高可靠器件电参数测试覆盖性研究

2011-08-07宋锦

电子测试 2011年11期

宋锦

（海军驻北京航天科技集团公司第一研究院军事代表室，北京 100076）

0 引言

半导体器件已广泛应用于航空、航天等军用领域，性能和可靠性要求更高。要保证军用高可靠器件在恶劣的使用环境下长寿命工作，严格的电参数测试必不可少。由于受设备能力、技术水平限制，加上器件规范不完善（特别是一些国产专用器件）等原因，经常因电参数测试覆盖率低引起整机质量问题，必须加强这方面的研究。影响高可靠器件电参数测试覆盖性的因素总体上分为测试项目、测试条件和测试方法3个方面。

1 测试项目分析

即使严格按照器件规范测试，有时仍不能保证器件不出质量问题。如：某国产专用器件接口单元，如图1所示，使用中多次出现故障。器件规范中针对该单元仅有4项电参数：复合放大倍数、击穿电压、输出管饱合压降、输出管漏电流。这仅是复合管的基本参数，非该电路的固有参数，造成测试项目覆盖性低。通过分析线路结构增加了表1给出的测试项目（参数）后，器件再未出现故障。

图1 某国产专用器件接口单元电路图

表1 新增测试项目与作用

1.1 原因分析

通用器件（二极管、三极管、FET管、CMOS、TTL、运放、比较器、ADC、DAC、稳压器等）现已形成了成熟完善的电压测试项目。但对国产专用器件，由于设计师对器件理解、测试知识等存在差异，即便高质量等级器件，规范给出的电参数也往往不全，有时仅为用户的使用指标，非器件固有参数，造成测试项目覆盖性差。

1.2 解决办法

测试工程师是器件规范的第一个用户，应认真核查测试项目，从器件内部线路结构入手，并参考国外类似器件电参数表，保证测试项目能覆盖器件的所有结构、功能和引出端。

抽样测试典型值参数：规范中经常有一些参数只给出典型值（TYP），没有指标值，对于这种参数现在都不测试。其实它是好器件的期望指标值，更能代表设计和工艺水平，有些则是难以测试或特征性参数（电荷泵电流、温度系数等）。输入电容通常仅给出典型值，这是因为它基本是由设计版图和封装决定的。对高可靠器件应抽样测试典型值参数，评估器件的批次性工艺和质量水平。

正确设置保证性参数。器件规范中经常有一些电参数项有“保证值，未测试”或“由设计保证”等，如果没有质量保证文件确认，应作为必测项目。美军标中就没有保证性参数。

重视引出端测试。许多线性器件（如运放）有调零端、补偿端，测试时一般都将其接成使用状态或开路，不直接测试。这就存在着即使这些端口出现故障甚至开路也不能检测的质量隐患。必须增加针对性测试项目。在分析器件内部结构基础上，可采用加小电流（如100µA）测试电压方式检查管脚偏置情况。对调零端可在调零电阻为两个极端值条件下检测输出失调电压（调零范围）。

测试项目完整。一般认为比较器是线性电路，其实它是典型的混合信号电路，可看成是一位模数转换器（ADC）。测试时一定要检查其输出端的数字特性。类似的还有可编程增益放大器（PGA）。普通将模拟开关按数字电路对待，其实也是典型的混合信号电路。测试时一定要检测其通道的线性特性（导通电阻、频率响应、失真、通道串扰等）。

2 测试条件分析

现行电参数测试均为符合性测试，不是分析性测试。测试条件直接影响测试结果。如，某运放LM124在整机中功能异常（输出不变），但离线测试时仍合格。分析发现：该器件规范与美军标相比输入失调电压（VIO）等参数的测试条件不同，若按美军标条件测试，该器件输入失调电压（VIO）等电参数失效。

LM124输入级差分结构如图2所示。由于存在工艺缺陷，输入管Q1集电极-基极击穿电压仅为10.5V，不合格（共模输入电压最小值：28V）。但按规范在VCM=0V下测试时，Q1管和Q4管VCB=0V，小于其击穿电压10.5V，检测不出故障。若按美军标测试，VCB=28V。故障即暴露。

图2 LM124输入级差分结构电路图

2.1 原因分析

电参数都有其特定的测试条件，不能随意给定，应该覆盖器件所有可能的使用条件。

2.2 解决办法

推荐工作条件。每个器件都有其推荐工作条件，但并不当作参数测试，它的每项指标都应在电参数测试条件中逐一得到体现和保证。编制器件规范时，人们往往不重视测试条件（甚至不写）。其实军用器件的电参数指标并不比商用器件高，但它的电参数测试条件却严得多。规范应详细给出各参数测试条件。对通用器件，可与美军标（优先选用）或国外公司数据手册比对，复核测试条件覆盖性。对使用条件超出推荐工作条件的器件（这种情况一般不允许），必须按照实际使用条件严加测试，保证其覆盖性。

最坏条件。是指工作条件内影响电参数性能的最坏条件。测试时应覆盖各种最坏条件。不同器件的最坏条件需具体分析，如：电源拉偏、极限温度、最坏输入条件、最坏输出条件、最大功率等。

绝对最大差额值。指器件瞬时承受此极端条件而不受损伤，即使参数、功能异常仍可恢复，由工艺保证并不进行测试。但目前进货渠道复杂，经常出现“山寨”器件，极限指标难以保证。

3 测试方法分析

传统测试是基于规范的测试（SPOT），故障检测也是基于固定型（STUCK-AT）故障模式下的结构性（STRUCTUAL）和功能性测试，对一些工艺缺陷、漏电、弱故障等不起作用，这些故障通常不引起电参数和功能失效，却影响器件长期可靠性。近年来，基于缺陷的测试（DOT）研究方兴未艾。如果在传统SPOT基础上，采用基于缺陷的测试方法，暴露早期潜在缺陷，必将大幅度提高军用器件的测试覆盖率和可靠性。

3.1 静态功耗（IDDQ）测试

CMOS器件是由互补NMOS和PMOS管组成，在稳定逻辑状态下不同时导通，功耗电流实际是处于截止状态的MOS管总漏电流，非常小但却对故障及工艺缺陷敏感。

在图3所示逻辑门电路中，Q4管栅氧化层存在缺陷（呈低电阻状态）。要检测该故障必须进行通路敏化与故障激活，输入为0时：Q1和Q4导通；Q2和Q3截止。形成Q1漏——Q1源——Q4栅——Q4源——地的电流通道（道路敏化）；Q4栅为高引起栅源漏电（故障激活），功耗电流增大。而输入为1时，Q4栅压为低，且无电流通道，功耗很小。这样通过检测输入为0时功耗电流增大即可发现Q4管缺陷。

图3 逻辑门电路

静态功耗（IDDQ）测试优点，一是方便实用，故障可定位到晶体管级。不需要将故障传递到输出端，只要检测到电流变化。这使器件内部各MOS管具有很好的可控性和可观察性，简化了故障检测；二是可检测故障种类多。IDDQ测试不仅可以检测工艺缺陷（桥接、变形、掩膜问题、不完全腐蚀、寄生等）；而且可检测设计缺陷（浮栅、逻辑竟争、掩膜生成等）。这些缺陷往往需要老化实验或长期工作才能暴露出来，在一定程度上起着老化作用，而传统测试方法对此故障往往无效；三是测试向量短，故障覆盖率高。采用传统功能和结构性电压测试方法，将故障覆盖率从80%提高到90%-95%，测试向量往往需要增加一倍以上，如果加很小的IDDQ测试向量可获得同样甚至更好的效果。有时加20个向量就可使故障覆盖率提高到95%以上。

静态功耗（IDDQ）测试的不足是，对一些不引起电流增加的故障，如高速互连、开路、限制MOS管开启、引起弱逻辑的传输门、电容和电感性耦合故障等还不能检测。因此高可靠器件功能性和结构性测试仍不可或缺。

IDDQ测试向量有3种：随机测试向量（输入全部组合，覆盖率高，但测试时间长，对VLSI和SOC不现实）、伪随机测试向量（分块产生测试向量）、附加测试向量（针对故障表的测试向量）。实际测试中，可根据器件的门级逻辑图选择测试向量，使内部和外部各节点、触发器都经历高低电平状态。

如图4逻辑器件，要使所有节点都经历过高低状态变化，选择适当的测试向量进行IDDQ测试，向量数远小于功能测试。

图4 某器件逻辑电路图

3.2 主载波测试

测试转换器的微分非线性（DNL）时，需要测量曲线中所有有效编码（2N-全码测试），这是十分费时和困难的。近年出现了主载波测试，也是一种基于故障的测试，消除了测试向量中的冗余。

由DAC结构可知，它是采用一系列二进制加权电阻或电容将各位编码转换成二进制加权电流或电压，求和后即是此数码对应的模拟输出。表示为：

DAC输出=D0W0+D1W1+…+DNWN

D0，D1，…，DN二进制输入编码；

W0，W1，…，WN二进制权重输出（主载波）。

可以看出非线性失效是由各位权重元件的不匹配引起的，只要测量出W0，W1，…，WN值就可算出任一输入编码下的对应输出。测试WN的方法很简单，只需输入DN位为1其它位为0的数据码测试输出即可。由于各权重输出大小有数量级差别，很难用一个量程测试所有值。通过测试主载波转换（2N-1到2N，如8位转换器，00011111到00100000）时的输出精度和转换步幅，就可以保证转换器精度和微分非线性。测试向量由2N减为2N。

此方法也适应于模数转换器（ADC）。

3.3 导通电阻测试

导通电阻是模拟开关重要电参数。目前常采用的测试方法是：将通道输出端接地，从输入端施加电流并测量电压，然后算出导通电阻，这看似正确，其实存在两个问题，一是没有检测到整个输入电压幅度（通常为轨-轨幅度）下的导通电阻，若导通电阻为100Ω，测试电流为2mA，则输入电压仅为200mV；二是没有检测到满幅度交流信号阻抗（轨-轨中点为参考地）。

正确的测试方法如图5所示，负载电阻接轨-轨中点，在输入分别接VDD和VSS下测试导通电阻。模拟开关通常是双向的，还应反方向测试。共测试4项才能保证覆盖性。

图5 正确的导通电阻测试方法电路

3.4 回环（LOOPBACK）测试

近年来高速串行链（HSSL）通信获得广泛应用，如低压差分信号（LVDS）串化器和解串器，局域网（LAN）等，速度已达到数GHz，但现有设备很难测试其串口开关电参数。既然这类器件都是发送器和接收器配对使用，就可以将其串行差分输出、输入对接起来进行回环测试。这样既将测试转化为输入输出的纯数字测试，又相当于对器件进行了整机验证。

对于高分辨率模数转换器（ADC）和模数转换器（ADC）；角度数字转换器（SDC）和数字角度转换器（DSC）也可采用回环测试方法。