半導體自動測試系統時域反射研究

王娜

早在60年代就產生了時域反射計TDR（Time-Domain Reflectometry）技術。該技術是用來檢測沿傳輸線傳播的時間階躍電壓。它用示波器檢測來自阻抗的反射，測量輸入電壓與反射電壓比，從而計算不連續的阻抗。TDR是多個英文單詞的縮寫，包括：Time-Domain Reflectometry-時域反射技術，它是一種對反射波進行分析的遙控測量技術，在遙控位置掌握被測量物件的狀況。70年代了解到作為頻率函數的網絡反射系數的傅里葉變換就是作為時間函數的反射系數。可用網絡分析儀在頻域測量的數據計算和顯示網絡作為時間函數的網絡階躍和激沖響應。使在反射和傳輸中傳統TDR能力增加了在頻帶有限網絡進行測量的潛力。在反射模式中網絡分析儀測量作為頻率函數的反射系數。可把該反射系數看成是入射電壓和反射電壓的傳遞函數。反變換將反射系數轉換為時間函數（激沖響應）。可用該反射系數與輸入階躍或脈沖的卷積計算階躍和激沖響應。在傳輸模式中。網絡分析儀測量作為頻率函數的二端口器件的傳遞函數。反變換將該傳遞函數轉換為二端口器件的激沖響應。用該激沖響應與輸入階躍或脈沖的卷積計算階躍和激沖響應。TDR時域反射技術是測量傳輸線特性阻抗的主要工具。TDR主要由三部分構成：快沿信號發生器，采樣示波器和探頭系統。在最終測試生產區域，產品測試包括測試主機（Main Frame）和被測樣品。這兩部分是由測試接口相連。這個測試接口通常包括測試板，數據線，芯片接口底座，彈簧針等等。 通常測試主機是工作正常的， 那這個測試接口怎么樣呢？但事實上許多情況是一個測試生產的過程是由許多部分組成，它是測試主機，測試板和測試程序的組合體。 在生產轉產時， 終測系統的調試是對技術人員和生產人員的夢魘，特別是高頻率和多管腳的產品。 由于每個部分需要在不同硬件之間連接，機械連接的部分總是問題點，而且彈簧針接觸偏移，總會導致較小的連接阻抗。

調試測試組件的連接問題是非常耗時的。它很明顯需要一種易于操作的方法去處理每一個單一組件的連接問題。這可以很容易地發現問題，以至于每個工程師可以改正和預先解決問題。這篇論文將闡述怎樣運用時域反射（TDR）的方法。

1 傳輸線模型和時域反射 （TDR）介紹

任何信號傳輸路徑都存在一些電容和電感，它們非常微小，而且對低頻信號沒有影響，但它會對高頻信號的傳輸產生影響。對于幾何結構非常好的傳輸路徑，單位長度的電感和電容已經被很好的定義了，傳輸線的概念允許簡化很多東西。輸入一個入射信號，一個無限不失真的傳輸線就可以認為是一個接地電阻。對于有限的傳輸線，它將在末端反射這個信號。反射信號的標志和幅值取決于傳輸線的阻抗和負載阻抗。反射信號將在傳輸線的兩端反復傳輸。

傳輸線具有以下屬性：

1）單位長度的電感值Lc和電容值Cc

2）特性阻抗Z0

3）信號傳播速度Vp和信號傳輸延遲Tpd

4）單位長度的歐姆阻抗Rc

通常我們用Z0和Tpd來衡量傳輸線，這是因為這可以利用基礎電路理論的簡單應用。

1.1 傳輸線里的反射

當傳輸線里的信號到達特征阻抗變化的位置點，只會有一部分信號通過，而且剩下的將會反射回來。反射信號的數量取決于變化點之前和之后的阻抗比率，ZL是負載阻抗，Z0是傳輸線阻抗，當負載阻抗不是簡單的歐姆阻抗，而且傳輸線也有不同阻抗。經過反射之后，反射信號流回傳輸線的開端，在那它又被反射回去，周而復始。每一次反射的波形都會疊加傳輸線上的現有電壓。

1.2 時域反射

當阻抗隨著傳輸線變化，反射的幅度也會隨之變化。如果之前我們知道線阻抗，就也可以判斷它之后的阻抗。反射信號將在線上返回知道它到達起始點。如果信號傳輸速率是已知的，它有可能源自傳播延遲和其他信息。

時域反射測量系統：階躍信號發生器產生了一個上升沿的入射波作用于待測傳輸系統，階躍信號以在線路中傳輸的速度在傳輸線中沿線傳遞，如果負載阻抗和傳輸線的特性阻抗相同，就沒有波會被反射，所有在示波器上看到的只有通過傳輸線監測點的入射波階躍電壓。如果終端負載不匹配，部分入射波將會被反射，在示波器上會出現反射電壓波和入射電壓波代數上的疊加。

2 UP1600 IG-XL 時域反射（TDR）工作分析

對于UP1600測試機臺，TDR測量是產品工程師執行和檢查機械連接，IG-XL的TDR模塊是一整套計算每一個數字信道的追蹤延遲時間，然后計算出驅動的補償和比較時間響應。系統時間校準測量和補償在驅動，比較器和彈簧針終端之間固有的時間延遲。TDR是另一種測量和補償在被測樣品和彈簧針終端之間的時間延遲。

IG-XL TDR方法像一個二維參數測試。由于，反射波會增強入射波和電壓幅度，大約是輸入電壓的2倍。TDR模塊做電壓比較在第二個上升沿，然后根據每一次比較幅度的通過區間計算波形的延遲時間和斜率。

IG-XL TDR將在程序驗證之后，和在第一次測試之前，測量每一個被選的通道。這樣可以在已知程序工作正常的情況下，進行硬件的調試，它可以減少不必要的消耗。每次檢測時，如果有錯誤出現，IGXL都會顯示哪個通道TDR失敗，這樣可以有助于工程技術人員進行有針對性的調試。

3 UP1600 時域反射（TDR）應用分析

IG-XL TDR模塊當響應時間超過通過區間就會報告一個錯誤。通常這是由于彈簧針短路到地線或其他信號通路，所以這里有兩個對TDR模塊的束縛：

1）如果繼電器卡損壞，在繼電器切換前后都將會得到相同的探測延遲時間，然后TDR值將是0，但測試系統不會報錯。

2）如果彈簧針或底座與測試板連接不好，TDR的時間會小于正常值，但測試系統也將不會報錯。

優化的方法：

在探測延遲時間計算之后，增加判斷條件， 對于不正常的TDR值顯示報警。對于TDR模塊的深入應用，我們可以對驅動比較結果做一個全范圍點圖，再加上點圖可以像示波器能夠顯示反射信號和分析信號的阻抗。

4 結論

IG-XL 提供了TDR方法，它能夠計算數字通道的信號傳輸延遲，而且做相對應的延遲時間補償。TDR方法也是一種檢查測試機與測試板，底座，彈簧針等等之間調試和連接問題的有效方法。但這種放需要優化，增加不正常測試值的報警功能。而且，IG-XL TDR方法可以更新為可視化人機界面去調試信號問題。