尹超平，張秉仁，趙吉祥

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

集成電路測試是對集成電路或模塊進(jìn)行檢測，通過測量集成電路輸出響應(yīng)與預(yù)期輸出進(jìn)行比較，以確定或評估集成電路元器件功能和性能的過程，是驗證設(shè)計、監(jiān)控生產(chǎn)、保證質(zhì)量、分析失效以及指導(dǎo)應(yīng)用的重要手段[1]。數(shù)字集成電路DIC(Digital Integrated Circuit)測試是集成電路測試的一個主要分支，是一種保障數(shù)字集成化芯片內(nèi)部電路質(zhì)量和邏輯功能完整性的測試，主要應(yīng)用于雙極型數(shù)字集成芯片（TTL系列）和場效應(yīng)型數(shù)字集成芯片（MOS系列）的檢測。目前世界上高檔集成電路測試系統(tǒng)大都是日本和美國生產(chǎn)的，如美國Credanceo公司推出的 Vanguard系列和SAPPHIRE系列,日本 Advantest公司研制的T600系列等。我國在半導(dǎo)體行業(yè)起步晚于發(fā)達(dá)國家，芯片測試行業(yè)也是如此，國內(nèi)的大部分高端測試市場被國外的測試企業(yè)占據(jù)。購買國外的測試設(shè)備一般都價格昂貴，隨著數(shù)字集成芯片的使用日益頻繁，急需一種應(yīng)用在中小型規(guī)模的數(shù)字集成電路檢測設(shè)備來保障其性能[2]，本文設(shè)計的虛擬數(shù)字集成電路測試儀就是從通用、快捷、準(zhǔn)確、廉價等幾個基本優(yōu)勢點出發(fā)，將其集成在吉林大學(xué)自主研發(fā)的VIIS-EM平臺上。VIIS-EM平臺的全稱為虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)(Virtual Instrument Integration System for Electronic Measuring)，它基于模塊化儀器的設(shè)計思想，采用 “一個控制器+多個功能模塊”的構(gòu)建方式，方便了儀器的可重構(gòu)性，上位機(jī)采用LabVIEW軟件作為工具進(jìn)行圖形化編程，操作界面友好,自定義功能強(qiáng)大,方便于功能擴(kuò)展[3]。文中詳細(xì)闡述了虛擬數(shù)字集成電路測試儀的設(shè)計理念和實現(xiàn)方案，重點論述了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件處理方法。并給出了實測結(jié)果，驗證了儀器測試的可行性。

1 VIIS-EM平臺與DIC測試技術(shù)簡介

VIIS-EM平臺機(jī)箱內(nèi)置了直流穩(wěn)壓電源和系統(tǒng)總線背板。集成在系統(tǒng)中的功能模塊均采用標(biāo)準(zhǔn)的3U(3.94英寸×6.3英寸)尺寸進(jìn)行設(shè)計，各模塊均通過 96腳的歐式連接器與系統(tǒng)背板相連，系統(tǒng)背板具有9個插槽，從左向右依次為0號槽、1號槽……8號槽。

在檢測DIC芯片時，需要依照一定的測試順序?qū)π酒M(jìn)行檢測，順序的合理性會使測試變得清晰，高效。一般的數(shù)字集成電路測試順序為接觸性測試、功能測試、直流參數(shù)測試及交流參數(shù)測試。

（1）接觸性測試，隸屬于直流參數(shù)測試的范疇，目的是為了驗證芯片的各功能引腳是否正確連接。測試原理為在被測器件所有管腳都接到地的情況下，對被測管腳施加電流并測量相應(yīng)的電壓，通過得到的電壓值來判斷其連接性是否完好。

（2）功能測試，驗證DIC芯片的邏輯完整性。通常有兩種方法可供選擇，一種是金器件法，一種是存儲響應(yīng)法。金器件即已知無誤的芯片。測試時，通過同時檢測被測器件和金器件，來對比判斷芯片的好壞，這種測試方法具有依賴性，不能獨(dú)立地進(jìn)行測試操作，故本設(shè)計采用存儲響應(yīng)法的測試原理，將輸入激勵值和輸出期望值都存入外部數(shù)據(jù)庫中，測試時通過將實測值與期望值進(jìn)行對比來判斷芯片的好壞。

（3）直流參數(shù)測試，對DIC芯片的管腳進(jìn)行電壓電流測試，只要芯片通過了這些測試，就可保證其基本性能，對時間要求不是十分嚴(yán)格。測試的項目主要有輸出高/低電平(VOH/VOL)測試；輸入高/低電流(IIH/IIL)測試；輸入漏電流II測試；輸出短路電流IOS測試；電源電流測試等；

（4）交流參數(shù)測試，主要檢測器件內(nèi)部的晶體管在轉(zhuǎn)換狀態(tài)時的時序關(guān)系，包括一些時間常數(shù)。本設(shè)計只針對芯片的功能測試和直流參數(shù)測試，沒有包括交流參數(shù)測試部分，故此處只做簡單介紹。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

按層次結(jié)構(gòu)分，系統(tǒng)可分為軟件應(yīng)用層、設(shè)備驅(qū)動層和硬件物理層。應(yīng)用層使用LabVIEW軟件進(jìn)行編程，用于控制儀器和對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理及顯示，同時LabVIEW中提供了“互聯(lián)接口”函數(shù)可動態(tài)地調(diào)用儀器驅(qū)動程序。儀器驅(qū)動程序?qū)儆谏蠈域?qū)動，在運(yùn)行時與底層USB驅(qū)動進(jìn)行交互通信，實現(xiàn)板卡識別、消息傳遞等功能。硬件物理層使用“微處理器+FPGA”進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、發(fā)送和譯碼，并在前端搭建調(diào)理電路，實現(xiàn)不同邏輯電平的輸出、微安級恒流源的輸出、數(shù)模信號采集等功能。

3 虛擬數(shù)字集成電路測試儀硬件電路設(shè)計

根據(jù)模塊化設(shè)計思想，將整個系統(tǒng)的硬件部分分成總線接口通信模塊、信號激勵模塊、數(shù)據(jù)采集模塊三個部分。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.1 總線接口通信模塊

系統(tǒng)通過FPGA中自定義的雙口RAM電路實現(xiàn)與總線的接口通信。系統(tǒng)上電時，微處理器負(fù)責(zé)初始化設(shè)備，向雙口RAM中寫入配置信息，配置信息通過系統(tǒng)總線傳輸?shù)娇偩€控制器；在儀器運(yùn)行過程中，若更改上位機(jī)控制命令,則模塊板卡的微處理器也會通過雙口RAM從總線控制器上讀取相應(yīng)的配置信息。

3.2 信號激勵模塊

信號激勵模塊可提供數(shù)字邏輯電平輸出和直流電壓/電流信號輸出。數(shù)字邏輯電平輸出用于驅(qū)動被測DIC芯片，測試其邏輯功能，本設(shè)計采用74LVC245A芯片轉(zhuǎn)換LVTTL電平為TTL電平，用來驅(qū)動被測TTL數(shù)字集成芯片，對于CMOS型數(shù)字集成芯片，由于其高電平最小輸入電壓大于TTL電路高電平最大輸出電壓，故不能直接用TTL電平激勵CMOS電路,在設(shè)計時采用外接4.7 kΩ上拉電阻將TTL輸出電平拉高,來驅(qū)動被測CMOS芯片。

為了對DIC芯片進(jìn)行接觸性檢測和直流參數(shù)測試，須對被測芯片提供必要的直流電壓/電流激勵信號。本設(shè)計采用BB公司的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC902搭建直流電壓輸出電路，此芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù)為12 bit，數(shù)據(jù)邊沿觸發(fā)鎖存，差分電流輸出，加負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，外接差分放大電路,將D/A差分輸出的±1 V轉(zhuǎn)為單極性輸出，同時將電壓放大2.5倍，差分放大電路如圖2所示。

測試中所用的直流電流激勵信號要求微安級別，DAC902不滿足測試要求,設(shè)計中采用儀表放大器AD620和OPA602搭建出帶跟隨反饋的高精度微安級數(shù)控恒流源[4]，如圖 3所示。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊分為邏輯電平信號采集部分和直流電壓/電流信號采集部分，它們在FPGA中公用一條8位數(shù)據(jù)總線，通過多路復(fù)用器進(jìn)行模式選擇。邏輯電平信號采集利用74LVC245A進(jìn)行TTL/LVTTL電平轉(zhuǎn)換，輸出信號符合FPGA輸入電平標(biāo)準(zhǔn)，故直接采用FPGA進(jìn)行LVTTL電平采樣;直流電壓/電流信號的采集使用ADI公司的雙8 bit高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9288BST-40，前端調(diào)理電路進(jìn)行電壓衰減和驅(qū)動放大，使其輸出電壓在A/D的允許范圍內(nèi)。

采集到的邏輯電平信號和直流電壓/電流信號按每次8 bit數(shù)據(jù)緩存在FPGA的FIFO中。FIFO緩存電路如圖4所示，每個FIFO設(shè)置為2.5 KB的存數(shù)空間，寫速率時鐘wclk最高可以達(dá)到20 MHz，即采集系統(tǒng)的最高采樣頻率，F(xiàn)IFO的輸出端通過一個三態(tài)門實現(xiàn)數(shù)據(jù)的復(fù)用。

4 虛擬數(shù)字集成電路測試儀軟件設(shè)計

系統(tǒng)上位機(jī)部分使用LabVIEW軟件進(jìn)行編程，主要分為前面板和程序框圖兩部分。前面板即用戶界面，定義各種輸入控件和顯示控件，用來設(shè)置儀器參數(shù)以控制儀器；程序框圖包含各種功能函數(shù)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理和通信。以模塊來劃分，本儀器的軟件部分主要分為數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)庫調(diào)用模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

4.1 數(shù)據(jù)通信

LabVIEW中集成了功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接口通信函數(shù)，能實現(xiàn)上位機(jī)與硬件模塊的連接控制。本系統(tǒng)軟件通過CLF(Call Library Function)節(jié)點函數(shù)調(diào)用動態(tài)鏈接庫。在發(fā)送命令消息時將LabVIEW中的數(shù)據(jù)類型映射為DLL文件中定義的數(shù)據(jù)類型，實現(xiàn)命令參數(shù)的傳遞。同樣，在數(shù)據(jù)采集時，通過CLF節(jié)點函數(shù)將硬件模塊采集到的數(shù)據(jù)映射為LabVIEW數(shù)據(jù)類型，以完成進(jìn)一步的處理與顯示。

4.2 數(shù)據(jù)庫調(diào)用

無論哪種匯編語言，都是在底層驅(qū)動的基礎(chǔ)上，利用 ODBC或者 DAO、ADO調(diào)用API接口來操作數(shù)據(jù)庫的。LabVIEW中集成了數(shù)據(jù)庫連接工具包，封裝了ADO(ActiveX Data Objects)的接口，為數(shù)據(jù)庫的調(diào)用提供了編程環(huán)境。本系統(tǒng)軟件即通過UDL建立數(shù)據(jù)源連接字符串，使用ADO模型調(diào)用Microsoft Office中的Access來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作的。Access數(shù)據(jù)庫中記錄了九類常用數(shù)字芯片的邏輯關(guān)系，在初始化設(shè)定時，系統(tǒng)根據(jù)被測試芯片的芯片型號加載相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。在自動測試過程中，根據(jù)數(shù)據(jù)庫表中建立的邏輯關(guān)系對芯片進(jìn)行逐步激勵。并采集輸出邏輯信息，與數(shù)據(jù)庫中期望值進(jìn)行比對，若邏輯值符合期望標(biāo)準(zhǔn)則測試通過。

4.3 數(shù)據(jù)處理

采集到的數(shù)據(jù)信息通過CLF節(jié)點傳遞到上位機(jī)軟件中，根據(jù)硬件FIFO存儲容量限制，每路通道每次最大能讀取320 B數(shù)據(jù),16路數(shù)據(jù)存儲在一個具有5 120個元素的一維數(shù)組中。在數(shù)據(jù)顯示時，通過“抽取一維數(shù)組”函數(shù)和“索引數(shù)組”函數(shù)將一維數(shù)組數(shù)據(jù)拆分為16組布爾量，每組布爾量再轉(zhuǎn)換為“0，1”邏輯序列，由數(shù)字波形圖顯示出來。

5 數(shù)據(jù)顯示及實測結(jié)果

圖5中顯示的是測試74LS02N芯片功能好壞的測試用例，以圖中面板中央位置顯示的真值表項為依據(jù)，虛擬數(shù)字集成電路測試儀順次給硬件模塊發(fā)送激勵信號，作用于被測芯片，同時讀取采樣電平與數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)邏輯比對，測試通過則顯示文本提示并點亮相應(yīng)的測試燈，右下方進(jìn)度條代表測試進(jìn)度。圖6所示為74LS02N的直流參數(shù)的測試

結(jié)果，通過在芯片的各功能引腳處施加規(guī)定的電壓電流信號，測量輸出的直流參數(shù)是否在允許的范圍內(nèi)來判斷芯片性能的好壞。測試時將74LS02N的PIN 4引腳開路作為異常情況測試。

采用VIIS-EM平臺下研制的虛擬數(shù)字集成電路測試儀，通過反復(fù)的實驗測試，表明對于常見的74系列和54系列數(shù)字集成芯片，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確快速地驗證其邏輯功能的正確性和完整性，對于損壞的芯片能找出其問題引腳。系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于應(yīng)用了當(dāng)今最前沿的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，優(yōu)化了系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試以及維護(hù)[5]。采用以計算機(jī)為核心的虛擬儀器技術(shù)，替代了傳統(tǒng)儀器的部分硬件電路，改善了傳統(tǒng)儀器笨重復(fù)雜等缺點，同時增加了儀器的可操作性和用戶的自定義功能，在成本方面，基于虛擬儀器技術(shù)來搭建的系統(tǒng)價格也得到了大幅度降低。另外，本虛擬數(shù)字集成電路測試儀可擴(kuò)展性強(qiáng)，可在通用性基礎(chǔ)上進(jìn)行功能提升、擴(kuò)充，具有豐富的可重構(gòu)前景。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的位數(shù)限制，本儀器目前能夠?qū)崿F(xiàn)16位數(shù)字信號的采集，在未來的總線開發(fā)上還有待提高。

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[3]阮奇楨.我和LabVIEW[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

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[5]吳忠杰,林君.虛擬測試系統(tǒng)中模塊化儀器關(guān)鍵技術(shù)研究[J].儀器儀表學(xué)報，2005(22):280-283.