芯片ATE连通性系统检测法的研究与实现

唐丽，刘相伟，唐昱，邹映涛

(成都三零嘉微电子有限公司，四川成都，610041)

0 引言

随着集成电路设计与加工技术的飞速发展，集成电路已向更复杂的电路设计、更高的集成度和更小的体积方向发展，这给集成电路测试带来了巨大的挑战。为满足对超大规模集成电路的高覆盖率测试需求，需使用到十分昂贵的ATE测试仪，如爱德万V93000或泰瑞达UltraFLEX等测试仪。测试中首要解决的是测试连通性问题，连通性测试一方面需要实现对复杂测试系统的验证性测试，另一方面需要实现对芯片自身电路故障及封装故障的检测，传统单一的通断测试方法已较难实现全面而系统的测试需求。本文基于V93000测试平台，通过对连通性测试方法的研究，形成了一种系统的连通性检测方法，该方法通过三个子步骤可实现对复杂芯片及系统的连通性故障快速定位及故障分析。

1 连通性故障

Continuity称作连通性测试（或连接性测试），由于该测试项常用于检测开路和短路状态，因此也叫做Opens-Shorts测试。连通性测试是ATE测试最基本的测试项，也是DUT手册上不会单独提及的测试项，只有在连通性测试通过的情况，才能进行后续参数和功能等测试。连通性测试的主要目的是用于检测连通性故障，该故障主要包括以下方面：

聚焦测试系统，检测ATE通道弹簧针Pogo Pin、ATE测试板Load Board、测试座Socket、芯片引脚通路是否存短路或开路连通性故障。

聚焦被测芯片，检测芯片是否存在因封装键合、基板断裂和防电击穿等导致的引脚PIN到电源端VDD，到地端VSS的连通性故障，以及PIN-PIN引脚间的连通性故障。

2 连通性系统检测法

连通性系统检测法包括了三个步骤，包括：PPMU参数测试、Walking Z功能测试和Power-Short电源测试（见图1）。第一步，对于新设计器件，首先使用PPMU参数测试，通过对信号引脚连通性测试值，初步了解器件信号引脚与地和电源的连通性情况，以及验证保护二极管的电流电压特性。第二步，进行Walking Z功能测试，快速完成信号引脚之间，以及信号引脚与地和电源间的连通性检测。第三步，进行Power-Short电源测试，实现对电源引脚的覆盖测试。

图1 连通性系统测试法

其中，PPMU参数测试可检测DUT被测试引脚到电源端VDD和地端VSS，是否存在开路和短路情况,并且可测量出具体电压值。而Walking Z功能测试,不仅能检测出DUT引脚到电源端VDD和地端VSS，是否存在开路和短路情况,还可以检测出DUT引脚PIN到PIN之间的短路情况，但不能测量出具体电压值。Power-Short电源测试，能检测出电源引脚是否与地端短路，能测量出具体电流值。

2.1 步骤一：PPMU参数测试

PPMU参数测试，基于 PE（Pin Electronics）引脚电路PPMU(Pin Precision Measurement)高精度测试单元，该方法运用IFVM(Current Measurement Voltage Force)加载电流测试电压的方法。向被测引脚加载一小电流，再进行电压测量，通过测量的电压值来判定开路或短路情况。该测试方法用于初步了解器件信号引脚与地和电源的连通性情况，该方法能测试出PIN到VDD和VSS的开路和短路情况，能够测量到具体电压值，不能测试到PIN与PIN间的短路，不能测量到电源引脚的短路。

2.1.1 测试原理

通过测试芯片信号引脚的保护二极管通路到电源和地端的压降，判定芯片是否存在开路或短路情况。测试芯片到电源VDD端时，向芯片加载10uA/100uA电流，当测试到的电压值在300 mV 至800mV（宽松条件1500 mV 至200 mV）则通过测试。测试芯片到地VSS端时，向芯片加载-10uA /-100uA电流，当测试到的电压在-300 mV至-800mV（宽松条件-200 mV至-1500 mV）则通过测试。测试原理如图2所示。

图2 Continuity PPMU测试原理图

该方法进行连通性测试时，成测（FT）的典型电流使用±100uA，中测（CP）的典型电流使用±10uA，其它情况可根据设计调整。

2.1.2 测试方法

a)按照一般通用测试项配置需求，创建Pin、Level、Timing配置文件，Pin文件能兼容所有测试项，Level和Timing可按I/O 分类的Group Pin来设置，能提高创建效率。

b)创建Continuity测试项Test Suite，选定连通性测试对应的Level、Timing 文件的Equation、Spec和Set。

c)设置Test Method。关键参数设置如下：

设置需要测试的引脚名“Pinlist”：所有信号引脚；

设置加载电流“TestCurrent”：100uA(或10μA)；

设置上电延迟时间“Setting Time”：1ms；

设置测试模式measurementMode: PPMUpar；

设置测试极性“polarity”：BPOL：（根据DUT设计而定）；

设置判定值“Limits”：200<= X <= 1500(mV)。

d)关键测试代码：PPMU参数测试法主要应用PPMU系列 API来完成测试，如PPMU_SETTING、PPMU_CLAMP和PPMU_RELAY等，实现对PPMU测试条件的设置、CLAMP和RELAY的开关控制，以及测试执行和测试值获取等。关键测试代码如下（见图 3）。

图3 PPMU关键测试代码

e)选择连通性测试项，执行测试，观察测试结果。如果引脚的测量值<200mV，则为短路；如果引脚的测量值>1500mV,则为开路，测试结果如图4。

图4 PPMU参数测试法结果

2.2 步骤二：Walking Z功能测试

Walking Z功能测试，基于 PE（Pin Electronics）引脚电路的Driver驱动单元、Active Load动态负载单元和Comparator比较单元，通过Driver控制测试向量输入，通过Active Load进行电流加载，通过Comparator比较器进行电平比较，从而判定是否存在开路或短路情况。该测试方法用于信号引脚连通性的充分测试，此方法不仅能测试出PIN到VDD和VSS的开路和短路情况，也能测试PIN到PIN间的短路情况，但不能测量出电压值。

2.2.1 测试原理

通过测试芯片信号引脚的保护二极管到电源和地的压降，判定芯片是否存在开路或短路情况。使用Driver对输出测试向量进行控制，使用Active Load加载一小电流，将Comparator比较器的VOL和VOH设定为判断值,实现通过性的测试和判定。若测试不通过，就存在开路或短路情况。测试需要使用特定的测试向量，第一行Pattern将所有引脚初始态设置为0，然后依次将需测的引脚设置为Z态或M态，直到所有引脚测试全覆盖。测试原理图如图5所示。

图5 Continuity Walking Z测试原理

2.2.2 测试方法

a)创建PIN文件。创建PIN文件时，将所有信号引脚设置为IO类型。

b)创建Level文件。电源引脚VDD=0,信号引脚vil=0，vih=3.3，vol=0.2，voh=1.5，vt=3.3，iol=0.4，ioh=0.4。电平设置，如下图6所示。

图6 Walking Z 电平设置

c)创建Timing文件。测试周期Per可相对设置大一些(如：1000ns)，WaveTable和Equation可按Group Pin来统一设置，如下图7所示。

图7 Walking Z Timing设置

d)创建Pattern文件。创建三种类型分布的Pattern：(1)每一行全设置为0，即将所有引脚置地；(2)基于每个信号引脚逐一设置为Z(或M，需与WAVETBL保持一致)；(3)最后一行设置为全Z态（示例中的M即为下图中的Z）。如图8所示。

图8 Walking Z Pattern创建方式

e)设置 Test Method。主要使用“FunctionalTest”。关键测试代码如下：

图9 Walking Z功能测试关键代码

f)选择连通性测试项，执行测试，观察测试结果。若有不同引脚在“Z”态变化区间出现FAIL，在全“Z”区域(最后一项Pattern)无FAIL，则说明引脚间有短路（见图10）。若同一只引脚“Z”变化区间和全“Z”区域均出现FAIL，则说明该引脚与电源或地存在连接性问题（见图11）。若无FAIL周期，则测试通过。

图10 引脚与引脚间连通性故障

图11 引脚与电源或地间连通性故障

2.3 步骤三：Power-Short电源测试

Power-Short电源测试，基于DPS(Device Power Supply)电源模块,运用VFIM(Voltage Force Current Measurement)加载电压测量电流的方法进行Power-Short电源短路测试。该方法使用DPS_TASK API，通过DPS向芯片电源引脚加载一小电压，然后测量电源端与地端的电流，对测量值进行比较，来判断是否存在电源通道短路的情况。该测试方法用于新封装完成的芯片电源短路连通性测试使用，由于向电源仅提供一小电压，因此可防止因设计、制造等问题导致的电源短路而造成破环性的影响，如短路发热将测试座或测试设备烧坏等。同时对电源不能正常的电的器件，也可作为一种测试分析手段应用。

2.3.1 测试原理

通过向测试芯片电源引脚施加一小电压,测量与地端的电流，判定芯片是否存在电源短路情况。使用DPS供一小电压，利用DPS_TASK API编程,实现对测试条件的设置、执行和判定，判定值与工艺及电源设计有关，因此初次测试需要进行摸底测试来确定判定值。若测量到的电流大于判定电流的情况，那么就存在电源短路。此方法不需要使用测试向量，基于常规的Level Equation建一个Power-Short测试的Spec，基于DPS-TASK的编程即可实现。测试原理图如图12所示。

图12 Power-Short电源短路测试原理

2.3.2 测试方法

a）创建 Level文件的 Power-Short Spec。基于常规Level Equation创建文件，电源引脚电压值均设置为一小电压，如图13所示。

图13 Power-Short测试电平设置

b）编写测试程序。设计接口参数，使多个电源引脚可选择，并且支持同测，利用DPS_TASK API实现对测试条件和测试执行的控制，实现对测试结果的获取，以及实现最终的测试判定。关键测试代码如下所示：

图14 Power-Short测试关键代码

c）测试结果。如图15所示，第一项测试结果是一只电源引脚VDD1_3V3与地短路的器件测试Failed的结果，第二项测试结果是更换另一只电源正常的器件测试PASS的结果。

图15 Power-Short测试结果

3 结束语

本文介绍了一种连通性系统检测法，通过三步骤测试能够实现较系统全面的器件引脚连通性测试覆盖，同时也可根据测试需求选择其中的单一步骤使用。该方法能应用于各类器件的连通性测试，具有较强的测试通用性。文中分别从测试原理和测试方法进行详细介绍，并且提供了详细的设置参数、操作方法和图例，以及测试程序关键代码，能较好的为连通性测试提供参考。