集成电路测试系统优化方案

1.集成电路测试系统的发展历程

集成电路测试系统从最初测试小规模集成电路发展到测试中规模、大规模和超大规模集成电路，到了20世纪80年代，超大规模集成电路测试系统进入全盛时期。当前，集成电路测试系统已经进入SOC测试系统时代。

集成电路测试系统的发展过程可以粗略地分为4个时代。第一代始于1965年，测试对象是小规模集成电路，可测引脚数达16只。用导线连接、拨动开关、按钮插件、数字开关或二极管矩阵等方法，编制自动测试序列，仅仅测量IC外部引脚的直流参数。第二代始于1969年，此时计算机已开始用于测试系统，测试对象扩展到中规模集成电路，可测引脚数24个，不但能测试IC的直流参数，还可用低速图形测试IC的逻辑功能。第三代始于1972年，这时的测量对象扩展到大规模集成电路（LSI），可测引脚数达60个，功能测试图形速率提高到10MHz。从1975年开始，测试对象为大规模、超大规模集成电路（LSI/VLSI），可测引脚增到128个，功能测试图形速率提高到20MHz。不但能有效地测量CMOS电路，也能有效地测量TTL、ECL电路。第四代始于1980年，测量对象为VLSI，可测引脚数高达256个，功能测试图形速率高达100MHz，测试图形深度可达256kbit以上。测试系统的智能化水平也进一步提高，具备与计算机辅助设计（CAD）连接能力，利用自动生成测试图形向量，并加强了数字系统与模拟系统的融合。随着集成电路器件的发展，在测试功能、引脚数、时钟频率、测试速率等方面，对集成电路测试仪又提出了越来越高的要求。当前，高端SOC测试系统可测引脚已达2048个，测试速率高达GHz。

2.集成电路测试系统的基本组成

集成电路测试系统是一类用于测试集成电路直流参数、交流参数和功能的一种测试设备。基本功能是检测被测集成电路电气性能的完整性，具体来说就是检测被测集成电路的参数指标和性能是否满足规范。现代集成电路测试系统集电子测量技术、计算机技术、自动化技术、通信技术和微电子技术于一身，形成了技术密集、知识密集的高科技集成电路自动测试系统。

集成电路测试系统的组成原理是，计算机通过数字总线接口与诸多的激励源单元和测试单元相连接，并按测试需求通过激励源单元和测试单元与被测集成电路相接，在计算机的控制下实施测试。激励源用于驱动被测器件（DUT），测试单元用于检测DUT输出信号。由于DUT的复杂性、对测试的高性能、高指标要求和测试内容的多元化需求，现代集成电路测试系统在激励源单元、测试单元与DUT之间，构造一个具有系统适配性质的引脚电子模块，以更好地与DUT匹配。图11-3为自动测试系统的基本组成框图。图中，计算机作为系统控制器；激励源单元包括了PerPin（按引脚分配）信号源、波形发生器和数字图形发生器；测试单元有PerPin测量模块、波形数字化仪和数字比较器；激励源单元和测试单元通过引脚电子中的不同通道电路与被测器件相连接。

图11-3 自动测试系统的基本组成框图

3.集成电路测试系统的分类

目前集成电路测试系统主要是按不同测试对象分类的，主要分为数字集成电路测试系统、模拟集成电路测试系统和数模混合信号集成电路测试系统。从测试和测试系统的角度，这里所说的不同对象是指该集成电路的引脚性质。如果该集成电路的输入引脚、输出引脚、控制引脚和其他引脚均为数字信号引脚，则称该集成电路为数字集成电路，如果该集成电路的全部引脚均为模拟信号引脚，即该引脚信号的幅度或数值上具有连续变化的特征时，该电路即称为模拟集成电路。如果该集成电路的全部引脚中既有数字信号引脚，又有模拟信号引脚，该电路即称为数模混合信号集成电路。

图11-3是集成电路测试系统结构的全集。如果一个测试系统激励源单元只配置数字Per Pin信号源、数字图形发生器，测试单元仅配置数字PerPin测量和数字比较器，该系统只能驱动和测试具有全数字引脚的集成电路，这就构成了数字集成电路测试系统。如果一个测试系统激励源单元仅配置模拟PerPin信号源和波形发生器，测试单元仅配置模拟PerPin测量和波形数字化仪，该系统只能驱动和测量具有全模拟引脚的集成电路，这就构成了模拟集成电路测试系统。如果系统配置了图11-3的全集，则它既能驱动和检测集成电路的数字引脚部分，又能驱动和测量该集成电路的模拟引脚部分，具有测试数模混合信号集成电路的能力。因此构成了数模混合信号集成电路测试系统。

4.通用集成电路测试系统的组成结构

现代的集成电路测试系统具有代表性的是混合信号集成电路测试系统，其体系结构绝大多数是基于模块化的总线结构。通用测试系统内部结构如图11-4所示。

测试系统包括硬件和软件两大部分，硬件由电路和机械两部分组成，它们由主控计算机及其外围设备、电源、测量仪器、信号发生器、图形（pattern）生成器和其他硬件模块的集合体等组成。

（1）系统硬件

1）主控计算机及总线控制器

①系统主控计算机由标准配置的计算机或工作站构成，是作为整个测试系统的控制中心。对主控计算机的要求是速度较高、内存要足够大和读写速度快等。基本外设包括鼠标/键盘、显示器、软盘、硬盘、光盘驱动器、串/并接口及USB接口，此外还可配接打印机等其他外设选件。同时要能够与探针测试台、自动分选机等其他设备进行接口。

②总线控制器完成主控计算机与测试系统之间的通信和控制，完成测试系统内部所有资源模块与主控计算机之间的通信和模块之间的信息传递。目前主流的集成电路测试系统仍然采用自定义的总线，采用标准总线的还不多。

图11-4 通用测试系统内部结构(www.xing528.com)

2）数字参数测量部分

①数字测试模块，主要用于数字集成电路的功能测试，它由DUT的测试信号波形产生（图形发生器）和DUT输出响应检测两部分组成，它是数字集成电路测试的核心模块。

②精密测量单元（PMU）模块，用于模拟、数字集成电路引脚参数的电压、电流的施加和测量模块，它是集成电路直流参数测试不可缺少的专用模块。

③时间测量单元（TMU），用于器件交流参数的时域测量，对输出信号进行时间测量和分析，如周期、脉宽、上升/下降时间、传输延时、频率等。

④器件程控电源（DPS）模块，为被测集成电路的电源引脚提供可编程控制的电源。

3）模拟参数测量部分

①运放测试环模块，用于集成运放参数测量的模块。

②DC源模块系列（通用DC源、高压DC源），DC测量仪模块（DVM）。

③AC源模块系列（各式信号发生器、脉冲高压大电流源）、AC测量仪模块（峰值、有效值测量），用于器件交流参数的频域测量，如频率特性、截止频率等。

④其他单元，射频测量仪器（网络分析仪、矢量电压表、选频电压表等），用于交流高频参数的频域测量。还可能包括数字存储示波器，用于器件交流参数的时域测量。

4）混合电路测量部分

混合信号测量的基本仪器模块是DDS波形发生器和波形数字化仪。

（2）测试程序

测试系统软件是由计算机运行的一组指令（测试程序），在测试时控制各硬件模块，为DUT提供合适的电压、电流、时序和功能状态，并监测DUT的响应，每次测试的结果和预先设定的界限对比，做出通过（pass）或失效（fail）的判断。

1）测试程序的结构。测试程序的构成一般包括测试的流程，采用的测试方法（直流参数、交流参数测试，功能测试，结构测试等），结果分类要求（分类控制），器件参数设置，测试仪（ATE）初始化、校准和连接性，资源设置（测试时序、测试限值），测试图形文件（波形创建）获取等部分。实际过程中，根据测试仪资源、被测器件特性、测试内容等不同条件，测试程序的各部分内容也会有相应的调整。编写测试程序，首先应该编写测试计划，然后转为测试程序。

2）测试控制代码和测试图形。测试程序包括测试控制代码和测试图形两个部分。

测试控制代码具有实时控制设备的能力，包含测试设备操作、测试信号生成和测量。

模拟部分的测试图形可以通过已验证过的数学函数作为模拟代码，例如，通过函数计算生成DAC理想的输出仿真波形，也可以通过对模拟信号进行采样转换为数字波形。数字部分的测试图形又称为测试向量，由一系列比特单元组成，它不仅包含0/1驱动和预期数据，而且还包含向量的时序信号。混合信号测试必须在十分精确的时序下进行，测试仪程序中的数字图形部分和代码控制部分必须协同工作。