集成電路極性測試“微整機”研究與應用

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

集成電路極性測試一般指選擇電路一個特定管腳進行電性能量測，快速判斷電路放置是否反向、錯位等，便于后道工序進行人工或機械自動化重新放置，規避電路發生測試異常風險。其屬于集成電路成品測試階段的一個項目，在一些高速測試平臺上比較常見，比如轉塔設備，極性測試被直接做成一個測試工站。

目前集成電路極性測試多數依賴于集成電路自動測試機（Automatic Test Equipment，ATE），功能強大和應用成熟的ATE 實現集成電路極性測試沒有任何壓力，但是測試性價比對于生產而言就是負利潤。本文基于集成電路極性測試原理，研究并采用純硬件的方式制作一款集成電路極性測試“微整機”，能和機械手（Handler）進行信息交互，實現自動化測試，具備簡單、穩定、高效和極低成本的特點。

2 集成電路極性測試原理

集成電路極性測試（以下簡稱極性測試）原理和集成電路開短路測試（以下簡稱開短路測試）原理一致，都是對電路管腳的ESD 靜電保護二極管的正向導通壓降進行量測判斷（特殊電路管腳結構不在此文章討論范圍），分Open Short to VDD（電源端）和Open Short to VSS（地端），通用測試原理參見圖1，圖中箭頭方向代表電流流向。

圖1 通用極性測試原理

以Open Short to VDD 測試為例，先把電路的VDD 引腳接0 V（或接地），再給每個電路引腳（DUT Signal Pin）施加一個100～500 μA 從測試機到電路的灌電流，電流會經上端二極管流向VDD（0 V），然后測量引腳的電壓，正常值應該是一個二極管的導通電壓，在0.7 V 左右，一般設參數上限為1.5 V，下限為0.2 V，大于1.5 V 判斷為Open Fail to VDD，小于0.2 V判斷為Short Fail to VDD。Open Short to VSS 測試方法類似，只是施加電流的方向反置，測試參數值為負值。

極性測試只需要選擇一個特定電路引腳進行量測判斷，而開短路測試一般情況下要掃描量測到所有的電路管腳。極性測試關注“快”，開短路測試關注“全”。

3 集成電路極性測試方法

3.1 ATE

對于測試工程師而言，ATE 是第一選擇，原因在于其具備復雜且功能齊全的硬件資源，有熟悉的開發環境（指令已封裝，無需底層開發），有友好的人機界面（參數設置和數據呈現可視化）和與機械手通訊的標準化接口等。但對于只需要測試電路某個特定管腳極性的需求，從性能上看，測試機能力應用不足1%，資源浪費嚴重；從空間上看，機械手空間本身就很緊湊，一臺極性測試機和一臺功能測試機同時在線，生產場地6S 管理會無法顧及；從成本上看，利用幾萬/幾十萬甚至百萬單價的ATE 測試機進行極性測試是很不劃算的。

3.2 極性測試“微整機”

基于ATE 極性測試原理，解析ATE 實現極性測試的硬件，在此基礎上進行演變，設計并制作一款和ATE 具有同等極性測試能力的“微整機”，替代ATE所需的測試頭（Test Head）、PC 主機和通訊主板等。極性測試“微整機”體現在兩個“微”，一個是功能，只做極性測試，專機專用；一個是體積，只有傳統ATE 體積的幾百分之一。其典型的功能實現框圖如圖2 所示。

從圖2 可以看出，極性測試“微整機”和傳統ATE測試流程一致，功能需求的核心是“開路”“短路”“反向”和“正常”4 種電性能狀態的判斷和歸類。

極性測試“微整機”用4 路比較器、2 路OC 與門等實現PN/NP 型產品上述功能需求，其電氣原理如圖3 所示。

極性測試“微整機”由供電單元?、輸入單元?、比較運算單元?和通訊接口單元?4 部分組成，具體工作原理說明如下（為便于論述，均以PN 型產品為例進行闡述）。

圖2 極性測試“微整機”功能實現框圖

3.2.1 供電單元?

供電單元使用DC（直流電源）24 V 作為輸入，經過一塊7812 三端穩壓電路輸出DC 12 V，這2 個直流電源是極性測試“微整機”的功耗來源。DC 24 V 直接使用機械手內部標準電源模塊。

3.2.2 輸入單元?

輸入單元由光耦器件（U2、U3）、PN/NP 型二極管（D3-PN、D3-NP）、電阻（R1、R2、R3、R4）和開關（SW2、SW4）組成，具體功能描述如下：

通過SW2 將D3-PN 二極管接入待測試回路，SW4 觸發PN Start 信號（模擬機械手開始信號，便于仿真，實際機械手開始信號來自控制單元PLC 或板卡的I/O 端口），U3 AK 導通，R4作為限流電阻使用。U3 CE 導通并維持電壓在VNP（此時VNP是VCE的導通壓降，約0.2 V）。U2 AK 未使能，U2 CE 未導通，DC 12 V通過R1給D3-PN 二極管提供正向導通電流（一般為100～500 μA，由R1阻值確定），VPN是D3-PN 的正向導通壓降和VNP的和，數值一般在0.65～1 V 之間（不同的PN 管導通壓降會有差異），作為輸入傳遞給比較運算單元。

3.2.3 比較運算單元?

比較運算單元是極性測試“微整機”的核心，由一個4 通道差分比較器U6、可調式電阻（RV2）、電阻（R5、R6、R7、R8）組成。DC 12 V 通過RV2、R5、R7分壓得到Vo1和Vo2，根據不同的PN 管測試需求通過RV2進行Vo1和Vo2兩個數值的微調，進行輸入值VPN和Vo1、Vo2的比較，最終實現如表1 所示的邏輯表。其中4 通道差分比較器的輸出級均為集電極開路（Open Collector，OC）門，需要接合適的上拉電阻（R6，R8）進行負載能力控制才能起到預期的輸出效果。

圖3 極性測試“微整機”電氣原理

表1 極性測試“微整機”比較運算邏輯表

根據表1 所示，Vo2的數值介于0.23～0.93 V 之間，Vo1的數值根據測試需求一般設置在1.5～2.5 V 之間，根據Vo1和Vo2的數值需求設計R5、R7和RV2的具體阻值。

3.2.4 通訊接口單元?

通訊接口單元用于和機械手進行信號交互，實現自動化測試。工作邏輯見圖4，由光耦器件（U4、U5）、限流電阻（R9、R10）和兩個發光二極管（D1、D2）組成，由比較運算單元的輸出Y 決定發光二極管的點亮與熄滅，主要用于操作人員對量測結果進行直觀的可視化判斷，也便于后續調試、維護和故障檢修，同時也是機械手的輸入信號（機械手控制單元PLC 或板卡的I/O 端口會進行信號抓取），用于電路分選判斷。

圖4 機械手信號交互邏輯

NP 型二極管的量測原理同上，可根據實際測試需求進行靈活配置。

4 結束語

極性測試“微整機”硬件由2 個集成電路（一個4通道比較器和一個3 端穩壓電路）、4 個光耦、2 個發光二極管及若干電阻、電容等組成，功能實現和ATE 的測試方法、自動化流程完全一致，只是其聚焦定位極性檢測。

極性測試“微整機”成本不足百元，和ATE 動輒幾萬/幾十萬甚至百萬的成本相比有天壤之別。“微整機”成本上的巨大優勢只是表面，更重要的是對電路測試原理的深刻領悟和再應用。目前，極性測試“微整機”已經過Proteus 8 仿真并投入實際量產應用。