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第7期 用失效捕捉法测试AC参数 · 89 ·
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用失效捕捉法测试AC参数*
郭士瑞 冯建科 高 剑
(北京自动测试技术研究所, 北京 100088)
摘 要: 本文介绍了数字集成电路测试系统的工作原理, 提出了两种AC参数的定量测试方法:二分步长测试和on the fly测试。通过预先设置驱动/比较时间和测试向量、执行功能测试、从结果存储器获取“通过/失效”结果, 可以计算出AC参数的量值。测试一个AC参数,二分步长测试方法需多次执行测试向量, on the fly测试法仅需执行一次测试,但要求测试系统具备on the fly资源。两种方法的测试精度相同,均能有效解决AC参数的定量测试,后者更适于高速器件的测试。文中介绍的方法在BC3192集成电路测试系统上对MAX488器件进行测试, 在250 kHz的测试频率下,两种方法测得的tSKEW参数结果近似相等,具有很好的一致性。
关键词: AC参数测试；二分法；失效捕捉法；集成电路测试系统
中图分类号: TP206　　　文献标识码: A　　　国家标准学科分类代码: 510.3010
AC parameters test by failure capture methods
Guo Shirui Feng Jianke Gao Jian
(Beijing Automatic Test Technology Institute, Beijing 100088, China)
Abstract: This paper introduces the principle of digital IC test system, and develops two quantitative methods to test AC parameters: step-dichotomy test and on the fly test. By presetting the driving/comparing time and vectors, then starting with the IC functional testing, the value of AC parameters can be figured through acquiring the PASS/FAIL results from the capture memory. It needs multi-executions of vectors to test an AC parameter by step-dichotomy test method, but only one execution by on the fly test, which requires test system with on the fly resources. They have the same test accuracy and can be an effective solution to AC quantitative test, and the later is more suitable for high-speed device test. The two methods have been applied to MAX488 in BC3192 IC test system with 250 kHz testing frequency, the test results of tSKEW parameter are approximately equal and have good consistency.
Keywords: AC parameter test; dichotomy; failure capture method; IC test system

1 引 言
数字集成电路的测试通常分为3部分: 功能测试、DC参数测试和AC参数测试。功能测试是用来对被测对象的逻辑功能进行测试, 以测试向量的形式向被测对象的输入端施加逻辑“0”或“1”信号, 并监测被测对象的输出端, 与期望值相比较, 从而判断被测对象的功能是好是坏。DC参数测试是指将被测对象预置成一定状态后, 用测试系统的精密测量单元对被测引脚施加电压或电流等测试条件, 测量电流或电压, 如输出高电平电压VOH、器件的电源电流Icc等。AC参数反映的是被测对象的时间特性, 例如, 传输延迟时间反映因输入端信号变化而引起输出端状态变化的时间[1], 在常规的测试中, 往往采用Go/No Go测试方法来测试AC参数, 也就是把AC参数测试与功能测试结合起来, 按被测对象的AC参数要求, 在功能测试中设定相应的激励时间格式和响应时间, 如果被测对象的时间特性不好, 那么功能测试一定会失效, 这样就能将那些AC参数不达标的被测对象筛选出来。这种方法的优点是简单、快捷, 和功能测试合二为一, 不需要额外的测试时间开销。但是, 由于是Go/No Go测试, 这种方法只能定性地反映器件的好与坏, 不能定量地测出器件的具体时间参数值。对于一些时间参数测试要求较复杂的器件, 就必须采用其他测试方法, 本文分析了数字集成电路AC参数测试所需的资源, 并介绍了两种定量测试方法。
2 数字集成电路测试系统介绍
数字集成电路测试系统主要包括: 主控制器、电源、信号发生器、通道控制器、精密测量单元(PMU)、开关矩阵、机箱、系统软件、测试程序等[2]。图1是数字集成电路测试系统的结构示意图。

图1 数字集成电路测试系统的结构
Fig. 1 Block diagram of digital IC test system

测试程序是根据被测对象(DUT)的规格要求, 结合所用自动测试设备(ATE)的测试资源而定义的一个集合, 它包括测试周期/频率定义、时间格式定义、器件电源定义、驱动/比较电压定义、测试向量定义、参数定义等。
测试向量是一组基于测试周期的、用“1”/“0”等逻辑表示的测试序列。测试向量的长度决定测试程序所要执行的周期数, 测试向量的宽度等于DUT的有效测试引脚数, 这些测试引脚均与不同的测试通道相连, 在测试过程中, 每一个测试周期内都有一条测试向量通过测试通道施加到DUT。在中高档测试系统中, 还会有一组测试指令与测试向量对应, 如循环/跳转指令、子程序调用指令, 使测试向量不仅可以按连续地址顺序地执行, 还可以循环地执行某一条、某一段测试向量。另外, 测试系统的主控制器往往有多种方式来控制测试程序的起停, 如按指令停止测试、按测试步骤停止测试、按失效停止测试等。
从图1可知, 通道控制器由测试向量存储器和结果存储器、格式化器、PE管脚电路组成。在功能测试时, ATE按照事先设定的测试频率, 从向量存储器取出一条测试向量, 通过ATE的定时单元, 根据时序及信号格式定义, 生成格式化的数据送给管脚电路部分, 进而从数字通道产生实际的驱动信号, 向DUT的输入引脚施加激励, 并由格式化器设置采样时间, 从器件的输出引脚捕捉响应信号, 然后经ATE的比较电路, 与测试向量中的期望值相比较, 对应的比较结果保存在结果存储器中。例如, 一个测试程序定义的测试频率为10 MHz, DUT某输入引脚的驱动高电压为2.0 V, 驱动低电压为0.8 V, 时间格式为归零(0, 50)ns, 则当对应测试向量为“1”时, 测试通道施加给DUT的激励图形如图2所示。另一个输出引脚对应测试向量的期望值为高(“H”), 响应比较高电压为2.4 V, 响应比较低电压为0.4 V, 若DUT输出波形如图3所示, 那么当响应比较沿为60 ns时, 测试结果为失效(Fail), 当响应比较沿为80 ns时, 测试结果为通过(Pass)。

图2 激励信号示意图
Fig. 2 Stimulation signal

图3 响应信号示意图
Fig. 3 Response signal
测试系统可以从两方面得到DUT的测试结果: 系统的总失效位和结果存储器。总失效位是测试系统状态寄存器的一位, 动态地记录一次测试的PASS/FAIL结果, 可以通过读取系统状态寄存器获得。结果存储器的内容和向量存储器的内容等长等宽, 并一一对应。例如, 一个测试程序的测试向量长度为n, 位宽为m, 在向量存储器中这m位分别存储m个输入/输出引脚的激励值和期望值; 同样的, 该测试程序所对应结果存储器的存储空间长度也为n, 每一单元的位宽m, 分别对应m个数字通道的测试结果。一条测试向量对应的结果中, 若某位结果为“0”, 表示该位对应的DUT引脚测试响应正确, 若结果为“1”, 则表示该位对应的DUT引脚测试响应与期望值不同, 结果失效。当测试程序执行结束后, 可以通过软件读取结果存储器中的所有信息。可见, 通过结果存储器的内容能精确地定位故障DUT的失效向量和引脚。
3 AC参数测试算法
AC参数包括上升时间、下降时间、保持时间、传播延迟时间等, 前面介绍了数字集成电路功能测试的原理和所用的ATE资源, AC参数测试是基于功能测试的, 所使用的ATE资源与功能测试相同。
在一个测试周期中, DUT的一个引脚所对应的测试通道只能有一个采样时间点, 有的测试系统中, 在一个测试程序启停期间, 每一个测试通道在各个测试周期的采样点位置是固定的, 例如, 某个测试程序定义了通道i的采样时间沿为80 ns, 则在每个测试周期里, 系统都在80 ns时对通道i的输出采样。有一些高档测试系统的定时子系统具有“on the fly”功能, 也即同一通道的采样点在不同测试周期里的位置可以动态改变, 这类测试系统能够更灵活、简便地测试DUT的时间特性。
测试系统的结果存储器能实时地记录测试程序执行过程中每一个测试周期、每一个测试通道的测试结果。通过改变测试程序的时间参数(驱动时间和采样时间),反复执行功能测试, 根据每次测试的结果存储器内容, 找到与DUT输出引脚相关的PASS/FAIL拐点, 可以计算DUT的输出响应时间, 进而得到AC参数值。下面介绍两种AC参数测试 方法。
3.1 二分步长测试算法
对于固定采样点的测试系统, 可多次调用同一段测试向量, 每次设置一种采样时间点, 进行功能测试, 最后找到PASS/FAIL的临界点, 由采样时间计算出AC参数结果。由于每次改变采样点就要重新执行一遍功能测试, 因此, 如何选择采样时间来快速找到PASS/FAIL临界点就直接关系到整个测试时间开销。下面介绍一种快速定位算法, 以较少的测试执行次数找到PASS/FAIL临界点, 称这种方法为“二分步长测试算法”。
图4是以参数tpHL(输出由高到低变化相对输入变化的响应时间)为例的测试算法流程。首先要定义几个变量: 设一个测试周期内引起输出变化的输入通道对应变化时间为Tc, 测试系统的采样分辨率为DT, 测试周期为Tp。假定要测试的输出端是在一个测试周期内出现由高到低的变化, 且变化是在Tp-DT之前完成的。那么AC参数测试中采样时间选取范围为[tsmin, tsmax], tsmin=Tc-DT, tsmax=Tp-DT, 用R_i

图4 二分步长测试算法流程图
Fig. 4 Flow chart of step-dichotomy test algorithm
表示采样时间为i的功能测试结果, 记为R_i=f(i), R_i=PASS表示采样时间为i的功能测试结果是通过, R_i=FAIL表示采样时间为i的功能测试结果是失效, 则R_tsmin=FAIL, R_tsmax=PASS。在[tsmin, tsmax]中有整数m个DT, 用浮点变量L表示采样点位置的变化步长。起始采样时间定为tsmax, 逐步改变测试采样时间, 直到采样点的步长变化达到系统采样分辨率, 找到PASS/FAIL的临界点。
这种二分步长测试算法, 需要log2m+1次功能测试就能得到tpHL, 算法简单, 易于实现。图3的测试算法同样适合其他AC参数测试。
3.2 On the fly测试算法
对于具有On the fly资源的测试系统, 可采用扩充向量法测试AC参数。由于同一个测试程序中不同测试向量对应的采样时间可以动态改变, 因此, 从用于测试功能的向量中找到适合测试AC参数的向量, 并重复扩充该向量, 每条重复的测试向量对应的采样时间不同, 从起始采样时间Tc-DT开始, 按DT递增, 直到Tp。这样经过有限的向量扩充, 仅执行一次功能测试, 读取结果存储器, 查看扩充向量对应的测试结果, 可以发现与AC参数相关的输出通道, 其测试结果必然由“1”变化成“0”(由失效变为通过), 从结果存储器中找到“1”→“0”变化的临界点, 就可推算出AC参数值。

图5 扩充向量示意图
Fig. 5 Sketch map of expansion vectors

例如, DUT的输出pin_ j相对于输入pin_i的时间参数tpHL最大值为85 ns, 设置测试程序测试周期100 ns, pin_i对应的激励时间格式为归零[0, 50] ns。测试系统响应时间分辨率为1 ns, 功能测试向量中第m个向量适合测试tpHL, 如图5所示, 将测试向量m复制52次, 设置对应的采样On the fly时间沿从49 ns逐步增加到100 ns, 执行功能测试, 从pin_j对应的结果存储区找到FAIL/PASS的临界点为69 ns, 那么可推算出DUT的输出pin_j相对于输入pin_i的tpHL为68.5 ns。
On the fly测试法在预先扩充测试向量并设置On the fly时间后仅执行一次功能测试就能得到AC参数结果。由于各种AC参数都需要动态地自动查找、扩充测试向量, 这种方法占用的测试空间稍大一些, 且测试向量的预扩充过程要根据不同测试条件而定, 自动实现起来有一定难度。但是对于高速器件, 测试周期小, 需要扩充的向量长度不大, 该方法在时间开销上具有优势, 尤其在的批量生产测试中效果明显。
4 实验结果
根据第三部分介绍的两种测试方法, 选择低功耗的差分信号收发器MAX488作为样片, 在国产BC3192数模混合集成电路测试系统上进行了测试。BC3192测试系统具有50 MHz测试速率, 测试向量存储器和结果存储器深度均为4 M, 256个可用测试通道, 激励时间格式: 不归零(NRZ)、归零(RZ)、归一(RO)、反码环绕(SBC)。响应时间: 沿比较、窗口比较。采样沿分辨率为1 ns , 每一个测试周期的采样沿均可动态设置, 具有on the fly功能。MAX488是一种限制压摆率的差分信号收发器, 压摆率(tSKEW)是MAX488的一项重要参数, 由于tSKEW=|tpHL- tpLH|, 必须精确测量出tpHL和tpLH才能得到压摆率。采用250 kHz的测试频率, 分别用上述两种测试方法对样片的AC参数进行测试, 测试结果如表1所示。
实验结果表明: 两种测试方法都可以较准确地定量测试时间参数, 测试结果基本一致。在250 kHz测试频率下, 方法1不需要额外的测试向量空间但需要13次测试启停, 方法2共需要增加8 000个向量空间, 测试向量仅调用一次。
5 结 论
本文介绍了两种数字集成电路的AC参数测试方法—— 二分步长测试法和On the fly测试法, 这两种方法都是在集成电路测试系统上通过预置测试状态、执行测试程序、捕捉PASS/FAIL结果得到AC

表 1 实验结果
Table 1 Experimental result
参数名称
指标最小值/ns
指标最大值/ns
典型值/ns

测试结果

扩充向量长度
向量执行次数
方法1/ns
方法2/ns
方法1
方法2
方法1
方法2
tpHL
250
2 000
800
689.5
689.5
0
4 000
13
1
tpLH
250
2 000
800
575.5
576.5
0
4 000
13
1
tSKEW

800
100
114
113
-
-
-
-

参数值, 解决了集成电路测试系统的时间参数定量测试问题, 两种方法的测试结果相同。前者多次反复调用同一段测试向量, 通过改变每次测试的响应采样时间来实现AC参数测试, 方法简便且不受测试资源的限制, 易于实现; 后者在具备On the fly测试资源的前提下, 将测试向量扩充, 仅调用一次测试向量, 动态改变每条扩充的测试向量对应的响应采样时间, 最后根据结果存储器的内容计算AC参数值, 这种方法易受测试仪器资源和被测器件状态限制, 但用于测试频率较高的器件量产测试, 可以节约测试时间。
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作者简介:
郭士瑞: 1995年毕业于重庆大学计算机系, 硕士,北京自动测试技术研究所副研究员, 主要从事集成电路测试方法研究及测试系统研发工作。
E-mail: guosr@
Guo Shirui: received MS in computer science from Chongqing University in 1995. She is working at Beijing Automatic Test Technology Institute as an associate professor. Her main research work is IC test methods and test system.

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