如何选择正确的ICT测试设备应对低电压器件的测试挑战

过去十年来，采用低电压技术的芯片正变得越来越流行，半导体厂商不断推出性能更强、封装更小、电池寿命更长的产品以满足市场需求。随着芯片工作电压持续不断地下降，甚至单个系统中也更多地采用了多种低电压标准(例如英特尔的奔腾处理器芯片组就有四种不同的逻辑低电平)，低电压技术的发展已经对既有的在线测试(ICT)设备提出了新的挑战，低电压芯片会引起电压测试精度降低，同时也会使PCB上的元器件更易因测试而受损。为此，PCB自动测试设备厂商开发出了一系列新技术加以应对。 输出阻抗影响电压测试精度 为了对数字器件进行加电的矢量测试，在线测试设备使用了驱动器/比较器(D/S)，它们可以驱动被测器件的输入/输出管脚，以使之到达所需的逻辑状态并进而测量输出管脚的逻辑状态。一些驱动器的数字管脚设计为低阻抗电流源，通常可输出或吸收600mA或更大的电流。这一电流源驱使电路板上的节点迅速到达测试所需的逻辑电平。当对被测器件的输出管脚进行瞬时饱和驱动、促使输出管脚到达其相反逻辑状态时，我们称之为反向驱动。ALT="图1：驱动器精度随着反向驱动电流的增加而下降"> 加电矢量测试技术已在在线测试设备中成功使用了二十年。然而，目前传统的在线测试设备却越来越难以准确、可靠并安全地测试各种新型低电压器件。这主要是传统的在线D/S管脚设计不够精密，同时可能会违反当今低电压技术规范中有关最大电压和电流的严格限制。为了成功地进行低电压测试，在线驱动器必须足够精确并提供被测器件输入管脚所需的逻辑高/低电平。此外，在线比较器也必须足够精确，以检测器件输出管脚上的逻辑高/低电平的差异。 多数使用D/S设计的传统在线测试设备带有线驱动器(rail driver)和简单的比较器。由于使用商业现货器件，这种测试仪设计简单、成本低廉并且易于使用。线驱动器的输出阻抗通常约为5Ω，无负载驱动误差约为150mV，而比较器的输入电压误差通常超过300mV。较为精密的在线测试设备通常使用闭环回路和定制化ASIC，极大地提高了驱动器和比较器的精度。此类设计成本高并且较难应用，但是它们的输出阻抗非常低(1Ω及以下)，驱动器/比较器误差也更小(100mV及以下)。在无负载电流时，两种D/S设计都可以测试超过1.2V的电压器件。不过受到本身的管脚比较器精度的影响，较简单的测试仪无法精确测试低于1.2V的电压。在反向驱动时，由于它的线驱动器管脚输出阻抗较高，它甚至连高电压都无法测试。 如上所述，当在线驱动器需要瞬时过电流驱动某个元件输出，使其逻辑状态达到相反状态，这称为反向驱动。在特定的电路设计、或PCB上特定的故障情况下以及当测试程度中缺少有关器件测试隔离代码时，采用反向驱动技术变得相当普遍。对PC主板典型的在线测试程序进行分析得知，在56个数字器件的测试中有17个器件需要反向驱动；而156次反向驱动事例中的电流均大于50mA。反向驱动电流的中值为176mA，最高值为600mA，持续最长时间为2.5ms。在使用高输出阻抗线驱动器的在线测试设备中，如此大量的反向驱动会引发问题，当反向驱动电流增加时，管脚驱动器的电压精度会大幅降低。 高输出阻抗驱动器的精度随着反向驱动电流的增加而迅速下降。当反向驱动电流为100mA时，驱动器的精度已不足以测试1.2V逻辑电平；当反向驱动电流为200mA时，驱动器无法测试3.3V逻辑电平；当反向驱动器电流超过300mA时，驱动器无法测试5V逻辑电平；而当反向驱动器电流达到500mA时，高输出阻抗驱动器的误差甚至会达到2V。相比之下，低输出阻抗的驱动器精度较为稳定，即使在反向驱动电流高达400mA时仍能测试0.8V逻辑电平。从实验中我们了解到高输出阻抗和低输出阻抗的驱动器在反向驱动和非反向驱动情况下的性能。波形表明，当负载为6Ω时，原来计划驱动1.2V的高输出阻抗驱动器实际只能驱动0.58V。相比之下，低输出阻抗驱动器在负载为6Ω时则可实现1.07V的驱动。 潜在故障和应对措施 由于器件尺寸更小同时最大电压阈值更低，低电压器件更容易出现下列故障：栅氧化层击穿、ESD二极管过应力和CMOS锁闭等。由于低电压器件采用更薄的晶体管栅氧化层，因而在过压情况下也更容易受损。这种损伤称为时间相关介电击穿，它与时间、温度、电压和栅氧化层宽度有关。当加在器件管脚上的电压超过其最大额定电压时会出现栅氧化层击穿现象。例如，英特尔FSB/PSB总线的额定电压为1.75V。如果与总线连接的器件管脚电压长期处于1.75V以上，那么晶体管的栅氧化层便会受损。 大多数传统的在线测试设备的D/S管脚都被迫使用相同的逻辑电平(16或32个管脚使用相同的逻辑电平)。这种设计成本低廉，但当同一组中的D/S管脚与电压不同的被测器件管脚相连时便会出现问题。这种情况下，编程者不得不给该组中的所有管脚分配相同的逻辑电平，从而使某些低电压器件的管脚电压超过最大额定值。使用高输出阻抗驱动器的在线测试设备也非常容易出现过压情况，因为编程者试图通过提高编程电压来补偿由于管脚驱动器反向驱动而产生的电压误差。ALT="Alan Albee：低电压技术的发展对既有的在线测试设备提出了新的挑战"> 先进的在线测试设备提高了D/S精度并对驱动器进行了重新设计，如此可对每个管脚独立编程设置其所需的逻辑电平，从而避免了上述潜在问题的发生。这种管脚独立编程性可避免器件管脚电压超过其最大额定电压，从而保证器件的每个管脚都工作在适当的逻辑电平阈值内。 当ESD保护二极管的反向驱动电流超过额定最大值时还会出现ESD二极管过应力现象。一些器件厂商建议ESD二极管的电流不应超过100mA。如果超过这一额定值，在出厂测试时无法发现此类ESD二极管损坏，但随后却会在现场应用中出现故障。带有受损ESD二极管的器件容易受到静电放电的攻击，从而降低性能，甚至引发灾难性故障。目前，多数在线测试设备尚无法确定和避免ESD二极管过应力情况。 CMOS锁闭是当一对晶体管组成等效的PNPN或NPNP可控硅整流器(SCR)时会出现的情况，它会在器件内形成从电源到接地之间的低阻抗、高电流通路，并造成器件误操作和永久性失效。闭锁通常是由于CMOS器件的输入端出现快速上升或者下降电压脉冲而引起的。静电放电或在线测试中某个输出因受到反向驱动而突然改变其逻辑状态均会造成CMOS锁闭。 为了避免数字在线测试中出现这种潜在的有害电压脉冲，我们必须使用多层数字隔离技术。多层数字隔离技术可确保测试网络中的所有输出得到控制，并得知其在连接到数字驱动器前的状态。一些在线测试设备只隔离那些与被测器件输入直接相连的输出，但它无法有效防止那些不与被测器件直接相连的电路网络出现电压脉冲。 另外，测试持续时间对被测器件也有重大影响。流经反向驱动元件的电流会导致器件输出接点和接合引线的温度升高，而IC的最大安全反向驱动时间是一个与反向驱动IC的管脚数、电流大小、封装方式和制造工艺有关的函数。如果由于反向驱动时间过长而导致引线温度超过熔点，那么便会引发引线失效或疲劳，从而产生潜在故障并缩短元件寿命。 因此，在出现反向驱动的时候在线测试设备必须尽量缩短测试时间。一些在线测试设备的管脚电路系统中带有专用的数字控制器和存储器，可实现精确定时并快速有效地进行矢量测试。落后的在线测试设备所需测试时间较长，因为测试过程中必须从PC中传递测试矢量。但这些测试设备的定时与所用PC类型、传输数据量以及PC上运行的其他程序有关，因此极难预测。为了比较两种方法的性能，我们进行了如下试验：在测试1,000个矢量时，不带专用数字控制器的测试设备所需时间为带专用数字控制器的测试设备所需时间的520倍(104ms对0.2ms)。缩短测试时间可减轻对反向驱动元件的压力，并减少与板上动作相关的电压脉冲出现。 低电压在线测试策略决定设备的选择 许多情况下传统的在线测试设备无法准确、安全、可靠地进行低电压测试。因此PCB制造商们在测试时必须处理相关问题，对一些测试策略进行折中处理。 降低故障检测覆盖率，如果在线测试 D/S管脚精度不够，无法驱动和感应低电压管脚，厂商必须决定是否放弃测试该元件，或是换用一种非加电无矢量测试技术，如模拟电容开路测试或二极管结测试技术。但这样做的代价将是降低诊断精度并可能导致故障机会上升。这主要是由于传统在线测试设备的驱动器和比较器精度不够，同时逻辑高/低电平间的误差幅度减小，好的低电压元件极有可能被误判为故障元件。因此，厂商如果希望能准确、安全、可靠地测试带有低电压器件的PCB，在选择在线测试设备时应注意下列问题。 首先，在线测试设备的驱动器精度应不超过100mV，输出阻抗应小于1Ω。这样可保证驱动器能够测试低于0.8V的低电压，以及驱动器在无负载和反向驱动情况下的精度。在线测试设备的电压输入误差应小于100mV，这样便可有效区分1.2V以下的低电压器件的高/低逻辑电平的不同。 其次，在线测试驱动器应当能实时测量反向驱动的电流和持续时间。这样便能识别需要超大反向驱动电流的情况，并能指出测试程序中遗失或不恰当的器件隔离。在线测试编程人员还应该可设置每个器件管脚的最大反向驱动电流和持续时间，从而避免在电路板故障时敏感器件出现过压现象。此外还要能识别传统在线测试设备无法检测的故障(如故障使能管脚和状态临界的输出晶体管)。 此外，在线D/S管脚应该可独立设置逻辑电平阈值(而不是整组管脚)、反向驱动限制条件及电平摆率。这样编程器和测试生成软件可为器件上的每个管脚设置恰当的逻辑电平。在线测试设备应该具有专用的数字控制器硬件，能够迅速执行数字化测试矢量而且保持测试时序的一致性和重复性。带有专用数字控制器的测试仪速度快、反向驱动更少同时测试结果重复性更好。 最后，在线测试设备应该具有测试程序生成和电路分析软件，可自动禁止/停止PCB上与受驱动测试网络相连的任何输出。这可避免在反向驱动输出的逻辑状态突然改变时出现潜在有害的电压脉冲。

作者：Alan Albee