基于GPIB總線的芯片測試系統(tǒng)開發(fā)與應用

林 晨，艾 博，宗俊吉

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

隨著半導體技術的高速發(fā)展，芯片需要測試的參數(shù)日益增多，對測試的自動化程度和準確性也提出了很高的要求。芯片測試系統(tǒng)是計算機和標準總線技術的模塊化系統(tǒng)，一般由計算機、測試儀器和軟件組成。由軟件將計算機與測試儀器有機的融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和測試儀器的測量、控制能力集成于一體，通過軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、存儲與分析處理，廣泛應用于芯片測試領域[1-2]。

建立一個可靠、穩(wěn)定的計算機和測試設備有效通訊是保證信息交互的基礎。而目前常用的通訊技術如RS-232（EIA RS-232），RS-485（EIA RS-232），MODBUS，CAN(Controller Area Network)，TCP/IP，GBIP（General Purpose Interface Bus）等協(xié)議，其中RS-232通訊接口信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片；MODBUS通訊作為常用的工業(yè)數(shù)據(jù)通訊，在處理大數(shù)據(jù)量通訊時效率較低；應用CAN通訊處理數(shù)據(jù)易出現(xiàn)信道堵塞，數(shù)據(jù)不一致等情況，影響數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性；TCP/IP通訊應用的最大隱患是信息傳遞安全性較差[3]。

針對低溫測試工藝條件及要求，要確保自動測試過程中信息的穩(wěn)定傳輸，以保證測試效率，同時由于被測對象的測試數(shù)據(jù)越精確，對后續(xù)芯片可用性的判定越準確，故選取可進行高效率大量數(shù)據(jù)通訊的協(xié)議，基于此要求，選擇GPIB通訊協(xié)議進行計算機與測試設備間的數(shù)據(jù)通訊。

1 系統(tǒng)硬件結構

芯片測試系統(tǒng)由通用接口總線(GPIB)、計算機和半導體測試分析儀組成，如圖1所示。計算機與半導體分析儀通過GPIB總線相連，將控制命令發(fā)送到測試儀器，測得的數(shù)據(jù)被發(fā)送到計算機進行分析處理，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信號的傳輸。

1.1 測試儀器與測試條件

測試儀器采用Keysight B1500A半導體分析儀，其功能覆蓋了從基本的電流-電壓（IV）和電容-電壓（CV）表征到快速、精準的脈沖IV測試的全方位測量。在0.1 fA～1 A/0.5 μV～200 V范圍內(nèi)執(zhí)行精確的電流-電壓（IV）測量，支持點測量、掃描測量、采樣和脈沖測量，低采樣間隔為5ns（200MSa/s）。Keysight B1500A帶有IEEE488.2標準的GPIB端口，借助GPIB接口卡可以實現(xiàn)與計算機的實時通信。

1.2 GPIB通訊模塊

GPIB接口卡采用的凌華科技（ADLINK）USB-3488A高性能USB接口GPIB卡，如圖2所示。

圖2 GPIB卡

GPIB總線是一種數(shù)字化的24腳并行總線，其中，8條負責數(shù)據(jù)傳輸，5條負責接口通訊，其余11條負責數(shù)據(jù)傳輸控制。使用8位并行協(xié)議，字節(jié)串行的雙向掛鉤和雙向異步通信方式。數(shù)據(jù)單位是字節(jié)，數(shù)據(jù)以ASCII碼字符串方式傳送，數(shù)據(jù)傳輸率最高可達1 Mb/s。GPIB電纜一端連接器的外部結構如圖3所示。

圖3 GPIB電纜連接器的外觀圖

USB-3488A支持IEEE488.2標準通信協(xié)議[4-5]，本系統(tǒng)采用的部分指令為：

*CLS狀態(tài)清除命令，清除狀態(tài)字節(jié)寄存器、數(shù)據(jù)時間查詢寄存器、標準時間狀態(tài)寄存器、標準操作狀態(tài)寄存器和其他寄存器；

*ESE標準事件狀態(tài)啟用命令，設置標準狀態(tài)啟用寄存器；

*ESE?標準事件狀態(tài)啟用查詢命令，返回標準事件狀態(tài)啟用寄存器的值；

*ESR?標準事件狀態(tài)寄存器查詢命令，返回標準事件狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)；

*IDN?標志查詢命令，返回標志字符串。字符串內(nèi)容為：[制造商]、[型號]、[序列號]、[版本號]；

*OPC操作完成命令，在所有要執(zhí)行的操作完成后設置標準事件狀態(tài)寄存器為0；

*OPC?操作完成查詢命令，在所有要執(zhí)行的操作完成后返回ASCII字符；

*RST復位命令，將儀器重置為初始狀態(tài)；

*SRE服務請求啟用命令，設置服務請求啟用寄存器；

*SRE?服務請求啟用查詢命令，返回服務請求啟用寄存器值；

*STB?讀狀態(tài)字節(jié)查詢命令，返回包含主匯總狀態(tài)位的狀態(tài)字節(jié)；

*TST?自檢查詢命令，啟動自檢并返回兩種狀態(tài)中的一種（0表示自檢通過；1表示自檢失敗）；

*WAI等待完成命令，讓儀器在執(zhí)行下一個命令之前等待上一個命令完成。

2 系統(tǒng)軟件設計

軟件系統(tǒng)的設計采用VS2010作為開發(fā)工具，開發(fā)了一套基于Windows操作系統(tǒng)的低溫芯片測試系統(tǒng)軟件，對芯片測量系統(tǒng)進行控制和數(shù)據(jù)

處理，I-V數(shù)據(jù)的點測流程如圖4所示。

圖4 軟件實現(xiàn)流程圖

2.1 系統(tǒng)通訊搭建

GPIB發(fā)送開啟測試儀地址命令，打開測試儀，部分代碼為：

判斷測試儀通訊是否連接主要通過識別GPIB反饋的特定標志，連接成功如圖5所示：

圖5 測試儀通訊成功圖

2.2 開啟測試

B1500A的點動測試的部分指令如表1所示。

表1 點動測試指令

實現(xiàn)測試部分程序為：

圖6 測試過程圖

①為電壓值1 V時電流測試指令；

②為本次測試時間；

③為本次測試結果；

通過對③結果數(shù)據(jù)的提取、換算即可得到本次測試結果并存儲到計算機。如此反復直到完成所設定的測試范圍。

2.3 測試數(shù)據(jù)處理

計算機讀取測試儀測量的電壓、電流數(shù)據(jù)并保存。

通過計算機設置測試電壓范圍-1～0.2 V，步進電壓0.1 V，電流量程100 mA，開始測試芯片電性能參數(shù)，測試數(shù)據(jù)如表2所示，其對應的測試曲線如圖7所示，獲取零偏電壓，從而判斷芯片是否合格。

圖7 上位機測試曲線

表2 測試結果表

為了分析上位機測試結果的準確性，設置相同的測試參數(shù)，使用測試儀單獨測試，其測試結果如圖8所示。

圖8 測試儀測試曲線

通過圖7和圖8比對可見，相同測試參數(shù)下，上位機測試結果與測試儀測試結果曲線態(tài)勢基本一致，故認為通過上位機可有效控制測試儀進行測試。

3 結束語

針對低溫測試的工藝要求，選用基于GPIB總線的通訊方式，實現(xiàn)了上位機控制半導體分析儀進行工藝測試，通過上位機與測試儀測試結果一致性對比分析，表明該系統(tǒng)測試準確可靠，而且數(shù)據(jù)傳輸快，操作方便。基于該系統(tǒng)采集被測芯片的電性能數(shù)據(jù)進行分析，通過對應的工藝參數(shù)要求，判定芯片是否合格。經(jīng)過對芯片測試系統(tǒng)的多次考核測試，表明系統(tǒng)軟件運行穩(wěn)定、可靠，并且能夠實時采集并分析被測芯片的電性能參數(shù)。

通過點測模式的研發(fā)為今后階梯掃描式連續(xù)測試研發(fā)奠定了基礎，提供了借鑒。