SiP 芯片测试系统的设计

王庆贺，黎 蕾，郑利华，顾林

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214072）

系统级封装（SiP），是将多颗裸芯封装在同一壳体的一种封装方式。SiP 封装技术能够提高元器件的集成度，有效的降低器件的体积，优化系统的性能，在对电路体积和重量要求较高的领域（如导弹、航天飞行器、火箭）有广泛的应用价值和应用前景[1-4]。

由于SiP 电路的复杂度和集成度越来越高，结构和功能越来越复杂，设计制作的SiP 电路的故障率也越来越高。电路测试用于检验SiP 芯片是否实现设计规范中的功能和性能指标，是区分正常电路和故障电路非常重要的环节[5-8]。因此，该文将SiP 电路测试作为研究对象，设计了一套SiP 电路测试系统，如果SiP 电路顺利通过该测试系统的测试，可以判定电路的功能正常、性能也达到要求。该测试系统主要实现对Mxx 型SiP 电路的实装测试、ATE 测试和老练测试。

1 SiP电路简介

Mxx 型SiP 电路采用了DSP+FPGA 框架，内部集成多款芯片，拥有多种外部接口。该SiP 电路主要实现数据采集和处理、通信以及控制等功能。

如图1 所示为SiP 的电路框图，该SiP 内置FPGA芯片、DSP 芯片、FPGA 配置芯片、SDRAM、FLASH、电平转换芯片、RS422 芯片、RS429 芯片和1553B 芯片。内置的DSP 和FPGA 通过EMIF 和GPIO 实现通信。该SiP电路对外有1 路McBSP接口、1 路I2C接口、16 路GPIO（DSP）、20 路IO 输出（FPGA）、20 路IO输入（FPGA）、1 路SPI 接口、3 路422 接口（3 发3 收）、4路429接口（4发4收）和1路1553B 接口。功能和接口较为复杂。

图1 SiP的电路框图

该SiP 芯片使用具有正反双腔陶瓷外壳的CPGA300 封装形式，成品SiP 电路如图2 所示。

图2 SiP成品电路

2 SiP电路测试系统设计

2.1 实装测试系统设计

实装测试主要目的是完成SiP 电路在三温条件下的功能测试，其中,高低温采用热流罩实现所需测试环境温度。该文所使用的Mxx 型SiP 的实装测试的三温条件为高温（+125 ℃）、常温（+25 ℃）、低温（-55 ℃）。

2.1.1 实装测试板设计

Mxx 型SiP 器件结构、功能比较复杂，通过对SiP结构、功能的分析，可以知道该SiP 主要由DSP 和FPGA 两款主控芯片组成，该SiP 使用FPGA 处理器实现信号的采集和输出，使用DSP 处理器实现系统控制、数据处理。因而实装测试板的设计主要以该SiP 电路的DSP 和FPGA 两款处理器为核心，分别对存储芯片、DSP 端的多种通信接口、FPGA 端的多种通信接口进行功能测试。

SiP 实装测试板的示意图如图3 所示。实装测试板由直流电源供电，含有电流测量芯片，用于对SiP 电路电流的监测。实装测试板的主要控制单元是DSP28335，DSP28335 可以通过UART 与SiP 进行通信、对SiP 的某些功能进行测试，同时可以和上位机进行通信，由上位机实现对实装测试系统的控制，DSP28335 可以通过RS232 接口或者CAN 接口与上位机进行通信。SiP 测试插座用于放置SiP 电路。实装测试板为SiP 芯片提供复位信号、时钟和电源。JTAG1、JTAG2 接口分别用于SiP 内部的DSP、FPGA程序调试和固化。SPI 接口的Flash 芯片、I2C 接口的EEPROM 用于SiP 的McBSP、SPI 和I2C 接口的测试。

图3 实装测试板示意图

2.1.2 功能测试方法设计

Mxx 型SiP 芯片的功能测试项如表1 所示。

表1 Mxx型SiP芯片的功能测试项

实装测试时，将SiP 样品电路放置在实装测试板测试插座中，进行SiP 电路的三温功能测试。部分功能项测试方法如下：

1）ASRAM 读写测试

DSP 通过EMIF 总线对ASRAM 全地址进行读写测试，分别进行“0x5555”、“0xAAAA”读写测试，如果写入和读出的数据一致，则ASRAM 读写测试通过。

2）FLASH 擦除、读写测试

DSP 通过EMIF 总线对FLASH 进行擦除、写入和读取功能的测试。DSP 首先对FLASH 进行整片擦除，擦除完成后，对FLASH 写入0x5555，读取数据并比较数据是否一致，然后再擦除，进行0xAAAA、地址值的写入和读取测试。

3）DSP 通过EMIF 接口与FPGA 通信测试

将FPGA 逻辑例化成EMIF 接口存储器，DSP 通过EMIF 接口与FPGA 进行通信，测试方法和ASRAM读写测试方法相同。

4）McBSP 接口（SPI 接口）测试

SiP 的McBSP 接口和SPI 接口的测试方法相同，都是配置成SPI 主模式，然后对实装测试板上的Flash 进行写入和读取的测试，如果写入和读取的数据一致，则测试通过。

5）I2C 接口测试

通过SiP 的I2C 接口对实装测试板上的EEPROM 进行写入和读取测试，如果写入和读取的数据一致，则测试通过。

6）422 接口测试

SiP 有三个422 接口，其中两个422 接口相连，互发数据，如果发送和接收的数据正常，则这两路422接口测试通过；另外一个422 接口和实装测试板上的DSP28335 的串口通过协议转换芯片相连，如果DSP28335 可以通过串口和FPGA 进行收发数据，则该路422 接口测试通过。

7）429 接口测试

429 接口的发送和接收接口依次相连，进行429协议数据的发送，如果收发数据一致，则测试通过。

8）1553B 接口测试

同时使用两块实装测试板进行1553B 接口的测试，一块测试板的1553B 接口配置为BC 模式，另一块测试板的1553B 接口配置为RT 模式，BC 端通过1553B 总线向RT 端发送数据，再从RT 端读回数据，如果发送和读回的数据一致，则测试通过。

2.1.3 一键测试设计

实装测试项均由上位机软件控制，进行一键测试，上位机一键测试的流程图如图4 所示。在准备好SiP 电路测试的硬件和软件后，单击上位机软件的“一键测试”按钮，上位机软件就自动发送各个实装测试项的指令，并根据收到的状态字判断测试项是否通过测试。使用上位机一键测试提高了测试效率。

图4 上位机一键测试流程图

2.2 ATE测试系统设计

ATE 测试可以给测试电路提供测试模式，通过测试向量给电路施加激励，被测量的电路对激励输出响应[9]。ATE 测试类型分为三种，分别是直流参数测试、交流参数测试和动态功能测试[10-12]。

ATE 测试机通过性能板（Performance Board，PB）将激励传输给被测器件（Device Under Test，DUT），DUT 对激励的输出响应再通过PB 板传输给ATE 测试机。ATE 测试系统的基本框图如图5 所示。由于ATE 测试机的PB 板无法直接和被测SiP 电路接触，设计了ATE 测试板实现SiP 电路和PB 板的电连接，SiP 电路可以放置在ATE 测试板上的插座中进行ATE 测试。

图5 ATE测试系统基本框图

ATE 测试板实物图如图6 所示，测试板中间是插座；插座的上方是JTAG1 和JTAG2，分别用于调试DSP 和FPGA 的程序；ATE 测试板的两侧是含有过孔的焊盘，ATE 测试机通过插针接触这些焊盘，给ATE测试板供电并传递电信号。

图6 ATE测试板实物图

SiP 电路ATE 测试步骤如下：

1）ATE测试前，将ATE测试需要的DSP程序、FPGA 程序下载到SiP 电路中；

2）将ATE 测试板安装到ATE 的PB 上；

3）将SiP 电路放到ATE 测试板的插座中；

4）运行ATE 测试机的测控软件，加载程序；

5）对SiP 电路执行连接性测试；

6）对SiP 电路执行功能测试。

ATE 测试机按照测控软件中的程序依次执行操作，只有当被测SiP 电路的所有测试项目都测试通过时，ATE 测试才通过[13-14]。

2.3 老化测试系统设计

SiP 电路的可靠性十分重要，关系着使用该SiP电路的系统是否能够可靠运行，为了提高SiP 电路的可靠性，需要对电路进行试验筛选，老化试验是其中一个重要的筛选环节。老化试验分为静态老化试验和动态老化试验，动态老化试验要求在电路允许的最高温度下完全模拟实际的工作状态，更能有效的筛选出失效的SiP[15-16]。该系统采用动态老化试验方法，试验条件选择温度为125 ℃，时间160 h。

该文设计的老化测试系统由老化板、温控箱、CAN 通信系统和上位机软件组成，如图7 基于CAN总线的老化测试系统框图所示。上位机通过CAN总线与多个老化板进行通信，控制老化板并接收状态信息。使用CAN 通信方式可以方便地扩展老化板的数量，满足大批量老化试验的要求。

图7 基于CAN总线的老化测试系统框图

老化板和实装测试板相同，但需要将实装测试的插座换成老化插座。四个老化插座连接到一个温控箱上。老化插座内置热电偶、加热棒，结构如图8所示。通过温控箱和老化插座，可以控制SiP 的壳温保持在125±3 ℃。使用温控箱和老化插座，不依赖老化箱，可以在常温环境进行老化试验。

图8 老化插座示意图

老化测试上位机软件如图9 所示，上位机软件可以设置与CAN 通信相关的参数，可以控制各个老化板中的SiP 功能、接口测试的开始和结束，显示各个老化板中SiP 的测试是否正常，通过下方的显示区可以显示各个老化板实时的测试结果。通过一个上位机软件监控所有老化板的状态，操作十分方便。

图9 老化测试上位机软件

3 系统验证

使用该SiP 电路测试系统，对选取的25 颗SiP 进行测试。在测试中心搭建了测试需要的软件和硬件环境。

实装测试：依次将25 颗电路放在实装测试板上的插座中，使用热流罩的喷气口将插座罩住，通电后，依次设置热流罩的温度为+125 ℃、+25 ℃、-55 ℃进行实装测试，并记录测试结果。

ATE 测试：将ATE 测试板固定在ATE 测试机的机台上面，保持良好接触，依次将25 颗电路放在ATE 测试板的插座中，使用热流罩的喷气口将插座罩住，进行ATE 三温测试。

老化测试：准备25 块老化板，七个温控箱，将老化板的CAN 接口连接到CAN 总线上，将25 颗电路放在老化插座中，设置温控箱的温度为+125 ℃，接上电源后，使用老化测试上位机软件依次启动电路的老化测试，160 h 后停止测试。

该SiP 电路三种测试的测试结果如表2 所示，测试系统可以将不合格电路筛选出来。

表2 测试结果统计表

4 结束语

该文对某款SiP 电路的组成进行了介绍，并基于该SiP 设计了SiP 电路测试系统，并对该系统的设计和实现做了详细的介绍，该测试系统能够实现对SiP电路的实装测试、ATE 测试和老化测试。使用该SiP测试系统对25 颗SiP 电路进行了测试，该测试系统有效地筛选出了有故障的SiP 电路，为SiP 器件可靠性分析提供了检测手段。