淺談數(shù)字集成電路靜態(tài)參數(shù)實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)

孫灝 陳啟航

摘 要 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平的不斷提升，對(duì)于各類電子元器件的需求也是與日俱增。目前，國(guó)內(nèi)數(shù)字集成電路的可靠性水平與國(guó)際水平相比仍存在差距，因此對(duì)電子元器件進(jìn)行二次篩選十分重要。本文介紹了一種針對(duì)數(shù)字集成電路靜態(tài)參數(shù)的特殊形式測(cè)量審核方法，主要測(cè)試構(gòu)架分為測(cè)試系統(tǒng)工控機(jī)和主測(cè)試系統(tǒng)兩大部分。測(cè)試系統(tǒng)工控機(jī)可保證整個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)的高效性及高質(zhì)性，主測(cè)試系統(tǒng)主要由各類直流交流電源通道板組成的測(cè)試主機(jī)、外圍電路搭建集成的測(cè)試夾具以及待測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)樣品組成，采用模塊化設(shè)計(jì)，確保了整個(gè)過(guò)程的快速、靈活與準(zhǔn)確。最后，通過(guò)具體案例對(duì)各實(shí)驗(yàn)室間結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，證明該方法二次篩選結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞 集成電路;靜態(tài)參數(shù);測(cè)量審核

引言

針對(duì)數(shù)字集成電路二次篩選的效果評(píng)定，目前仍未有成熟的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系[1]，一般情況下，采用各類實(shí)驗(yàn)室之間的對(duì)比方式來(lái)確保其有效性，并且該類實(shí)驗(yàn)室均應(yīng)通過(guò)中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)（CNAS）的能力認(rèn)可。同時(shí)，各實(shí)驗(yàn)室為了確保所開(kāi)展的試驗(yàn)檢測(cè)活動(dòng)具有社會(huì)公證效益，根據(jù)中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)的要求，在一定時(shí)間內(nèi)，需要開(kāi)展各類能力驗(yàn)證活動(dòng)。

測(cè)量審核是通過(guò)對(duì)一件狀態(tài)穩(wěn)定的物品進(jìn)行各類參數(shù)的測(cè)試[2]，并與其標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比分析，按照已經(jīng)規(guī)定的活動(dòng)規(guī)則進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終用于確認(rèn)參與實(shí)驗(yàn)室具備該類檢測(cè)活動(dòng)能力的一種方式。通過(guò)這種方式可以對(duì)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)檢測(cè)活動(dòng)開(kāi)展結(jié)果形成有效支撐。實(shí)驗(yàn)時(shí)間比對(duì)是指按照預(yù)定的活動(dòng)規(guī)則評(píng)價(jià)參與者所具備的能力。其目的不同，稱謂方式也有所差別，測(cè)量審核是實(shí)驗(yàn)時(shí)間比對(duì)這一寬泛概念的一種專業(yè)化具體化方法，這一過(guò)程中所形成的數(shù)據(jù)也是中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)（CNAS）判斷實(shí)驗(yàn)室能力的關(guān)鍵技術(shù)憑證。考慮到數(shù)字集成電路測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)特殊性，這里采用其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)室得到的各類參數(shù)測(cè)量值作為標(biāo)準(zhǔn)值。

1數(shù)字集成電路測(cè)試

1.1 數(shù)字集成電路測(cè)試參數(shù)

數(shù)字集成電路是各類電子設(shè)備內(nèi)部為實(shí)現(xiàn)不同功能所采用的最為廣泛的一類半導(dǎo)體器件[3]。它是一種通過(guò)氧化、光刻、擴(kuò)散、外延、蒸鋁等工藝，將具有各自功能的電路需要的電阻、電容、二極管、三極管等元件相連通并集成于極小的硅片上，再經(jīng)由特殊的焊接工藝封裝于管殼中，最終可實(shí)現(xiàn)不同邏輯功能的電子元器件。根據(jù)數(shù)字集成電路內(nèi)所包含的元件規(guī)模，又分為小規(guī)模集成電路（SSI）、中規(guī)模集成電路（MSI）、大規(guī)模集成電路（LSI）和超大規(guī)模集成電路（ULSI）。一個(gè)中小規(guī)模數(shù)字集成電路具有靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩類測(cè)試參數(shù)[4]。典型的靜態(tài)測(cè)試參數(shù)有輸入（出）高（低）電平電壓、輸入（出）高（低）電平電流、電源電流等;典型的動(dòng)態(tài)測(cè)試參數(shù)有輸入電容、脈沖寬度、輸入脈沖上升（下降）時(shí)間等。本文中所舉案例主要為中小規(guī)模數(shù)字集成電路靜態(tài)測(cè)試參數(shù)的比對(duì)分析。

1.2 測(cè)試原理及構(gòu)架

本次數(shù)字集成電路靜態(tài)參數(shù)采用的測(cè)試原理如下圖1、圖2所示：

其主要測(cè)試構(gòu)架分為測(cè)試系統(tǒng)工控機(jī)和主測(cè)試系統(tǒng)兩大部分。測(cè)試系統(tǒng)用工控機(jī)可保證整個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)的高效性及高質(zhì)性，同時(shí)，較其他主流計(jì)算機(jī)而言具備更高的處理性能，在實(shí)際測(cè)試的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)對(duì)生成的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并直觀的顯示最終結(jié)果。主測(cè)試系統(tǒng)主要由各類直流交流電源通道板組成的測(cè)試主機(jī)、外圍電路搭建集成的測(cè)試夾具以及待測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)樣品組成，采用模塊化設(shè)計(jì)，確保了整個(gè)過(guò)程的快速、靈活與準(zhǔn)確。本次使用STS6100大規(guī)模數(shù)字集成電路測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。參數(shù)包括輸出高電流IOH、輸出低電流IOL、輸出高電壓VOH和輸出低電壓VOL。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)樣品與測(cè)試條件

測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)樣片管腳分布及描述分別見(jiàn)下圖3和表1：

樣片測(cè)試條件如下：

電源1與電源2均設(shè)置為 5V，Vil設(shè)置為0，Vih設(shè)置為5V，Voh與Vol均設(shè)置為2.5V。測(cè)試周期為10μs，第13管腳施加一低電平，第6、7、9、10、12管腳施加00100電平序列。當(dāng)測(cè)試輸出低電平電壓時(shí)，第26號(hào)管腳施加低電平，第20號(hào)管腳負(fù)載電流灌入100μA，測(cè)得20號(hào)管腳輸出電壓即為輸出低電平電壓VOL。當(dāng)測(cè)試輸出高電平電壓時(shí)，第26號(hào)管腳施加高電平，第20號(hào)管腳負(fù)載電流抽出-100μA，測(cè)得20號(hào)管腳輸出電壓即為輸出高電平電壓VOH。當(dāng)測(cè)試輸出低電平電流時(shí)，第26號(hào)管腳施加低電平，第20號(hào)管腳施加電平為1V，測(cè)得20號(hào)管腳輸出電流即為輸出低電平電流IOL。當(dāng)測(cè)試輸出高電平電流時(shí)，第26號(hào)管腳施加高電平，第20號(hào)管腳施加電平為4V，測(cè)得20號(hào)管腳輸出電流即為輸出高電平電流IOH。

2測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 VOL測(cè)量結(jié)果與分析

測(cè)試對(duì)象為STS6100的VoL。在重復(fù)性條件下，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣片的VoL參量，其6次結(jié)果如下表2所示：

由表2可得，VOL平均值A(chǔ)ve=100.237m V，其中：

重復(fù)測(cè)量所引入的不確定度，A類評(píng)定，使用bessel公式計(jì)算重復(fù)測(cè)量引入的不確定度：

（1）

電壓測(cè)量分辨力所引入的不確定度，B類評(píng)定，視為均勻分布（最小分辨力為0.35mV）：

（2）

電壓測(cè)量準(zhǔn)確度所引入的不確定度，B類評(píng)定，視為均勻分布（準(zhǔn)確度為3.2mV）：

（3）

合成標(biāo)準(zhǔn)不準(zhǔn)確度：

（4）

擴(kuò)展不確定度（k=2）：

（5）

由此可得：標(biāo)準(zhǔn)樣片在STS 6100上測(cè)得的 VoL= 100.237mV，不確定度為3.704mV。

2.2 VOH測(cè)量結(jié)果與分析

測(cè)試對(duì)象為STS6100的VOH。在重復(fù)性條件下，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣片的VOH參量，其6次結(jié)果如下表3所示：

由表可得，VOH平均值A(chǔ)ve=4.896 V，其中：

重復(fù)測(cè)量所引入的不確定度，A類評(píng)定，使用bessel公式計(jì)算重復(fù)測(cè)量引入的不確定度：

（6）

電壓測(cè)量分辨力所引入的不確定度，B類評(píng)定，視為均勻分布（最小分辨力為0.35mV）：

（7）

電壓測(cè)量準(zhǔn)確度所引入的不準(zhǔn)確度，B類評(píng)定，視為均勻分布（準(zhǔn)確度為12.79mV）：

（8）

合成標(biāo)準(zhǔn)不準(zhǔn)確度：

（9）

擴(kuò)展不確定度（k=2）：

（10）

由此可得：標(biāo)準(zhǔn)樣片在STS6100上測(cè)得的VOH= 4.896V，不確定度為14.77mV。

2.3 IOL測(cè)量結(jié)果與分析

測(cè)試對(duì)象為STS6100的IOL。在重復(fù)性條件下，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣片的IOL參量，其6次結(jié)果如下表4所示：

由表可得，IOL平均值A(chǔ)ve=100.135μA，其中：

重復(fù)測(cè)量所引入的不確定度，A類評(píng)定，使用bessel公式計(jì)算重復(fù)測(cè)量引入的不確定度：

（11）

電流測(cè)量分辨力所引入的不確定度，B類評(píng)定，視為均勻分布（最小分辨力為8nA）：

（12）

電流測(cè)量準(zhǔn)確度所引入的不準(zhǔn)確度，B類評(píng)定，視為均勻分布（準(zhǔn)確度為0.6μA）：

（13）

合成標(biāo)準(zhǔn)不準(zhǔn)確度：

（14）

擴(kuò)展不確定度（k=2）：

（15）

由此可得：標(biāo)準(zhǔn)樣片在STS 6100上測(cè)得的IOL= 100.135μA，不確定度為0.732μA。

2.4 IOH測(cè)量結(jié)果與分析

測(cè)試對(duì)象為STS6100的IOH。在重復(fù)性條件下，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣片的IOH參量，其6次結(jié)果如下表5所示：

由表可得，IOH平均值A(chǔ)ve=998.676μA，其中：

重復(fù)測(cè)量所引入的不確定度，A類評(píng)定，使用bessel公式計(jì)算重復(fù)測(cè)量引入的不確定度：

（16）

電流測(cè)量分辨力所引入的不確定度，B類評(píng)定，視為均勻分布（最小分辨力為80nA）：

（17）

電流測(cè)量準(zhǔn)確度所引入的不準(zhǔn)確度，B類評(píng)定，視為均勻分布（準(zhǔn)確度為6μA）：

（18）

合成標(biāo)準(zhǔn)不準(zhǔn)確度：

（19）

擴(kuò)展不確定度（k=2）：

（20）

由此可得：標(biāo)準(zhǔn)樣片在STS 6100上測(cè)得的IOH= 998.676μA，不確定度為6.93μA。

得到測(cè)量的參數(shù)值如下表所示：

3測(cè)量審核比對(duì)結(jié)果

樣片通過(guò)其他實(shí)驗(yàn)室得到的標(biāo)準(zhǔn)參考值及本方法得到的實(shí)際測(cè)量值如表7所示：

測(cè)量審核的最終結(jié)論由En值表示，，若≤1則滿意，若>1則不滿意，可得結(jié)果如下：

最終可證參與的實(shí)驗(yàn)室數(shù)字集成電路靜態(tài)測(cè)試參數(shù)具有證明效力。

總結(jié)： 本文介紹了一種數(shù)字集成電路靜態(tài)參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的方法，參數(shù)包括輸出高低電流和輸出高低電壓。可以得到以下結(jié)論：

（1）該方法測(cè)量得到的參數(shù)值與其他同類實(shí)驗(yàn)室得到的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)值誤差較小，可以作為一種推廣的測(cè)量方式。

（2）該方法測(cè)量得到的不確定度相比較其他實(shí)驗(yàn)室獲得的不確定度范圍更大，可以進(jìn)一步在測(cè)量技術(shù)手段上進(jìn)行深入研究。

（3）本次試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)量并不多，在數(shù)據(jù)處理上可能存在些許偶然性偏差，在后續(xù)研究中，考慮加大數(shù)據(jù)量，對(duì)該方法的可適用性進(jìn)行更好的論證說(shuō)明。

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