孫崇鈞 邱 萍

（1.武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205）（2.中國船舶集團有限公司 北京 100080）

1 引言

集成電路老煉中測試設備是指在傳統(tǒng)靜態(tài)老煉和動態(tài)老煉的基礎上，采用老煉中測試技術將傳統(tǒng)老煉與電性能測試有機地結合在一起的綜合性老煉測試設備，該設備能夠確保集成電路老煉效果、優(yōu)化老煉時間、精確的檢測故障至單元級并檢測到“可恢復性”故障（即高溫動態(tài)老煉過程中失效，恢復常溫后又正常的故障），最大限度地檢測到集成電路在實際工況條件下的偶然失效概率分布情況。為真正貫徹GJB 548B中方法1015要求，集成電路老煉中測試設備廣泛應用于FPGA、DSP、CPU及專用芯片等核心集成電路的老煉試驗過程中，特別是在武器裝備、精密制造、航天航空等高端制造領域［1～3］。

集成電路老煉中測試設備最初主要依賴進口，如美國MCC、AEHR、意大利EDA公司等，隨著不斷增長的市場需求，國內(nèi)無論是傳統(tǒng)的集成電路測試系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，還是傳統(tǒng)的集成電路可靠性篩選設備生產(chǎn)廠家，都已經(jīng)針對集成電路老煉中測試技術推出了具有自主知識產(chǎn)權的集成電路老煉中測試設備，比如新潤泰斯特生產(chǎn)的XR8238系列，杭可儀器生產(chǎn)的HRIF-2000系列等，其性能指標均已達到國際先進水平［4～5］。然而，由于集成電路老煉中測試設備內(nèi)部組成結構、計量參數(shù)、接口形式的不同，使得其計量手段不同于常規(guī)的ATE，尤其是在實際工況下，需要在計量過程中利用老煉試驗箱提供特定的溫度以及非常規(guī)氣體含量等特定的應力條件，對老煉試驗箱內(nèi)多個試驗區(qū)、每個試驗區(qū)上百個測試通道進行適配及測量，這將帶來較大的實際計量操作的難度與工作量。本文通過分析成電路老煉中測試設備的工作原理和結構組成，研究系統(tǒng)級可操作性的校準方法，并且針對性的設計了校準裝置硬件方案和校準軟件方案。

2 集成電路老煉中測試設備原理及參數(shù)校準方法

如圖1所示，集成電路老煉中測試設備主要由系統(tǒng)控制器、系統(tǒng)軟件平臺、老煉試驗箱、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、老煉測試子系統(tǒng)、程控電源子系統(tǒng)、溫度控制子系統(tǒng)、氣體檢測子系統(tǒng)以及監(jiān)控報警子系統(tǒng)等組成。集成電路老煉中測試設備是VLSI老煉中測試的主要設備，其工作原理是在一定的溫度、氮氣含量等環(huán)境條件下，能夠實現(xiàn)對VLSI高溫動態(tài)老煉的同時，也可對其電性能進行測試，通過植入多種復雜信號及向量集，測量每個器件輸出管腳的信號，真正確保高溫動態(tài)老煉效果，剔除存在早期失效質(zhì)量缺陷器件。

圖1 集成電路老煉中測試設備原理示意圖

2.1 集成電路老煉中測試設備參數(shù)分析

在明確了集成電路老煉中測試設備結構的基礎上，集成電路老煉中測試設備整體計量中主要涉及到的子系統(tǒng)包括［6～9］：

1）老煉測試子系統(tǒng)，主要涉及數(shù)字通道驅動（Driver，用于提供數(shù)字信號輸入）、數(shù)字通道比較（Comparator，用于檢測輸出電平高低）、信號上升/下降時間、精密測量單元（PMU，Precision Measurement Unit，用于直流參數(shù)測量）、測試速率（測試信號每秒鐘傳輸?shù)挠行П忍財?shù)）等參數(shù)。

2）程控電源子系統(tǒng)，用于提供待老煉器件的負載電壓/電流以及系統(tǒng)的供電，主要涉及程控電壓和電流驅動、紋波電壓、負載調(diào)整率等參數(shù)。

3）溫度控制子系統(tǒng)，主要為老煉試驗箱提供規(guī)定的溫度條件，涉及老煉試驗溫度設置、溫度波動性及溫度的均勻性等參數(shù)。

4）氣體檢測子系統(tǒng)，通過充入氮氣排除老煉測試箱內(nèi)的氧氣，減少集成電路在老煉測試期間器件管腳被氧化的程度，涉及到氮氣含量參數(shù)。

5）監(jiān)控報警子系統(tǒng)，用于完成溫度、電源電壓、氮氣含量的監(jiān)控和保護功能。

按照不同參數(shù)的特性，可將集成電路老煉中測試設備的參數(shù)分為四類，如表1所示。

表1 集成電路老煉中測試設備參數(shù)分類

2.2 集成電路老煉中測試設備校準方法研究

集成電路老煉中測試設備校準方法如圖2所示，即在一定的溫度、氣體環(huán)境條件下，對于直流參數(shù)的校準，采用專用直流校準接口連接至老煉試驗箱外，采用矩陣開關實現(xiàn)多通道間的切換，標準電阻可采用高精度電阻安裝在校準接口適配盒中，也可采用可編程電阻模塊；對于交流參數(shù)的校準，采用耐高溫的專用交流校準接口連接至老煉試驗箱外；對于溫度控制子系統(tǒng)和氣體檢測子系統(tǒng)，分別采用專用的校準接口連接至老煉試驗箱外，最后利用外接儀器儀表完成老煉中測試設備各個校準參量的校準［10～13］。

圖2 集成電路老煉中測試設備校準方法示意圖

3 校準裝置設計與實現(xiàn)

本文根據(jù)校準方法設計了相應的校準裝置，通過配置合理的外接儀器儀表，采用各類校準接口適配板連接至集成電路老煉中測試設備老煉試驗箱內(nèi)，在對應的試驗區(qū)的插槽端檢測老煉中測試設備的各參數(shù)是否滿足指標要求。

為減小設備體積，實現(xiàn)現(xiàn)場校準，本文采用基于PXI總線技術和虛擬儀器技術的校準裝置，通過各模塊化儀器之間的合理布局與整體架構設計，利用網(wǎng)絡接口實現(xiàn)被校設備與PXI主控機的通信，實現(xiàn)自動化或者半自動化校準過程。另外，對老煉試驗箱外的校準接口和連接線纜實現(xiàn)通用化設計，使每套被校設備的適配和連接都遵循了一定標準，降低針對具體老煉中測試設備開發(fā)校準接口和連接線纜時的復雜程度。

3.1 PXI板卡的選擇

校準裝置中外接儀器儀表采用基于PXI總線的板卡組成，安裝在PXI機箱的外設模塊槽（Peripheral modules slot）內(nèi)，通過PXI總線與PXI控制器互聯(lián)。PXI控制器作為校準裝置的主控模塊，安裝在PXI機箱的系統(tǒng)控制器槽（System controller module slot）內(nèi)，具備PXI內(nèi)部總線接口以及GPIB、以太網(wǎng)等外部接口，完成對校準裝置的控制以及校準數(shù)據(jù)的傳輸、分析和處理；PXI控制器與集成電路老煉中測試設備通過以太網(wǎng)建立TCP/IP連接，實現(xiàn)控制信號的同步和數(shù)據(jù)的傳輸［14］。

本文選取的PXI板卡包括：1）PXI機箱：PXIe-1065；2）PXI控制器：PXIe-8840；3）數(shù)字多用表：PXIe-4071；4）可編程電阻：pickering 40-297-050；5）矩陣開關：pickering 40-535-021；6）直流電源：PXI-4132；7）示波器：PXIe-5185。

3.2 校準適配設計

校準裝置在校準過程中的適配方式如圖3所示。分為專用直流校準接口、專用交流校準接口和專用溫度校準接口三種適配方式，其中專用直流校準接口由信號接口適配板、信號接口適配盒、耐高溫線纜和校準端配套線纜組成；專用交流校準接口由信號接口適配板、耐高溫射頻電纜組成；專用溫度校準接口由溫度傳感器及耐高溫引線組成。

圖3 集成電路老煉中測試設備校準適配方式示意圖

老煉試驗箱內(nèi)部的信號接口適配板安裝在老煉試驗箱插槽上，信號接口適配板根據(jù)廠家的資源定義采用與老煉試驗板相同的尺寸和連接方式，與耐高溫線纜的定義和線序相適配，則信號接口適配盒不需要重新設計，能實現(xiàn)校準裝置與被校對象的通用化適配。信號接口適配板設計時選用了具有優(yōu)良耐熱性、高機械強度、良好的尺寸穩(wěn)定性、低Z軸膨脹系數(shù)的材料，例如FR5或聚酰亞胺（PI）作為信號接口適配板的板材，同時，選用耐溫150℃以上的交、直流接插件和線纜將被校信號通過信號接口適配板引出到試驗箱外，連接校準儀表，使校準儀表以及其他不耐高溫的校準裝置組成部分不受老煉試驗箱高溫工況影響。

如圖4所示，本文設計的信號接口適配板設計有4組90pin的歐式插座與老煉試驗箱插槽連接，信號接口適配板上設計有大電流端子用于大電流單通道的校準，耐高溫連接器用于與耐高溫線纜連接。信號接口適配盒通過80pin耐高溫線纜連接至老煉試驗箱內(nèi)的信號接口適配板，通過香蕉頭線纜連接至校準裝置相應的源表，最后將所有的資源通過100pin標準扁平電纜連接至校準裝置的矩陣開關，實現(xiàn)集成電路老煉中測試設備多通道與矩陣開關的點陣連接，形成校準所需的完整測量回路。

圖4 集成電路老煉中測試設備信號接口適配板

3.3 校準軟件設計

為了能夠方便地實現(xiàn)校準裝置各種外接儀器儀表的控制、信號采集、信號處理與分析、數(shù)據(jù)處理、文件輸入輸出以及實時過程控制與顯示等功能，本文采用了校準軟件來實現(xiàn)以上功能。校準軟件由PXI控制器中的通用校準軟件以及老煉中測試設備中的專用校準程序模塊組成，通用校準軟件和專用校準程序之間的控制命令以及數(shù)據(jù)的傳輸均通過以太網(wǎng)（TCP/IP協(xié)議）實現(xiàn)，通用校準軟件在PXI機箱上運行，校準儀表與通用校準軟件能夠通過PXI總線、GPIB總線、LAN總線及串口實現(xiàn)通信［15～16］。

校準軟件的工作流程包括：1）啟動校準裝置的各硬件模塊后進行自身的初始化，通過通訊總線控制校準裝置完成硬件的配置與參數(shù)初始化，并與被校集成電路老煉中測試設備建立通信連接；2）根據(jù)需求選擇待校準的參數(shù)和通道，首先控制老煉中測試設備處于實際工況條件下的狀態(tài)，并在老煉試驗箱的插槽內(nèi)產(chǎn)生待校準參量，然后控制校準裝置端PXI板卡進行測量以及通道切換，并將每個校準通道的測量結果返回給校準軟件；3）所有參量校準完畢后，校準軟件將測量結果保存為相應文件。

4 結語

本文通過分析集成電路老煉中測試設備內(nèi)部結構和工作原理，研究了一種實際工況下基于通用測試接口的多參量、多通道集成電路老煉中測試設備的現(xiàn)場校準方法，最后設計了基于虛擬儀器技術的校準裝置。校準裝置的設計與構建是實現(xiàn)集成電路老煉中測試設備全試驗區(qū)、全參數(shù)校準的重要途徑，保障了集成電路老煉中測試設備校準的高效性、可靠性。校準裝置通過將硬件可重用化、軟件模塊化，對校準接口和連接線纜進行統(tǒng)一和標準化，盡量減少了后期針對具體集成電路老煉中測試設備重復開發(fā)的工作量，應用前景廣闊。