基于标准样片的集成电路测试系统校准装置研究∗

肖 莹 胡 勇 周厚平

（武汉数字工程研究所 武汉 430205）

1 引言

微电子量值溯源、传递的方法和途径一直是阻碍微电子计量检定、校准和比对工作开展的关键问题，标准样片是实现量值溯源和传递的良好途径。集成电路标准样片是已确定几种特性参数，作为一种传递标准用于校准集成电路测试系统的专用集成电路。它具有三个显著的特征：1）用于测量目的；2）具有量值的准确性；3）量值溯源性，溯源到国家基准［1～6］。

集成电路标准样片的用途广泛，通常应用于集成电路测试系统发生故障时或维护、维修后的系统校准检定、集成电路测试系统的期间核查、实验室能力验证及参数比对等方面。集成电路标准样片是实现量值溯源和传递的良好途径，具有成本低、方便携带、校准过程简单、可以现场校准等诸多优点。近年来，标准样片的开发与应用已逐步成为微电子领域的主要发展方向之一。然而，标准样片的引脚资源是固定的，直接在被校集成电路测试系统上测量标准样片，无法实现对测试系统全部通道的校准。因此，很有必要研究一种基于标准样片的集成电路测试系统校准装置，使得标准样片的量值可以准确可靠地传递到测试系统每个通道上，满足测试系统全通道覆盖的校准需求。

本文提出了一种基于标准样片的集成电路测试系统校准装置架构设计方法，采用虚拟仪器技术，研建由集成电路标准样片、PXI仪器模块组、校准软件及校准接口板组成的基于标准样片的集成电路测试系统校准装置。相较于传统方式研制的专用校准装置，因测试系统的操作系统、软件环境、硬件结构等不同，各专用校准装置无法实现通用［7～11］。该校准装置通用、便携、自动化、可扩展，实现了将标准样片应用于测试系统的现场校准，能够显著提升测试系统集成电路参量的量值溯源能力。

2 校准装置架构设计

2.1 构建基于标准样片的集成电路测试系统校准模型

本文的校准对象是数字集成电路测试系统，针对校准对象的特点以及所使用的校准方法，选择基于PXI模块的仪器以及集成电路标准样片组成通用的校准装置，通过对这些模块的合理布局与框架设计，完成不同的分项参量的校准。

基于标准样片的校准装置的架构示意图如图1所示。基于标准样片的校准装置是由集成电路标准样片、PXI仪器模块组、控制器、接口及连接线缆、校准软件、校准适配接口板组成的。

图1 基于标准样片的校准装置架构示意图

其中PXI仪器模块组拟采用基于PXI总线的直流电压源、直流矩阵开关、交流矩阵开关等仪器模块组成。PXI仪器模块组通过PXI总线与控制器互联，在控制器中通用校准软件的控制下每种模块都可以实现一定功能。

控制器作为校准装置的主控模块，具备PXI内部总线接口，以及GPIB、以太网等外部接口。通过运行通用校准软件，结合各种内外部接口，控制器完成对校准装置各部分的控制，并完成对数据的传输、分析和处理。控制器与PXI仪器模块组通过PXI总线互联，与外接设备通过GPIB总线接口互联，以此实现对各种设备的控制和数据采集；控制器与集成电路测试系统的工作站通过以太网建立TCP/IP连接，实现控制信号的同步和数据的传输。

校准适配接口板在校准时置于集成电路测试系统的测试头上，集成电路标准样片置于校准接口板上，矩阵开关通过校准线缆分别连接校准接口板上标准样片待测管脚接口和测试系统数字通道接口，通过改变矩阵开关特定的拓扑结构从而实现标准样片待测管脚与测试系统的全通道连接。

PXI仪器模块组、校准适配接口板之间，通过特定的接口及连接线缆实现互联，实现各仪器设备的协同工作以及信号的采集。

校准软件由控制器中的通用校准软件，以及测试系统中的专用校准程序模块组成，通用校准软件和专用校准程序模块之间的控制命令以及数据的传输均通过以太网（TCP/IP协议）实现。

在完成校准装置硬件搭建的基础上，本文采用虚拟仪器技术构建一套完善的、功能强大的系统，来完成基于标准样片的校准装置所需的功能。其中直流参量通过直流矩阵开关模块的切换，将信号由通道引至标准样片相应管脚进行测量。而交流参量则通过交流矩阵开关模块的切换，将信号由通道引至标准样片相应管脚进行测量。

校准装置工作的基本原理为，采用专用校准适配接口板实现集成电路测试系统各资源与校准装置之间的信号连接。由控制器与测试系统工作站通过TCP/IP网络通信，实现PXI仪器模块与被校准系统之间的数据传输。校准装置在集成电路测试系统的辅助下，通过对测试系统各分项参量的校准，来完成对集成电路测试系统的校准。

2.2 基于虚拟仪器的软件实现技术

虚拟仪器技术是当前测试计量领域的新型先进技术，应用虚拟仪器的思想，通过编制相应的校准软件，在选择不同仪器模块的基础上，能够方便地实现各种不同仪器仪表的控制、信号采集、信号处理与分析、数据处理、文件输入输出以及实时过程控制与显示等功能。虚拟仪器不但可以实现传统仪器的测试与计量功能，能够大大地提高仪器构成的灵活性和动态重构性，而且拥有绝对低廉的价格优势，达到与传统仪器相媲美的精度并逐渐成为自动化控制领域的主流技术［12～16］。

应用虚拟仪器技术，我们可以构建一套完善的、功能强大的校准软件系统，来完成所有主流集成电路测试系统的校准软件的大部分功能。这样，可以花较少的时间开发配合校准软件系统的专用程序模块，同时使用按照通用的设计规范配备的校准接口板，就能够实现对给定测试系统的校准工作。校准软件功能示意图如图2所示。其中校准软件包括外接仪器仪表控制、信号的分析与处理、实时过程控制与显示、数据存储与管理等；专用程序模块包括测试系统内数据采集、测试程序调用、测试向量输入控制等。

图2 校准软件功能示意图

本文基于虚拟仪器技术实现校准装置的构建。应用虚拟仪器技术后，集成电路标准样片、PXI仪器模块组不再是独立的设备，各仪器模块对校准软件平台都具有统一的接口，通过虚拟仪器技术的整合，各个设备在校准软件中表现为具有一定功能的硬件模块。所有硬件模块在校准软件的控制下，“虚拟”成了一套完整的校准装置进行使用。所有的PXI仪器模块，以及集成电路标准样片，在控制器中校准软件的控制下，成为了校准装置的硬件功能模块。

3 校准装置硬件组成

校准装置的硬件架构如图3所示，利用PXI仪器模块组、集成电路标准样片、外接线缆及校准接口板，搭建基于标准样片的校准装置如下。

图3 校准装置硬件的搭建方式

如上图所示，校准装置硬件由微处理器、直流电压源、直流矩阵开关、交流矩阵开关等基于PXI总线的模块化仪器构成，并置于PXI机箱中，由PXI机箱为各PXI模块提供PXI总线。

校准装置各硬件模块的互连方式如下：

1）直流电压源给标准样片供电，通过普通线缆连接至高密度矩阵开关。

2）直流矩阵开关通过专用接线盒与外部线缆相连。

3）交流矩阵开关通过SMB射频线缆与校准接口板上SMB插座相连。

4）标准样片通过校准接口板上的IDC50、IDC10插座与外部线缆相连。

4 校准接口板设计

校准接口板上各接口具体分布如图4所示。校准接口板上包含标准样片测试夹具、标准样片测试管脚接口、直流参量测量接口、交流参量测量接口。其中，标准样片测试管脚接口采用IDC10插座，经校准线缆与直流矩阵开关X端相连，IDC10插座每一路通过板上走线连至标准样片待测管脚。直流参量测量接口采用IDC50插座，经校准线缆与直流矩阵开关Y端相连，测试系统数字通道采用等长走线方式直接引出至IDC50插座，每个IDC50插座连接32路数字通道，n个IDC50插座实现测试系统全通道连接。每路IDC50插座上数字通道与地交错排列，用以减小测量过程中相邻通道之间的干扰。交流参量测量接口采用SMB插座，通过交流矩阵开关将标准样片待测管脚与测试系统数字通道相连，板上采用50ohm阻抗走线。

图4 校准接口板功能设计示意图

标准样片至被校测试系统通道之间的回路（标准样片接口、探头、连接线、接口电路、矩阵开关等）会对整个校准装置的性能指标产生较大的影响。测试系统数字通道采用等长走线方式直接引出至IDC50插座，测量任一数字通道至标准样片待测管脚的回路电阻，通过计算补偿到直流参量测量结果中。保证交流参量测量过程中整个回路（板上走线、校准线缆、接口、测试系统）50ohm阻抗匹配，测量任一数字通道至标准样片待测管脚的传输延时，通过计算补偿到交流参量测量结果中。直流参量校准线缆内芯采用标准规格的排线，排线数量需根据直流矩阵开关规模进行确定，将多股排线进行绞合后外层覆盖屏蔽层，以控制线缆的噪声和漏电流。交流参量校准线缆采用不小于300MHz带宽的SMB射频线缆，具体数量由交流矩阵开关规模进行确定。

5 结语

本文通过构建基于标准样片的集成电路测试系统校准模型、基于虚拟仪器的实现技术、校准装置硬件组成、校准接口板等几个步骤，成功设计出基于标准样片的集成电路测试系统校准装置架构。经过试验证明，基于该架构可以构建出基于标准样片的集成电路测试系统校准装置，并完全满足设计目标。基于标准样片的集成电路测试系统校准装置具有通用、便携、自动化、高集成度等特点，具有很高的应用价值，填补了国内空白，一定程度上提高了微电子计量的技术水平。