進(jìn)行詳細(xì)測試。工作模式為FV(施加電壓)時(shí)，通過精密萬用表檢測電壓源的施加精度；工作模式為FVMI(施加電壓測量電流)時(shí)的電流測量精度；工作模式為FVMV(施加電壓測量電壓)時(shí)的電壓測量精度。

當(dāng)系統(tǒng)工作在施加電壓模式時(shí)，以系統(tǒng)設(shè)定施加電壓值為+5 V為例，通過精密萬用表等間距采集100個(gè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)輸出的電壓值最大為5.006 791 V，最小為5.004 120 V，平均值為5.005291 V，施加精度在0.09%左右，圖6所示為電壓源施加+5 V時(shí)系統(tǒng)的輸出情況。

圖6 電壓源輸出+5 V時(shí)的波動(dòng)情況

系統(tǒng)工作模式為施加電壓測量電流(FVMI)模式時(shí)，選用阻值為10 kΩ的金屬薄膜電阻作為DUT，電壓源輸出-5 V～+5 V的直流電壓，步長為10 mV，圖7為系統(tǒng)測得的電流值經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。通過圖7可以得出，系統(tǒng)對(duì)電流的測量精度小于0.3%。

圖7 FVMI模式下電流的測量精度

系統(tǒng)工作模式為施加電壓測量電壓(FVMV)模式時(shí)，電壓源輸出-10～+10 V的直流電壓，步長為10 mV，圖8為經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。通過圖8可以看出，系統(tǒng)輸出呈線性狀態(tài)，電壓測量精度小于0.5%。

圖8 FVMV模式下電壓的測量精度

用同樣方式可以測得系統(tǒng)工作在施加電流(FI)模式時(shí)，系統(tǒng)輸出1 μA的電流，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后的結(jié)果如圖9所示，根據(jù)測量結(jié)果，在軟件矯正之前，電流源的施加與測量精度小于0.3%。

圖9 FIMI模式下電流的測量精度

經(jīng)過實(shí)際測試，與理論計(jì)算值相比，電流源的施加精度能夠控制在0.05%，通過取樣電阻取樣并經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后的值與理論值相比，絕對(duì)誤差值呈線性分布，軟件矯正前的電流精度小于0.4%，同樣方法得到電壓的精度小于0.3%，滿足集成電路測試的要求。

大量實(shí)驗(yàn)和測試可知，通過優(yōu)化補(bǔ)償電路可有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，解決了工頻干擾、高頻信號(hào)以及不良元件帶來的問題。另外，在容性負(fù)載兩端并聯(lián)補(bǔ)償電容的方式也能起到維持電路穩(wěn)定的作用。

5 結(jié)語

電路測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作在小量程時(shí)，精度高，速度快。另外，該系統(tǒng)具備功率擴(kuò)展單元，可測試電路范圍更寬，可以靈活地對(duì)被測件施加電壓源激勵(lì)或者電流源激勵(lì)，從優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和改善補(bǔ)償電路兩個(gè)方面提高系統(tǒng)的測試精度，而且系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，達(dá)到工業(yè)級(jí)測試需求。該設(shè)計(jì)方案相比現(xiàn)有的產(chǎn)品可降低2/3的硬件設(shè)計(jì)成本，可滿足小微電路測試企業(yè)的要求。

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