集成電路極性測試“微整機(jī)”研究與應(yīng)用

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

集成電路極性測試一般指選擇電路一個(gè)特定管腳進(jìn)行電性能量測，快速判斷電路放置是否反向、錯位等，便于后道工序進(jìn)行人工或機(jī)械自動化重新放置，規(guī)避電路發(fā)生測試異常風(fēng)險(xiǎn)。其屬于集成電路成品測試階段的一個(gè)項(xiàng)目，在一些高速測試平臺上比較常見，比如轉(zhuǎn)塔設(shè)備，極性測試被直接做成一個(gè)測試工站。

目前集成電路極性測試多數(shù)依賴于集成電路自動測試機(jī)（Automatic Test Equipment，ATE），功能強(qiáng)大和應(yīng)用成熟的ATE 實(shí)現(xiàn)集成電路極性測試沒有任何壓力，但是測試性價(jià)比對于生產(chǎn)而言就是負(fù)利潤。本文基于集成電路極性測試原理，研究并采用純硬件的方式制作一款集成電路極性測試“微整機(jī)”，能和機(jī)械手（Handler）進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)自動化測試，具備簡單、穩(wěn)定、高效和極低成本的特點(diǎn)。

2 集成電路極性測試原理

集成電路極性測試（以下簡稱極性測試）原理和集成電路開短路測試（以下簡稱開短路測試）原理一致，都是對電路管腳的ESD 靜電保護(hù)二極管的正向?qū)▔航颠M(jìn)行量測判斷（特殊電路管腳結(jié)構(gòu)不在此文章討論范圍），分Open Short to VDD（電源端）和Open Short to VSS（地端），通用測試原理參見圖1，圖中箭頭方向代表電流流向。

圖1 通用極性測試原理

以O(shè)pen Short to VDD 測試為例，先把電路的VDD 引腳接0 V（或接地），再給每個(gè)電路引腳（DUT Signal Pin）施加一個(gè)100～500 μA 從測試機(jī)到電路的灌電流，電流會經(jīng)上端二極管流向VDD（0 V），然后測量引腳的電壓，正常值應(yīng)該是一個(gè)二極管的導(dǎo)通電壓，在0.7 V 左右，一般設(shè)參數(shù)上限為1.5 V，下限為0.2 V，大于1.5 V 判斷為Open Fail to VDD，小于0.2 V判斷為Short Fail to VDD。Open Short to VSS 測試方法類似，只是施加電流的方向反置，測試參數(shù)值為負(fù)值。

極性測試只需要選擇一個(gè)特定電路引腳進(jìn)行量測判斷，而開短路測試一般情況下要掃描量測到所有的電路管腳。極性測試關(guān)注“快”，開短路測試關(guān)注“全”。

3 集成電路極性測試方法

3.1 ATE

對于測試工程師而言，ATE 是第一選擇，原因在于其具備復(fù)雜且功能齊全的硬件資源，有熟悉的開發(fā)環(huán)境（指令已封裝，無需底層開發(fā)），有友好的人機(jī)界面（參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)可視化）和與機(jī)械手通訊的標(biāo)準(zhǔn)化接口等。但對于只需要測試電路某個(gè)特定管腳極性的需求，從性能上看，測試機(jī)能力應(yīng)用不足1%，資源浪費(fèi)嚴(yán)重；從空間上看，機(jī)械手空間本身就很緊湊，一臺極性測試機(jī)和一臺功能測試機(jī)同時(shí)在線，生產(chǎn)場地6S 管理會無法顧及；從成本上看，利用幾萬/幾十萬甚至百萬單價(jià)的ATE 測試機(jī)進(jìn)行極性測試是很不劃算的。

3.2 極性測試“微整機(jī)”

基于ATE 極性測試原理，解析ATE 實(shí)現(xiàn)極性測試的硬件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行演變，設(shè)計(jì)并制作一款和ATE 具有同等極性測試能力的“微整機(jī)”，替代ATE所需的測試頭（Test Head）、PC 主機(jī)和通訊主板等。極性測試“微整機(jī)”體現(xiàn)在兩個(gè)“微”，一個(gè)是功能，只做極性測試，專機(jī)專用；一個(gè)是體積，只有傳統(tǒng)ATE 體積的幾百分之一。其典型的功能實(shí)現(xiàn)框圖如圖2 所示。

從圖2 可以看出，極性測試“微整機(jī)”和傳統(tǒng)ATE測試流程一致，功能需求的核心是“開路”“短路”“反向”和“正?！? 種電性能狀態(tài)的判斷和歸類。

極性測試“微整機(jī)”用4 路比較器、2 路OC 與門等實(shí)現(xiàn)PN/NP 型產(chǎn)品上述功能需求，其電氣原理如圖3 所示。

極性測試“微整機(jī)”由供電單元?、輸入單元?、比較運(yùn)算單元?和通訊接口單元?4 部分組成，具體工作原理說明如下（為便于論述，均以PN 型產(chǎn)品為例進(jìn)行闡述）。

圖2 極性測試“微整機(jī)”功能實(shí)現(xiàn)框圖

3.2.1 供電單元?

供電單元使用DC（直流電源）24 V 作為輸入，經(jīng)過一塊7812 三端穩(wěn)壓電路輸出DC 12 V，這2 個(gè)直流電源是極性測試“微整機(jī)”的功耗來源。DC 24 V 直接使用機(jī)械手內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電源模塊。

3.2.2 輸入單元?

輸入單元由光耦器件（U2、U3）、PN/NP 型二極管（D3-PN、D3-NP）、電阻（R1、R2、R3、R4）和開關(guān)（SW2、SW4）組成，具體功能描述如下：

通過SW2 將D3-PN 二極管接入待測試回路，SW4 觸發(fā)PN Start 信號（模擬機(jī)械手開始信號，便于仿真，實(shí)際機(jī)械手開始信號來自控制單元PLC 或板卡的I/O 端口），U3 AK 導(dǎo)通，R4作為限流電阻使用。U3 CE 導(dǎo)通并維持電壓在VNP（此時(shí)VNP是VCE的導(dǎo)通壓降，約0.2 V）。U2 AK 未使能，U2 CE 未導(dǎo)通，DC 12 V通過R1給D3-PN 二極管提供正向?qū)娏鳎ㄒ话銥?00～500 μA，由R1阻值確定），VPN是D3-PN 的正向?qū)▔航岛蚔NP的和，數(shù)值一般在0.65～1 V 之間（不同的PN 管導(dǎo)通壓降會有差異），作為輸入傳遞給比較運(yùn)算單元。

3.2.3 比較運(yùn)算單元?

比較運(yùn)算單元是極性測試“微整機(jī)”的核心，由一個(gè)4 通道差分比較器U6、可調(diào)式電阻（RV2）、電阻（R5、R6、R7、R8）組成。DC 12 V 通過RV2、R5、R7分壓得到Vo1和Vo2，根據(jù)不同的PN 管測試需求通過RV2進(jìn)行Vo1和Vo2兩個(gè)數(shù)值的微調(diào)，進(jìn)行輸入值VPN和Vo1、Vo2的比較，最終實(shí)現(xiàn)如表1 所示的邏輯表。其中4 通道差分比較器的輸出級均為集電極開路（Open Collector，OC）門，需要接合適的上拉電阻（R6，R8）進(jìn)行負(fù)載能力控制才能起到預(yù)期的輸出效果。

圖3 極性測試“微整機(jī)”電氣原理

表1 極性測試“微整機(jī)”比較運(yùn)算邏輯表

根據(jù)表1 所示，Vo2的數(shù)值介于0.23～0.93 V 之間，Vo1的數(shù)值根據(jù)測試需求一般設(shè)置在1.5～2.5 V 之間，根據(jù)Vo1和Vo2的數(shù)值需求設(shè)計(jì)R5、R7和RV2的具體阻值。

3.2.4 通訊接口單元?

通訊接口單元用于和機(jī)械手進(jìn)行信號交互，實(shí)現(xiàn)自動化測試。工作邏輯見圖4，由光耦器件（U4、U5）、限流電阻（R9、R10）和兩個(gè)發(fā)光二極管（D1、D2）組成，由比較運(yùn)算單元的輸出Y 決定發(fā)光二極管的點(diǎn)亮與熄滅，主要用于操作人員對量測結(jié)果進(jìn)行直觀的可視化判斷，也便于后續(xù)調(diào)試、維護(hù)和故障檢修，同時(shí)也是機(jī)械手的輸入信號（機(jī)械手控制單元PLC 或板卡的I/O 端口會進(jìn)行信號抓?。糜陔娐贩诌x判斷。

圖4 機(jī)械手信號交互邏輯

NP 型二極管的量測原理同上，可根據(jù)實(shí)際測試需求進(jìn)行靈活配置。

4 結(jié)束語

極性測試“微整機(jī)”硬件由2 個(gè)集成電路（一個(gè)4通道比較器和一個(gè)3 端穩(wěn)壓電路）、4 個(gè)光耦、2 個(gè)發(fā)光二極管及若干電阻、電容等組成，功能實(shí)現(xiàn)和ATE 的測試方法、自動化流程完全一致，只是其聚焦定位極性檢測。

極性測試“微整機(jī)”成本不足百元，和ATE 動輒幾萬/幾十萬甚至百萬的成本相比有天壤之別。“微整機(jī)”成本上的巨大優(yōu)勢只是表面，更重要的是對電路測試原理的深刻領(lǐng)悟和再應(yīng)用。目前，極性測試“微整機(jī)”已經(jīng)過Proteus 8 仿真并投入實(shí)際量產(chǎn)應(yīng)用。