如何選擇正確的ICT測試設(shè)備應(yīng)對低電壓器件的測試挑戰(zhàn)

過去十年來，采用低電壓技術(shù)的芯片正變得越來越流行，半導(dǎo)體廠商不斷推出性能更強(qiáng)、封裝更小、電池壽命更長的產(chǎn)品以滿足市場需求。隨著芯片工作電壓持續(xù)不斷地下降，甚至單個系統(tǒng)中也更多地采用了多種低電壓標(biāo)準(zhǔn)(例如英特爾的奔騰處理器芯片組就有四種不同的邏輯低電平)，低電壓技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)對既有的在線測試(ICT)設(shè)備提出了新的挑戰(zhàn)，低電壓芯片會引起電壓測試精度降低，同時也會使PCB上的元器件更易因測試而受損。為此，PCB自動測試設(shè)備廠商開發(fā)出了一系列新技術(shù)加以應(yīng)對。 輸出阻抗影響電壓測試精度 為了對數(shù)字器件進(jìn)行加電的矢量測試，在線測試設(shè)備使用了驅(qū)動器/比較器(D/S)，它們可以驅(qū)動被測器件的輸入/輸出管腳，以使之到達(dá)所需的邏輯狀態(tài)并進(jìn)而測量輸出管腳的邏輯狀態(tài)。一些驅(qū)動器的數(shù)字管腳設(shè)計(jì)為低阻抗電流源，通?？奢敵龌蛭?00mA或更大的電流。這一電流源驅(qū)使電路板上的節(jié)點(diǎn)迅速到達(dá)測試所需的邏輯電平。當(dāng)對被測器件的輸出管腳進(jìn)行瞬時飽和驅(qū)動、促使輸出管腳到達(dá)其相反邏輯狀態(tài)時，我們稱之為反向驅(qū)動。ALT="圖1：驅(qū)動器精度隨著反向驅(qū)動電流的增加而下降"> 加電矢量測試技術(shù)已在在線測試設(shè)備中成功使用了二十年。然而，目前傳統(tǒng)的在線測試設(shè)備卻越來越難以準(zhǔn)確、可靠并安全地測試各種新型低電壓器件。這主要是傳統(tǒng)的在線D/S管腳設(shè)計(jì)不夠精密，同時可能會違反當(dāng)今低電壓技術(shù)規(guī)范中有關(guān)最大電壓和電流的嚴(yán)格限制。為了成功地進(jìn)行低電壓測試，在線驅(qū)動器必須足夠精確并提供被測器件輸入管腳所需的邏輯高/低電平。此外，在線比較器也必須足夠精確，以檢測器件輸出管腳上的邏輯高/低電平的差異。 多數(shù)使用D/S設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)在線測試設(shè)備帶有線驅(qū)動器(rail driver)和簡單的比較器。由于使用商業(yè)現(xiàn)貨器件，這種測試儀設(shè)計(jì)簡單、成本低廉并且易于使用。線驅(qū)動器的輸出阻抗通常約為5Ω，無負(fù)載驅(qū)動誤差約為150mV，而比較器的輸入電壓誤差通常超過300mV。較為精密的在線測試設(shè)備通常使用閉環(huán)回路和定制化ASIC，極大地提高了驅(qū)動器和比較器的精度。此類設(shè)計(jì)成本高并且較難應(yīng)用，但是它們的輸出阻抗非常低(1Ω及以下)，驅(qū)動器/比較器誤差也更小(100mV及以下)。在無負(fù)載電流時，兩種D/S設(shè)計(jì)都可以測試超過1.2V的電壓器件。不過受到本身的管腳比較器精度的影響，較簡單的測試儀無法精確測試低于1.2V的電壓。在反向驅(qū)動時，由于它的線驅(qū)動器管腳輸出阻抗較高，它甚至連高電壓都無法測試。 如上所述，當(dāng)在線驅(qū)動器需要瞬時過電流驅(qū)動某個元件輸出，使其邏輯狀態(tài)達(dá)到相反狀態(tài)，這稱為反向驅(qū)動。在特定的電路設(shè)計(jì)、或PCB上特定的故障情況下以及當(dāng)測試程度中缺少有關(guān)器件測試隔離代碼時，采用反向驅(qū)動技術(shù)變得相當(dāng)普遍。對PC主板典型的在線測試程序進(jìn)行分析得知，在56個數(shù)字器件的測試中有17個器件需要反向驅(qū)動；而156次反向驅(qū)動事例中的電流均大于50mA。反向驅(qū)動電流的中值為176mA，最高值為600mA，持續(xù)最長時間為2.5ms。在使用高輸出阻抗線驅(qū)動器的在線測試設(shè)備中，如此大量的反向驅(qū)動會引發(fā)問題，當(dāng)反向驅(qū)動電流增加時，管腳驅(qū)動器的電壓精度會大幅降低。 高輸出阻抗驅(qū)動器的精度隨著反向驅(qū)動電流的增加而迅速下降。當(dāng)反向驅(qū)動電流為100mA時，驅(qū)動器的精度已不足以測試1.2V邏輯電平；當(dāng)反向驅(qū)動電流為200mA時，驅(qū)動器無法測試3.3V邏輯電平；當(dāng)反向驅(qū)動器電流超過300mA時，驅(qū)動器無法測試5V邏輯電平；而當(dāng)反向驅(qū)動器電流達(dá)到500mA時，高輸出阻抗驅(qū)動器的誤差甚至?xí)_(dá)到2V。相比之下，低輸出阻抗的驅(qū)動器精度較為穩(wěn)定，即使在反向驅(qū)動電流高達(dá)400mA時仍能測試0.8V邏輯電平。從實(shí)驗(yàn)中我們了解到高輸出阻抗和低輸出阻抗的驅(qū)動器在反向驅(qū)動和非反向驅(qū)動情況下的性能。波形表明，當(dāng)負(fù)載為6Ω時，原來計(jì)劃驅(qū)動1.2V的高輸出阻抗驅(qū)動器實(shí)際只能驅(qū)動0.58V。相比之下，低輸出阻抗驅(qū)動器在負(fù)載為6Ω時則可實(shí)現(xiàn)1.07V的驅(qū)動。 潛在故障和應(yīng)對措施 由于器件尺寸更小同時最大電壓閾值更低，低電壓器件更容易出現(xiàn)下列故障：柵氧化層擊穿、ESD二極管過應(yīng)力和CMOS鎖閉等。由于低電壓器件采用更薄的晶體管柵氧化層，因而在過壓情況下也更容易受損。這種損傷稱為時間相關(guān)介電擊穿，它與時間、溫度、電壓和柵氧化層寬度有關(guān)。當(dāng)加在器件管腳上的電壓超過其最大額定電壓時會出現(xiàn)柵氧化層擊穿現(xiàn)象。例如，英特爾FSB/PSB總線的額定電壓為1.75V。如果與總線連接的器件管腳電壓長期處于1.75V以上，那么晶體管的柵氧化層便會受損。 大多數(shù)傳統(tǒng)的在線測試設(shè)備的D/S管腳都被迫使用相同的邏輯電平(16或32個管腳使用相同的邏輯電平)。這種設(shè)計(jì)成本低廉，但當(dāng)同一組中的D/S管腳與電壓不同的被測器件管腳相連時便會出現(xiàn)問題。這種情況下，編程者不得不給該組中的所有管腳分配相同的邏輯電平，從而使某些低電壓器件的管腳電壓超過最大額定值。使用高輸出阻抗驅(qū)動器的在線測試設(shè)備也非常容易出現(xiàn)過壓情況，因?yàn)榫幊陶咴噲D通過提高編程電壓來補(bǔ)償由于管腳驅(qū)動器反向驅(qū)動而產(chǎn)生的電壓誤差。ALT="Alan Albee：低電壓技術(shù)的發(fā)展對既有的在線測試設(shè)備提出了新的挑戰(zhàn)"> 先進(jìn)的在線測試設(shè)備提高了D/S精度并對驅(qū)動器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，如此可對每個管腳獨(dú)立編程設(shè)置其所需的邏輯電平，從而避免了上述潛在問題的發(fā)生。這種管腳獨(dú)立編程性可避免器件管腳電壓超過其最大額定電壓，從而保證器件的每個管腳都工作在適當(dāng)?shù)倪壿嬰娖介撝祪?nèi)。 當(dāng)ESD保護(hù)二極管的反向驅(qū)動電流超過額定最大值時還會出現(xiàn)ESD二極管過應(yīng)力現(xiàn)象。一些器件廠商建議ESD二極管的電流不應(yīng)超過100mA。如果超過這一額定值，在出廠測試時無法發(fā)現(xiàn)此類ESD二極管損壞，但隨后卻會在現(xiàn)場應(yīng)用中出現(xiàn)故障。帶有受損ESD二極管的器件容易受到靜電放電的攻擊，從而降低性能，甚至引發(fā)災(zāi)難性故障。目前，多數(shù)在線測試設(shè)備尚無法確定和避免ESD二極管過應(yīng)力情況。 CMOS鎖閉是當(dāng)一對晶體管組成等效的PNPN或NPNP可控硅整流器(SCR)時會出現(xiàn)的情況，它會在器件內(nèi)形成從電源到接地之間的低阻抗、高電流通路，并造成器件誤操作和永久性失效。閉鎖通常是由于CMOS器件的輸入端出現(xiàn)快速上升或者下降電壓脈沖而引起的。靜電放電或在線測試中某個輸出因受到反向驅(qū)動而突然改變其邏輯狀態(tài)均會造成CMOS鎖閉。 為了避免數(shù)字在線測試中出現(xiàn)這種潛在的有害電壓脈沖，我們必須使用多層數(shù)字隔離技術(shù)。多層數(shù)字隔離技術(shù)可確保測試網(wǎng)絡(luò)中的所有輸出得到控制，并得知其在連接到數(shù)字驅(qū)動器前的狀態(tài)。一些在線測試設(shè)備只隔離那些與被測器件輸入直接相連的輸出，但它無法有效防止那些不與被測器件直接相連的電路網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)電壓脈沖。 另外，測試持續(xù)時間對被測器件也有重大影響。流經(jīng)反向驅(qū)動元件的電流會導(dǎo)致器件輸出接點(diǎn)和接合引線的溫度升高，而IC的最大安全反向驅(qū)動時間是一個與反向驅(qū)動IC的管腳數(shù)、電流大小、封裝方式和制造工藝有關(guān)的函數(shù)。如果由于反向驅(qū)動時間過長而導(dǎo)致引線溫度超過熔點(diǎn)，那么便會引發(fā)引線失效或疲勞，從而產(chǎn)生潛在故障并縮短元件壽命。 因此，在出現(xiàn)反向驅(qū)動的時候在線測試設(shè)備必須盡量縮短測試時間。一些在線測試設(shè)備的管腳電路系統(tǒng)中帶有專用的數(shù)字控制器和存儲器，可實(shí)現(xiàn)精確定時并快速有效地進(jìn)行矢量測試。落后的在線測試設(shè)備所需測試時間較長，因?yàn)闇y試過程中必須從PC中傳遞測試矢量。但這些測試設(shè)備的定時與所用PC類型、傳輸數(shù)據(jù)量以及PC上運(yùn)行的其他程序有關(guān)，因此極難預(yù)測。為了比較兩種方法的性能，我們進(jìn)行了如下試驗(yàn)：在測試1,000個矢量時，不帶專用數(shù)字控制器的測試設(shè)備所需時間為帶專用數(shù)字控制器的測試設(shè)備所需時間的520倍(104ms對0.2ms)?？s短測試時間可減輕對反向驅(qū)動元件的壓力，并減少與板上動作相關(guān)的電壓脈沖出現(xiàn)。 低電壓在線測試策略決定設(shè)備的選擇 許多情況下傳統(tǒng)的在線測試設(shè)備無法準(zhǔn)確、安全、可靠地進(jìn)行低電壓測試。因此PCB制造商們在測試時必須處理相關(guān)問題，對一些測試策略進(jìn)行折中處理。 降低故障檢測覆蓋率，如果在線測試 D/S管腳精度不夠，無法驅(qū)動和感應(yīng)低電壓管腳，廠商必須決定是否放棄測試該元件，或是換用一種非加電無矢量測試技術(shù)，如模擬電容開路測試或二極管結(jié)測試技術(shù)。但這樣做的代價將是降低診斷精度并可能導(dǎo)致故障機(jī)會上升。這主要是由于傳統(tǒng)在線測試設(shè)備的驅(qū)動器和比較器精度不夠，同時邏輯高/低電平間的誤差幅度減小，好的低電壓元件極有可能被誤判為故障元件。因此，廠商如果希望能準(zhǔn)確、安全、可靠地測試帶有低電壓器件的PCB，在選擇在線測試設(shè)備時應(yīng)注意下列問題。 首先，在線測試設(shè)備的驅(qū)動器精度應(yīng)不超過100mV，輸出阻抗應(yīng)小于1Ω。這樣可保證驅(qū)動器能夠測試低于0.8V的低電壓，以及驅(qū)動器在無負(fù)載和反向驅(qū)動情況下的精度。在線測試設(shè)備的電壓輸入誤差應(yīng)小于100mV，這樣便可有效區(qū)分1.2V以下的低電壓器件的高/低邏輯電平的不同。 其次，在線測試驅(qū)動器應(yīng)當(dāng)能實(shí)時測量反向驅(qū)動的電流和持續(xù)時間。這樣便能識別需要超大反向驅(qū)動電流的情況，并能指出測試程序中遺失或不恰當(dāng)?shù)钠骷綦x。在線測試編程人員還應(yīng)該可設(shè)置每個器件管腳的最大反向驅(qū)動電流和持續(xù)時間，從而避免在電路板故障時敏感器件出現(xiàn)過壓現(xiàn)象。此外還要能識別傳統(tǒng)在線測試設(shè)備無法檢測的故障(如故障使能管腳和狀態(tài)臨界的輸出晶體管)。 此外，在線D/S管腳應(yīng)該可獨(dú)立設(shè)置邏輯電平閾值(而不是整組管腳)、反向驅(qū)動限制條件及電平擺率。這樣編程器和測試生成軟件可為器件上的每個管腳設(shè)置恰當(dāng)?shù)倪壿嬰娖?。在線測試設(shè)備應(yīng)該具有專用的數(shù)字控制器硬件，能夠迅速執(zhí)行數(shù)字化測試矢量而且保持測試時序的一致性和重復(fù)性。帶有專用數(shù)字控制器的測試儀速度快、反向驅(qū)動更少同時測試結(jié)果重復(fù)性更好。 最后，在線測試設(shè)備應(yīng)該具有測試程序生成和電路分析軟件，可自動禁止/停止PCB上與受驅(qū)動測試網(wǎng)絡(luò)相連的任何輸出。這可避免在反向驅(qū)動輸出的邏輯狀態(tài)突然改變時出現(xiàn)潛在有害的電壓脈沖。

作者：Alan Albee