劉汝剛,孫曦東

提高通用IC測試系統(tǒng)瞬態(tài)大電流測試可靠性的研究

劉汝剛,孫曦東

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

對瞬態(tài)大電流的參數(shù)進(jìn)行測試，實(shí)質(zhì)上就是測試橋式驅(qū)動(dòng)集成電路的MOSFET短路電流持續(xù)時(shí)間?，F(xiàn)有的測試手段無法在IC測試系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)可靠的全參數(shù)測試。鑒于此，以現(xiàn)有的IC測試系統(tǒng)為平臺，特別是依托國產(chǎn)IC測試系統(tǒng)，嘗試解決瞬態(tài)大電流參數(shù)測試結(jié)果的可靠性問題，實(shí)現(xiàn)橋式驅(qū)動(dòng)集成電路自動(dòng)化、全參數(shù)的測試，最終提高集成電路測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

VMOS工藝；驅(qū)動(dòng)；測試；J750測試系統(tǒng)；數(shù)字波形；絕緣柵雙極晶體管

1 引 言

功率VMOS器件和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）器件的應(yīng)用目前十分廣泛，在很多場合下，需要用VMOS器件或IGBT器件來組成橋式電路，例如開關(guān)電源半橋變換器或全橋變換器、直流無刷電機(jī)的橋式驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及逆變器的逆變電路等等。針對這些應(yīng)用而開發(fā)的橋式驅(qū)動(dòng)集成電路芯片多種多樣。由于該類電路對功率器件有控制上的要求，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電路短路保護(hù)時(shí)間是保證可靠性的一項(xiàng)重要參數(shù)。

2 目前通用測試系統(tǒng)的使用情況

以IR（International Rectifier）公司的橋式驅(qū)動(dòng)集成電路IR2110電路為例，其輸出腳短路保護(hù)時(shí)間為10μs，短路電流典型值為2.5A，高電平為15V，如圖1所示。

圖1 IR2110手冊中的短路脈沖電流參數(shù)

國外廠商Teradyne公司的J750系列、Flex系列，Advantest公司的 93K和國內(nèi)華峰測控的STS8205，雖然在源的負(fù)載能力上能滿足這么大的電流的要求，但對該電路的短路脈沖電流參數(shù)測試主要面臨著如下問題：

（1）IC測試系統(tǒng)無法直接提供精確的10μs、15VPP的激勵(lì)信號；

（2）由于短路脈沖輸出電流從0A直接跳躍到2.5A，受電流過沖和測試機(jī)功率源采樣頻率的限制，無法采到可靠的值。

目前的通用IC測試系統(tǒng)，無法進(jìn)行精確的瞬態(tài)大電流測試。業(yè)界測試這一參數(shù)的通用做法是電路信號輸入端外接信號源或放大電路，來提供10μs，15V的驅(qū)動(dòng)脈寬，并且在輸出端連接負(fù)載電阻或者霍爾器件來測試短路瞬態(tài)大電流[1-3]。但該測試方法存在如下幾個(gè)問題：

（1）由于有外接設(shè)備，需要解決外接設(shè)備與測試系統(tǒng)的同步測試問題；

（2）每次測試時(shí)，都需要連接調(diào)試外接設(shè)備，設(shè)備與系統(tǒng)之間不可避免會產(chǎn)生干擾；

（3）影響電路批量生產(chǎn)中的自動(dòng)化測試和數(shù)據(jù)采集；

（4）計(jì)量與校準(zhǔn)需要分別進(jìn)行，跳過了測量回路中的不確定度，不能考慮連接之后回路引起的附加誤差；

（5）由于行業(yè)內(nèi)所用外接測試設(shè)備型號規(guī)格各

圖2 STS8205測試系統(tǒng)功率源FPVI10采樣結(jié)果波形圖

STS8205測試系統(tǒng)在10μs內(nèi)采樣5次，并對結(jié)果求平均值，得到最終測試值，由圖可見，示波器的采集波形能比較完整地反映測試結(jié)果[4]。而STS8205的采樣結(jié)果誤差很大。但從示波器圖形上也可看出，高電平波形受電流過沖影響，后半段比較穩(wěn)定，大約為125mV左右，由電阻值50mΩ可計(jì)算出所測值為2.5A，符合IR2110樣品的該參數(shù)的典型值2.5A。而測試機(jī)所測值約為2.72A，超出典型值2.5A的8.8%。不相同，對溯源的要求無法做到全面準(zhǔn)確，缺乏校準(zhǔn)的廣泛性，這也影響了國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定和推廣。瞬態(tài)大電流參數(shù)測試實(shí)質(zhì)上是測試橋式驅(qū)動(dòng)集成電路中的MOSFET短路電流持續(xù)時(shí)間。因此，在現(xiàn)有測試手段基礎(chǔ)上，以現(xiàn)有IC測試系統(tǒng)為平臺，解決IC芯片瞬態(tài)大電流參數(shù)測試結(jié)果的可靠性問題，實(shí)現(xiàn)橋式驅(qū)動(dòng)集成電路的自動(dòng)化全參數(shù)測試，提升該電路測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，顯得十分必要。

目前，在各種測試平臺上針對瞬態(tài)大電流參數(shù)的測試手段，僅是通過信號輸入端簡單搭建MOSFET、電平轉(zhuǎn)換、反相器、比較器等電路來提升激勵(lì)信號輸出幅度，但主要是用于更低激勵(lì)信號電壓，且對時(shí)序要求不是很嚴(yán)格的情況。

輸出電流采樣的實(shí)現(xiàn)方案基于現(xiàn)有測試系統(tǒng)對A/D電路靜態(tài)參數(shù)的測試手段，也基于數(shù)字示波器的采樣原理。以下方案是選取1只IR2110電路，分別用STS8205測試系統(tǒng)功率源FPVI10和示波器對輸出脈沖電流進(jìn)行采樣。用示波器采樣時(shí)，輸出電流端串接50mΩ電阻到地，用探頭采集電阻上的電壓。如圖2、圖3所示。

圖3 示波器采樣結(jié)果波形圖

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

主要有以下兩點(diǎn)考慮：

（1）提升通用IC測試系統(tǒng)的激勵(lì)信號幅度，解決信號的輸出瓶頸問題。

由于激勵(lì)信號的脈寬最小值擬達(dá)到2μs，為了追求最小的失真度并能保持同步測量采樣輸出電流，須采用放大電路來提升幅度。所需解決的技術(shù)難點(diǎn)為：放大電路的電源抑制能力設(shè)計(jì)、較小的輸出抖動(dòng)、諧波失真度要小。

（2）提高瞬態(tài)（最小時(shí)間為2μs）大電流輸出的采樣頻率，保證測試結(jié)果精確可靠。

為此，將大電流輸出腳對地串接精密小電阻，并用高速A/D電路對小電阻兩端電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，對采集結(jié)果進(jìn)行分析，剔除掉電壓過沖或其他干擾導(dǎo)致前后變化過大的數(shù)據(jù)，保留積分非線性誤差或差分非線性誤差合理范圍內(nèi)的數(shù)值，最終計(jì)算出所測電流值。所需解決技術(shù)難點(diǎn)為：采集端口的抗噪設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理算法。

通過表1可知，STS8205A和UltraFlex測試系統(tǒng)激勵(lì)信號電平幅度無法滿足15V的要求。Ultra-Flex測試系統(tǒng)無大電流采樣功能，僅能以10μs間隔采樣小電流，而STS8205A測試系統(tǒng)也無法實(shí)現(xiàn)精確采樣（見圖2）[5]。但是，改進(jìn)后的STS8205A測試系統(tǒng)采樣頻率是100ns，提升為原來的20倍。上述方案實(shí)現(xiàn)的功能指標(biāo)領(lǐng)先于其他測試系統(tǒng)。

目前，中國電科47所設(shè)計(jì)生產(chǎn)的LC2110型、LC2113、LC2118型等系列驅(qū)動(dòng)電路已處于產(chǎn)品推廣階段，上述電路短路脈沖電流的脈寬都為10μs，輸出短路電流最大為2.5A。該系列驅(qū)動(dòng)電路主要應(yīng)用于逆變電源、變頻技術(shù)、電力電子等相關(guān)領(lǐng)域，在軍事方面得到廣泛應(yīng)用。其中功率MOSFET以及相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)直接與電路的可靠性緊密相關(guān)，如MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，MOSFET會很容易損壞，因此，實(shí)現(xiàn)該電路短路脈沖電流這一關(guān)鍵參數(shù)在IC測試系統(tǒng)上的測試，能為其他功率MOSFET電路短路保護(hù)時(shí)間設(shè)計(jì)提供分析依據(jù)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了該系列電路在IC測試系統(tǒng)上的全參數(shù)測試，極大提高量產(chǎn)的測試效率，產(chǎn)生了預(yù)期的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

表1 .STS8205A和UltraFlex測試系統(tǒng)相關(guān)資源技術(shù)指標(biāo)

4 關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)

4.1 信號輸入端放大電路設(shè)計(jì)技術(shù)

IC測試系統(tǒng)無法直接提供精確的10μs、15VPP的激勵(lì)信號。業(yè)界測試這一參數(shù)的通用做法是電路信號輸入端外接信號源或放大電路，來提供10μs、15V的驅(qū)動(dòng)脈寬[6]。

要解決這個(gè)問題，可將STS8205測試系統(tǒng)數(shù)字通道提供的激勵(lì)信號通過各自的放大電路來驅(qū)動(dòng)被測集成電路芯片。難點(diǎn)在于放大電路的電源抑制能力設(shè)計(jì)，以及如何實(shí)現(xiàn)較小的輸出抖動(dòng)和小的諧波失真度。

4.2 電流輸出端高速A/D數(shù)據(jù)采集技術(shù)

由于短路脈沖輸出電流要從0A直接跳躍到2.5A，受電流過沖和測試機(jī)功率源采樣頻率的限制，無法采到可靠的值。目前的通用IC測試系統(tǒng)，只能進(jìn)行低壓瞬態(tài)小電流測試,無法進(jìn)行精確的瞬態(tài)大電流測試。業(yè)界測試這一參數(shù)的通用做法是輸出端連接負(fù)載電阻或者霍爾器件來測試短路瞬態(tài)大電流[7]。

解決途徑：繞過IC測試系統(tǒng)源的采樣能力不足的問題，通過高速A/D電路來進(jìn)行電平數(shù)據(jù)采集，得到所測電流值。難點(diǎn)在于采集端口的抗噪設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集能力，以及軟件編程算法。

5 解決方案與技術(shù)路線

本項(xiàng)目的詳細(xì)技術(shù)路線為，使用矢量軟件，根據(jù)電路手冊提供的信號時(shí)序編寫后綴為.vec的激勵(lì)圖形矢量表。所謂激勵(lì)圖形是指由集成電路工作時(shí)在各個(gè)時(shí)鐘周期的激勵(lì)向量組成的一個(gè)序列，而激勵(lì)向量指的是由用二進(jìn)制表示的電路輸入引腳值組成的一組數(shù)。測試系統(tǒng)為每個(gè)激勵(lì)圖形分配一個(gè)唯一的索引作為標(biāo)識，同時(shí)根據(jù)時(shí)序圖把激勵(lì)圖形分組，并為各組分配相應(yīng)的分組索引；然后計(jì)算機(jī)把激勵(lì)圖形以文本形式輸入到測試系統(tǒng)中；測試系統(tǒng)根據(jù)輸入的激勵(lì)圖形文件以循環(huán)工作的模式反復(fù)產(chǎn)生相應(yīng)的激勵(lì)信號，再通過各自的放大電路來驅(qū)動(dòng)被測集成電路芯片，如圖4。

圖4 電路輸入端激勵(lì)信號生成

在輸出電流采集端，以激勵(lì)信號上升沿90%的高電平或輸出下降沿10%的低電平作為觸發(fā)值，來啟動(dòng)高速A/D電路的數(shù)據(jù)采集，采集串接在電路電流輸出端到地的精密電阻兩端的電壓值，通過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字端口的輸出結(jié)果存入失效存儲器里，通過矢量軟件轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制值，并保存在CSV文件里，便于數(shù)據(jù)分析。同時(shí)通過編程算法提取出積分非線性誤差和差分非線性誤差合理范圍內(nèi)的數(shù)值，計(jì)算出模擬量電壓值，再求平均數(shù)，得到所測電流值，如圖5。

圖5 電路輸出端測試結(jié)果生成

5.1 具體研究方案實(shí)施

（1）選取帶寬、壓擺率、放大能力滿足所需激勵(lì)信號要求的放大電路來進(jìn)行輸入信號板級設(shè)計(jì)。

（2）以滿足輸出采樣要求的精密電阻和高速A/D芯片為基礎(chǔ)，來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計(jì)。

（3）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的編程算法研究。

（4）校準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)。

（5）測試負(fù)載板設(shè)計(jì)，對瞬態(tài)大電流參數(shù)進(jìn)行測試驗(yàn)證。

5.2 自動(dòng)化測試方案

5.2.1 激勵(lì)信號端

放大主模塊電路選用OPA2810，其具有70MHz增益帶寬，兼具120MHz小信號帶寬，180V/μs壓擺率，低噪聲，軌對軌輸出，失真度低，為-95/-95dBc HD2/3@2VPP,1MHz，100dB的高電源抑制比，完全符合選型要求。連接示意圖如圖6。

圖6 激勵(lì)信號放大電路示意圖

5.2.2 數(shù)據(jù)采集端

采用NI PCI-6224多功能數(shù)據(jù)采集（DAQ）板卡，適用于需要控制成本的應(yīng)用。也可考慮具有5倍采樣速率或具有4倍分辨率和出眾測量精度的高精度設(shè)備。NI PCI-6224的一些高級特色，如NI-STC 2系統(tǒng)控制器、NI-PGIA 2可編程放大器和NI-MCal校準(zhǔn)技術(shù)，都對提高性能和精度有利[8-10]。其硬件參數(shù)如表2。

表2 NI PCI-6224技術(shù)指標(biāo)

對NI PCI-6224來說，為了將數(shù)據(jù)采集結(jié)果反饋到STS8205A測試系統(tǒng)上，需要在測試系統(tǒng)底層修改Create_AWG_Data(void)子程序，預(yù)先把需要接收的采集數(shù)據(jù)加載到AWG模塊內(nèi)部的失效存儲器上。

數(shù)據(jù)處理方法采用碼密度直方圖法，其基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)論，對模擬輸入信號進(jìn)行隨機(jī)采樣，不同數(shù)字碼輸出的出現(xiàn)次數(shù)即為碼密度。以輸出數(shù)字碼及其出現(xiàn)次數(shù)為坐標(biāo)畫圖，所得圖像稱為直方圖，見圖7。在圖中，每個(gè)數(shù)字碼稱為碼箱（Code Bin），每個(gè)數(shù)字碼出現(xiàn)的次數(shù)稱為碼箱寬度。根據(jù)碼密度數(shù)據(jù)，可以估算出被采集數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)。通過設(shè)置合理的非線性度，在實(shí)際采樣波形上選擇接近真實(shí)結(jié)果、趨于合理的數(shù)據(jù)段，計(jì)算采樣平均值，最后得出合理的測試結(jié)果。

6 結(jié)束語

通過在國產(chǎn)化的STS8205混合電路測試系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)（最小時(shí)間為2μs）大電流測試方法，來提升橋式驅(qū)動(dòng)電路瞬態(tài)脈沖電流參數(shù)測試結(jié)果的可靠性，并實(shí)現(xiàn)橋式驅(qū)動(dòng)電路的自動(dòng)化全參數(shù)測試，提高測試效率，提升目前業(yè)界對該類電路測試結(jié)果的可靠性。同時(shí)也克服了國產(chǎn)測試系統(tǒng)STS8205的測試瓶頸，易于推廣到其他底層編程開放式的測試系統(tǒng)上。

[1] 閔應(yīng)驊.CMOS電路電流測試綜述[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,1999(2)：129-133.Min Yinghua.Review of Current Testing for CMOSCircuits[J].Journalof Computer Research and Development,1999(2)：129-133.

[2] 鄧曉茜.數(shù)字系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電流IDDT測試技術(shù)研究[D]. 南京航空航天大學(xué),2007：2-9.Deng Xiaoxi.Researchon Digital System Dynamic Current IDDTTesting Technology[D].NanjingUniversityof Aeronautics and Astronautics,2007：2-9.

[3] 雷紹充,邵志標(biāo).IDDQ測試全面系統(tǒng)化的研究[J].國外電子測量技術(shù),2004,23(5)：2-9.LeiShaochong,Shao Zhibiao.AComprehensiveand Systematic Study on IDDQ Testing[J].Foreign Electronic MeasurementTechnology,2004,23(5)：2-9.

[4]STS8200編程手冊[M].1.9版.北京華峰測控技術(shù)有限公司.STS8200 Programming Manual[M].Rev1.9.Beijing Huafeng Test＆ Control Technology Co.，Ltd..

[5] FLEX/microFLEX Programming Fundamentals Student Manual[M].Rev A.Teradyne,2008.

[6] 丁鼎.短路瞬態(tài)大電流測試平臺的校準(zhǔn)方法研究[D].天津大學(xué),2012.Ding Ding.Researchon Calibration Method of the Shortcircuit TransientLarge Current Testing Platform[D].Tianjin University,2012.

[7] 張鵬,焦慧芳,賈新章.CMOS電路瞬態(tài)電流測試技術(shù)動(dòng)態(tài)[C]//中國電子學(xué)會可靠性分會學(xué)術(shù)年會,2006.Zhang Peng,Jiao Huifang,Jia Xinzhang.Technology Trends of Transient Current Test in CMOSCircuit[C]//China Institute of Electronics Reliability Branch Academic Annual Meeting,2006.

[8] 庹朝永.IDDQ測試方法及發(fā)展[J].計(jì)量與測試技術(shù),2009,36(3)：35-37.Tuo Chaoyong.IDDQTesting Methods and Development[J].Metrology&Measurement Technique,2009,36(3)：35-37.

[9] 梅強(qiáng),王華.CMOS電路電流測試技術(shù)研究[J].中國西部科技,2010,09(6)：16-18.MeiQiang,Wang Hua.Researchon Current Testing Technology for CMOSCircuit[J].Scienceand Technology of West China,2010(6)：16-18.

[10]邵韜.CMOS電路瞬態(tài)電流測試方法研究[J].電腦知識與技術(shù),2008,3(23)：1063-1064,1095.Shao Tao.Researchon Transient Current Testing Method for CMOS Circuit[J].Computer Knowledge and Technology,2008,3(23)：1063-1064,1095.

Study on Reliability Improvement of Transient Large Current Test for General IC Test System

Liu Rugang,Sun Xidong
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

Parameter test of transient high current is actually testing the duration time of MOSFET short-circuit current of bridge driver IC.Present test methods cannot realize the reliable all parameters tests on the basis of IC test system.Given this,a attempt is done to solve the transient high current testing results reliability problem based on present IC test system as a platform,especially relying on domestic IC test system to realize IC automated and all parameter testing,and finally to enhance the accuracy and reliability of IC test results.

VMOSprocess；Driver；Test;J750;Digital waveform;IGBT

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.006

B

1002-2279-（2017）06-0025-05

劉汝剛(1980—)，男，遼寧省沈陽市人，工程師，主研方向：半導(dǎo)體微細(xì)加工及測試。

2017-11-06