宋 錦

（海軍駐北京航天科技集團公司第一研究院軍事代表室，北京 100076）

0 引言

半導(dǎo)體器件已廣泛應(yīng)用于航空、航天等軍用領(lǐng)域，性能和可靠性要求更高。要保證軍用高可靠器件在惡劣的使用環(huán)境下長壽命工作，嚴格的電參數(shù)測試必不可少。由于受設(shè)備能力、技術(shù)水平限制，加上器件規(guī)范不完善（特別是一些國產(chǎn)專用器件）等原因，經(jīng)常因電參數(shù)測試覆蓋率低引起整機質(zhì)量問題，必須加強這方面的研究。影響高可靠器件電參數(shù)測試覆蓋性的因素總體上分為測試項目、測試條件和測試方法3個方面。

1 測試項目分析

即使嚴格按照器件規(guī)范測試，有時仍不能保證器件不出質(zhì)量問題。如：某國產(chǎn)專用器件接口單元，如圖1所示，使用中多次出現(xiàn)故障。器件規(guī)范中針對該單元僅有4項電參數(shù)：復(fù)合放大倍數(shù)、擊穿電壓、輸出管飽合壓降、輸出管漏電流。這僅是復(fù)合管的基本參數(shù)，非該電路的固有參數(shù)，造成測試項目覆蓋性低。通過分析線路結(jié)構(gòu)增加了表1給出的測試項目（參數(shù)）后，器件再未出現(xiàn)故障。

圖1 某國產(chǎn)專用器件接口單元電路圖

表1 新增測試項目與作用

1.1 原因分析

通用器件（二極管、三極管、FET管、CMOS、TTL、運放、比較器、ADC、DAC、穩(wěn)壓器等）現(xiàn)已形成了成熟完善的電壓測試項目。但對國產(chǎn)專用器件，由于設(shè)計師對器件理解、測試知識等存在差異，即便高質(zhì)量等級器件，規(guī)范給出的電參數(shù)也往往不全，有時僅為用戶的使用指標，非器件固有參數(shù)，造成測試項目覆蓋性差。

1.2 解決辦法

測試工程師是器件規(guī)范的第一個用戶，應(yīng)認真核查測試項目，從器件內(nèi)部線路結(jié)構(gòu)入手，并參考國外類似器件電參數(shù)表，保證測試項目能覆蓋器件的所有結(jié)構(gòu)、功能和引出端。

抽樣測試典型值參數(shù)：規(guī)范中經(jīng)常有一些參數(shù)只給出典型值（TYP），沒有指標值，對于這種參數(shù)現(xiàn)在都不測試。其實它是好器件的期望指標值，更能代表設(shè)計和工藝水平，有些則是難以測試或特征性參數(shù)（電荷泵電流、溫度系數(shù)等）。輸入電容通常僅給出典型值，這是因為它基本是由設(shè)計版圖和封裝決定的。對高可靠器件應(yīng)抽樣測試典型值參數(shù)，評估器件的批次性工藝和質(zhì)量水平。

正確設(shè)置保證性參數(shù)。器件規(guī)范中經(jīng)常有一些電參數(shù)項有“保證值，未測試”或“由設(shè)計保證”等，如果沒有質(zhì)量保證文件確認，應(yīng)作為必測項目。美軍標中就沒有保證性參數(shù)。

重視引出端測試。許多線性器件（如運放）有調(diào)零端、補償端，測試時一般都將其接成使用狀態(tài)或開路，不直接測試。這就存在著即使這些端口出現(xiàn)故障甚至開路也不能檢測的質(zhì)量隱患。必須增加針對性測試項目。在分析器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，可采用加小電流（如100μA）測試電壓方式檢查管腳偏置情況。對調(diào)零端可在調(diào)零電阻為兩個極端值條件下檢測輸出失調(diào)電壓（調(diào)零范圍）。

測試項目完整。一般認為比較器是線性電路，其實它是典型的混合信號電路，可看成是一位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。測試時一定要檢查其輸出端的數(shù)字特性。類似的還有可編程增益放大器（PGA）。普通將模擬開關(guān)按數(shù)字電路對待，其實也是典型的混合信號電路。測試時一定要檢測其通道的線性特性（導(dǎo)通電阻、頻率響應(yīng)、失真、通道串擾等）。

2 測試條件分析

現(xiàn)行電參數(shù)測試均為符合性測試，不是分析性測試。測試條件直接影響測試結(jié)果。如，某運放LM124在整機中功能異常（輸出不變），但離線測試時仍合格。分析發(fā)現(xiàn)：該器件規(guī)范與美軍標相比輸入失調(diào)電壓（VIO）等參數(shù)的測試條件不同，若按美軍標條件測試，該器件輸入失調(diào)電壓（VIO）等電參數(shù)失效。

LM124輸入級差分結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于存在工藝缺陷，輸入管Q1集電極-基極擊穿電壓僅為10.5V，不合格（共模輸入電壓最小值：28V）。但按規(guī)范在VCM=0V下測試時，Q1管和Q4管VCB=0V，小于其擊穿電壓10.5V，檢測不出故障。若按美軍標測試，VCB=28V。故障即暴露。

圖2 LM124輸入級差分結(jié)構(gòu)電路圖

2.1 原因分析

電參數(shù)都有其特定的測試條件，不能隨意給定，應(yīng)該覆蓋器件所有可能的使用條件。

2.2 解決辦法

推薦工作條件。每個器件都有其推薦工作條件，但并不當作參數(shù)測試，它的每項指標都應(yīng)在電參數(shù)測試條件中逐一得到體現(xiàn)和保證。編制器件規(guī)范時，人們往往不重視測試條件（甚至不寫）。其實軍用器件的電參數(shù)指標并不比商用器件高，但它的電參數(shù)測試條件卻嚴得多。規(guī)范應(yīng)詳細給出各參數(shù)測試條件。對通用器件，可與美軍標（優(yōu)先選用）或國外公司數(shù)據(jù)手冊比對，復(fù)核測試條件覆蓋性。對使用條件超出推薦工作條件的器件（這種情況一般不允許），必須按照實際使用條件嚴加測試，保證其覆蓋性。

最壞條件。是指工作條件內(nèi)影響電參數(shù)性能的最壞條件。測試時應(yīng)覆蓋各種最壞條件。不同器件的最壞條件需具體分析，如：電源拉偏、極限溫度、最壞輸入條件、最壞輸出條件、最大功率等。

絕對最大差額值。指器件瞬時承受此極端條件而不受損傷，即使參數(shù)、功能異常仍可恢復(fù)，由工藝保證并不進行測試。但目前進貨渠道復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)“山寨”器件，極限指標難以保證。

3 測試方法分析

傳統(tǒng)測試是基于規(guī)范的測試（SPOT），故障檢測也是基于固定型（STUCK-AT）故障模式下的結(jié)構(gòu)性（STRUCTUAL）和功能性測試，對一些工藝缺陷、漏電、弱故障等不起作用，這些故障通常不引起電參數(shù)和功能失效，卻影響器件長期可靠性。近年來，基于缺陷的測試（DOT）研究方興未艾。如果在傳統(tǒng)SPOT基礎(chǔ)上，采用基于缺陷的測試方法，暴露早期潛在缺陷，必將大幅度提高軍用器件的測試覆蓋率和可靠性。

3.1 靜態(tài)功耗（IDDQ）測試

CMOS器件是由互補NMOS和PMOS管組成，在穩(wěn)定邏輯狀態(tài)下不同時導(dǎo)通，功耗電流實際是處于截止狀態(tài)的MOS管總漏電流，非常小但卻對故障及工藝缺陷敏感。

在圖3所示邏輯門電路中，Q4管柵氧化層存在缺陷（呈低電阻狀態(tài)）。要檢測該故障必須進行通路敏化與故障激活，輸入為0時：Q1和Q4導(dǎo)通；Q2和Q3截止。形成Q1漏——Q1源——Q4柵——Q4源——地的電流通道（道路敏化）；Q4柵為高引起柵源漏電（故障激活），功耗電流增大。而輸入為1時，Q4柵壓為低，且無電流通道，功耗很小。這樣通過檢測輸入為0時功耗電流增大即可發(fā)現(xiàn)Q4管缺陷。

圖3 邏輯門電路

靜態(tài)功耗（IDDQ）測試優(yōu)點，一是方便實用，故障可定位到晶體管級。不需要將故障傳遞到輸出端，只要檢測到電流變化。這使器件內(nèi)部各MOS管具有很好的可控性和可觀察性，簡化了故障檢測；二是可檢測故障種類多。IDDQ測試不僅可以檢測工藝缺陷（橋接、變形、掩膜問題、不完全腐蝕、寄生等）；而且可檢測設(shè)計缺陷（浮柵、邏輯竟爭、掩膜生成等）。這些缺陷往往需要老化實驗或長期工作才能暴露出來，在一定程度上起著老化作用，而傳統(tǒng)測試方法對此故障往往無效；三是測試向量短，故障覆蓋率高。采用傳統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)性電壓測試方法，將故障覆蓋率從80%提高到90%-95%，測試向量往往需要增加一倍以上，如果加很小的IDDQ測試向量可獲得同樣甚至更好的效果。有時加20個向量就可使故障覆蓋率提高到95%以上。

靜態(tài)功耗（IDDQ）測試的不足是，對一些不引起電流增加的故障，如高速互連、開路、限制MOS管開啟、引起弱邏輯的傳輸門、電容和電感性耦合故障等還不能檢測。因此高可靠器件功能性和結(jié)構(gòu)性測試仍不可或缺。

IDDQ測試向量有3種：隨機測試向量（輸入全部組合，覆蓋率高，但測試時間長，對VLSI和SOC不現(xiàn)實）、偽隨機測試向量（分塊產(chǎn)生測試向量）、附加測試向量（針對故障表的測試向量）。實際測試中，可根據(jù)器件的門級邏輯圖選擇測試向量，使內(nèi)部和外部各節(jié)點、觸發(fā)器都經(jīng)歷高低電平狀態(tài)。

如圖4邏輯器件，要使所有節(jié)點都經(jīng)歷過高低狀態(tài)變化，選擇適當?shù)臏y試向量進行IDDQ測試，向量數(shù)遠小于功能測試。

圖4 某器件邏輯電路圖

3.2 主載波測試

測試轉(zhuǎn)換器的微分非線性（DNL）時，需要測量曲線中所有有效編碼（2N-全碼測試），這是十分費時和困難的。近年出現(xiàn)了主載波測試，也是一種基于故障的測試，消除了測試向量中的冗余。

由DAC結(jié)構(gòu)可知，它是采用一系列二進制加權(quán)電阻或電容將各位編碼轉(zhuǎn)換成二進制加權(quán)電流或電壓，求和后即是此數(shù)碼對應(yīng)的模擬輸出。表示為：

DAC輸出=D0W0+D1W1+…+DNWN

D0，D1，…，DN二進制輸入編碼；

W0，W1，…，WN二進制權(quán)重輸出（主載波）。

可以看出非線性失效是由各位權(quán)重元件的不匹配引起的，只要測量出W0，W1，…，WN值就可算出任一輸入編碼下的對應(yīng)輸出。測試WN的方法很簡單，只需輸入DN位為1其它位為0的數(shù)據(jù)碼測試輸出即可。由于各權(quán)重輸出大小有數(shù)量級差別，很難用一個量程測試所有值。通過測試主載波轉(zhuǎn)換（2N-1到2N，如8位轉(zhuǎn)換器，00011111到00100000）時的輸出精度和轉(zhuǎn)換步幅，就可以保證轉(zhuǎn)換器精度和微分非線性。測試向量由2N減為2N。

此方法也適應(yīng)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

3.3 導(dǎo)通電阻測試

導(dǎo)通電阻是模擬開關(guān)重要電參數(shù)。目前常采用的測試方法是：將通道輸出端接地，從輸入端施加電流并測量電壓，然后算出導(dǎo)通電阻，這看似正確，其實存在兩個問題，一是沒有檢測到整個輸入電壓幅度（通常為軌-軌幅度）下的導(dǎo)通電阻，若導(dǎo)通電阻為100Ω，測試電流為2mA，則輸入電壓僅為200mV；二是沒有檢測到滿幅度交流信號阻抗（軌-軌中點為參考地）。

正確的測試方法如圖5所示，負載電阻接軌-軌中點，在輸入分別接VDD和VSS下測試導(dǎo)通電阻。模擬開關(guān)通常是雙向的，還應(yīng)反方向測試。共測試4項才能保證覆蓋性。

圖5 正確的導(dǎo)通電阻測試方法電路

3.4 回環(huán)（LOOPBACK）測試

近年來高速串行鏈（HSSL）通信獲得廣泛應(yīng)用，如低壓差分信號（LVDS）串化器和解串器，局域網(wǎng)（LAN）等，速度已達到數(shù)GHz，但現(xiàn)有設(shè)備很難測試其串口開關(guān)電參數(shù)。既然這類器件都是發(fā)送器和接收器配對使用，就可以將其串行差分輸出、輸入對接起來進行回環(huán)測試。這樣既將測試轉(zhuǎn)化為輸入輸出的純數(shù)字測試，又相當于對器件進行了整機驗證。

對于高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）；角度數(shù)字轉(zhuǎn)換器（SDC）和數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器（DSC）也可采用回環(huán)測試方法。

4 結(jié)束語

高可靠器件電參數(shù)覆蓋問題還遠沒有解決。測試時，應(yīng)該認真復(fù)核器件規(guī)范，以器件實際使用條件、具體線路結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分析測試項目、測試條件的覆蓋性。采用基于功能、基于結(jié)構(gòu)和基于故障的測試方法保證高可靠器件的測試覆蓋性。

[1]Mark B,Gordon WR.混合信號集成電路測試與測量[M].馮建華 譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]曾芷德,數(shù)字系統(tǒng)測試和可測性設(shè)計[M].長沙: 國防科技大學出版社,1992.

[3]楊士元.數(shù)字系統(tǒng)的故障診斷與可靠性設(shè)計[M].北京: 清華大學出版社,2000.

[4]高成,張棟,王香芬.最新集成電路測試技術(shù)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[5]現(xiàn)代集成電路測試技術(shù)編寫組.現(xiàn)代集成電路測試技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

[6]杜社會,方葛豐.大規(guī)模集成電路相關(guān)測試標準的判斷[J].半導(dǎo)體技術(shù),2007,32(9):37-40.

[7]谷健,田延軍,史文.集成電路測試技術(shù)與應(yīng)用[J].中國慣性技術(shù)學報,2002(2).

[8]朱莉,林其偉.超大規(guī)模集成電路測試技術(shù)[J].中國測試技術(shù),2006(6):117-120.