半导体集成电路电源拉偏测试研究

周圣泽，唐莎，唐锐，蔡志刚，罗宏伟

(工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610)

0 引言

半导体集成电路产品的数据手册和产品详细规范中都规定了电源电压的偏压范围。在测试过程中，需要对产品进行电源电压偏压范围的拉偏测试，直观的解决方式是在所有的测试条件下进行测试验证。目前，国内外测试标准中均没有明确测试时的最坏电源条件。在民用产品市场，为了提高测试效率和减少成本，一般只进行标称电源电压下的测试；在军用产品领域，为了保证具备较全的测试覆盖，一般对所有的参数无差别地在所有的电源电压条件下进行测试验证，因此测试效率较低且成本较高。为了能够既保证测试过程具有较高的测试覆盖率，同时又能够提高测试效率、降低测试成本，需要确定各类参数的最坏电源偏置条件。

1 电源电压的偏压要求

电源拉偏是指产品要求文件 (如产品详细规范、数据手册等)规定的电源电压相对标称值的偏离范围，一般在详细规范电特性表或者产品数据手册的电特性表中进行规定，其一般常见的规定范围为：标称值×(1±10%)或标称值×(1±5%)。

此类有电源偏压规定的产品，在测试实现过程中，一方面要考虑测试要求的满足性，即如何证明器件完成了电源电压规定范围的参数测试；另一方面要考虑测试效率和测试成本。在我国现行的半导体集成电路标准体系中，关于试验和测试的基础标准GJB 548B-2005中的有关规定为 “应在最坏情况条件下进行测试”。其中最坏情况的一个条件就是电源电压[1]，但对具体产品型号的不同参数的最坏条件并未进行规定，并且在现行的半导体集成电路标准体系中的20多个针对不同产品门类的测试方法标准中，对电源电压的规定均要求 “满足详细规范的规定”，但并未对具体参数的最坏情况进行规定。

2 参数测试的最坏电源条件

集成电路产品包含了多种参数，一般可将集成电路产品参数分为静态参数、动态参数、功能和开关参数4类，具体型号产品的参数分类一般在详细规范或数据手册中规定。

2.1 静态参数

静态参数是指用来表示器件直流特性的电参数。例如：直流电压、直流电流、直流电压比、直流电流比、直流电压与直流电流之比和漏电流等。

对输入高低电平参数而言，该参数受电源电压的影响需根据产品的结构来确定，一般而言，集成电路的输入高低电平采用功能验证的方式进行。采用最小噪声容限边界电压作为输入高低电平的输入激励，并判断电路的工作状态或输出指标是否满足规范或手册要求。由于输入端噪声容限随着电源电压的降低而降低，一般而言，较低的输入电压会导致较小的噪声容限，器件工作在更为严酷的状态下，因此，对于一般的集成电路而言，电源低压拉偏是输入高低电平测试的严酷条件。对于级联电路或者模拟放大电路而言，除去低电源拉偏导致的噪声容限降低外，电源波动可能带来级联倍增或放大效应，从而导致后级电路的工作状态异常，并进一步地导致器件参数与正常状态偏离较大；严重情况下，可能会导致器件工作状态异常。对于此类电路，采用电源电压标称值、高拉偏和低拉偏3种情况下的测试基本上可以满足对电路的最严酷情况的考核要求。

对输入漏电流参数而言，该参数的测试采用加压测流的方式实现，在器件内部结构中，漏电流的产生主要是反向二极管，对MOS器件而言，其漏电流主要是绝缘栅的介质漏电流。其特性一般与所施加的电压成正比例关系，对于产品而言，较小的漏电流表明器件具有更好的漏电特性和功耗损失，因此，高电源拉偏是该参数的最严酷条件。

2.2 动态参数

动态参数是用来表示器件交流特性的电参数。例如：电压或电流的方均根值，或它们随时间变化的值，或它们之间的比值。以谐波失真参数为例，该参数是指在规定的条件下，输出信号包含的各个谐波分量的功率与特征频率下的功率占比情况。该参数主要表征器件的线性失真特性，主要受产品的结构和工艺的影响，在电源电压该影响因素层面，影响谐波失真参数的主要是电源的波动特性，若电源电压设置在低或高拉偏的固定值情况下，对该参数的影响不大，为了保证对规范或手册要求的拉偏测试要求，在测试过程中，可进行电源电压标称值、高、低3种条件下的测试过程，可基本覆盖产品随电源电压变化的基本要求。

2.3 开关参数

开关参数是指与输出电平转换有关的参数，或与阶跃输入响应有关的参数。例如：传输延迟、传播延迟、上升/下降时间和转换时间等。

对于开关参数，电源电压对其的影响是通过对整个器件的工作链路状态来施加的。一般而言，数字集成电路晶体管开关工作特性主要是内部前后级开关的充放电过程，后级电路主要是晶体管的栅极，粗略简化为电容负载；前级电路为晶体管的导通闭合过程，粗略简化为具有一定内阻的电流源，如图1所示。较大的电源电压，其充放电电流I较大，在具备固定的电容负载情况下，充放电时间较短，也就是完成数据转换的速度较快，表现为较短的时间延迟。对于绝大部分数字电路产品而言，开关参数特性参数的电源低拉偏是参数测试的最严酷条件。

图1 晶体管开关前后级电路简化图

2.4 功能验证

按顺序实现功能 (真值)表的通过、通不过试验。器件功能验证的表征方式有多种，例如：逻辑功能正确、时序状态正确、输出功率正常和输出指标在规定范围内等，总体要求是器件正常工作。因此，在进行功能验证时同时涉及对多种参数的验证。大部分数字集成电路的表征是逻辑状态正确和时序状态正确。因此时间参数和输入、输出电平是最重要的参数指标。针对采用不同参数指标来表征器件功能的产品类型，其最坏电源条件有可能不同，应结合产品的具体结构和所表征参数的具体结构进行分析确定。例如：以时间参数或者频率来表征功能是否正常，一般而言，较短的时间延迟 (可在更高的频率下工作正常)说明器件的功能较好，电源电压低拉偏是功能验证的最坏条件；采用功耗参数来表征器件的功能验证情况，由于高电源电平会导致更大的器件工作电流，因此，器件功能验证的最坏电源条件是电源低拉偏设置条件。

因此，产品功能验证应在标称电源电压、电源电压高拉偏和电源电压低拉偏情况下进行测试，以保证器件满足产品规范和数据手册的要求。

3 试验验证及数据分析

试验验证过程采用54系列产品 (54HC240反相输出三态八缓冲驱动器)，此电路为单电源供电，但电路可以工作在多种电源条件下，分别为6、4.5、 2 V。

3.1 测试验证方案

针对产品的3种电源情况规定，对电源电压VCC分别进行±10%的拉偏测试，验证电路共10只，验证参数包括输入漏电流、输出转换时间和功能验证 (以交流参数、输出转换时间和传输延迟时间来表征，交流延迟时间越少，表明器件可工作的时钟频率越高)，测试验证平台为Advantest V93000测试机台。

3.2 测试数据及结果分析

10只器件的测试验证结果如表1所示。验证参数包括输入漏电流 (IIL和IIH)、传输延迟时间(tPHL和tPLH)和输出转换时间 (tTHL和tTLH)，功能测试按照传输延迟时间和输出转换时间的结果来表征(时间越短，表明器件可工作在越高的工作频率下，性能越佳)。 “符合比例”该列为统计结果，统计某参数随电源电压变化的比例关系，该产品为8缓冲器电路，共8个数据输入和8个数据输出端 (除去使能和控制端)，每个参数测试8个数据端口的参数，共10只电路，统计符合比例的端口占所有端口的比例情况。

式(1)中：n——占比情况(符合比例)，≥50%；

N+——呈现正比例关系的端口数量；

N-——呈现反比例关系的端口数量。

从验证结果来看，静态参数 (输入漏电流)随电源电压的变化呈现正比关系，由于该产品为MOS结构数字电路产品，其输入结构主要是栅极电路，漏电流的测试是针对输入端口进行加压测流，因此漏电流主要来源于栅极电容漏电流。在IIL和IIH测试时漏电流主要受偏压影响，因此在电源电压变大时，漏电流稍有增加。在不考虑测试机台精确度、测试夹具影响的情况下 (同芯片、同端口)，各个端口随电源电压拉偏测试结果与电源电压变化呈现弱正比关系，符合比例约为74%。

传输延迟时间和输出转换时间两类参数均属于开关参数，由于电压增大，晶体管开闭时间均缩短，在3种电源电压设置条件下，其测试结果均呈现出与电源电压变化的强反比关系，该参数的最坏电源电压条件是低拉偏情况 (下拉10%)。

表1 验证测试结果分析

表2 电源变化关系说明

4 结束语

为了提高集成电路的测试效率并节约成本，需要确定半导体集成电路参数测试时电源电压的最坏条件，满足相关标准规定的最坏条件下的测试过程。半导体集成电路各类参数的最坏条件需要根据器件实现的具体结构来确定。根据产品实现的实际晶体管结构模型和待测参数的测试原理，从而确定该参数随电源电压的变化规律，进一步地确定参数测试时的最坏电源条件。复杂集成电路如数模混合电路、多电源电路的最坏电源条件相对更为复杂，需要结合产品的测试结构和实际的测试验证数据来确定。