2.2　數(shù)字IC測(cè)試系統(tǒng)

由數(shù)字電路控制的電子信號(hào)稱為數(shù)字信號(hào)，表現(xiàn)為邏輯電平“0”和“1”，它們被分別定義成一種特殊的電壓分量，如圖2.6所示。所有有效的數(shù)字電路數(shù)據(jù)都用它們來(lái)表示，每一個(gè)“0”或者“1”表示數(shù)據(jù)的一個(gè)比特（bit），任何數(shù)值都可以由按照一定順序排列的“0”“1”組成的二進(jìn)制數(shù)據(jù)來(lái)表示，數(shù)值越大，需要的比特位越多。每8bit構(gòu)成一個(gè)字節(jié)（Byte），數(shù)字電路中的數(shù)據(jù)經(jīng)常以字節(jié)為單位進(jìn)行處理。

2.2.1　數(shù)字測(cè)試系統(tǒng)的組成

數(shù)字電路器件通過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)量電流或者通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流測(cè)量電壓，或者使用功能測(cè)試器件在特定輸入狀態(tài)下，測(cè)量器件的輸出電壓是否滿足測(cè)試條件，或者器件的輸出是否符合邏輯，抑或使用功能測(cè)試操作器件內(nèi)部的寄存器讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，這些測(cè)試使用的ATE稱為數(shù)字測(cè)試系統(tǒng)，圖2.7顯示了數(shù)字測(cè)試系統(tǒng)中包含的基本模塊。

測(cè)量系統(tǒng)控制CPU是系統(tǒng)的控制中心，它主要由控制測(cè)試系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成。測(cè)試系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)接口（Network Interface）用以傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)；用戶控制接口中，計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)和內(nèi)存（Memory）用來(lái)存儲(chǔ)本地?cái)?shù)據(jù)，顯示器和鍵盤(pán)提供了測(cè)試操作員和系統(tǒng)接口。

系統(tǒng)供電單元（System Power Supply，SPS），負(fù)責(zé)為測(cè)試系統(tǒng)供電。

被測(cè)器件參考電壓源一方面為被測(cè)器件的電源引腳（VDD或VCC）提供電壓和電流，另一方面為系統(tǒng)內(nèi)部引腳電路單元的驅(qū)動(dòng)和比較電路提供邏輯電平的參考電壓，其為驅(qū)動(dòng)電路提供的參考電壓包括輸入低電平（Voltage Input Low，VIL）和輸入高電平（Voltage Input High，VIH），為比較電路提供的參考電壓包括輸出低電平（Voltage Output Low，VOL）和輸出高電平（Voltage Output High，VOH）。

引腳電路（Pin Electronics，PE，也叫Pin Card、PEC（Pin Electronics Card），或者I/O Card）通常放置在測(cè)試機(jī)頭中，是測(cè)試系統(tǒng)資源和待測(cè)器件之間的接口，它給待測(cè)器件提供輸入信號(hào)并接收器件的輸出信號(hào)，詳細(xì)功能將在2.2.3節(jié)中介紹。

外部?jī)x器接口（External Instrument Interface），用于連接ATE與分選機(jī)，進(jìn)行測(cè)試通信。

精密測(cè)量單元（Precision Measurement Unit，PMU），用于進(jìn)行精確的DC參數(shù)測(cè)量，它能驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)入器件并測(cè)量電壓，或者為器件加上電壓，進(jìn)而去測(cè)量產(chǎn)生的電流。在2.2.2節(jié)中會(huì)詳細(xì)介紹PMU的工作原理和配置方式。

特殊選件（Special Tester Option），包含一些選配的特殊功能，比如存儲(chǔ)器測(cè)試、模擬電路測(cè)試所需要的特殊硬件結(jié)構(gòu)。

并行與掃描向量存儲(chǔ)單元（Parallel and Scan Vector Memory），是每個(gè)測(cè)試系統(tǒng)都有一組高速的存儲(chǔ)器，這組存儲(chǔ)器稱為向量存儲(chǔ)單元，用來(lái)存儲(chǔ)測(cè)試向量（Vector），測(cè)試向量描述了測(cè)試器件所期望的邏輯輸入輸出狀態(tài)。測(cè)試系統(tǒng)從向量存儲(chǔ)單元中讀取輸入信號(hào)的輸入狀態(tài)，并通過(guò)測(cè)試機(jī)引腳電路輸出給待測(cè)器件的相應(yīng)引腳；再?gòu)钠骷敵鲆_讀取相應(yīng)的狀態(tài)，與測(cè)試向量中相應(yīng)的輸出信號(hào)進(jìn)行比較。這里的輸入信號(hào)也稱為驅(qū)動(dòng)（Driver）信號(hào)，輸出信號(hào)也稱為期望（Expect）信號(hào)。進(jìn)行功能測(cè)試時(shí)，測(cè)試向量為待測(cè)器件提供激勵(lì)并監(jiān)測(cè)器件的輸出，如果器件輸出與期望不相符，則說(shuō)明器件沒(méi)有正常工作，該項(xiàng)測(cè)試沒(méi)有通過(guò)，記錄為一項(xiàng)功能失效（Fail）。有兩種類型的測(cè)試向量：并行向量和掃描向量，大多數(shù)數(shù)字測(cè)試系統(tǒng)都支持這兩種向量模式。

格式、時(shí)序存儲(chǔ)器單元（Format、Timing Storage Unit），存儲(chǔ)了功能測(cè)試需要用到的格式和時(shí)序設(shè)置等數(shù)據(jù)和信息，信號(hào)格式和時(shí)間沿標(biāo)識(shí)定義了輸入信號(hào)的格式和輸出信號(hào)的采樣時(shí)間點(diǎn)。時(shí)序單元從向量存儲(chǔ)單元接收激勵(lì)狀態(tài)（“0”或者“1”），結(jié)合時(shí)序及信號(hào)格式等信息，生成格式化的數(shù)據(jù)送給電路的驅(qū)動(dòng)部分，進(jìn)而輸出給待測(cè)器件。

系統(tǒng)時(shí)鐘（Test System Clock），為測(cè)試系統(tǒng)提供同步時(shí)鐘信號(hào)，這些時(shí)鐘信號(hào)的頻率范圍通常比功能測(cè)試頻率高得多；這部分還包括許多測(cè)試系統(tǒng)中都包含的時(shí)鐘校驗(yàn)電路（Clock Calibration Circuit）。

2.2.2　PMU的原理與參數(shù)設(shè)置

如圖2.8所示，PMU包含驅(qū)動(dòng)線路和感知線路（Force and Sense Line）。為了提升PMU的驅(qū)動(dòng)電壓精度，常使用4條線路的結(jié)構(gòu)：兩條驅(qū)動(dòng)線路傳輸電流，兩條感知線路監(jiān)測(cè)DUT引腳的電壓。由于電流經(jīng)過(guò)線路時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降，因此施加到DUT引腳端的電壓會(huì)小于程序中設(shè)定的值，設(shè)置兩根獨(dú)立的感知線路去檢測(cè)DUT引腳（Pin）端的電壓，反饋給電壓源，電壓源再將其與理想值進(jìn)行比較，并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償和修正，以消除電流流經(jīng)線路時(shí)產(chǎn)生的偏差。驅(qū)動(dòng)線路和感知線路的連接點(diǎn)稱作“開(kāi)爾文連接點(diǎn)”。

隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試機(jī)頭從開(kāi)始的只能安裝引腳電路發(fā)展到可將其他功能模塊全部集成到內(nèi)部，在測(cè)試機(jī)頭之外只保留用于操作的計(jì)算機(jī)。性能稍遜的或者老一點(diǎn)的測(cè)試系統(tǒng)只包含有限的參考電壓源（Reference Voltage Source，RVS），同一時(shí)間測(cè)試程序只能提供少量的輸入和輸出電平，因而需要測(cè)試的多個(gè)引腳間共享測(cè)試資源。

當(dāng)測(cè)試機(jī)的多個(gè)Test Pin共用某一種資源（如RVS）時(shí)，此資源稱為共享資源（Shared Resource）。一些測(cè)試系統(tǒng)擁有“Per Pin”的RVS結(jié)構(gòu)，即每一個(gè)測(cè)試通道獨(dú)立地設(shè)置輸入和輸出信號(hào)的電平。

同樣的情況也適用于PMU。一些低端的測(cè)試機(jī)只有一個(gè)PMU，通過(guò)共享方式被多個(gè)測(cè)試通道依次使用；中端測(cè)試機(jī)有一組PMU，一個(gè)PMU通道被若干個(gè)數(shù)字通道共享，這樣可以讓若干個(gè)通道同時(shí)使用PMU施加或測(cè)量直流參數(shù)；高端測(cè)試系統(tǒng)的PMU往往是Per Pin結(jié)構(gòu)的PMU，每個(gè)引腳可以獨(dú)立提供并測(cè)量電壓和電流，我們稱之為PPMU。但PPMU通常不具備4線開(kāi)爾文連接方式，為了彌補(bǔ)這一不足，目前大多數(shù)ATE還提供了幾組板級(jí)PMU（Board PMU，BPMU），保留了開(kāi)爾文的4線連接方式，供用戶在高精度驅(qū)動(dòng)或測(cè)量時(shí)使用。

1. PMU模式設(shè)置

PMU兼具驅(qū)動(dòng)和測(cè)量?jī)煞N功能。可以配置的模式包括：

• 加壓測(cè)流（Force Voltage Measure Current）模式（FVMI）
• 加流測(cè)壓（Force Current Measure Voltage）模式（FIMV）
• 無(wú)施加（Force Null）模式（FN）

在使用PMU進(jìn)行編程時(shí)，需要進(jìn)行模式設(shè)置，可以選擇電壓驅(qū)動(dòng)或者電流驅(qū)動(dòng)，當(dāng)選擇電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，測(cè)量模式自動(dòng)被設(shè)置成電壓；反之，如果選擇了電壓驅(qū)動(dòng)，則測(cè)量模式自動(dòng)被設(shè)置成電流。選擇驅(qū)動(dòng)功能后，需要設(shè)置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓或者電流數(shù)值。

2. PMU量程設(shè)置（Range Setting）

PMU的驅(qū)動(dòng)和測(cè)量本身是有范圍限制的，在編程時(shí)必須選定合適的驅(qū)動(dòng)和測(cè)量范圍，合適的量程設(shè)定將保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。比如PMU最大輸出電壓為4V，而設(shè)定輸出為5V，因超出了PMU輸出能力而最終只能輸出4V。同理，如果電流測(cè)量的量程被設(shè)定為1mA，則無(wú)論實(shí)際電路中的電流有多大，能測(cè)到的讀數(shù)不會(huì)超過(guò)1mA。

3. PMU邊界設(shè)置（Limit Setting）

PMU有上限和下限這兩個(gè)可編程的測(cè)量邊界，當(dāng)實(shí)際測(cè)量值超過(guò)限定范圍時(shí)，均會(huì)被系統(tǒng)判定為不良品。

4. PMU鉗制設(shè)置（Clamp Setting）

PMU會(huì)被程序設(shè)置鉗制電壓或電流，鉗制裝置是在測(cè)試期間控制PMU輸出電壓與電流的上限以保護(hù)測(cè)試操作人員、測(cè)試系統(tǒng)及被測(cè)器件的電路（見(jiàn)圖2.9）。當(dāng)PMU輸出電壓時(shí)，必須設(shè)置最大輸出電流鉗制。驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，PMU會(huì)給予足夠的電流以維持相應(yīng)的電壓，相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)壓源。對(duì)DUT的某個(gè)引腳，ATE的驅(qū)動(dòng)單元會(huì)不斷增加電流以驅(qū)動(dòng)它達(dá)到程序中設(shè)定的電壓值。如果此引腳上出現(xiàn)短路，而沒(méi)有設(shè)置電流鉗制，則通過(guò)該引腳的電流會(huì)一直增大，直到相關(guān)的電路，如探針、探針卡、相鄰DUT，甚至測(cè)試儀的通道全部燒毀。

圖2.9顯示了PMU驅(qū)動(dòng)5.0V電壓施加到250Ω負(fù)載電阻RL的情況。在測(cè)試中，該DUT是阻性負(fù)載。由歐姆定律

可知，在額定工作電壓下，通過(guò)負(fù)載的電流應(yīng)為20mA。器件可接受的最大電流（記錄在器件規(guī)格書(shū)中）會(huì)大于工作電流，如Imax=22mA。此時(shí)電流上限邊界可設(shè)置為22mA，鉗制電流可設(shè)置為25mA。假如某一有缺陷的器件的阻抗性負(fù)載只有10Ω，在沒(méi)有設(shè)置電流鉗制的情況下，通過(guò)的電流將達(dá)到500mA，這么大的電流已經(jīng)足以對(duì)測(cè)試系統(tǒng)、硬件接口和器件本身造成損害。而鉗制電流設(shè)置在25mA，則電流會(huì)被鉗制電路限定在安全的范圍內(nèi)，不會(huì)超過(guò)25mA，從而避免損壞。

電流鉗制邊界（Clamp）必須大于測(cè)試邊界（Limit）上限，這樣有缺陷的器件才能被程序正確識(shí)別（判斷為Fail），否則程序中只會(huì)提示“邊界電流過(guò)大”，而不會(huì)出現(xiàn)Fail。

當(dāng)PMU輸出電流時(shí)，測(cè)試器件則相應(yīng)地需要進(jìn)行電壓鉗制。電壓鉗制和電流鉗制在原則上大同小異，如圖2.10所示，這里不再贅述。

2.2.3　引腳電路的組成和原理

引腳電路（PE）的結(jié)構(gòu)圖如圖2.11所示。

1. 驅(qū)動(dòng)單元（輸入）

驅(qū)動(dòng)單元為DUT提供輸入信號(hào)。PE驅(qū)動(dòng)從向量存儲(chǔ)單元獲取格式化信號(hào)FDATA（Formatted Vector Data），格式信號(hào)為邏輯“0”或者“1”，從參考電壓源RVS獲取VIL/VIH參考電平被施加到格式化數(shù)據(jù)上。

如果FDATA驅(qū)動(dòng)邏輯0，則驅(qū)動(dòng)單元會(huì)施加VIL到DUT的輸入引腳，也就是能被DUT內(nèi)部電路識(shí)別為邏輯0的最大電壓。若FDATA命令驅(qū)動(dòng)邏輯1，則驅(qū)動(dòng)單元會(huì)施加VIH參考電壓到DUT的輸入引腳，即能被DUT內(nèi)部電路識(shí)別為邏輯1的最低電壓。

驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)F1用于隔離驅(qū)動(dòng)電路和待測(cè)器件，在進(jìn)行輸入-輸出切換時(shí)充當(dāng)快速開(kāi)關(guān)的角色。當(dāng)測(cè)試通道被程序定義為輸入時(shí)，F(xiàn)1導(dǎo)通，控制開(kāi)關(guān)（通常為繼電器）K1閉合，使信號(hào)由驅(qū)動(dòng)單元輸送至DUT；當(dāng)測(cè)試通道被程序定義成輸出或者不關(guān)心狀態(tài)（Don't Care）時(shí)，F(xiàn)1截止，這樣可以保證驅(qū)動(dòng)單元和待測(cè)器件同時(shí)向一個(gè)測(cè)試通道輸送電壓信號(hào)的輸入輸出（Input/Output，I/O）沖突狀態(tài)不會(huì)出現(xiàn)。

2. 動(dòng)態(tài)負(fù)載單元

動(dòng)態(tài)負(fù)載（Active Load，也叫電流負(fù)載）在功能測(cè)試時(shí)連接到待測(cè)器件的輸出端充當(dāng)負(fù)載的角色，由測(cè)試程序控制，提供從測(cè)試系統(tǒng)到待測(cè)器件的正向電流或從待測(cè)器件到測(cè)試系統(tǒng)的負(fù)向電流，即拉電流（Current Output High，表示為IOH）和灌電流（Current Output Low，表示為IOL）：

• IOH指當(dāng)待測(cè)器件輸出邏輯1時(shí)其輸出引腳必須提供的電流。
• IOL則相反，指當(dāng)待測(cè)器件輸出邏輯0時(shí)其輸出引腳必須接納的電流。

參考電壓（Voltage Reference，表示為Vref）決定是IOH起作用還是IOL起作用；當(dāng)待測(cè)器件的輸出電壓高于Vref時(shí)，ATE從被測(cè)器件引腳拉取電流IOH；當(dāng)待測(cè)器件的輸出電壓低于Vref時(shí)，ATE向被測(cè)器件引腳灌入電流IOL。

電流負(fù)載開(kāi)關(guān)F2作為高速開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)切換輸入、輸出測(cè)試電路。當(dāng)程序定義測(cè)試通道為輸出時(shí)，F(xiàn)2導(dǎo)通，允許PE電路向待測(cè)引腳輸出IOL或抽取IOH。當(dāng)定義測(cè)試通道為輸入時(shí)，F(xiàn)2截止，將負(fù)載電路和待測(cè)器件隔離。

動(dòng)態(tài)負(fù)載可用于測(cè)試引腳輸出電平（見(jiàn)3.6.4節(jié)），也可用于三態(tài)測(cè)試（見(jiàn)3.2.2節(jié)）和開(kāi)短路測(cè)試（見(jiàn)4.4節(jié)）。

3. 電壓接收單元（輸出）

電壓接收單元用于功能測(cè)試時(shí)比較待測(cè)器件的輸出電壓和RVS提供的參考電壓：邏輯1（VOH）和邏輯0（VOL）。當(dāng)器件的輸出電壓小于等于VOL，則認(rèn)為它是邏輯0，當(dāng)器件的輸出電壓大于等于VOH，則認(rèn)為它是邏輯1；當(dāng)輸出電壓大于VOL而小于VOH時(shí)，則認(rèn)為它是三態(tài)電平或無(wú)效輸出。

4. PMU

PMU通常用于DUT直流測(cè)試。當(dāng)PMU需要連接到器件引腳時(shí)，K1先斷開(kāi)，然后K2閉合。這樣可以達(dá)到PMU與PE的驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)負(fù)載隔離，從而避免DUT輸出被干擾。

5. PPMU

一些系統(tǒng)提供PPMU（Per-Pin PMU）的電路結(jié)構(gòu)，以支持對(duì)DUT每個(gè)引腳同步地進(jìn)行電壓或電流測(cè)試。與PMU一樣，PPMU可以驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)量電流或驅(qū)動(dòng)電流測(cè)量電壓，但是可能不具備標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)的PMU的其他功能，如PPMU通常不具備開(kāi)爾文連接的結(jié)構(gòu)，不具備高壓大電流的量程等。