一种高精度直流参数测试系统的设计与实现

张 为，王佳琪，童 炜

一种高精度直流参数测试系统的设计与实现

张 为1，王佳琪1，童 炜2

(1. 天津大学微电子学院，天津 300072；2. 长江存储科技有限公司，上海 201210)

随着集成电路产业的快速发展，芯片的集成度越来越高，芯片测试成本占整个生产成本的比例越来越大．高精度、低成本的直流参数自动测试系统已然成为现今集成电路测试的必然要求．为满足我国当代集成电路产业发展的需要，快速且有效地检验芯片性能，对集成电路直流参数测试原理和测试技术展开研究．提出了一种基于现场可编程门阵列的集成电路直流参数的测试方法，在模块化的设计原则基础上，以低成本高精度为方向，搭建了测试系统的软硬件框架结构．设计了具有宽测试范围、高测量精度的精密测量电路，具有16个独立可编程电压输出通道和一路测量电路，可以施加并测量最大±30V的电压和最大±500mA的电流．系统采用现场可编程门阵列作为控制中心，通过硬件语言Verilog HDL编程实施对系统的逻辑控制，进一步降低成本并提高系统的可移植性；通过线性拟合得出每一条测试回路的校准系数，改变DAC实际偏移量，使得施加在被测器件上的激励值接近理想值来提高系统测试精度．实验采用高精度电阻作为负载对不同测量模式下的系统性能进行了验证并计算出测试精度，测试结果显示：基于现场可编程门阵列的直流参数测试系统取得了较高的测试精度和较广的测试范围，经校准后的测试系统相对误差都在±0.03%之内，能够满足三维闪存芯片直流参数测试的需要，并且具有一定的通用性．

集成电路测试；直流参数测试；精密测量单元；系统误差校准；现场可编程门阵列

集成电路(integrated circuit，IC)的设计技术、测试技术和制造技术一起并称为集成电路的3大关键技术[1]．直流参数测试是IC测试中的关键一环，是验证集成电路质量和性能的重要手段[2]．从20世纪70年代以来，我国已开展了大量IC测试系统的相关研究，也取得了阶段性成果[3]．但我国测试技术的研究起步较晚，国内相关人才严重缺失，先进测试技术由发达国家垄断[4]，设备虽已有不少型号，但是在性能、通用性和工艺上与国外的测试设备相比还有很大不足，开展集成电路测试技术的研究对我国集成电路产业的发展具有重要意义．

精密测量单元(precision measurement unit，PMU)是直流参数测试的核心单元，能够对被测器件(device under test，DUT)施加激励与测量响应[5]．对于PMU的设计一般采用专用PMU测量芯片[6]如AD5522，最高可以实现不区分量程的-1212V的电压输出与测量．但随着集成电路的不断发展，例如3D NAND闪存芯片在编程模式下的编程电压为20～25V，在高压情况下会达到30V，现有的专用PMU测量芯片已经无法满足日益精进的测试需求．

现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)是一款基于通信体系结构的信号处理器[7]，通过编程改变处理器的配置信息，可满足不同的设计功能，具有较高的可移植性．本文选用FPGA作为系统的控制器，控制PMU实现电压/电流的施加与测量，保证测试系统的稳定性和准确性，而且有利于提高测试系统的通用性和灵活性，降低测试成本．

1 直流参数测试原理

直流参数测试用来确定芯片的直流电气性能，是基于欧姆定律测试DUT参数的稳态测试方法，在DUT的引脚上施加电流/电压，测出具体的参数值[8].测试以DUT的规范书为标准，在IC的规定端子施加电压/电流，使IC处于工作状态，测量特定管脚上的响应值，如果响应值在设定的判断范围内，则测试正确；反之，则测试结果失败[9]．

2 测试系统的结构实现

为了达到对DUT的自动测试与判断是否失效的目的，系统必须具备数据传输、自动采集、数据存储和分析处理等功能．搭建的测试系统如图1所示，从模块功能上可将该直流参数测试系统主要分为４大部分：总线驱动单元、精密测量单元、模数/数模转换单元和FPGA及其外围电路．

图1 直流参数测试系统

系统总线作为上位机与FPGA控制中心的沟通桥梁，将上位机的测试指令传输给FPGA并将相应的测量数据传回上位机．FPGA在接收到正确的测试指令后，控制PMU单元施加测试激励和测量电路响应：数模和模数转换器完成数字信号与模拟信号之间的转换，数模转换器将施加值由数字信号转换为模拟量施加到测试环路中；待电路工作稳定后，模数转换器将测量值转换为数字信号后传回上位机，上位机根据传回的数据比对DUT参数手册给出判断结果．

3 精密测量单元的设计

精密测量单元是系统的主要功能单元，目前，直流参数测试一般采用两种方式，一种是直接购买国外价格昂贵的自动化测试设备(automatic test equipment，ATE)，如美国Teradyne公司的Magnum V测试机售价在百万元以上，严重制约了中小型企业的发展；另一种是使用专用PMU测量芯片如AD5520/AD5522搭配外围电路完成测量功能[10]，但容易受到芯片功能的制约，测量范围和测试精度有限，无法满足行业发展的需要[11]．因此，为扩宽直流参数测量范围，提高测量精度，本文采用分立器件设计PMU电路，由运算放大器、功率放大器等组成反馈回路以获得稳定输出与驱动负载的能力．在FPGA的控制下，系统能够提供准确的激励值，待电路稳定后，由检测放大器采集电路响应值并传送至上位机进行处理．

3.1 PMU的硬件结构设计

本文设计的PMU电路主要由DAC、ADC、运算放大器、功率放大器以及光耦继电器组成，如图2所示，可以测量最大30V的电压和最大500mA的 电流．

图2 PMU模块原理

PMU单元包括16条可独立输出的电压通道，由两块8通道的DAC8568级联组成，每一条输出通道上由一对光耦继电器KMS_1(1～16)控制通断，为DUT的电源和管脚供电．为提高测试的灵活性，一般要求尽可能多的引脚可以独立设置不同的电平，理想情况下是每一个引脚都可以单独设置，但这样一来大大增加了设计成本．结合实际测试需求，将这16个电压输出通道分为4组，接不同放大系数的电压放大电路，按电压输出范围分为中压通道、高压通道、低压通道和高低压通道，具体电压范围和电流量程如表1所示．

表1 PMU单元的供电电压及电流量程

Tab.1 Supply voltage and current range of the PMU unit

十六位数模转换器DAC8760用于实现输出稳定、精准的激励值，模数转换器则选用十六位高速低功耗模数转换器ADC7685[12]，待电路稳定后采集采样电阻上的电压值来获取DUT的响应值．电压/电流值经过ADC Buffer进入MEAS_IN，作为ADC的输入，完成模数转换后将数字值传回．同时，为保证测试准确度，减小系统误差，在后期误差处理时将整个线路中各个器件引起的独立误差作为整体误差，设置了5V基准电压和高精度低温漂电阻在每次上电时做自校准．

为了降低继电器内阻对电路的影响，在电流/电压采样电路中采用四线开尔文的连接方式[13]．同样，为提高测试精度，对DUT的施加激励和测量响应采用开尔文的连接方式分开接线．为防止发生如短路等意外情况，保护测试系统和被测器件，电路中设有电压/电流钳位保护功能．

3.2 PMU工作模式设置

系统将PMU工作模式设置为4种，分别为：加电压测电流(force voltage measure current，FVMI)、加电压测电压(force voltage measure voltage，FVMV)、加电流测电压(force current measure voltage，FIMV)和加电流测电流(force current measure current，FIMI)．

当电路工作在FVMI模式下，KS21、KS22连接不同阻值的高精度采样电阻，通过开断KS21、KS22选择不同的电流量程，再选择对应量程的KS9、KS10、KS23开关对把采样电阻两端电压送入V-I转换电路，同时关闭开关KS20，电流值通过驱动电路进入ADC转换为数字值并通过串口传回上位机．

当电路工作在FVMV模式下，DAC的电压输出管脚提供所需的测试电压，KS4、KS20导通，此时B点接地，A点电压等于DAC输出电压．KS11、KS12连接不同衰减系数的电压衰减电路，通过控制开关KS11、KS12、KS13来选择不同的电压量程，电压值通过驱动电路进入ADC转换为数字值．

FIMI模式下，KS3、KS14导通，通过V-I转换电路将电压转换为对应的电流值，和FVMI模式下一样，控制开关电路的导通选定测量电流量程，经V-I转换电路进入MEAS_IN，进入ADC．

FIMV模式下施加电流方式与FIMI相同，测量电压量程选取方式和测量值的获取与FVMV模式下相同．

4 测试系统的逻辑控制

采用FPGA作为测试系统的逻辑控制器件，由外部晶振提供系统时钟，硬件语言用Verilog HDL编程[14]，进行测试的参数设定，如测试模式、量程选择等．并通过SPI接口向DAC8760发送测试向量，同时启动ADC7685进行采样并转换回读的测试数据，测试数据在软件中进行数值转换和误差校准后，显示在上位机中，并与预定值比较，判断测试结果．系统控制流程如图3所示．

图3 系统测试流程

为保证测试准确性，系统上电后首先进行系统误差校准，设置合适的校准系数，然后选择系统的测试通道、测量模式、测试量程等参数．设置完成后系统会初始化并自检，检查是否存在参数设置不当，若存在，系统会提示错误；若能正常工作，系统开始测试．DAC会对DUT施加测试激励，同时启动ADC读回器件响应值，该响应值通过软件计算、校正后与预先设定值比较，然后给出测试结果．

FPGA作为硬件电路的主控中心，主要任务就是实现DAC电路的时序逻辑控制、ADC电路的时序逻辑控制和PMU测量电路各种继电器状态切换的控制逻辑，如图4所示．

图4 FPGA逻辑控制

FPGA接收到上位机发送的测试程序后，对接收到的地址和数据进行译码，控制继电器切换到相应的工作状态；配置DAC的写控制时序，使其输出预设的激励值；判断ADC是否忙，若忙，进入等待状态；若不忙，根据ADC的读控制时序，读回电路响应值.最后FPGA根据测试指令将测量数据传给上位机．

正确的采样数据、选择合适的转换芯片并正确地完成控制是系统实现准确测量的关键一步. ADC7685具有灵活的串行接口模式，设计中采用3线模式，减少了线路连接，有利于信号隔离应用．测试过程中，主要使用了CNV、SCK、SDO信号，如图5所示．

图5中：CNV是转换输入信号，具有启动转换和使能SDO引脚的功能；SCK是串行时钟输入；SDO是串行数据输出端口，与SCK同步将转换结果输出.

鉴于状态机的稳定性，采用状态机的方法控制ADC，图6为其状态转换图．

状态IDLE：状态机的初始状态，SCK≤0， CNV≤0．

状态CONV：令CNV≤1启动模数转换．

状态SCKH：在此状态下SCK≤1，CNV≤0，16位转换数据通过SDO管脚从高位开始回传．

状态SCKL：在此状态下SCK≤0，CNV≤0．状态SCKH和状态SCKL重复执行，直到16位数据全部送出．

状态END：结束状态，等待ADC完成一次转换后状态机跳回IDLE状态．

图5 ADC7685 3线模式串行接口时序

图6 ADC7685串行接口状态转换

编写测试程序后，通过QuartusⅡ软件编译烧录，并联合Modelsim进行仿真，仿真结果与ADC7685串行接口的工作时序一致．

5 系统调试与误差校准

在完成硬件电路设计和驱动程序设计后，通过JTAG连接器，将计算机与FPGA相连，完成FPGA的配置，验证测试系统的功能．验证结果关注的是施加电压/电流和测量电压/电流的准确度和精度问题，所以这里仅给出了加电压测电流和加电流测电压两种测试功能的验证结果．

选取不同阻值的精密电阻作为负载，通过上位机设置预设的激励电压/电流理想值，电路稳定后，在负载端使用高精度的五位半万用表重复8次测量施加到精密电阻上的实际电压/电流值，计算得出的平均值记为实际施加值，并计算出实际值与理想值之间的相对误差．ADC连续采样50次，在去掉一个最大值和一个最小值之后计算剩余的48个数值的平均输出值，记为测量值．表2记录了两种测试模式下不同量程范围内一组典型的PMU测试结果

表2 校准前PMU测量数据

Tab.2 PMU measured data before calibration

由表2可以看出，DAC实际施加在负载上的激励值，与理想值之间存在一定的偏差，这主要来源于测试系统中PMU的硬件电路，其中DAC电路和ADC电路是误差的主要来源．为了提高测试精度，在设计PMU硬件电路中加入了基准电压和高精度低温漂电阻，在系统初始化时检验系统精度．

完成系统校准后以同样的方式重复实验，表3记录了校准后的PMU测量数据．

表3 校准后PMU测量数据

Tab.3 PMU measured data after calibration

经过校准后，PMU测试通道的电压误差和电流误差都得到相应的减小，系统测试精度提高．校准后，各个测试量程范围内相对误差都在±0.03%之内.

表4中列出了本文设计的测试系统与大功率直流参数测试系统[10]、基于高度集成芯片AD5520和AD5522搭建的测试系统[15-16]的参数指标．可以看出，使用集成测量芯片搭建的测试系统(AD5520系统和AD5522系统)，测试范围较窄，相对误差较大；大功率直流参数测试系统具有较宽的电压/电流范围，但是测量精度不高，适用于一般的大功率模拟集成电路的测试．本文采用分立器件搭建基于FPGA的直流参数测试平台在保证电压/电流施加宽度的同时保证系统具有较高的精度，适用于现阶段通用集成电路的测试，特别是三维闪存芯片的直流参数测试．

表4 各测试系统综合性能对比

Tab.4 Comprehensive performance comparison of vari-ous test systems

6 结 语

本文着眼于当前集成电路测试的迫切需要，设计了一款基于FPGA的集成电路直流参数测试系统．介绍了直流参数测试原理和测试系统的组成，特别是PMU模块的设计和工作原理，利用FPGA强大的控制能力和可编程性，最终实现了一种宽测试范围、高测量精度的直流参数测试系统，可以提供  ±30V的激励电压，系统测试的相对误差在±0.03%之内，系统测试数据传输速率最高可达500Mb/s．

当前企业研发生产中普遍通过购买国外高端ATE测试机满足测试需要，这种ATE测试机功能全面，但是价格昂贵，操作复杂．本文提出的桌面型测试仪，使用方便，操作简单，便于升级和维护，为三维闪存芯片的直流参数测试提供了一种低成本解决方案，在IC测试行业中有良好的应用前景．

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Design of an Integrated Circuit Test System for DC Parameters

Zhang Wei1，Wang Jiaqi1，Tong Wei2

(1. School of Microelectronics，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Yangtze Memory Technologies Co.，Ltd.，Shanghai 201210，China)

As the integrated circuit industry develops rapidly，the chip testing costs for advanced integrated circuit account for a large proportion of the overall cost of chip production. Thus，designing reliable DC parameter automatic test systems with high precision and low cost is necessary. Accordingly，numerous studies have been conducted on integrated circuit DC parameter testing，and a test system has been proposed based on the field-programmable gate array(FPGA)that has beenwidely used in the embedded system. The designed system consists of several parts and follows the modular design principle.A precision measurement circuit was designed with 16 independently program-mable voltage output channels and one measurement circuit，which can provide and measure voltage up to ±30V and current up to ±500mA. To reduce the test cost and broaden the application range of the system，the FPGA that was programed using Verilog HDL，was employed to control the system.Additionally，the calibration coefficient of each test loop，whichwas obtained by linear fitting，was introduced to perfect the system and improve the test accu-racy. Therefore，the error caused by the device and analog circuit was calibrated，so that the excitation value applied to the device under the test is closest to the ideal value. During the test process，precise resistors were used as loads to verify the system performance under different measurement modes. The test results show that the FPGA-based DC parameter test system has a higher test accuracy and wider test range. The relative errors of the calibrated test systems are estimated within ±0.03%，indicating that the system can perform a DC parameter test of 3D NAND flash memory chips.

integrated circuit test；DC parameters test；precision measurement unit；system error calibration；field-programmable gate array

TN407

A

0493-2137(2020)12-1288-07

10.11784/tdxbz201908008

2019-08-05；

2019-12-18.

张 为(1975—  )，男，博士，教授，tjuzhangwei@tju.edu.cn.

王佳琪，jiaqi2017@tju.edu.cn.

国家重大科技专项资助项目(2017ZX02301).

Supported by the National Science and Technology Major Project of China(No. 2017ZX02301).

(责任编辑：王晓燕)