基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的集成電路測試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置研究?

肖 瑩 胡 勇 周厚平

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205）

1 引言

微電子量值溯源、傳遞的方法和途徑一直是阻礙微電子計(jì)量檢定、校準(zhǔn)和比對工作開展的關(guān)鍵問題，標(biāo)準(zhǔn)樣片是實(shí)現(xiàn)量值溯源和傳遞的良好途徑。集成電路標(biāo)準(zhǔn)樣片是已確定幾種特性參數(shù)，作為一種傳遞標(biāo)準(zhǔn)用于校準(zhǔn)集成電路測試系統(tǒng)的專用集成電路。它具有三個(gè)顯著的特征：1）用于測量目的；2）具有量值的準(zhǔn)確性；3）量值溯源性，溯源到國家基準(zhǔn)［1～6］。

集成電路標(biāo)準(zhǔn)樣片的用途廣泛，通常應(yīng)用于集成電路測試系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)或維護(hù)、維修后的系統(tǒng)校準(zhǔn)檢定、集成電路測試系統(tǒng)的期間核查、實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證及參數(shù)比對等方面。集成電路標(biāo)準(zhǔn)樣片是實(shí)現(xiàn)量值溯源和傳遞的良好途徑，具有成本低、方便攜帶、校準(zhǔn)過程簡單、可以現(xiàn)場校準(zhǔn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來，標(biāo)準(zhǔn)樣片的開發(fā)與應(yīng)用已逐步成為微電子領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一。然而，標(biāo)準(zhǔn)樣片的引腳資源是固定的，直接在被校集成電路測試系統(tǒng)上測量標(biāo)準(zhǔn)樣片，無法實(shí)現(xiàn)對測試系統(tǒng)全部通道的校準(zhǔn)。因此，很有必要研究一種基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的集成電路測試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置，使得標(biāo)準(zhǔn)樣片的量值可以準(zhǔn)確可靠地傳遞到測試系統(tǒng)每個(gè)通道上，滿足測試系統(tǒng)全通道覆蓋的校準(zhǔn)需求。

本文提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的集成電路測試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，采用虛擬儀器技術(shù)，研建由集成電路標(biāo)準(zhǔn)樣片、PXI儀器模塊組、校準(zhǔn)軟件及校準(zhǔn)接口板組成的基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的集成電路測試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置。相較于傳統(tǒng)方式研制的專用校準(zhǔn)裝置，因測試系統(tǒng)的操作系統(tǒng)、軟件環(huán)境、硬件結(jié)構(gòu)等不同，各專用校準(zhǔn)裝置無法實(shí)現(xiàn)通用［7～11］。該校準(zhǔn)裝置通用、便攜、自動(dòng)化、可擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了將標(biāo)準(zhǔn)樣片應(yīng)用于測試系統(tǒng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)，能夠顯著提升測試系統(tǒng)集成電路參量的量值溯源能力。

2 校準(zhǔn)裝置架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的集成電路測試系統(tǒng)校準(zhǔn)模型

本文的校準(zhǔn)對象是數(shù)字集成電路測試系統(tǒng)，針對校準(zhǔn)對象的特點(diǎn)以及所使用的校準(zhǔn)方法，選擇基于PXI模塊的儀器以及集成電路標(biāo)準(zhǔn)樣片組成通用的校準(zhǔn)裝置，通過對這些模塊的合理布局與框架設(shè)計(jì)，完成不同的分項(xiàng)參量的校準(zhǔn)。

基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的校準(zhǔn)裝置的架構(gòu)示意圖如圖1所示。基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的校準(zhǔn)裝置是由集成電路標(biāo)準(zhǔn)樣片、PXI儀器模塊組、控制器、接口及連接線纜、校準(zhǔn)軟件、校準(zhǔn)適配接口板組成的。

圖1 基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的校準(zhǔn)裝置架構(gòu)示意圖

其中PXI儀器模塊組擬采用基于PXI總線的直流電壓源、直流矩陣開關(guān)、交流矩陣開關(guān)等儀器模塊組成。PXI儀器模塊組通過PXI總線與控制器互聯(lián)，在控制器中通用校準(zhǔn)軟件的控制下每種模塊都可以實(shí)現(xiàn)一定功能。

控制器作為校準(zhǔn)裝置的主控模塊，具備PXI內(nèi)部總線接口，以及GPIB、以太網(wǎng)等外部接口。通過運(yùn)行通用校準(zhǔn)軟件，結(jié)合各種內(nèi)外部接口，控制器完成對校準(zhǔn)裝置各部分的控制，并完成對數(shù)據(jù)的傳輸、分析和處理。控制器與PXI儀器模塊組通過PXI總線互聯(lián)，與外接設(shè)備通過GPIB總線接口互聯(lián)，以此實(shí)現(xiàn)對各種設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集；控制器與集成電路測試系統(tǒng)的工作站通過以太網(wǎng)建立TCP/IP連接，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的同步和數(shù)據(jù)的傳輸。

校準(zhǔn)適配接口板在校準(zhǔn)時(shí)置于集成電路測試系統(tǒng)的測試頭上，集成電路標(biāo)準(zhǔn)樣片置于校準(zhǔn)接口板上，矩陣開關(guān)通過校準(zhǔn)線纜分別連接校準(zhǔn)接口板上標(biāo)準(zhǔn)樣片待測管腳接口和測試系統(tǒng)數(shù)字通道接口，通過改變矩陣開關(guān)特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)樣片待測管腳與測試系統(tǒng)的全通道連接。

PXI儀器模塊組、校準(zhǔn)適配接口板之間，通過特定的接口及連接線纜實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)各儀器設(shè)備的協(xié)同工作以及信號(hào)的采集。

校準(zhǔn)軟件由控制器中的通用校準(zhǔn)軟件，以及測試系統(tǒng)中的專用校準(zhǔn)程序模塊組成，通用校準(zhǔn)軟件和專用校準(zhǔn)程序模塊之間的控制命令以及數(shù)據(jù)的傳輸均通過以太網(wǎng)（TCP/IP協(xié)議）實(shí)現(xiàn)。

在完成校準(zhǔn)裝置硬件搭建的基礎(chǔ)上，本文采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建一套完善的、功能強(qiáng)大的系統(tǒng)，來完成基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的校準(zhǔn)裝置所需的功能。其中直流參量通過直流矩陣開關(guān)模塊的切換，將信號(hào)由通道引至標(biāo)準(zhǔn)樣片相應(yīng)管腳進(jìn)行測量。而交流參量則通過交流矩陣開關(guān)模塊的切換，將信號(hào)由通道引至標(biāo)準(zhǔn)樣片相應(yīng)管腳進(jìn)行測量。

校準(zhǔn)裝置工作的基本原理為，采用專用校準(zhǔn)適配接口板實(shí)現(xiàn)集成電路測試系統(tǒng)各資源與校準(zhǔn)裝置之間的信號(hào)連接。由控制器與測試系統(tǒng)工作站通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)PXI儀器模塊與被校準(zhǔn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。校準(zhǔn)裝置在集成電路測試系統(tǒng)的輔助下，通過對測試系統(tǒng)各分項(xiàng)參量的校準(zhǔn)，來完成對集成電路測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)。

2.2 基于虛擬儀器的軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)前測試計(jì)量領(lǐng)域的新型先進(jìn)技術(shù)，應(yīng)用虛擬儀器的思想，通過編制相應(yīng)的校準(zhǔn)軟件，在選擇不同儀器模塊的基礎(chǔ)上，能夠方便地實(shí)現(xiàn)各種不同儀器儀表的控制、信號(hào)采集、信號(hào)處理與分析、數(shù)據(jù)處理、文件輸入輸出以及實(shí)時(shí)過程控制與顯示等功能。虛擬儀器不但可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的測試與計(jì)量功能，能夠大大地提高儀器構(gòu)成的靈活性和動(dòng)態(tài)重構(gòu)性，而且擁有絕對低廉的價(jià)格優(yōu)勢，達(dá)到與傳統(tǒng)儀器相媲美的精度并逐漸成為自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主流技術(shù)［12～16］。

應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，我們可以構(gòu)建一套完善的、功能強(qiáng)大的校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)，來完成所有主流集成電路測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)軟件的大部分功能。這樣，可以花較少的時(shí)間開發(fā)配合校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)的專用程序模塊，同時(shí)使用按照通用的設(shè)計(jì)規(guī)范配備的校準(zhǔn)接口板，就能夠?qū)崿F(xiàn)對給定測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作。校準(zhǔn)軟件功能示意圖如圖2所示。其中校準(zhǔn)軟件包括外接儀器儀表控制、信號(hào)的分析與處理、實(shí)時(shí)過程控制與顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理等；專用程序模塊包括測試系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)采集、測試程序調(diào)用、測試向量輸入控制等。

圖2 校準(zhǔn)軟件功能示意圖

本文基于虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)裝置的構(gòu)建。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)后，集成電路標(biāo)準(zhǔn)樣片、PXI儀器模塊組不再是獨(dú)立的設(shè)備，各儀器模塊對校準(zhǔn)軟件平臺(tái)都具有統(tǒng)一的接口，通過虛擬儀器技術(shù)的整合，各個(gè)設(shè)備在校準(zhǔn)軟件中表現(xiàn)為具有一定功能的硬件模塊。所有硬件模塊在校準(zhǔn)軟件的控制下，“虛擬”成了一套完整的校準(zhǔn)裝置進(jìn)行使用。所有的PXI儀器模塊，以及集成電路標(biāo)準(zhǔn)樣片，在控制器中校準(zhǔn)軟件的控制下，成為了校準(zhǔn)裝置的硬件功能模塊。

3 校準(zhǔn)裝置硬件組成

校準(zhǔn)裝置的硬件架構(gòu)如圖3所示，利用PXI儀器模塊組、集成電路標(biāo)準(zhǔn)樣片、外接線纜及校準(zhǔn)接口板，搭建基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的校準(zhǔn)裝置如下。

圖3 校準(zhǔn)裝置硬件的搭建方式

如上圖所示，校準(zhǔn)裝置硬件由微處理器、直流電壓源、直流矩陣開關(guān)、交流矩陣開關(guān)等基于PXI總線的模塊化儀器構(gòu)成，并置于PXI機(jī)箱中，由PXI機(jī)箱為各PXI模塊提供PXI總線。

校準(zhǔn)裝置各硬件模塊的互連方式如下：

1）直流電壓源給標(biāo)準(zhǔn)樣片供電，通過普通線纜連接至高密度矩陣開關(guān)。

2）直流矩陣開關(guān)通過專用接線盒與外部線纜相連。

3）交流矩陣開關(guān)通過SMB射頻線纜與校準(zhǔn)接口板上SMB插座相連。

4）標(biāo)準(zhǔn)樣片通過校準(zhǔn)接口板上的IDC50、IDC10插座與外部線纜相連。

4 校準(zhǔn)接口板設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)接口板上各接口具體分布如圖4所示。校準(zhǔn)接口板上包含標(biāo)準(zhǔn)樣片測試夾具、標(biāo)準(zhǔn)樣片測試管腳接口、直流參量測量接口、交流參量測量接口。其中，標(biāo)準(zhǔn)樣片測試管腳接口采用IDC10插座，經(jīng)校準(zhǔn)線纜與直流矩陣開關(guān)X端相連，IDC10插座每一路通過板上走線連至標(biāo)準(zhǔn)樣片待測管腳。直流參量測量接口采用IDC50插座，經(jīng)校準(zhǔn)線纜與直流矩陣開關(guān)Y端相連，測試系統(tǒng)數(shù)字通道采用等長走線方式直接引出至IDC50插座，每個(gè)IDC50插座連接32路數(shù)字通道，n個(gè)IDC50插座實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)全通道連接。每路IDC50插座上數(shù)字通道與地交錯(cuò)排列，用以減小測量過程中相鄰?fù)ǖ乐g的干擾。交流參量測量接口采用SMB插座，通過交流矩陣開關(guān)將標(biāo)準(zhǔn)樣片待測管腳與測試系統(tǒng)數(shù)字通道相連，板上采用50ohm阻抗走線。

圖4 校準(zhǔn)接口板功能設(shè)計(jì)示意圖

標(biāo)準(zhǔn)樣片至被校測試系統(tǒng)通道之間的回路（標(biāo)準(zhǔn)樣片接口、探頭、連接線、接口電路、矩陣開關(guān)等）會(huì)對整個(gè)校準(zhǔn)裝置的性能指標(biāo)產(chǎn)生較大的影響。測試系統(tǒng)數(shù)字通道采用等長走線方式直接引出至IDC50插座，測量任一數(shù)字通道至標(biāo)準(zhǔn)樣片待測管腳的回路電阻，通過計(jì)算補(bǔ)償?shù)街绷鲄⒘繙y量結(jié)果中。保證交流參量測量過程中整個(gè)回路（板上走線、校準(zhǔn)線纜、接口、測試系統(tǒng)）50ohm阻抗匹配，測量任一數(shù)字通道至標(biāo)準(zhǔn)樣片待測管腳的傳輸延時(shí)，通過計(jì)算補(bǔ)償?shù)浇涣鲄⒘繙y量結(jié)果中。直流參量校準(zhǔn)線纜內(nèi)芯采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的排線，排線數(shù)量需根據(jù)直流矩陣開關(guān)規(guī)模進(jìn)行確定，將多股排線進(jìn)行絞合后外層覆蓋屏蔽層，以控制線纜的噪聲和漏電流。交流參量校準(zhǔn)線纜采用不小于300MHz帶寬的SMB射頻線纜，具體數(shù)量由交流矩陣開關(guān)規(guī)模進(jìn)行確定。

5 結(jié)語

本文通過構(gòu)建基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的集成電路測試系統(tǒng)校準(zhǔn)模型、基于虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)、校準(zhǔn)裝置硬件組成、校準(zhǔn)接口板等幾個(gè)步驟，成功設(shè)計(jì)出基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的集成電路測試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置架構(gòu)。經(jīng)過試驗(yàn)證明，基于該架構(gòu)可以構(gòu)建出基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的集成電路測試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置，并完全滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。基于標(biāo)準(zhǔn)樣片的集成電路測試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置具有通用、便攜、自動(dòng)化、高集成度等特點(diǎn)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，一定程度上提高了微電子計(jì)量的技術(shù)水平。