2.2　数字IC测试系统

由数字电路控制的电子信号称为数字信号，表现为逻辑电平“0”和“1”，它们被分别定义成一种特殊的电压分量，如图2.6所示。所有有效的数字电路数据都用它们来表示，每一个“0”或者“1”表示数据的一个比特（bit），任何数值都可以由按照一定顺序排列的“0”“1”组成的二进制数据来表示，数值越大，需要的比特位越多。每8bit构成一个字节（Byte），数字电路中的数据经常以字节为单位进行处理。

2.2.1　数字测试系统的组成

数字电路器件通过驱动电压测量电流或者通过驱动电流测量电压，或者使用功能测试器件在特定输入状态下，测量器件的输出电压是否满足测试条件，或者器件的输出是否符合逻辑，抑或使用功能测试操作器件内部的寄存器读写数据，这些测试使用的ATE称为数字测试系统，图2.7显示了数字测试系统中包含的基本模块。

测量系统控制CPU是系统的控制中心，它主要由控制测试系统的计算机组成。测试系统提供网络接口（Network Interface）用以传输测试数据；用户控制接口中，计算机的硬盘和内存（Memory）用来存储本地数据，显示器和键盘提供了测试操作员和系统接口。

系统供电单元（System Power Supply，SPS），负责为测试系统供电。

被测器件参考电压源一方面为被测器件的电源引脚（VDD或VCC）提供电压和电流，另一方面为系统内部引脚电路单元的驱动和比较电路提供逻辑电平的参考电压，其为驱动电路提供的参考电压包括输入低电平（Voltage Input Low，VIL）和输入高电平（Voltage Input High，VIH），为比较电路提供的参考电压包括输出低电平（Voltage Output Low，VOL）和输出高电平（Voltage Output High，VOH）。

引脚电路（Pin Electronics，PE，也叫Pin Card、PEC（Pin Electronics Card），或者I/O Card）通常放置在测试机头中，是测试系统资源和待测器件之间的接口，它给待测器件提供输入信号并接收器件的输出信号，详细功能将在2.2.3节中介绍。

外部仪器接口（External Instrument Interface），用于连接ATE与分选机，进行测试通信。

精密测量单元（Precision Measurement Unit，PMU），用于进行精确的DC参数测量，它能驱动电流进入器件并测量电压，或者为器件加上电压，进而去测量产生的电流。在2.2.2节中会详细介绍PMU的工作原理和配置方式。

特殊选件（Special Tester Option），包含一些选配的特殊功能，比如存储器测试、模拟电路测试所需要的特殊硬件结构。

并行与扫描向量存储单元（Parallel and Scan Vector Memory），是每个测试系统都有一组高速的存储器，这组存储器称为向量存储单元，用来存储测试向量（Vector），测试向量描述了测试器件所期望的逻辑输入输出状态。测试系统从向量存储单元中读取输入信号的输入状态，并通过测试机引脚电路输出给待测器件的相应引脚；再从器件输出引脚读取相应的状态，与测试向量中相应的输出信号进行比较。这里的输入信号也称为驱动（Driver）信号，输出信号也称为期望（Expect）信号。进行功能测试时，测试向量为待测器件提供激励并监测器件的输出，如果器件输出与期望不相符，则说明器件没有正常工作，该项测试没有通过，记录为一项功能失效（Fail）。有两种类型的测试向量：并行向量和扫描向量，大多数数字测试系统都支持这两种向量模式。

格式、时序存储器单元（Format、Timing Storage Unit），存储了功能测试需要用到的格式和时序设置等数据和信息，信号格式和时间沿标识定义了输入信号的格式和输出信号的采样时间点。时序单元从向量存储单元接收激励状态（“0”或者“1”），结合时序及信号格式等信息，生成格式化的数据送给电路的驱动部分，进而输出给待测器件。

系统时钟（Test System Clock），为测试系统提供同步时钟信号，这些时钟信号的频率范围通常比功能测试频率高得多；这部分还包括许多测试系统中都包含的时钟校验电路（Clock Calibration Circuit）。

2.2.2　PMU的原理与参数设置

如图2.8所示，PMU包含驱动线路和感知线路（Force and Sense Line）。为了提升PMU的驱动电压精度，常使用4条线路的结构：两条驱动线路传输电流，两条感知线路监测DUT引脚的电压。由于电流经过线路时会产生压降，因此施加到DUT引脚端的电压会小于程序中设定的值，设置两根独立的感知线路去检测DUT引脚（Pin）端的电压，反馈给电压源，电压源再将其与理想值进行比较，并进行相应的补偿和修正，以消除电流流经线路时产生的偏差。驱动线路和感知线路的连接点称作“开尔文连接点”。

随着半导体工艺的发展，测试系统的测试机头从开始的只能安装引脚电路发展到可将其他功能模块全部集成到内部，在测试机头之外只保留用于操作的计算机。性能稍逊的或者老一点的测试系统只包含有限的参考电压源（Reference Voltage Source，RVS），同一时间测试程序只能提供少量的输入和输出电平，因而需要测试的多个引脚间共享测试资源。

当测试机的多个Test Pin共用某一种资源（如RVS）时，此资源称为共享资源（Shared Resource）。一些测试系统拥有“Per Pin”的RVS结构，即每一个测试通道独立地设置输入和输出信号的电平。

同样的情况也适用于PMU。一些低端的测试机只有一个PMU，通过共享方式被多个测试通道依次使用；中端测试机有一组PMU，一个PMU通道被若干个数字通道共享，这样可以让若干个通道同时使用PMU施加或测量直流参数；高端测试系统的PMU往往是Per Pin结构的PMU，每个引脚可以独立提供并测量电压和电流，我们称之为PPMU。但PPMU通常不具备4线开尔文连接方式，为了弥补这一不足，目前大多数ATE还提供了几组板级PMU（Board PMU，BPMU），保留了开尔文的4线连接方式，供用户在高精度驱动或测量时使用。

1. PMU模式设置

PMU兼具驱动和测量两种功能。可以配置的模式包括：

• 加压测流（Force Voltage Measure Current）模式（FVMI）
• 加流测压（Force Current Measure Voltage）模式（FIMV）
• 无施加（Force Null）模式（FN）

在使用PMU进行编程时，需要进行模式设置，可以选择电压驱动或者电流驱动，当选择电流驱动时，测量模式自动被设置成电压；反之，如果选择了电压驱动，则测量模式自动被设置成电流。选择驱动功能后，需要设置相应的驱动电压或者电流数值。

2. PMU量程设置（Range Setting）

PMU的驱动和测量本身是有范围限制的，在编程时必须选定合适的驱动和测量范围，合适的量程设定将保证测试结果的准确性。比如PMU最大输出电压为4V，而设定输出为5V，因超出了PMU输出能力而最终只能输出4V。同理，如果电流测量的量程被设定为1mA，则无论实际电路中的电流有多大，能测到的读数不会超过1mA。

3. PMU边界设置（Limit Setting）

PMU有上限和下限这两个可编程的测量边界，当实际测量值超过限定范围时，均会被系统判定为不良品。

4. PMU钳制设置（Clamp Setting）

PMU会被程序设置钳制电压或电流，钳制装置是在测试期间控制PMU输出电压与电流的上限以保护测试操作人员、测试系统及被测器件的电路（见图2.9）。当PMU输出电压时，必须设置最大输出电流钳制。驱动电压时，PMU会给予足够的电流以维持相应的电压，相当于一个稳压源。对DUT的某个引脚，ATE的驱动单元会不断增加电流以驱动它达到程序中设定的电压值。如果此引脚上出现短路，而没有设置电流钳制，则通过该引脚的电流会一直增大，直到相关的电路，如探针、探针卡、相邻DUT，甚至测试仪的通道全部烧毁。

图2.9显示了PMU驱动5.0V电压施加到250Ω负载电阻RL的情况。在测试中，该DUT是阻性负载。由欧姆定律

可知，在额定工作电压下，通过负载的电流应为20mA。器件可接受的最大电流（记录在器件规格书中）会大于工作电流，如Imax=22mA。此时电流上限边界可设置为22mA，钳制电流可设置为25mA。假如某一有缺陷的器件的阻抗性负载只有10Ω，在没有设置电流钳制的情况下，通过的电流将达到500mA，这么大的电流已经足以对测试系统、硬件接口和器件本身造成损害。而钳制电流设置在25mA，则电流会被钳制电路限定在安全的范围内，不会超过25mA，从而避免损坏。

电流钳制边界（Clamp）必须大于测试边界（Limit）上限，这样有缺陷的器件才能被程序正确识别（判断为Fail），否则程序中只会提示“边界电流过大”，而不会出现Fail。

当PMU输出电流时，测试器件则相应地需要进行电压钳制。电压钳制和电流钳制在原则上大同小异，如图2.10所示，这里不再赘述。

2.2.3　引脚电路的组成和原理

引脚电路（PE）的结构图如图2.11所示。

1. 驱动单元（输入）

驱动单元为DUT提供输入信号。PE驱动从向量存储单元获取格式化信号FDATA（Formatted Vector Data），格式信号为逻辑“0”或者“1”，从参考电压源RVS获取VIL/VIH参考电平被施加到格式化数据上。

如果FDATA驱动逻辑0，则驱动单元会施加VIL到DUT的输入引脚，也就是能被DUT内部电路识别为逻辑0的最大电压。若FDATA命令驱动逻辑1，则驱动单元会施加VIH参考电压到DUT的输入引脚，即能被DUT内部电路识别为逻辑1的最低电压。

驱动开关F1用于隔离驱动电路和待测器件，在进行输入-输出切换时充当快速开关的角色。当测试通道被程序定义为输入时，F1导通，控制开关（通常为继电器）K1闭合，使信号由驱动单元输送至DUT；当测试通道被程序定义成输出或者不关心状态（Don't Care）时，F1截止，这样可以保证驱动单元和待测器件同时向一个测试通道输送电压信号的输入输出（Input/Output，I/O）冲突状态不会出现。

2. 动态负载单元

动态负载（Active Load，也叫电流负载）在功能测试时连接到待测器件的输出端充当负载的角色，由测试程序控制，提供从测试系统到待测器件的正向电流或从待测器件到测试系统的负向电流，即拉电流（Current Output High，表示为IOH）和灌电流（Current Output Low，表示为IOL）：

• IOH指当待测器件输出逻辑1时其输出引脚必须提供的电流。
• IOL则相反，指当待测器件输出逻辑0时其输出引脚必须接纳的电流。

参考电压（Voltage Reference，表示为Vref）决定是IOH起作用还是IOL起作用；当待测器件的输出电压高于Vref时，ATE从被测器件引脚拉取电流IOH；当待测器件的输出电压低于Vref时，ATE向被测器件引脚灌入电流IOL。

电流负载开关F2作为高速开关负责切换输入、输出测试电路。当程序定义测试通道为输出时，F2导通，允许PE电路向待测引脚输出IOL或抽取IOH。当定义测试通道为输入时，F2截止，将负载电路和待测器件隔离。

动态负载可用于测试引脚输出电平（见3.6.4节），也可用于三态测试（见3.2.2节）和开短路测试（见4.4节）。

3. 电压接收单元（输出）

电压接收单元用于功能测试时比较待测器件的输出电压和RVS提供的参考电压：逻辑1（VOH）和逻辑0（VOL）。当器件的输出电压小于等于VOL，则认为它是逻辑0，当器件的输出电压大于等于VOH，则认为它是逻辑1；当输出电压大于VOL而小于VOH时，则认为它是三态电平或无效输出。

4. PMU

PMU通常用于DUT直流测试。当PMU需要连接到器件引脚时，K1先断开，然后K2闭合。这样可以达到PMU与PE的驱动、动态负载隔离，从而避免DUT输出被干扰。

5. PPMU

一些系统提供PPMU（Per-Pin PMU）的电路结构，以支持对DUT每个引脚同步地进行电压或电流测试。与PMU一样，PPMU可以驱动电压测量电流或驱动电流测量电压，但是可能不具备标准测试系统的PMU的其他功能，如PPMU通常不具备开尔文连接的结构，不具备高压大电流的量程等。