肖 瑩 胡 勇 周厚平

（武漢數字工程研究所 武漢 430205）

1 引言

微電子量值溯源、傳遞的方法和途徑一直是阻礙微電子計量檢定、校準和比對工作開展的關鍵問題，標準樣片是實現量值溯源和傳遞的良好途徑。集成電路標準樣片是已確定幾種特性參數，作為一種傳遞標準用于校準集成電路測試系統的專用集成電路。它具有三個顯著的特征：1）用于測量目的；2）具有量值的準確性；3）量值溯源性，溯源到國家基準［1～6］。

集成電路標準樣片的用途廣泛，通常應用于集成電路測試系統發(fā)生故障時或維護、維修后的系統校準檢定、集成電路測試系統的期間核查、實驗室能力驗證及參數比對等方面。集成電路標準樣片是實現量值溯源和傳遞的良好途徑，具有成本低、方便攜帶、校準過程簡單、可以現場校準等諸多優(yōu)點。近年來，標準樣片的開發(fā)與應用已逐步成為微電子領域的主要發(fā)展方向之一。然而，標準樣片的引腳資源是固定的，直接在被校集成電路測試系統上測量標準樣片，無法實現對測試系統全部通道的校準。因此，很有必要研究一種基于標準樣片的集成電路測試系統校準裝置，使得標準樣片的量值可以準確可靠地傳遞到測試系統每個通道上，滿足測試系統全通道覆蓋的校準需求。

本文提出了一種基于標準樣片的集成電路測試系統校準裝置架構設計方法，采用虛擬儀器技術，研建由集成電路標準樣片、PXI儀器模塊組、校準軟件及校準接口板組成的基于標準樣片的集成電路測試系統校準裝置。相較于傳統方式研制的專用校準裝置，因測試系統的操作系統、軟件環(huán)境、硬件結構等不同，各專用校準裝置無法實現通用［7～11］。該校準裝置通用、便攜、自動化、可擴展，實現了將標準樣片應用于測試系統的現場校準，能夠顯著提升測試系統集成電路參量的量值溯源能力。

2 校準裝置架構設計

2.1 構建基于標準樣片的集成電路測試系統校準模型

本文的校準對象是數字集成電路測試系統，針對校準對象的特點以及所使用的校準方法，選擇基于PXI模塊的儀器以及集成電路標準樣片組成通用的校準裝置，通過對這些模塊的合理布局與框架設計，完成不同的分項參量的校準。

基于標準樣片的校準裝置的架構示意圖如圖1所示?；跇藴蕵悠男恃b置是由集成電路標準樣片、PXI儀器模塊組、控制器、接口及連接線纜、校準軟件、校準適配接口板組成的。

圖1 基于標準樣片的校準裝置架構示意圖

其中PXI儀器模塊組擬采用基于PXI總線的直流電壓源、直流矩陣開關、交流矩陣開關等儀器模塊組成。PXI儀器模塊組通過PXI總線與控制器互聯，在控制器中通用校準軟件的控制下每種模塊都可以實現一定功能。

控制器作為校準裝置的主控模塊，具備PXI內部總線接口，以及GPIB、以太網等外部接口。通過運行通用校準軟件，結合各種內外部接口，控制器完成對校準裝置各部分的控制，并完成對數據的傳輸、分析和處理?？刂破髋cPXI儀器模塊組通過PXI總線互聯，與外接設備通過GPIB總線接口互聯，以此實現對各種設備的控制和數據采集；控制器與集成電路測試系統的工作站通過以太網建立TCP/IP連接，實現控制信號的同步和數據的傳輸。

校準適配接口板在校準時置于集成電路測試系統的測試頭上，集成電路標準樣片置于校準接口板上，矩陣開關通過校準線纜分別連接校準接口板上標準樣片待測管腳接口和測試系統數字通道接口，通過改變矩陣開關特定的拓撲結構從而實現標準樣片待測管腳與測試系統的全通道連接。

PXI儀器模塊組、校準適配接口板之間，通過特定的接口及連接線纜實現互聯，實現各儀器設備的協同工作以及信號的采集。

校準軟件由控制器中的通用校準軟件，以及測試系統中的專用校準程序模塊組成，通用校準軟件和專用校準程序模塊之間的控制命令以及數據的傳輸均通過以太網（TCP/IP協議）實現。

在完成校準裝置硬件搭建的基礎上，本文采用虛擬儀器技術構建一套完善的、功能強大的系統，來完成基于標準樣片的校準裝置所需的功能。其中直流參量通過直流矩陣開關模塊的切換，將信號由通道引至標準樣片相應管腳進行測量。而交流參量則通過交流矩陣開關模塊的切換，將信號由通道引至標準樣片相應管腳進行測量。

校準裝置工作的基本原理為，采用專用校準適配接口板實現集成電路測試系統各資源與校準裝置之間的信號連接。由控制器與測試系統工作站通過TCP/IP網絡通信，實現PXI儀器模塊與被校準系統之間的數據傳輸。校準裝置在集成電路測試系統的輔助下，通過對測試系統各分項參量的校準，來完成對集成電路測試系統的校準。

2.2 基于虛擬儀器的軟件實現技術

虛擬儀器技術是當前測試計量領域的新型先進技術，應用虛擬儀器的思想，通過編制相應的校準軟件，在選擇不同儀器模塊的基礎上，能夠方便地實現各種不同儀器儀表的控制、信號采集、信號處理與分析、數據處理、文件輸入輸出以及實時過程控制與顯示等功能。虛擬儀器不但可以實現傳統儀器的測試與計量功能，能夠大大地提高儀器構成的靈活性和動態(tài)重構性，而且擁有絕對低廉的價格優(yōu)勢，達到與傳統儀器相媲美的精度并逐漸成為自動化控制領域的主流技術［12～16］。

應用虛擬儀器技術，我們可以構建一套完善的、功能強大的校準軟件系統，來完成所有主流集成電路測試系統的校準軟件的大部分功能。這樣，可以花較少的時間開發(fā)配合校準軟件系統的專用程序模塊，同時使用按照通用的設計規(guī)范配備的校準接口板，就能夠實現對給定測試系統的校準工作。校準軟件功能示意圖如圖2所示。其中校準軟件包括外接儀器儀表控制、信號的分析與處理、實時過程控制與顯示、數據存儲與管理等；專用程序模塊包括測試系統內數據采集、測試程序調用、測試向量輸入控制等。

圖2 校準軟件功能示意圖

本文基于虛擬儀器技術實現校準裝置的構建。應用虛擬儀器技術后，集成電路標準樣片、PXI儀器模塊組不再是獨立的設備，各儀器模塊對校準軟件平臺都具有統一的接口，通過虛擬儀器技術的整合，各個設備在校準軟件中表現為具有一定功能的硬件模塊。所有硬件模塊在校準軟件的控制下，“虛擬”成了一套完整的校準裝置進行使用。所有的PXI儀器模塊，以及集成電路標準樣片，在控制器中校準軟件的控制下，成為了校準裝置的硬件功能模塊。

3 校準裝置硬件組成

校準裝置的硬件架構如圖3所示，利用PXI儀器模塊組、集成電路標準樣片、外接線纜及校準接口板，搭建基于標準樣片的校準裝置如下。

圖3 校準裝置硬件的搭建方式

如上圖所示，校準裝置硬件由微處理器、直流電壓源、直流矩陣開關、交流矩陣開關等基于PXI總線的模塊化儀器構成，并置于PXI機箱中，由PXI機箱為各PXI模塊提供PXI總線。

校準裝置各硬件模塊的互連方式如下：

1）直流電壓源給標準樣片供電，通過普通線纜連接至高密度矩陣開關。

2）直流矩陣開關通過專用接線盒與外部線纜相連。

3）交流矩陣開關通過SMB射頻線纜與校準接口板上SMB插座相連。

4）標準樣片通過校準接口板上的IDC50、IDC10插座與外部線纜相連。

4 校準接口板設計

校準接口板上各接口具體分布如圖4所示。校準接口板上包含標準樣片測試夾具、標準樣片測試管腳接口、直流參量測量接口、交流參量測量接口。其中，標準樣片測試管腳接口采用IDC10插座，經校準線纜與直流矩陣開關X端相連，IDC10插座每一路通過板上走線連至標準樣片待測管腳。直流參量測量接口采用IDC50插座，經校準線纜與直流矩陣開關Y端相連，測試系統數字通道采用等長走線方式直接引出至IDC50插座，每個IDC50插座連接32路數字通道，n個IDC50插座實現測試系統全通道連接。每路IDC50插座上數字通道與地交錯排列，用以減小測量過程中相鄰通道之間的干擾。交流參量測量接口采用SMB插座，通過交流矩陣開關將標準樣片待測管腳與測試系統數字通道相連，板上采用50ohm阻抗走線。

圖4 校準接口板功能設計示意圖

標準樣片至被校測試系統通道之間的回路（標準樣片接口、探頭、連接線、接口電路、矩陣開關等）會對整個校準裝置的性能指標產生較大的影響。測試系統數字通道采用等長走線方式直接引出至IDC50插座，測量任一數字通道至標準樣片待測管腳的回路電阻，通過計算補償到直流參量測量結果中。保證交流參量測量過程中整個回路（板上走線、校準線纜、接口、測試系統）50ohm阻抗匹配，測量任一數字通道至標準樣片待測管腳的傳輸延時，通過計算補償到交流參量測量結果中。直流參量校準線纜內芯采用標準規(guī)格的排線，排線數量需根據直流矩陣開關規(guī)模進行確定，將多股排線進行絞合后外層覆蓋屏蔽層，以控制線纜的噪聲和漏電流。交流參量校準線纜采用不小于300MHz帶寬的SMB射頻線纜，具體數量由交流矩陣開關規(guī)模進行確定。

5 結語

本文通過構建基于標準樣片的集成電路測試系統校準模型、基于虛擬儀器的實現技術、校準裝置硬件組成、校準接口板等幾個步驟，成功設計出基于標準樣片的集成電路測試系統校準裝置架構。經過試驗證明，基于該架構可以構建出基于標準樣片的集成電路測試系統校準裝置，并完全滿足設計目標?；跇藴蕵悠募呻娐窚y試系統校準裝置具有通用、便攜、自動化、高集成度等特點，具有很高的應用價值，填補了國內空白，一定程度上提高了微電子計量的技術水平。