基于PXI平臺的下一代半導(dǎo)體ATE解決方案

　　半導(dǎo)體測試行業(yè)現(xiàn)狀

　　電子行業(yè)正處于不斷的壓力下必須降低其制造成本。上市時間給半導(dǎo)體制造商很大的壓力，在新產(chǎn)品投入市場后的很短時間內(nèi)，利潤是最高的，隨后，由于競爭者開發(fā)了類似底價產(chǎn)品，利潤水平開始下降。開發(fā)一個有效的節(jié)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(dǎo)體供應(yīng)商來說，其中測試成本一直被視為沒有“增值”的成本。如圖1所示，ATE資本成本占IC平均銷售價格(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。

　　實際情況是，通過采用諸如并行測試(也叫多點測試)等技術(shù)來提高傳統(tǒng)或“big ATE”測試系統(tǒng)利用率，只會在測試費用方面產(chǎn)生有限的改進，而不真正解決測試系統(tǒng)成本的核心問題。對于開發(fā)實驗室，故障分析實驗室或小批量生產(chǎn)的測試需求，多站點測試策略不會提高測試的經(jīng)濟性。

　　當(dāng)今的半導(dǎo)體器件包括各種數(shù)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封裝或SoC(system on chip，系統(tǒng)芯片)中。 結(jié)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化設(shè)計驗證，故障分析和試生產(chǎn)測試活動的能力，而無需使用昂貴的“big ATE”。

　　今天的測試工程師面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)建新的測試方法和系統(tǒng)，可以顯著的降低測試成本，以及解決可配置，靈活的測試解決方案的需求?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/PXI">PXI(Compact PCI Extensions for Instrumentation)數(shù)字，模擬和射頻測試產(chǎn)品和系統(tǒng)的最新進展使測試工程師能夠利用PXI平臺滿足一系列ATE設(shè)備的測試需求。特別是，PXI數(shù)字產(chǎn)品中提供每引腳具備參數(shù)測量單元(PMU)功能，現(xiàn)在提供具有高價值和性能的ATE半導(dǎo)體測試功能。此外，PXI測試系統(tǒng)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(shè)備驗證和試驗/早期生產(chǎn)運行 - 允許“big iron”ATE專注于批量生產(chǎn)測試應(yīng)用程序，同時在緊湊和可配置的平臺中提供工程測試功能。

　　半導(dǎo)體測試要求

　　數(shù)字和混合信號器件的基本測試需求包括直流參數(shù)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PMU(參數(shù)測量單元)。 如果使用單個PMU，需要通過多路復(fù)用開關(guān)能夠訪問的所有器件的引腳，以實現(xiàn)激勵電壓/測量電流或激勵電流/測量電壓。 一旦DC參數(shù)測試完成，就可以執(zhí)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)和實時比較的數(shù)字化儀成為執(zhí)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PMU，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(多路復(fù)用)和數(shù)字化儀的組合對于中等到高引腳數(shù)器件而言，迅速變得笨重且性能受限。此外，用于DC測試的開關(guān)時間和編程/測量時間的組合很輕易就需要10甚至100毫秒，用于DC參數(shù)測試的時間就會變得很長。

　　一個更好的解決方案和專業(yè)的ATE或“big iron”系統(tǒng)通常使用的是每個引腳或通道包含一個PMU，從而提供出眾的測試性能(包括速度和測量精度)。 圖3詳細說明了每引腳配置的PMU的數(shù)字儀器的架構(gòu)。

　　現(xiàn)今，Marvintest的半導(dǎo)體測試解決方案的GX5295具有32通道數(shù)字I / O和每引腳PMU架構(gòu)，可作為緊湊型PXI測試平臺的一部分，例如TS-900半導(dǎo)體測試系統(tǒng) - 為用戶提供多通道數(shù)數(shù)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(shù)測試

　　如前所述，PMU可以使用兩種模式之一，以對數(shù)字設(shè)備的輸入和輸出線執(zhí)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測量被測試的設(shè)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。

　　通過將每個通道的PMU與數(shù)字測試功能組合在一個儀器中，可以顯著簡化對數(shù)字和混合信號器件執(zhí)行的一系列直流測試。在半導(dǎo)體器件上執(zhí)行的常見直流測試包括：

　　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(dāng)輸入為邏輯低電平時測量的輸入漏電流

　　n IIH：(高電平輸入漏電流)當(dāng)輸入為邏輯高電平時測量的輸入漏電流

　　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驗證數(shù)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，以觀察在輸出負載超過其指定極限時(例如，當(dāng)對地短路時)DUT的工作情況。當(dāng)執(zhí)行這些類型的測試時，應(yīng)選擇不會損壞被測器件(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(shù)字輸出執(zhí)行VOH測試。此測試的目的是確保DUT在提供其最大額定驅(qū)動電流的同時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(shù)字儀器的連接方式。

　　為了執(zhí)行該測試，DUT被通電，并且儀器的一個通道(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，每個儀器通道可以配置為PMU或數(shù)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(zhí)行PMU測量之前將器件的輸出編程為正確的狀態(tài)。

　　第二個數(shù)字通道(本例中為Ch2)被設(shè)置為PMU強制電流/測量電壓模式，初始電流吸收值不會損壞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(nèi)。還可以測量實際PMU測試電流，并用于為每個提供負載與輸出電壓電平曲線(參見圖6)。在這種情況下，被測器件(DUT)是八進制鎖存器，每個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將輸出施加到輸出的指定負載，以確保其在器件的規(guī)格范圍內(nèi)。 對于IOS參數(shù)，輸出將被編程為指定的邏輯狀態(tài)，應(yīng)用于輸出的短路和測量的結(jié)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的每個輸入端上的保護二極管。 這些測試通過在DUT輸入引腳上逐步施加恒定電壓并在每個步驟測量輸入電流來執(zhí)行(圖7)。 由于漏電流通常在uA范圍內(nèi)，PMU應(yīng)設(shè)置為更靈敏的電流范圍，以實現(xiàn)更準(zhǔn)確的測量。

　　要進行漏電流測試，DUT將被通電，PMU引腳將設(shè)置為強制電壓/測量電流模式。在每個輸入電壓設(shè)置下，PMU測量輸入所汲取的電流，然后根據(jù)DUT規(guī)格驗證該值。也可以測量PMU正在采集的實際測試電壓。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(shè)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以產(chǎn)生每個二極管的V-I曲線。 圖8顯示了TTL數(shù)字器件的保護二極管的V-I曲線。 注意器件在約0.4伏的結(jié)電壓下開始導(dǎo)通。

　　半導(dǎo)體測試自動化

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

　　直流參數(shù)自動測試創(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，用戶能夠快速創(chuàng)建用于以下類型測試的測試程序：

　　§ 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(yù)配置的測試結(jié)合了ICEasy的器件引腳和引腳組映射功能，為用戶提供了一種簡單而簡化的方法，可以將特定的器件引腳分配測試以及指定每個測試的通過/失敗限制，而無需執(zhí)行低級別的儀器設(shè)置和控制。 結(jié)果是更快的測試創(chuàng)建和更短的測試時間。

　　I-V Curve Tool

　　ICEasy的電流 - 電壓(I-V)曲線工具使用戶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(shè)備I/O引腳的器件故障機制，如電應(yīng)力(EOS)，靜電放電(ESD)，接合線問題和封裝問題。 而且最近，使用I-V曲線圖作為“阻抗特征”可能有助于識別假冒產(chǎn)品，其中將已知真實部件的阻抗或I-V標(biāo)簽出來并與可疑部件形成對比。

　　ICEasy的I-V曲線工具允許用戶輕松設(shè)置電壓和電流范圍以及步進增量以及按名稱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圖形上，提供了一種比較所有器件I-V曲線的簡單方法。 (見圖9)繪圖數(shù)據(jù)也可以通過TS-900的測試執(zhí)行環(huán)境(ATEasy)輕松導(dǎo)出。 易于測量I-V特性并繪制結(jié)果的能力是故障分析和設(shè)計驗證應(yīng)用的關(guān)鍵特性。

　　Shmoo Plot Tool

　　ICEasy的Shmoo繪圖工具允許用戶在X和Y軸上輕松更改測試參數(shù)，無需編程 - 允許測試工程師直觀地觀察被測設(shè)備的通過/失敗操作范圍。 TS-900的Shmoo繪圖功能是設(shè)備表征和鑒定的公認測試方法，為用戶提供了強大的設(shè)計驗證和早期生產(chǎn)測試資格認證技術(shù)。 ICEasy的Shmoo工具支持自動化和交互式控制，允許用戶即時更改參數(shù)或通過TS-900的測試管理器(ATEasy)控制測試以及記錄生成的數(shù)據(jù)。 如圖10所示，Shmoo工具允許用戶輕松地改變測試參數(shù)范圍，例如VCC，時鐘頻率，邊沿放置，輸入電平等，以便完全表征器件的通過/失敗操作條件。

　　PXI半導(dǎo)體測試系統(tǒng)

　　考慮解決半導(dǎo)體測試需求的儀器和軟件的可用性，測試工程師現(xiàn)在可以選擇采用PXI架構(gòu)來滿足當(dāng)前和未來的ATE要求。 諸如TS-900的系統(tǒng)為專有的ATE系統(tǒng)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(shù)字I/O(每引腳帶PMU)的緊湊型20插槽PXI機箱中支持多達512個數(shù)字I / O通道。

　　此外，通過在PXI平臺上進行標(biāo)準(zhǔn)化，用戶可以通過結(jié)合包括SMU，數(shù)字化儀，AWG以及RF信號源和分析儀在內(nèi)的各種儀器來擴充系統(tǒng)。

　　TS-900具有集成的高性能模塊化接收器接口，是用戶希望優(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，與手動或半自動臺式測試配置相比，TS-900作為新產(chǎn)品具有顯著的優(yōu)勢。采用TS-900等測試系統(tǒng)可為工程師提供更快更自動化的過程，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(shè)備的測試成本，而不用昂貴的資本成本(測試時間)，固定和長時間的測試開發(fā)時間，而不依賴“大鐵”ATE。憑借廣泛的軟件工具和直觀的軟件開發(fā)/測試執(zhí)行環(huán)境(ATEasy)，TS-900滿足了測試平臺的需求，可以彌補工程實驗室和批量生產(chǎn)測試之間的測試差距。