2.2　數字IC測試系統

由數字電路控制的電子信號稱為數字信號，表現為邏輯電平“0”和“1”，它們被分別定義成一種特殊的電壓分量，如圖2.6所示。所有有效的數字電路數據都用它們來表示，每一個“0”或者“1”表示數據的一個比特（bit），任何數值都可以由按照一定順序排列的“0”“1”組成的二進制數據來表示，數值越大，需要的比特位越多。每8bit構成一個字節（Byte），數字電路中的數據經常以字節為單位進行處理。

2.2.1　數字測試系統的組成

數字電路器件通過驅動電壓測量電流或者通過驅動電流測量電壓，或者使用功能測試器件在特定輸入狀態下，測量器件的輸出電壓是否滿足測試條件，或者器件的輸出是否符合邏輯，抑或使用功能測試操作器件內部的寄存器讀寫數據，這些測試使用的ATE稱為數字測試系統，圖2.7顯示了數字測試系統中包含的基本模塊。

測量系統控制CPU是系統的控制中心，它主要由控制測試系統的計算機組成。測試系統提供網絡接口（Network Interface）用以傳輸測試數據；用戶控制接口中，計算機的硬盤和內存（Memory）用來存儲本地數據，顯示器和鍵盤提供了測試操作員和系統接口。

系統供電單元（System Power Supply，SPS），負責為測試系統供電。

被測器件參考電壓源一方面為被測器件的電源引腳（VDD或VCC）提供電壓和電流，另一方面為系統內部引腳電路單元的驅動和比較電路提供邏輯電平的參考電壓，其為驅動電路提供的參考電壓包括輸入低電平（Voltage Input Low，VIL）和輸入高電平（Voltage Input High，VIH），為比較電路提供的參考電壓包括輸出低電平（Voltage Output Low，VOL）和輸出高電平（Voltage Output High，VOH）。

引腳電路（Pin Electronics，PE，也叫Pin Card、PEC（Pin Electronics Card），或者I/O Card）通常放置在測試機頭中，是測試系統資源和待測器件之間的接口，它給待測器件提供輸入信號并接收器件的輸出信號，詳細功能將在2.2.3節中介紹。

外部儀器接口（External Instrument Interface），用于連接ATE與分選機，進行測試通信。

精密測量單元（Precision Measurement Unit，PMU），用于進行精確的DC參數測量，它能驅動電流進入器件并測量電壓，或者為器件加上電壓，進而去測量產生的電流。在2.2.2節中會詳細介紹PMU的工作原理和配置方式。

特殊選件（Special Tester Option），包含一些選配的特殊功能，比如存儲器測試、模擬電路測試所需要的特殊硬件結構。

并行與掃描向量存儲單元（Parallel and Scan Vector Memory），是每個測試系統都有一組高速的存儲器，這組存儲器稱為向量存儲單元，用來存儲測試向量（Vector），測試向量描述了測試器件所期望的邏輯輸入輸出狀態。測試系統從向量存儲單元中讀取輸入信號的輸入狀態，并通過測試機引腳電路輸出給待測器件的相應引腳；再從器件輸出引腳讀取相應的狀態，與測試向量中相應的輸出信號進行比較。這里的輸入信號也稱為驅動（Driver）信號，輸出信號也稱為期望（Expect）信號。進行功能測試時，測試向量為待測器件提供激勵并監測器件的輸出，如果器件輸出與期望不相符，則說明器件沒有正常工作，該項測試沒有通過，記錄為一項功能失效（Fail）。有兩種類型的測試向量：并行向量和掃描向量，大多數數字測試系統都支持這兩種向量模式。

格式、時序存儲器單元（Format、Timing Storage Unit），存儲了功能測試需要用到的格式和時序設置等數據和信息，信號格式和時間沿標識定義了輸入信號的格式和輸出信號的采樣時間點。時序單元從向量存儲單元接收激勵狀態（“0”或者“1”），結合時序及信號格式等信息，生成格式化的數據送給電路的驅動部分，進而輸出給待測器件。

系統時鐘（Test System Clock），為測試系統提供同步時鐘信號，這些時鐘信號的頻率范圍通常比功能測試頻率高得多；這部分還包括許多測試系統中都包含的時鐘校驗電路（Clock Calibration Circuit）。

2.2.2　PMU的原理與參數設置

如圖2.8所示，PMU包含驅動線路和感知線路（Force and Sense Line）。為了提升PMU的驅動電壓精度，常使用4條線路的結構：兩條驅動線路傳輸電流，兩條感知線路監測DUT引腳的電壓。由于電流經過線路時會產生壓降，因此施加到DUT引腳端的電壓會小于程序中設定的值，設置兩根獨立的感知線路去檢測DUT引腳（Pin）端的電壓，反饋給電壓源，電壓源再將其與理想值進行比較，并進行相應的補償和修正，以消除電流流經線路時產生的偏差。驅動線路和感知線路的連接點稱作“開爾文連接點”。

隨著半導體工藝的發展，測試系統的測試機頭從開始的只能安裝引腳電路發展到可將其他功能模塊全部集成到內部，在測試機頭之外只保留用于操作的計算機。性能稍遜的或者老一點的測試系統只包含有限的參考電壓源（Reference Voltage Source，RVS），同一時間測試程序只能提供少量的輸入和輸出電平，因而需要測試的多個引腳間共享測試資源。

當測試機的多個Test Pin共用某一種資源（如RVS）時，此資源稱為共享資源（Shared Resource）。一些測試系統擁有“Per Pin”的RVS結構，即每一個測試通道獨立地設置輸入和輸出信號的電平。

同樣的情況也適用于PMU。一些低端的測試機只有一個PMU，通過共享方式被多個測試通道依次使用；中端測試機有一組PMU，一個PMU通道被若干個數字通道共享，這樣可以讓若干個通道同時使用PMU施加或測量直流參數；高端測試系統的PMU往往是Per Pin結構的PMU，每個引腳可以獨立提供并測量電壓和電流，我們稱之為PPMU。但PPMU通常不具備4線開爾文連接方式，為了彌補這一不足，目前大多數ATE還提供了幾組板級PMU（Board PMU，BPMU），保留了開爾文的4線連接方式，供用戶在高精度驅動或測量時使用。

1. PMU模式設置

PMU兼具驅動和測量兩種功能。可以配置的模式包括：

• 加壓測流（Force Voltage Measure Current）模式（FVMI）
• 加流測壓（Force Current Measure Voltage）模式（FIMV）
• 無施加（Force Null）模式（FN）

在使用PMU進行編程時，需要進行模式設置，可以選擇電壓驅動或者電流驅動，當選擇電流驅動時，測量模式自動被設置成電壓；反之，如果選擇了電壓驅動，則測量模式自動被設置成電流。選擇驅動功能后，需要設置相應的驅動電壓或者電流數值。

2. PMU量程設置（Range Setting）

PMU的驅動和測量本身是有范圍限制的，在編程時必須選定合適的驅動和測量范圍，合適的量程設定將保證測試結果的準確性。比如PMU最大輸出電壓為4V，而設定輸出為5V，因超出了PMU輸出能力而最終只能輸出4V。同理，如果電流測量的量程被設定為1mA，則無論實際電路中的電流有多大，能測到的讀數不會超過1mA。

3. PMU邊界設置（Limit Setting）

PMU有上限和下限這兩個可編程的測量邊界，當實際測量值超過限定范圍時，均會被系統判定為不良品。

4. PMU鉗制設置（Clamp Setting）

PMU會被程序設置鉗制電壓或電流，鉗制裝置是在測試期間控制PMU輸出電壓與電流的上限以保護測試操作人員、測試系統及被測器件的電路（見圖2.9）。當PMU輸出電壓時，必須設置最大輸出電流鉗制。驅動電壓時，PMU會給予足夠的電流以維持相應的電壓，相當于一個穩壓源。對DUT的某個引腳，ATE的驅動單元會不斷增加電流以驅動它達到程序中設定的電壓值。如果此引腳上出現短路，而沒有設置電流鉗制，則通過該引腳的電流會一直增大，直到相關的電路，如探針、探針卡、相鄰DUT，甚至測試儀的通道全部燒毀。

圖2.9顯示了PMU驅動5.0V電壓施加到250Ω負載電阻RL的情況。在測試中，該DUT是阻性負載。由歐姆定律

可知，在額定工作電壓下，通過負載的電流應為20mA。器件可接受的最大電流（記錄在器件規格書中）會大于工作電流，如Imax=22mA。此時電流上限邊界可設置為22mA，鉗制電流可設置為25mA。假如某一有缺陷的器件的阻抗性負載只有10Ω，在沒有設置電流鉗制的情況下，通過的電流將達到500mA，這么大的電流已經足以對測試系統、硬件接口和器件本身造成損害。而鉗制電流設置在25mA，則電流會被鉗制電路限定在安全的范圍內，不會超過25mA，從而避免損壞。

電流鉗制邊界（Clamp）必須大于測試邊界（Limit）上限，這樣有缺陷的器件才能被程序正確識別（判斷為Fail），否則程序中只會提示“邊界電流過大”，而不會出現Fail。

當PMU輸出電流時，測試器件則相應地需要進行電壓鉗制。電壓鉗制和電流鉗制在原則上大同小異，如圖2.10所示，這里不再贅述。

2.2.3　引腳電路的組成和原理

引腳電路（PE）的結構圖如圖2.11所示。

1. 驅動單元（輸入）

驅動單元為DUT提供輸入信號。PE驅動從向量存儲單元獲取格式化信號FDATA（Formatted Vector Data），格式信號為邏輯“0”或者“1”，從參考電壓源RVS獲取VIL/VIH參考電平被施加到格式化數據上。

如果FDATA驅動邏輯0，則驅動單元會施加VIL到DUT的輸入引腳，也就是能被DUT內部電路識別為邏輯0的最大電壓。若FDATA命令驅動邏輯1，則驅動單元會施加VIH參考電壓到DUT的輸入引腳，即能被DUT內部電路識別為邏輯1的最低電壓。

驅動開關F1用于隔離驅動電路和待測器件，在進行輸入-輸出切換時充當快速開關的角色。當測試通道被程序定義為輸入時，F1導通，控制開關（通常為繼電器）K1閉合，使信號由驅動單元輸送至DUT；當測試通道被程序定義成輸出或者不關心狀態（Don't Care）時，F1截止，這樣可以保證驅動單元和待測器件同時向一個測試通道輸送電壓信號的輸入輸出（Input/Output，I/O）沖突狀態不會出現。

2. 動態負載單元

動態負載（Active Load，也叫電流負載）在功能測試時連接到待測器件的輸出端充當負載的角色，由測試程序控制，提供從測試系統到待測器件的正向電流或從待測器件到測試系統的負向電流，即拉電流（Current Output High，表示為IOH）和灌電流（Current Output Low，表示為IOL）：

• IOH指當待測器件輸出邏輯1時其輸出引腳必須提供的電流。
• IOL則相反，指當待測器件輸出邏輯0時其輸出引腳必須接納的電流。

參考電壓（Voltage Reference，表示為Vref）決定是IOH起作用還是IOL起作用；當待測器件的輸出電壓高于Vref時，ATE從被測器件引腳拉取電流IOH；當待測器件的輸出電壓低于Vref時，ATE向被測器件引腳灌入電流IOL。

電流負載開關F2作為高速開關負責切換輸入、輸出測試電路。當程序定義測試通道為輸出時，F2導通，允許PE電路向待測引腳輸出IOL或抽取IOH。當定義測試通道為輸入時，F2截止，將負載電路和待測器件隔離。

動態負載可用于測試引腳輸出電平（見3.6.4節），也可用于三態測試（見3.2.2節）和開短路測試（見4.4節）。

3. 電壓接收單元（輸出）

電壓接收單元用于功能測試時比較待測器件的輸出電壓和RVS提供的參考電壓：邏輯1（VOH）和邏輯0（VOL）。當器件的輸出電壓小于等于VOL，則認為它是邏輯0，當器件的輸出電壓大于等于VOH，則認為它是邏輯1；當輸出電壓大于VOL而小于VOH時，則認為它是三態電平或無效輸出。

4. PMU

PMU通常用于DUT直流測試。當PMU需要連接到器件引腳時，K1先斷開，然后K2閉合。這樣可以達到PMU與PE的驅動、動態負載隔離，從而避免DUT輸出被干擾。

5. PPMU

一些系統提供PPMU（Per-Pin PMU）的電路結構，以支持對DUT每個引腳同步地進行電壓或電流測試。與PMU一樣，PPMU可以驅動電壓測量電流或驅動電流測量電壓，但是可能不具備標準測試系統的PMU的其他功能，如PPMU通常不具備開爾文連接的結構，不具備高壓大電流的量程等。