浅谈数字集成电路静态参数实验室间比对

孙灏 陈启航

摘 要 随着我国经济建设水平的不断提升，对于各类电子元器件的需求也是与日俱增。目前，国内数字集成电路的可靠性水平与国际水平相比仍存在差距，因此对电子元器件进行二次筛选十分重要。本文介绍了一种针对数字集成电路静态参数的特殊形式测量审核方法，主要测试构架分为测试系统工控机和主测试系统两大部分。测试系统工控机可保证整个测试环节的高效性及高质性，主测试系统主要由各类直流交流电源通道板组成的测试主机、外围电路搭建集成的测试夹具以及待测试的标准样品组成，采用模块化设计，确保了整个过程的快速、灵活与准确。最后，通过具体案例对各实验室间结果进行比对，证明该方法二次筛选结果的准确性。

关键词 集成电路;静态参数;测量审核

引言

针对数字集成电路二次筛选的效果评定，目前仍未有成熟的标准评价体系[1]，一般情况下，采用各类实验室之间的对比方式来确保其有效性，并且该类实验室均应通过中国合格评定国家认可委员会（CNAS）的能力认可。同时，各实验室为了确保所开展的试验检测活动具有社会公证效益，根据中国合格评定国家认可委员会的要求，在一定时间内，需要开展各类能力验证活动。

测量审核是通过对一件状态稳定的物品进行各类参数的测试[2]，并与其标准值进行对比分析，按照已经规定的活动规则进行评价，最终用于确认参与实验室具备该类检测活动能力的一种方式。通过这种方式可以对实验室相关检测活动开展结果形成有效支撑。实验时间比对是指按照预定的活动规则评价参与者所具备的能力。其目的不同，称谓方式也有所差别，测量审核是实验时间比对这一宽泛概念的一种专业化具体化方法，这一过程中所形成的数据也是中国合格评定国家认可委员会（CNAS）判断实验室能力的关键技术凭证。考虑到数字集成电路测试的标准特殊性，这里采用其他相关实验室得到的各类参数测量值作为标准值。

1数字集成电路测试

1.1 数字集成电路测试参数

数字集成电路是各类电子设备内部为实现不同功能所采用的最为广泛的一类半导体器件[3]。它是一种通过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等工艺，将具有各自功能的电路需要的电阻、电容、二极管、三极管等元件相连通并集成于极小的硅片上，再经由特殊的焊接工艺封装于管壳中，最终可实现不同逻辑功能的电子元器件。根据数字集成电路内所包含的元件规模，又分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（ULSI）。一个中小规模数字集成电路具有静态与动态两类测试参数[4]。典型的静态测试参数有输入（出）高（低）电平电压、输入（出）高（低）电平电流、电源电流等;典型的动态测试参数有输入电容、脉冲宽度、输入脉冲上升（下降）时间等。本文中所举案例主要为中小规模数字集成电路静态测试参数的比对分析。

1.2 测试原理及构架

本次数字集成电路静态参数采用的测试原理如下图1、图2所示：

其主要测试构架分为测试系统工控机和主测试系统两大部分。测试系统用工控机可保证整个测试环节的高效性及高质性，同时，较其他主流计算机而言具备更高的处理性能，在实际测试的各个环节实时对生成的测试数据进行分析并直观的显示最终结果。主测试系统主要由各类直流交流电源通道板组成的测试主机、外围电路搭建集成的测试夹具以及待测试的标准样品组成，采用模块化设计，确保了整个过程的快速、灵活与准确。本次使用STS6100大规模数字集成电路测试系统进行测试。参数包括输出高电流IOH、输出低电流IOL、输出高电压VOH和输出低电压VOL。

1.3 标准样品与測试条件

测试用标准样片管脚分布及描述分别见下图3和表1：

样片测试条件如下：

电源1与电源2均设置为 5V，Vil设置为0，Vih设置为5V，Voh与Vol均设置为2.5V。测试周期为10μs，第13管脚施加一低电平，第6、7、9、10、12管脚施加00100电平序列。当测试输出低电平电压时，第26号管脚施加低电平，第20号管脚负载电流灌入100μA，测得20号管脚输出电压即为输出低电平电压VOL。当测试输出高电平电压时，第26号管脚施加高电平，第20号管脚负载电流抽出-100μA，测得20号管脚输出电压即为输出高电平电压VOH。当测试输出低电平电流时，第26号管脚施加低电平，第20号管脚施加电平为1V，测得20号管脚输出电流即为输出低电平电流IOL。当测试输出高电平电流时，第26号管脚施加高电平，第20号管脚施加电平为4V，测得20号管脚输出电流即为输出高电平电流IOH。

2测试结果与分析

2.1 VOL测量结果与分析

测试对象为STS6100的VoL。在重复性条件下，测量标准样片的VoL参量，其6次结果如下表2所示：

由表2可得，VOL平均值Ave=100.237m V，其中：

重复测量所引入的不确定度，A类评定，使用bessel公式计算重复测量引入的不确定度：

（1）

电压测量分辨力所引入的不确定度，B类评定，视为均匀分布（最小分辨力为0.35mV）：

（2）

电压测量准确度所引入的不确定度，B类评定，视为均匀分布（准确度为3.2mV）：

（3）

合成标准不准确度：

（4）

扩展不确定度（k=2）：

（5）

由此可得：标准样片在STS 6100上测得的 VoL= 100.237mV，不确定度为3.704mV。

2.2 VOH测量结果与分析

测试对象为STS6100的VOH。在重复性条件下，测量标准样片的VOH参量，其6次结果如下表3所示：

由表可得，VOH平均值Ave=4.896 V，其中：

重复测量所引入的不确定度，A类评定，使用bessel公式计算重复测量引入的不确定度：

（6）

电压测量分辨力所引入的不确定度，B类评定，视为均匀分布（最小分辨力为0.35mV）：

（7）

电压测量准确度所引入的不准确度，B类评定，视为均匀分布（准确度为12.79mV）：

（8）

合成标准不准确度：

（9）

扩展不确定度（k=2）：

（10）

由此可得：标准样片在STS6100上测得的VOH= 4.896V，不确定度为14.77mV。

2.3 IOL测量结果与分析

测试对象为STS6100的IOL。在重复性条件下，测量标准样片的IOL参量，其6次结果如下表4所示：

由表可得，IOL平均值Ave=100.135μA，其中：

重复测量所引入的不确定度，A类评定，使用bessel公式计算重复测量引入的不确定度：

（11）

电流测量分辨力所引入的不确定度，B类评定，视为均匀分布（最小分辨力为8nA）：

（12）

电流测量准确度所引入的不准确度，B类评定，视为均匀分布（准确度为0.6μA）：

（13）

合成标准不准确度：

（14）

扩展不确定度（k=2）：

（15）

由此可得：标准样片在STS 6100上测得的IOL= 100.135μA，不确定度为0.732μA。

2.4 IOH测量结果与分析

测试对象为STS6100的IOH。在重复性条件下，测量标准样片的IOH参量，其6次结果如下表5所示：

由表可得，IOH平均值Ave=998.676μA，其中：

重复测量所引入的不确定度，A类评定，使用bessel公式计算重复测量引入的不确定度：

（16）

电流测量分辨力所引入的不确定度，B类评定，视为均匀分布（最小分辨力为80nA）：

（17）

电流测量准确度所引入的不准确度，B类评定，视为均匀分布（准确度为6μA）：

（18）

合成标准不准确度：

（19）

扩展不确定度（k=2）：

（20）

由此可得：標准样片在STS 6100上测得的IOH= 998.676μA，不确定度为6.93μA。

得到测量的参数值如下表所示：

3测量审核比对结果

样片通过其他实验室得到的标准参考值及本方法得到的实际测量值如表7所示：

测量审核的最终结论由En值表示，，若≤1则满意，若>1则不满意，可得结果如下：

最终可证参与的实验室数字集成电路静态测试参数具有证明效力。

总结： 本文介绍了一种数字集成电路静态参数实验室测量的方法，参数包括输出高低电流和输出高低电压。可以得到以下结论：

（1）该方法测量得到的参数值与其他同类实验室得到的测量标准值误差较小，可以作为一种推广的测量方式。

（2）该方法测量得到的不确定度相比较其他实验室获得的不确定度范围更大，可以进一步在测量技术手段上进行深入研究。

（3）本次试验获得的数据量并不多，在数据处理上可能存在些许偶然性偏差，在后续研究中，考虑加大数据量，对该方法的可适用性进行更好的论证说明。

参考文献

[1] 2017年中国集成电路产业现状分析[J].集成电路应用，2017（4）：6-11.

[2] 集成电路测试技术的应用研究[J].电子测试，2018（9）：93.

[3] 集成电路测试的意义和作用[J].电子技术与软件工程，2018（11）：99.

[4] 集成电路测试技术的应用研究[J].电子测试，2017（16）：96，90.