余永濤，王小強，余俊杰，陳煜海，羅 軍

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511300）

1 引言

微控制器（Microcontroller Unit，MCU）芯片也稱單片機，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)將計算機的處理器、存儲器、定時器和多種輸入輸出I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，從而實現(xiàn)控制終端的功能，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、儀器儀表、汽車電子等領(lǐng)域。隨著MCU向著高集成度、多功能化、低功耗等技術(shù)方向發(fā)展，32位MCU逐漸成為主流，同時大都集成了處理器內(nèi)核、內(nèi)存、模數(shù)轉(zhuǎn)換、鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）電路、中斷系統(tǒng)、特殊功能寄存器以 及 SPI（Serial Peripheral Interface）、I2C（Inter-Integrated Circuit Interface）、GPIOs（General Purpose Inputs/Outputs）通信接口等豐富的用戶資源[1-2]。MCU芯片測試是集成電路產(chǎn)品質(zhì)量保證的關(guān)鍵，對于高集成度、功能日益復(fù)雜的MCU芯片，其測試難度越來越大，測試時間和成本不斷提升，已成為MCU芯片行業(yè)的重要挑戰(zhàn)，受到日益增多的關(guān)注和研究[3-9]。

MCU測試方式主要有兩種：一是面向MCU芯片功能特性的測試，利用上位機通過JTAG（Joint Test Action Group）、SWD（Serial Wire Debug）等數(shù)據(jù)接口將燒寫程序下載到MCU，然后再通過測試設(shè)備提供必要的輸入使MCU芯片處于最小系統(tǒng)工作狀態(tài)并且讀輸出，從而實現(xiàn)MCU的測試[2-3]；二是面向MCU芯片結(jié)構(gòu)的測試，利用ATE（Auto Test Equipment）自動化測試系統(tǒng)，通過施加測試向量模擬微處理器的仿真通信接口來控制微處理器工作，并為被測微處理器提供電源和時鐘信號，同時檢測MCU芯片的模擬和數(shù)字輸出信號，從而實現(xiàn)MCU的測試[4，8]。常規(guī)的燒寫測試方法一般需要下載器，并進行多次燒寫，使得測試流程復(fù)雜且測試成本高?；贏TE的測試方法能夠大大減少MCU重復(fù)燒寫次數(shù)，在測試系統(tǒng)上直接測試，成為MCU芯片量產(chǎn)中在線測試的重要技術(shù)手段。

面向高集成度、多功能MCU芯片量產(chǎn)過程中的在線測試需求，本文針對一款32位高性能MCU，利用J750Ex-HD型集成電路ATE測試系統(tǒng)，開展了MCU芯片的在線測試工作，在MCU芯片電性能參數(shù)測試方法的基礎(chǔ)上，重點闡述了MCU芯片內(nèi)部的上電/掉 電 復(fù) 位（POR/PDR）、GPIO、ADC、修 調(diào) 測 試（Trimming）、存儲器等功能模塊的測試驗證方法，詳細描述了MCU芯片在線測試的實現(xiàn)流程，包括測試系統(tǒng)的評估選用、測試適配器的設(shè)計制作、測試程序的開發(fā)調(diào)試、測試驗證及結(jié)果分析等，可以為高性能MCU的快速有效在線測試提供技術(shù)參考。

2 J750 Ex-HD測試系統(tǒng)和MCU芯片

Teradyne的J750集成電路自動測試平臺是全球裝機量最大的自動測試設(shè)備，安裝基數(shù)超過5000個，可以對各種各樣的微控制器、FPGA和數(shù)字音頻/基帶芯片進行經(jīng)濟高效的測試。J750Ex-HD是Teradyne新一代的J750系列測試設(shè)備，具有豐富的數(shù)字通道資源，數(shù)字信號速率達到400 MHz/800 Mbps，每個通道的矢量存儲深度高達128 M，每個通道配備獨立的參數(shù)測量單元，配有高壓驅(qū)動通道，支持多site并測。在軟件方面，選用微軟公司的通用Windows NT平臺及Excel軟件和Visual Basic語言，開發(fā)成功IG-XL測試軟件包，可將單站點測試程序自動轉(zhuǎn)換為多站點，Teradyne J750Ex-HD測試平臺可以進行的測試包括掃描測試、AD/DA測試、嵌入式存儲器測試、混合信號測試、模擬參數(shù)測試和RF測試等[11-12]。

本文測試的MCU是一款高性能、低功耗的32位MCU芯片，采用雙核異構(gòu)SoC架構(gòu)，包括負責(zé)實時系統(tǒng)控制的32 bit RISC處理器和高數(shù)學(xué)運算處理器，最高時鐘頻率為48 MHz，同時集成了豐富的外設(shè)資源，MCU架構(gòu)如圖1所示。MCU具備運行、睡眠、深度睡眠等多種功耗優(yōu)化模式，包含一個12位的高速ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，6個全功能增強計數(shù)器以及8 MHz和1 kHz的內(nèi)部時鐘，64 kB內(nèi)嵌Flash存儲器和4 kB SRAM存儲器，1個模擬電壓比較器，提供標準的通信接口（1個SPI、3個I2C、3個UARTs）和GPIO人機交互界面，支持SWD調(diào)試。同時，為了降低芯片制造工藝波動對產(chǎn)品良率的影響，提高芯片成品率，該MCU芯片還具備基于內(nèi)嵌存儲單元的Trimming功能。

圖1 32位MCU架構(gòu)

3 MCU芯片的測試方法

在MCU芯片的量產(chǎn)在線測試中，測試內(nèi)容可以分為功能測試、電性能測試，其中電性能參數(shù)又包括直流和交流電性能參數(shù)。功能測試主要是指令集測試、片內(nèi)存儲器測試以及內(nèi)部功能模塊的測試驗證[4]。電性能測試是測試MCU產(chǎn)品的參數(shù)滿足預(yù)期功能的程度。直流參數(shù)測試包括接觸性測試、輸入高低電平、輸入高低電平漏電流、輸出高低電平、輸出高阻漏電、內(nèi)核電壓、I/O電壓、電源靜態(tài)電流、I/O端口漏電等[10]。交流參數(shù)測試測量器件內(nèi)部晶體管狀態(tài)轉(zhuǎn)換時的時序關(guān)系，保證芯片在正確的時間內(nèi)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換，包括信號上升時間、下降時間、建立保持時間、傳輸延時時間、高低電平（電阻）轉(zhuǎn)換時間、脈沖寬度、時鐘頻率等。MCU芯片電性能參數(shù)的測試與一般芯片測試類似，本文重點研究MCU內(nèi)部功能模塊的測試方法，功能測試主要進行功能性驗證測試，提升MCU芯片的在線測試效率。

3.1 POR/PDR功能測試

為了保障MCU芯片的內(nèi)部電路電源供電，MCU內(nèi)部集成了POR/PDR功能模塊，主要由參考電壓產(chǎn)生電路和電壓比較器組成。當芯片電源供電電壓發(fā)生波動，上升或下降超過POR設(shè)定閾值時，POR電路會產(chǎn)生一個電源重啟信號，重啟芯片內(nèi)部電路。POR/PDR功能的測試方法是通過ATE測試系統(tǒng)的DPS改變芯片的VCC，使得VCC不大于或不小于閾值，測量芯片VDDCORE的電壓，驗證POR功能是否觸發(fā)。

3.2 GPIO功能測試

MCU芯片的GPIO測試分為GPI測試和GPO測試。GPI測試芯片GPIO pins用作GPI時，測試上拉使能、關(guān)閉等輸入檢測功能。通過ATE配置DUT進入功能測試模式，SWD配置PINMUX寄存器，使能GPI功能，配合ATE輸入特定激勵，測試GPI的上拉電阻使能、上拉電阻關(guān)閉等不同狀態(tài)下的輸入檢測功能。

GPO測試芯片GPIO pins的GPO功能及帶載功能。通過ATEs配置DUT進入功能測試模式，通過SWD下載程序到SRAM中并運行，程序?qū)⑺蠫PIO配置為GPO，其中偶數(shù)序號的GPO輸出高電平，奇數(shù)序號的GPO輸出低電平。使用ATE的PPMU分別給各偶數(shù)序號的GPO pins輸入灌電流，各奇數(shù)序號的GPO pins輸入拉電流，進而測量各偶數(shù)序號GPO的電壓值VOH和各奇數(shù)序號GPO的電壓值VOL是否滿足預(yù)期。然后反過來，使用ATE的PPMU分別給各偶數(shù)序號的GPO pins輸入拉電流，各奇數(shù)序號的GPO pins輸入灌電流，測量各偶數(shù)序號GPO的電壓值VOL和各奇數(shù)序號GPO的電壓值VOH是否滿足預(yù)期。

3.3 ADC功能測試

針對MCU芯片的模擬信號處理能力需求，MCU集成了12 bit高精度ADC，使得MCU測試成為數(shù)字信號、模擬信號混合在一起的混合信號芯片的測試。為了提升在線測試效率，降低測試成本，本文采用了一種基于數(shù)字測試系統(tǒng)的ADC模塊功能驗證方法。使用J750Ex-HD ATE測試系統(tǒng)的精度較高，電壓精度達到1mV，可利用ATE的PPMU提供電壓模擬量輸入：

thehdw.PPMU.pins("XAIN_0").ForceVoltage(ppmu 50mA)=0.10

共有16個模擬通道（XAIN_0～XAIN_15），按照ADC的輸入范圍（0～5 V），每個通道分別輸入典型電壓值：

Vin[16]={0.10，0.42，0.74，1.06，1.38，1.70，2.02，2.34，2.66，2.98，3.30，3.62，3.94，4.26，4.58，4.90}

記錄轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果Output_Result，判斷是否與預(yù)期結(jié)果一致，實現(xiàn)ADC功能測試。

Output_Result[16]={82，344，606，868，1131，1393，1655，1917，2179，2441，2703，2966，3228，3490，3752，4014}，與ADC預(yù)期輸出結(jié)果一致，ADC轉(zhuǎn)換功能測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 ADC轉(zhuǎn)換功能測試結(jié)果

3.4 Trimming測試

MCU芯片內(nèi)部還包括LDO低壓差、VREF基準電壓源、振蕩器等模擬電路部分。相對而言，模擬電路的性能對芯片制造工藝的波動更為敏感。為了提高芯片成品率，該MCU芯片還具備基于內(nèi)嵌存儲單元的LDO、VREF、Oscillator振蕩器的Trimming功能。Trimming測試一般在芯片量產(chǎn)中進行，基于存儲器的修調(diào)原理如圖3所示，通過寫入Flash存儲器內(nèi)部的修調(diào)代碼，相對應(yīng)的數(shù)據(jù)控制不同的開關(guān)來控制邏輯電路，修調(diào)電阻/電容網(wǎng)絡(luò)，使電路的輸出參數(shù)接近理想值[13]。

圖3 基于存儲器的修調(diào)原理

以MCU芯片8 MHz內(nèi)部振蕩器為例介紹MCU芯片的Trimming測試。首先利用ATE配置DUT進入振蕩器Trimming測試模式，測試內(nèi)部振蕩器的輸出頻率，若初始測試值和目標值的偏差就在允許范圍內(nèi)，則無需修調(diào)，直接進行下一個測試項，否則開始進行修調(diào)搜索。所有的修調(diào)碼值由修調(diào)算法得出，由于該MCU芯片對修調(diào)次數(shù)無限制，采用全搜索的算法，遍歷Trimming管腳的輸入狀態(tài)，依次搜索并從中找到最接近目標值的Trimming碼值。確定最佳碼值后進行燒寫碼值，燒寫完成后再次進行測量確定燒寫結(jié)果是否正確，MCU內(nèi)部振蕩器Trimming測試結(jié)果如圖4所示，最佳Trimming碼值為[100]。

圖4 MCU內(nèi)部振蕩器Trimming測試結(jié)果

3.5 存儲器測試

MCU的存儲器功能測試主要是對存儲器單元0、1狀態(tài)變化的讀寫測試，包括SRAM測試和Flash測試。SRAM存儲器功能的測試算法包括全0測試、全1測試、棋盤格法、齊步法和March算法等，本文采取的是國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的March算法進行MBIST內(nèi)建自測試，通過ATE配置DUT進入MBIST測試mode，電路會自動啟動MBIST測試，測試完成后MBIST_DONE輸出高電平，MBIST_FAIL輸出則由BIST結(jié)果決定，F(xiàn)ail輸出高電平，Pass則輸出低電平。對于嵌入式Flash，遍歷所有數(shù)據(jù)類型對存儲單元進行編程、讀寫、擦除的功能驗證方法效率較低，本文結(jié)合實際情況，將Flash按Page（1 kB）進行劃分，以4個Page為1組，對應(yīng)不同的地址位進行相應(yīng)數(shù)據(jù)的編程讀寫等操作，從而實現(xiàn)對Flash的功能驗證，內(nèi)嵌Flash地址劃分及對應(yīng)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 內(nèi)嵌Flash地址劃分及對應(yīng)數(shù)據(jù)

4 MCU芯片在線測試的實現(xiàn)

實現(xiàn)MCU芯片在線測試的主要流程包括在線測試系統(tǒng)的評估選用、測試適配器設(shè)計制作、測試程序的編程調(diào)試、測試驗證及結(jié)果分析等。

4.1 在線測試系統(tǒng)的評估選用

MCU芯片的在線測試需要使用集成電路ATE自動化測試系統(tǒng)，根據(jù)被測芯片的功能指標測試對測試資源要求、測試成本等因素選用適合的ATE測試系統(tǒng)。目前國內(nèi)外代表性的ATE測試機臺有Advantest的V93系列測試設(shè)備和Teradyne的UltraFLEX、J750等測試設(shè)備。本文開展MCU芯片的在線測試，Teradyne的J70Ex-HD即可滿足測試需求。另外，根據(jù)芯片測試時間等確定是否采用機械手量產(chǎn)測試裝置。

4.2 測試適配器設(shè)計制作

MCU芯片的測試適配器是實現(xiàn)被測芯片與測試系統(tǒng)連接的關(guān)鍵裝置，包括測試板（Loadboard）和測試座（Socket）。Loadboard不僅實現(xiàn)芯片和ATE測試機臺的連接，還需要為芯片測試提供必要的偏置條件、時鐘輸入、測試通道的切換等。Socket實現(xiàn)測試芯片與測試板的直接連接，保障連接的可靠性。為了提高MCU在線測試的穩(wěn)定性和耐用性，按照MCU芯片LQFP44的封裝要求，本文設(shè)計制作pogopin的Socket，由底座和封蓋兩部分組成，芯片管腳間距為0.5 BCS。pogopin的Socket耐用性好，高溫測試和低溫測試的一致性較好，適合量產(chǎn)在線測試使用。根據(jù)ATE測試系統(tǒng)中測試板卡的位置，設(shè)計MCU的ATE測試Loadboard。Loadboard上芯片管腳與ATE數(shù)字測試通道相連，采用32.768 kHz和8 MHz晶振作為外部頻率輸入，采用固態(tài)繼電器實現(xiàn)測試通道切換，采用電壓轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)不同電平的轉(zhuǎn)換。設(shè)計制作的MCU芯片測試Socket和Loadboard如圖5所示。

圖5 MCU芯片在線測試適配器

4.3 測試程序的編程調(diào)試

芯片測試程序的編程調(diào)試是實現(xiàn)MCU在線測試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)被測芯片的功能測試項目編寫測試程序。按照J750Ex-HD的編程方法，利用ATE測試系統(tǒng)的IG-XL軟件進行芯片的pin腳定義、測試系統(tǒng)通道配置、電源和I/O的配置、電壓/電流/時序測試配置、ATE測試向量和測試程序的編寫調(diào)試等。芯片測試程序開發(fā)需要的ATE測試向量由芯片設(shè)計廠商提供的EDA仿真向量進行轉(zhuǎn)化得到。

在測試程序開發(fā)中，IG-XL提供了一些測試程序模板，適用于接觸性測試、電壓電流等直流電性能參數(shù)測試。由于MCU芯片的功能模塊多，測試較為復(fù)雜，需要使用J750Ex-HD的VBT編程環(huán)境進行測試程序開發(fā)[12]。本文基于VBT進行MCU內(nèi)部功能模塊測試程序編程，實現(xiàn)了芯片PLL、ADC、存儲器、GPIO、Trimming、Watchdog Timer等內(nèi)部模塊功能及DC電性能、AC電性能的測試驗證。PLL（6x）模塊功能測試的代碼如圖6所示，使用ATE給PLL_CKI持續(xù)灌入10 MHz 50%Duty方波，并對PLL_CKO_T端的輸出頻率進行測量，驗證PLL（6x）的分頻功能。

圖6 PLL模塊分頻測試的VBT代碼

4.4 測試驗證及結(jié)果分析

芯片測試程序編程及調(diào)試完成后，對批量MCU芯片進行在線測試驗證，根據(jù)測試結(jié)果對樣品進行分Bin。另外，通過對批量MCU芯片的在線測試的結(jié)果分析，可以發(fā)現(xiàn)芯片產(chǎn)品質(zhì)量問題，制定產(chǎn)品量產(chǎn)過程中不同階段的測試要求，嚴格控制產(chǎn)品的參數(shù)波動范圍，剔除離散性差并且偏離正態(tài)分布的異常樣品，保證產(chǎn)品質(zhì)量。對1個批次的500只MCU樣品的LDO Trimming測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，測試結(jié)果如圖7所示，經(jīng)過Trimming測試后，以1.50 V為理想值，99.6%的MCU芯片樣品LDO的VDDCORE在1.45～1.55 V，并呈現(xiàn)正態(tài)分布，而個別樣品電壓下降到1.40 V以下，與MCU的合格判定下限1.35 V已非常接近，需要進行剔除保證同一批次產(chǎn)品質(zhì)量。

圖7 MCU芯片LDO Trimming測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

5 結(jié)論

MCU芯片技術(shù)的快速發(fā)展使得高集成度、復(fù)雜功能的MCU芯片不斷涌現(xiàn)，也對MCU芯片量產(chǎn)測試提出了更高的要求，需要更加快速有效地開展MCU芯片的在線測試，縮短測試周期，加快芯片面市。本文針對一款32位高性能MCU，在MCU芯片電性能測試方法的基礎(chǔ)上，重點闡述了MCU芯片內(nèi)部的PDR、GPIO、ADC、Trimming、存儲器等內(nèi)部功能模塊的測試驗證方法和在線測試流程，并且基于Teradyne J750Ex-HD集成電路ATE測試系統(tǒng)，設(shè)計制作了MCU芯片測試適配器，開發(fā)了基于VBT編程的芯片測試程序，實現(xiàn)了批量MCU芯片的在線測試，可以為高性能MCU的量產(chǎn)在線測試提供技術(shù)參考。