孫崇鈞 邱 萍

（1.武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205）（2.中國船舶集團(tuán)有限公司 北京 100080）

1 引言

集成電路老煉中測試設(shè)備是指在傳統(tǒng)靜態(tài)老煉和動(dòng)態(tài)老煉的基礎(chǔ)上，采用老煉中測試技術(shù)將傳統(tǒng)老煉與電性能測試有機(jī)地結(jié)合在一起的綜合性老煉測試設(shè)備，該設(shè)備能夠確保集成電路老煉效果、優(yōu)化老煉時(shí)間、精確的檢測故障至單元級(jí)并檢測到“可恢復(fù)性”故障（即高溫動(dòng)態(tài)老煉過程中失效，恢復(fù)常溫后又正常的故障），最大限度地檢測到集成電路在實(shí)際工況條件下的偶然失效概率分布情況。為真正貫徹GJB 548B中方法1015要求，集成電路老煉中測試設(shè)備廣泛應(yīng)用于FPGA、DSP、CPU及專用芯片等核心集成電路的老煉試驗(yàn)過程中，特別是在武器裝備、精密制造、航天航空等高端制造領(lǐng)域［1～3］。

集成電路老煉中測試設(shè)備最初主要依賴進(jìn)口，如美國MCC、AEHR、意大利EDA公司等，隨著不斷增長的市場需求，國內(nèi)無論是傳統(tǒng)的集成電路測試系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，還是傳統(tǒng)的集成電路可靠性篩選設(shè)備生產(chǎn)廠家，都已經(jīng)針對(duì)集成電路老煉中測試技術(shù)推出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成電路老煉中測試設(shè)備，比如新潤泰斯特生產(chǎn)的XR8238系列，杭可儀器生產(chǎn)的HRIF-2000系列等，其性能指標(biāo)均已達(dá)到國際先進(jìn)水平［4～5］。然而，由于集成電路老煉中測試設(shè)備內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)、計(jì)量參數(shù)、接口形式的不同，使得其計(jì)量手段不同于常規(guī)的ATE，尤其是在實(shí)際工況下，需要在計(jì)量過程中利用老煉試驗(yàn)箱提供特定的溫度以及非常規(guī)氣體含量等特定的應(yīng)力條件，對(duì)老煉試驗(yàn)箱內(nèi)多個(gè)試驗(yàn)區(qū)、每個(gè)試驗(yàn)區(qū)上百個(gè)測試通道進(jìn)行適配及測量，這將帶來較大的實(shí)際計(jì)量操作的難度與工作量。本文通過分析成電路老煉中測試設(shè)備的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，研究系統(tǒng)級(jí)可操作性的校準(zhǔn)方法，并且針對(duì)性的設(shè)計(jì)了校準(zhǔn)裝置硬件方案和校準(zhǔn)軟件方案。

2 集成電路老煉中測試設(shè)備原理及參數(shù)校準(zhǔn)方法

如圖1所示，集成電路老煉中測試設(shè)備主要由系統(tǒng)控制器、系統(tǒng)軟件平臺(tái)、老煉試驗(yàn)箱、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、老煉測試子系統(tǒng)、程控電源子系統(tǒng)、溫度控制子系統(tǒng)、氣體檢測子系統(tǒng)以及監(jiān)控報(bào)警子系統(tǒng)等組成。集成電路老煉中測試設(shè)備是VLSI老煉中測試的主要設(shè)備，其工作原理是在一定的溫度、氮?dú)夂康拳h(huán)境條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)VLSI高溫動(dòng)態(tài)老煉的同時(shí)，也可對(duì)其電性能進(jìn)行測試，通過植入多種復(fù)雜信號(hào)及向量集，測量每個(gè)器件輸出管腳的信號(hào)，真正確保高溫動(dòng)態(tài)老煉效果，剔除存在早期失效質(zhì)量缺陷器件。

圖1 集成電路老煉中測試設(shè)備原理示意圖

2.1 集成電路老煉中測試設(shè)備參數(shù)分析

在明確了集成電路老煉中測試設(shè)備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，集成電路老煉中測試設(shè)備整體計(jì)量中主要涉及到的子系統(tǒng)包括［6～9］：

1）老煉測試子系統(tǒng)，主要涉及數(shù)字通道驅(qū)動(dòng)（Driver，用于提供數(shù)字信號(hào)輸入）、數(shù)字通道比較（Comparator，用于檢測輸出電平高低）、信號(hào)上升/下降時(shí)間、精密測量單元（PMU，Precision Measurement Unit，用于直流參數(shù)測量）、測試速率（測試信號(hào)每秒鐘傳輸?shù)挠行П忍財(cái)?shù)）等參數(shù)。

2）程控電源子系統(tǒng)，用于提供待老煉器件的負(fù)載電壓/電流以及系統(tǒng)的供電，主要涉及程控電壓和電流驅(qū)動(dòng)、紋波電壓、負(fù)載調(diào)整率等參數(shù)。

3）溫度控制子系統(tǒng)，主要為老煉試驗(yàn)箱提供規(guī)定的溫度條件，涉及老煉試驗(yàn)溫度設(shè)置、溫度波動(dòng)性及溫度的均勻性等參數(shù)。

4）氣體檢測子系統(tǒng)，通過充入氮?dú)馀懦蠠挏y試箱內(nèi)的氧氣，減少集成電路在老煉測試期間器件管腳被氧化的程度，涉及到氮?dú)夂繀?shù)。

5）監(jiān)控報(bào)警子系統(tǒng)，用于完成溫度、電源電壓、氮?dú)夂康谋O(jiān)控和保護(hù)功能。

按照不同參數(shù)的特性，可將集成電路老煉中測試設(shè)備的參數(shù)分為四類，如表1所示。

表1 集成電路老煉中測試設(shè)備參數(shù)分類

2.2 集成電路老煉中測試設(shè)備校準(zhǔn)方法研究

集成電路老煉中測試設(shè)備校準(zhǔn)方法如圖2所示，即在一定的溫度、氣體環(huán)境條件下，對(duì)于直流參數(shù)的校準(zhǔn)，采用專用直流校準(zhǔn)接口連接至老煉試驗(yàn)箱外，采用矩陣開關(guān)實(shí)現(xiàn)多通道間的切換，標(biāo)準(zhǔn)電阻可采用高精度電阻安裝在校準(zhǔn)接口適配盒中，也可采用可編程電阻模塊；對(duì)于交流參數(shù)的校準(zhǔn)，采用耐高溫的專用交流校準(zhǔn)接口連接至老煉試驗(yàn)箱外；對(duì)于溫度控制子系統(tǒng)和氣體檢測子系統(tǒng)，分別采用專用的校準(zhǔn)接口連接至老煉試驗(yàn)箱外，最后利用外接儀器儀表完成老煉中測試設(shè)備各個(gè)校準(zhǔn)參量的校準(zhǔn)［10～13］。

圖2 集成電路老煉中測試設(shè)備校準(zhǔn)方法示意圖

3 校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文根據(jù)校準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)了相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置，通過配置合理的外接儀器儀表，采用各類校準(zhǔn)接口適配板連接至集成電路老煉中測試設(shè)備老煉試驗(yàn)箱內(nèi)，在對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)區(qū)的插槽端檢測老煉中測試設(shè)備的各參數(shù)是否滿足指標(biāo)要求。

為減小設(shè)備體積，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場校準(zhǔn)，本文采用基于PXI總線技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的校準(zhǔn)裝置，通過各模塊化儀器之間的合理布局與整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，利用網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)被校設(shè)備與PXI主控機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或者半自動(dòng)化校準(zhǔn)過程。另外，對(duì)老煉試驗(yàn)箱外的校準(zhǔn)接口和連接線纜實(shí)現(xiàn)通用化設(shè)計(jì)，使每套被校設(shè)備的適配和連接都遵循了一定標(biāo)準(zhǔn)，降低針對(duì)具體老煉中測試設(shè)備開發(fā)校準(zhǔn)接口和連接線纜時(shí)的復(fù)雜程度。

3.1 PXI板卡的選擇

校準(zhǔn)裝置中外接儀器儀表采用基于PXI總線的板卡組成，安裝在PXI機(jī)箱的外設(shè)模塊槽（Peripheral modules slot）內(nèi)，通過PXI總線與PXI控制器互聯(lián)。PXI控制器作為校準(zhǔn)裝置的主控模塊，安裝在PXI機(jī)箱的系統(tǒng)控制器槽（System controller module slot）內(nèi)，具備PXI內(nèi)部總線接口以及GPIB、以太網(wǎng)等外部接口，完成對(duì)校準(zhǔn)裝置的控制以及校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的傳輸、分析和處理；PXI控制器與集成電路老煉中測試設(shè)備通過以太網(wǎng)建立TCP/IP連接，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的同步和數(shù)據(jù)的傳輸［14］。

本文選取的PXI板卡包括：1）PXI機(jī)箱：PXIe-1065；2）PXI控制器：PXIe-8840；3）數(shù)字多用表：PXIe-4071；4）可編程電阻：pickering 40-297-050；5）矩陣開關(guān)：pickering 40-535-021；6）直流電源：PXI-4132；7）示波器：PXIe-5185。

3.2 校準(zhǔn)適配設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)裝置在校準(zhǔn)過程中的適配方式如圖3所示。分為專用直流校準(zhǔn)接口、專用交流校準(zhǔn)接口和專用溫度校準(zhǔn)接口三種適配方式，其中專用直流校準(zhǔn)接口由信號(hào)接口適配板、信號(hào)接口適配盒、耐高溫線纜和校準(zhǔn)端配套線纜組成；專用交流校準(zhǔn)接口由信號(hào)接口適配板、耐高溫射頻電纜組成；專用溫度校準(zhǔn)接口由溫度傳感器及耐高溫引線組成。

圖3 集成電路老煉中測試設(shè)備校準(zhǔn)適配方式示意圖

老煉試驗(yàn)箱內(nèi)部的信號(hào)接口適配板安裝在老煉試驗(yàn)箱插槽上，信號(hào)接口適配板根據(jù)廠家的資源定義采用與老煉試驗(yàn)板相同的尺寸和連接方式，與耐高溫線纜的定義和線序相適配，則信號(hào)接口適配盒不需要重新設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)裝置與被校對(duì)象的通用化適配。信號(hào)接口適配板設(shè)計(jì)時(shí)選用了具有優(yōu)良耐熱性、高機(jī)械強(qiáng)度、良好的尺寸穩(wěn)定性、低Z軸膨脹系數(shù)的材料，例如FR5或聚酰亞胺（PI）作為信號(hào)接口適配板的板材，同時(shí)，選用耐溫150℃以上的交、直流接插件和線纜將被校信號(hào)通過信號(hào)接口適配板引出到試驗(yàn)箱外，連接校準(zhǔn)儀表，使校準(zhǔn)儀表以及其他不耐高溫的校準(zhǔn)裝置組成部分不受老煉試驗(yàn)箱高溫工況影響。

如圖4所示，本文設(shè)計(jì)的信號(hào)接口適配板設(shè)計(jì)有4組90pin的歐式插座與老煉試驗(yàn)箱插槽連接，信號(hào)接口適配板上設(shè)計(jì)有大電流端子用于大電流單通道的校準(zhǔn)，耐高溫連接器用于與耐高溫線纜連接。信號(hào)接口適配盒通過80pin耐高溫線纜連接至老煉試驗(yàn)箱內(nèi)的信號(hào)接口適配板，通過香蕉頭線纜連接至校準(zhǔn)裝置相應(yīng)的源表，最后將所有的資源通過100pin標(biāo)準(zhǔn)扁平電纜連接至校準(zhǔn)裝置的矩陣開關(guān)，實(shí)現(xiàn)集成電路老煉中測試設(shè)備多通道與矩陣開關(guān)的點(diǎn)陣連接，形成校準(zhǔn)所需的完整測量回路。

圖4 集成電路老煉中測試設(shè)備信號(hào)接口適配板

3.3 校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)

為了能夠方便地實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)裝置各種外接儀器儀表的控制、信號(hào)采集、信號(hào)處理與分析、數(shù)據(jù)處理、文件輸入輸出以及實(shí)時(shí)過程控制與顯示等功能，本文采用了校準(zhǔn)軟件來實(shí)現(xiàn)以上功能。校準(zhǔn)軟件由PXI控制器中的通用校準(zhǔn)軟件以及老煉中測試設(shè)備中的專用校準(zhǔn)程序模塊組成，通用校準(zhǔn)軟件和專用校準(zhǔn)程序之間的控制命令以及數(shù)據(jù)的傳輸均通過以太網(wǎng)（TCP/IP協(xié)議）實(shí)現(xiàn)，通用校準(zhǔn)軟件在PXI機(jī)箱上運(yùn)行，校準(zhǔn)儀表與通用校準(zhǔn)軟件能夠通過PXI總線、GPIB總線、LAN總線及串口實(shí)現(xiàn)通信［15～16］。

校準(zhǔn)軟件的工作流程包括：1）啟動(dòng)校準(zhǔn)裝置的各硬件模塊后進(jìn)行自身的初始化，通過通訊總線控制校準(zhǔn)裝置完成硬件的配置與參數(shù)初始化，并與被校集成電路老煉中測試設(shè)備建立通信連接；2）根據(jù)需求選擇待校準(zhǔn)的參數(shù)和通道，首先控制老煉中測試設(shè)備處于實(shí)際工況條件下的狀態(tài)，并在老煉試驗(yàn)箱的插槽內(nèi)產(chǎn)生待校準(zhǔn)參量，然后控制校準(zhǔn)裝置端PXI板卡進(jìn)行測量以及通道切換，并將每個(gè)校準(zhǔn)通道的測量結(jié)果返回給校準(zhǔn)軟件；3）所有參量校準(zhǔn)完畢后，校準(zhǔn)軟件將測量結(jié)果保存為相應(yīng)文件。

4 結(jié)語

本文通過分析集成電路老煉中測試設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，研究了一種實(shí)際工況下基于通用測試接口的多參量、多通道集成電路老煉中測試設(shè)備的現(xiàn)場校準(zhǔn)方法，最后設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器技術(shù)的校準(zhǔn)裝置。校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)與構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)集成電路老煉中測試設(shè)備全試驗(yàn)區(qū)、全參數(shù)校準(zhǔn)的重要途徑，保障了集成電路老煉中測試設(shè)備校準(zhǔn)的高效性、可靠性。校準(zhǔn)裝置通過將硬件可重用化、軟件模塊化，對(duì)校準(zhǔn)接口和連接線纜進(jìn)行統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化，盡量減少了后期針對(duì)具體集成電路老煉中測試設(shè)備重復(fù)開發(fā)的工作量，應(yīng)用前景廣闊。