徐靖林，王 棟，魏 斌，王 赟，竇志軍，成 嵩

（北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192）

0 引言

隨著芯片行業(yè)的快速發(fā)展，在芯片設(shè)計公司，芯片測試貫穿于整個設(shè)計生產(chǎn)過程中，測試驗(yàn)證是芯片設(shè)計中非常重要的一部分。當(dāng)芯片量產(chǎn)回來，首要的任務(wù)是對芯片所有的功能和性能進(jìn)行充分的測試驗(yàn)證，只有經(jīng)過全面驗(yàn)證達(dá)到預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)，才能推進(jìn)市場。而對于量產(chǎn)級的芯片，驗(yàn)證通常選取一定比例數(shù)量來進(jìn)行抽樣測試。

目前，傳統(tǒng)的芯片樣品驗(yàn)證，在行業(yè)內(nèi)大多是基于自身芯片特征設(shè)計相應(yīng)的測試設(shè)備，通過測試夾具來逐一測試，針對不同的芯片需要設(shè)計不同的測試設(shè)備。圖1 為傳統(tǒng)的芯片樣品驗(yàn)證單板測試電路結(jié)構(gòu)。單板測試對于樣品數(shù)量要求多、測試時間長的測試項(xiàng)目來說，搭建環(huán)境、測試儀器設(shè)備的利用率以及時間配置完全不占優(yōu)勢，大大降低了測試效率，導(dǎo)致項(xiàng)目周期延長。

圖1 傳統(tǒng)樣品驗(yàn)證單板測試電路結(jié)構(gòu)

在一些大型的設(shè)計公司，也有專門設(shè)計的自動化測試平臺，采用微控制器 (Microcontroller Unit，MCU)來實(shí)現(xiàn)自動化控制，通過對數(shù)據(jù)處理來實(shí)現(xiàn)多芯片的同步測試，這種自動化控制平臺，能滿足各種測試項(xiàng)目的自動化測試需求，是比較理想的測試方案。但是專業(yè)化的自動測試平臺需要投入大量的研發(fā)成本，通常這些公司會依據(jù)自研芯片的特征來開發(fā)符合自身標(biāo)準(zhǔn)要求的特定的自動化測試平臺。

本方案是針對工業(yè)級芯片的測試驗(yàn)證提出的。在芯片樣品驗(yàn)證時，某些測試驗(yàn)證項(xiàng)目的規(guī)范要求樣品數(shù)量需達(dá)到77 顆1 000 小時的連續(xù)性測試實(shí)驗(yàn)，其中包括長時間的可靠性環(huán)境實(shí)驗(yàn)測試[1-2]。如果采用傳統(tǒng)的單板測試方案，一顆芯片對應(yīng)一個測試設(shè)備，這將會耗費(fèi)大量的測試時間，測試效率極低，對測試資源都是一個極大的挑戰(zhàn)和浪費(fèi)；同時無法保證測試環(huán)境的一致性，影響測試結(jié)果，再加上測試需要迭代，更是很難掌控。

針對這類測試項(xiàng)的問題，前期的測試方案采用了一種多芯片同步自測試的方法，如圖2 所示電路結(jié)構(gòu)。從測試成本、資源、周期方面考慮，將多顆芯片放置在同一個測試臺上，且每顆芯片提前下載好可以上電自循環(huán)的測試程序，測試時將安裝好芯片的測試平臺放置在對應(yīng)測試項(xiàng)目的測試儀器設(shè)備中，然后通過外供電方式給平臺提供電源進(jìn)行測試。如果中間有測試失敗的現(xiàn)象是不清楚的，需要等待一個測試循環(huán)周期結(jié)束后，連接測試夾具來讀取每顆芯片里的數(shù)據(jù)，通過程序預(yù)設(shè)的一些特殊標(biāo)識符號去判斷測試結(jié)果。這種多芯片測試平臺方案雖然提高了測試效率，但是不能實(shí)時跟蹤測試狀態(tài)，而且僅支持某一類測試，因此也具有局限性。

圖2 前期多芯片樣品驗(yàn)證平臺的電路結(jié)構(gòu)

本文提出了一種芯片樣品驗(yàn)證平臺的自適應(yīng)與同步測試的設(shè)計方案，具有多通信接口自適應(yīng)和多顆芯片同步測試的功能。硬件方案設(shè)計簡單，沒有MCU 開發(fā)的成本，根據(jù)測試項(xiàng)目用例，通過上位機(jī)編寫對應(yīng)的測試腳本對芯片進(jìn)行測試，同時在PC 上可實(shí)時監(jiān)測芯片的測試狀態(tài)。同時兼容不同測試接口、不同工作電壓的芯片，既可以進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行其他功能的測試項(xiàng)目。

1 樣品驗(yàn)證平臺的設(shè)計方案

本文提出的樣品驗(yàn)證平臺方案主要以硬件電路為出發(fā)點(diǎn)，無MCU，僅需很少的開發(fā)成本。系統(tǒng)電路原理結(jié)構(gòu)如圖3 所示，結(jié)構(gòu)上電路系統(tǒng)主要劃分為兩部分：樣品驗(yàn)證平臺和待測芯片子板，測試時通過測試線纜將兩部分連接起來，對外接口通過通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）連接PC 進(jìn)行測試。樣品驗(yàn)證平臺測試系統(tǒng)電路[3-4]功能主要包括：USB 選擇電路、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換電路、電平轉(zhuǎn)換電路、測試接口電路、待測芯片子板電路。

圖3 芯片樣品驗(yàn)證平臺的設(shè)計模型

其中樣品驗(yàn)證平臺包括了測試系統(tǒng)的主要功能電路。本方案將待測芯片子板與測試平臺分開，其目的是將樣品驗(yàn)證平臺設(shè)計為一個內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)化的測試驗(yàn)證平臺，待測芯片子板可靈活選擇，能兼容公司內(nèi)部不同類型的芯片測試。同時分開設(shè)計，大大簡化了待測芯片子板上的負(fù)載電路，尤其針對可靠性環(huán)境的測試項(xiàng)目，避免了因待測芯片子板的復(fù)雜設(shè)計而引入的影響。測試時只需將待測芯片子板通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)線纜與驗(yàn)證平臺連接形成完整的測試系統(tǒng)，便于操作。

樣品驗(yàn)證平臺具有自適應(yīng)和同步測試功能。自適應(yīng)功能主要表現(xiàn)為靈活選擇不同的測試接口、不同的通信鏈路、不同的芯片工作電壓、不同的數(shù)據(jù)流向；同步測試功能表現(xiàn)為可以同步測試多顆芯片，本方案選定USB2.0 作為PC 的外設(shè)測試接口，而一臺電腦按照USB2.0 的規(guī)范最多可以接入127 個USB 設(shè)備[5-8]，所以從理論上，通過集線器擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)同步測試127 顆芯片。

基于芯片樣品驗(yàn)證平臺的設(shè)計模型，圖4 為樣品驗(yàn)證平臺的具體電路結(jié)構(gòu)圖，圖中X表示可實(shí)現(xiàn)多種測試接口選擇，N表示可實(shí)現(xiàn)多顆芯片的測試。本方案從電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)大小、芯片通用接口等方面綜合評估，最后X選定為3 種通信測試接口，分別為USB、通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)、串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI），這3 種接口也是芯片最通用的測試接口。然后從PC 外設(shè)USB的識別效率、測試數(shù)據(jù)運(yùn)行時間、平臺系統(tǒng)功耗、待測芯片子板規(guī)格、測試芯片樣品數(shù)量等各要素平衡考量，最終N選定20，即可實(shí)現(xiàn)對20 顆芯片的同步測試。

圖4 芯片樣品驗(yàn)證平臺的電路結(jié)構(gòu)圖

2 自適應(yīng)功能的設(shè)計

本文提出的驗(yàn)證平臺方案是基于USB 外設(shè)可擴(kuò)展的功能基礎(chǔ)之上形成的自適應(yīng)和同步測試方案。為實(shí)現(xiàn)通信測試接口的可選擇，通信時的數(shù)據(jù)流向自動選擇，芯片工作電壓可選擇，因?yàn)殡娐吩O(shè)計中不涉及MCU主控電路，本文針對這幾部分電路分別做了自適應(yīng)設(shè)計電路。

2.1 通信接口的自適應(yīng)設(shè)計

本文提出的驗(yàn)證平臺方案支持3 種不同類型的通信測試接口，分別為SPI、UART、USB 通信接口，3 種通信鏈路在物理上是相互獨(dú)立的。不管是哪種通信接口，到PC 端都匯集到一個USB 端口，因此通信接口的自適應(yīng)設(shè)計需要通過USB 選擇電路來實(shí)現(xiàn)。

圖5 為通信接口的自適應(yīng)電路原理圖，通過TUSB2036 芯片的POWERON 等信號配置，USB 選擇電路實(shí)現(xiàn)了通信鏈路的模式選擇。以SPI 通信接口測試為例，當(dāng)待測芯片的通信測試接口為SPI 時，PC 端通過USB 選擇電路進(jìn)入SPI 通信測試模式，然后通過兩級Hub（多端口集線器）將20 對擴(kuò)展后的USB 信號分別通過USB 轉(zhuǎn)SPI 的協(xié)議轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為20 組SPI 信號，與待測芯片的20 組SPI 信號在高密連接器接口對接，從而實(shí)現(xiàn)對20 個芯片的同步測試。其中一級選用1:4 端口的Hub 芯片，二級選用1:7 端口的Hub 芯片。

圖5 通信接口的自適應(yīng)電路原理圖

2.2 電源電壓的自適應(yīng)設(shè)計

為了支持不同種類芯片的測試，本方案提供了多種輸出電壓的選擇。設(shè)計上，電源電壓的自適應(yīng)[9]主要通過大功率可調(diào)節(jié)的電源模塊來實(shí)現(xiàn)，大功率用來滿足20 顆待測芯片子板的功耗，可調(diào)節(jié)功能通過不同的反饋電阻值切換來實(shí)現(xiàn)不同芯片的工作電壓選擇。此方案不僅可以對不同工作電壓的芯片進(jìn)行測試，也可對同一種類芯片進(jìn)行電壓拉偏實(shí)驗(yàn)測試。測試時，通過驗(yàn)證平臺上的電源端子用指定線纜將待測芯片子板連接起來。電路原理圖如圖6 所示。

圖6 電源電壓的自適應(yīng)電路原理圖

方案中，電源設(shè)計[9]按照功能劃分均采用獨(dú)立供電的方式，驗(yàn)證平臺主板和待測芯片子板的電源分開設(shè)計，可靈活實(shí)現(xiàn)各功能的電源開關(guān)切換。同時為了節(jié)省功耗，驗(yàn)證平臺的每一種通信鏈路電源也采用了獨(dú)立分開供電的方式。獨(dú)立供電的方式除了能實(shí)現(xiàn)靈活開關(guān)切換，更有利于不同功能模塊的功耗測試。本方案涵蓋了目前芯片所需要的多種電壓范圍，可實(shí)現(xiàn)0.69 V～5.5 V范圍的任意輸出電壓。

2.3 測試接口的自適應(yīng)設(shè)計

本方案支持SPI、UART、USB 3 種通信接口的待測芯片。測試接口為驗(yàn)證平臺上的高速連接器電路，電路設(shè)計將這3 種通信接口定義為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口。待測芯片子板通過線纜連接到這個標(biāo)準(zhǔn)化接口上進(jìn)行相應(yīng)的測試。不論待測芯片為上述3 種通信接口的哪一種，待測芯片子板只需設(shè)計一個主板上的標(biāo)準(zhǔn)化定義接口，通過線纜與主板連接，就可實(shí)現(xiàn)自動匹配選擇。

設(shè)計中，根據(jù)通信接口信號的特點(diǎn)，驗(yàn)證平臺的高速連接器電路，圖7 為測試接口的自適應(yīng)電路原理圖，將20 組SPI 信號和20 路UART 信號分別定義到單端50Ω 阻抗的高速[10-11]連接器端，20 路USB 信號定義到差分100 Ω 阻抗的高速連接器端[12-13]。這樣設(shè)計的目的是為了保證測試信號的完整性[14-15]，進(jìn)一步降低因線纜等其他因素帶來的信號衰減和引入的干擾。

圖7 測試接口的自適應(yīng)電路原理圖

2.4 電平轉(zhuǎn)換的自適應(yīng)設(shè)計

在通信鏈路中包括電平轉(zhuǎn)換電路，它的作用有3 點(diǎn)：(1)為了適應(yīng)不同工作電壓的測試芯片，需要將通信接口信號做電平匹配[1-2]，確保傳輸數(shù)據(jù)在同一參考水平，不發(fā)生跳變；(2)確保在長距離的通信鏈路上信號不發(fā)生衰減，給信號適當(dāng)?shù)尿?qū)動能力，保證信號完整性；(3)在通信過程中，數(shù)據(jù)具有一定的方向性，既有單向傳輸，也有雙向傳輸，電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計是根據(jù)信號的方向性，設(shè)計為雙向自適應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路，同時實(shí)現(xiàn)了主從設(shè)備的自適應(yīng)選擇。

圖8 為電平轉(zhuǎn)換的自適應(yīng)電路原理圖，IC_VCC 為待測芯片的工作電壓，電平轉(zhuǎn)換自適應(yīng)待測芯片的工作電壓。同樣，電平轉(zhuǎn)換自適應(yīng)設(shè)計除了適用于不同工作電壓的待測芯片測試，也適用于同一種芯片的電壓拉偏實(shí)驗(yàn)測試。

圖8 電平轉(zhuǎn)換的自適應(yīng)電路原理圖

3 同步測試功能的設(shè)計

對于測試樣片數(shù)量多、測試時間長的測試項(xiàng)目用例，多芯片同步測試是非常必要的，多芯片同步測試不僅可以提高測試效率，更是對人力、資源設(shè)備、測試時間大幅度的節(jié)約，同時也能保證測試樣品的環(huán)境一致性、測試結(jié)果一致性。

本文提出的驗(yàn)證平臺方案一套測試平臺即可對20 顆芯片進(jìn)行同步測試，目前限定支持對SPI、USB、UART 3種不同通信接口的芯片測試。

3.1 同步測試設(shè)計

本文的多芯片同步測試的思路主要源于PC 上外設(shè)USB 端口的可擴(kuò)展性，按照USB2.0 的規(guī)范，一臺電腦最多可以接入127 個USB 設(shè)備，但并不是同步測試的芯片越多就越好，樣品驗(yàn)證平臺需要從各方面進(jìn)行可行性評估。(1)要對PC 枚舉識別USB 設(shè)備[7-8]的時間進(jìn)行評估，每一顆芯片對應(yīng)一個設(shè)備ID，設(shè)備越多，測試啟動時間就越長；(2)同步測試的芯片越多，增加電路設(shè)計的復(fù)雜程度，同時樣品驗(yàn)證平臺和待測芯片的規(guī)格尺寸也會相應(yīng)增加，需要考慮測試儀器設(shè)備的箱體體積；(3)樣品驗(yàn)證平臺需要給待測芯片子板提供電源，同步測試的芯片越多，功耗就會越大，不同的芯片，功耗也相差甚遠(yuǎn)，這會對電源設(shè)計提出很大的挑戰(zhàn)；(4)同步測試的芯片越多，通信信號線就越多，也會增加高密連接器電路的設(shè)計難度，降低對測試接口的易用性。

在芯片樣品驗(yàn)證測試實(shí)驗(yàn)中，77 顆通常作為測試樣品數(shù)量，綜合以上各種因素評估，本方案限定于對20 顆芯片的同步測試。電路設(shè)計上，通過兩級集線器Hub 擴(kuò)展出20 個USB 端口，然后每個端口通過協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，將USB信號轉(zhuǎn)換成芯片對應(yīng)的通信接口，到達(dá)待測芯片。圖9 為SPI 通信接口的其中一種類型的待測芯片子板電路。

圖9 待測芯片子板的電路

3.2 同步測試方法

樣品驗(yàn)證平臺同步測試時，樣品驗(yàn)證平臺的測試連接示意圖如圖10 所示。首先選定待測芯片的子板，安裝好待測試的芯片，然后根據(jù)測試項(xiàng)選擇用長線或短線的高密連接線纜，將待測子板與驗(yàn)證平臺連接起來；其次根據(jù)待測芯片需要的工作電壓，將驗(yàn)證平臺上的輸出電源切換到所需的工作電壓檔位，再用專用電源線纜將電測芯片子板與驗(yàn)證平臺連接起來。

圖10 樣品驗(yàn)證平臺的測試連接示意圖

與此同時，明確待測芯片的通信接口是目前所支持SPI、UART、I2C 3 種通用通信接口任意一種，通過USB 選擇電路匹配相應(yīng)的通信鏈路，為了節(jié)省功耗，也可以把其他兩路通信鏈路的電源關(guān)掉。待測試系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，連接12 V 的直流外供電電源。如果測試項(xiàng)目為可靠性等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時，將待測芯片子板放置在測試儀器箱體里，只需將線纜從箱體的出線口伸出來與驗(yàn)證平臺連接即可。最后USB 線連接PC 端到樣品驗(yàn)證平臺，上位機(jī)按照測試項(xiàng)目編寫不同測試項(xiàng)的腳本，運(yùn)行相應(yīng)的程序開始測試。

測試啟動前，PC 端為每個待測芯片編碼屬于自己的ID，實(shí)時監(jiān)測每一顆待測芯片的動態(tài)測試狀態(tài)，同時根據(jù)采集數(shù)據(jù)，在線生成并保存對應(yīng)的測試結(jié)果報告。圖11 為樣品驗(yàn)證平臺的測試界面，圖下方顯示的為測試芯片的實(shí)時測試狀態(tài)，左上方記錄了每顆芯片的測試數(shù)據(jù)結(jié)果，右上方為腳本編寫區(qū)。

圖11 樣品驗(yàn)證平臺的測試界面

3.3 同步測試范圍

樣品驗(yàn)證平臺的系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)中將樣品驗(yàn)證平臺與待測芯片子板分開設(shè)計，目的是兼容各類測試實(shí)驗(yàn)。樣品驗(yàn)證平臺與待測芯片子板之間分別配備了長、短線纜，在常溫環(huán)境下進(jìn)行的測試項(xiàng)目，可以通過短線纜連接驗(yàn)證平臺與子板進(jìn)行測試；針對特定的可靠性測試實(shí)驗(yàn)，需要將待測芯片子板放置在模擬應(yīng)用場景的溫度箱里，通過長線纜連接外面的驗(yàn)證平臺，PC 端控制驗(yàn)證平臺進(jìn)行測試。

目前可實(shí)現(xiàn)的測試項(xiàng)目包括：芯片功能測試、隨機(jī)數(shù)采集測試、功耗測試、電壓拉偏試驗(yàn)測試、可靠性試驗(yàn)測試、通信測試等；支持SPI、UART、I2C 3 種通用通信接口的芯片測試；支持工作電壓范圍為0.69 V～5.5 V 的芯片測試。

4 樣品驗(yàn)證平臺的測試實(shí)現(xiàn)

樣品驗(yàn)證平臺已完成芯片樣品驗(yàn)證測試的各類測試項(xiàng)目：同步篩片測試、同步可靠性測試、同步隨機(jī)數(shù)采集測試等，測試過至少3 種不同類型的芯片，經(jīng)實(shí)測驗(yàn)證是一種可靠的、高效的測試方法。

4.1 自適應(yīng)測試效果

根據(jù)以上四部分的自適應(yīng)設(shè)計，自適應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)了對SPI、USB、UART 3 種不同通信接口的芯片測試，可實(shí)現(xiàn)通信鏈路的自由選擇；實(shí)現(xiàn)了在0.69 V～5.5 V 范圍工作電壓的芯片測試，通過選擇鍵自由切換選擇所需要的供電電壓；實(shí)現(xiàn)了3 種接口的信號定義在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的高密連接器上，考慮了信號阻抗特征，兼容性強(qiáng)、自適應(yīng)、簡單、便捷；實(shí)現(xiàn)了通信數(shù)據(jù)主從模式的自動選擇，且保證了信號的完整性[2,15]。

4.2 同步測試的效果

本方案的樣品驗(yàn)證平臺一套平臺可實(shí)現(xiàn)20 顆芯片的同步測試。對于樣品數(shù)量為77 顆的測試項(xiàng)目，也可以搭建4 套系統(tǒng)，通過級聯(lián)的方式將4 套平臺同時進(jìn)行測試，僅用一臺PC，通過USB 集線器功能即可實(shí)現(xiàn)同步測試80 顆芯片樣片，這樣一個測試循環(huán)周期就能完成所有樣品數(shù)量的全部測試，大幅縮短了測試時間，釋放了測試資源。

4.3 樣品驗(yàn)證平臺的實(shí)際對比效果

樣品驗(yàn)證平臺除自適應(yīng)和同步測試功能外，測試時還可以實(shí)時監(jiān)測每顆芯片的測試狀態(tài)，同時自動生成測試報告。另外,將驗(yàn)證平臺和待測芯片子板分開設(shè)計的思路，一方面簡化了待測芯片的電路設(shè)計，增加了測試平臺穩(wěn)定性；另一方面，也增加了使用上的靈活性。表1列出了樣品驗(yàn)證平臺與傳統(tǒng)測試方案的功能對比。

表1 樣品驗(yàn)證平臺與傳統(tǒng)測試方案的功能對比

可靠性測試循環(huán)周期時間都比較長，傳統(tǒng)單板的測試方法顯然是不可行的。多芯片同步自測試方法既不能對芯片的測試狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，測試程序也不能靈活編寫，更重要的是僅適合特定的測試項(xiàng)目，測試項(xiàng)目受到一定的局限性。芯片樣品驗(yàn)證平臺方案相比傳統(tǒng)測試方案，既提高了測試效率，也實(shí)現(xiàn)了靈活性。

5 結(jié)論

目前芯片樣品驗(yàn)證平臺不僅可以作為內(nèi)部的一款標(biāo)準(zhǔn)化芯片樣品驗(yàn)證測試平臺，也可以作為一款業(yè)內(nèi)通用的自適應(yīng)同步測試設(shè)備。設(shè)計方案思路更是值得借鑒，自適應(yīng)同步測試簡化了測試流程，節(jié)約了開發(fā)成本、時間成本、設(shè)備資源成本，提高了測試效率和靈活性。未來將進(jìn)一步優(yōu)化自適應(yīng)設(shè)計方面的功能，打造一款覆蓋測試項(xiàng)目更全面、更智能化的芯片樣品驗(yàn)證平臺。