集成电路极性测试“微整机”研究与应用

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072）

1 引言

集成电路极性测试一般指选择电路一个特定管脚进行电性能量测，快速判断电路放置是否反向、错位等，便于后道工序进行人工或机械自动化重新放置，规避电路发生测试异常风险。其属于集成电路成品测试阶段的一个项目，在一些高速测试平台上比较常见，比如转塔设备，极性测试被直接做成一个测试工站。

目前集成电路极性测试多数依赖于集成电路自动测试机（Automatic Test Equipment，ATE），功能强大和应用成熟的ATE 实现集成电路极性测试没有任何压力，但是测试性价比对于生产而言就是负利润。本文基于集成电路极性测试原理，研究并采用纯硬件的方式制作一款集成电路极性测试“微整机”，能和机械手（Handler）进行信息交互，实现自动化测试，具备简单、稳定、高效和极低成本的特点。

2 集成电路极性测试原理

集成电路极性测试（以下简称极性测试）原理和集成电路开短路测试（以下简称开短路测试）原理一致，都是对电路管脚的ESD 静电保护二极管的正向导通压降进行量测判断（特殊电路管脚结构不在此文章讨论范围），分Open Short to VDD（电源端）和Open Short to VSS（地端），通用测试原理参见图1，图中箭头方向代表电流流向。

图1 通用极性测试原理

以Open Short to VDD 测试为例，先把电路的VDD 引脚接0 V（或接地），再给每个电路引脚（DUT Signal Pin）施加一个100～500 μA 从测试机到电路的灌电流，电流会经上端二极管流向VDD（0 V），然后测量引脚的电压，正常值应该是一个二极管的导通电压，在0.7 V 左右，一般设参数上限为1.5 V，下限为0.2 V，大于1.5 V 判断为Open Fail to VDD，小于0.2 V判断为Short Fail to VDD。Open Short to VSS 测试方法类似，只是施加电流的方向反置，测试参数值为负值。

极性测试只需要选择一个特定电路引脚进行量测判断，而开短路测试一般情况下要扫描量测到所有的电路管脚。极性测试关注“快”，开短路测试关注“全”。

3 集成电路极性测试方法

3.1 ATE

对于测试工程师而言，ATE 是第一选择，原因在于其具备复杂且功能齐全的硬件资源，有熟悉的开发环境（指令已封装，无需底层开发），有友好的人机界面（参数设置和数据呈现可视化）和与机械手通讯的标准化接口等。但对于只需要测试电路某个特定管脚极性的需求，从性能上看，测试机能力应用不足1%，资源浪费严重；从空间上看，机械手空间本身就很紧凑，一台极性测试机和一台功能测试机同时在线，生产场地6S 管理会无法顾及；从成本上看，利用几万/几十万甚至百万单价的ATE 测试机进行极性测试是很不划算的。

3.2 极性测试“微整机”

基于ATE 极性测试原理，解析ATE 实现极性测试的硬件，在此基础上进行演变，设计并制作一款和ATE 具有同等极性测试能力的“微整机”，替代ATE所需的测试头（Test Head）、PC 主机和通讯主板等。极性测试“微整机”体现在两个“微”，一个是功能，只做极性测试，专机专用；一个是体积，只有传统ATE 体积的几百分之一。其典型的功能实现框图如图2 所示。

从图2 可以看出，极性测试“微整机”和传统ATE测试流程一致，功能需求的核心是“开路”“短路”“反向”和“正常”4 种电性能状态的判断和归类。

极性测试“微整机”用4 路比较器、2 路OC 与门等实现PN/NP 型产品上述功能需求，其电气原理如图3 所示。

极性测试“微整机”由供电单元Ⓐ、输入单元Ⓑ、比较运算单元Ⓒ和通讯接口单元Ⓓ4 部分组成，具体工作原理说明如下（为便于论述，均以PN 型产品为例进行阐述）。

图2 极性测试“微整机”功能实现框图

3.2.1 供电单元Ⓐ

供电单元使用DC（直流电源）24 V 作为输入，经过一块7812 三端稳压电路输出DC 12 V，这2 个直流电源是极性测试“微整机”的功耗来源。DC 24 V 直接使用机械手内部标准电源模块。

3.2.2 输入单元Ⓑ

输入单元由光耦器件（U2、U3）、PN/NP 型二极管（D3-PN、D3-NP）、电阻（R1、R2、R3、R4）和开关（SW2、SW4）组成，具体功能描述如下：

通过SW2 将D3-PN 二极管接入待测试回路，SW4 触发PN Start 信号（模拟机械手开始信号，便于仿真，实际机械手开始信号来自控制单元PLC 或板卡的I/O 端口），U3 AK 导通，R4作为限流电阻使用。U3 CE 导通并维持电压在VNP（此时VNP是VCE的导通压降，约0.2 V）。U2 AK 未使能，U2 CE 未导通，DC 12 V通过R1给D3-PN 二极管提供正向导通电流（一般为100～500 μA，由R1阻值确定），VPN是D3-PN 的正向导通压降和VNP的和，数值一般在0.65～1 V 之间（不同的PN 管导通压降会有差异），作为输入传递给比较运算单元。

3.2.3 比较运算单元Ⓒ

比较运算单元是极性测试“微整机”的核心，由一个4 通道差分比较器U6、可调式电阻（RV2）、电阻（R5、R6、R7、R8）组成。DC 12 V 通过RV2、R5、R7分压得到Vo1和Vo2，根据不同的PN 管测试需求通过RV2进行Vo1和Vo2两个数值的微调，进行输入值VPN和Vo1、Vo2的比较，最终实现如表1 所示的逻辑表。其中4 通道差分比较器的输出级均为集电极开路（Open Collector，OC）门，需要接合适的上拉电阻（R6，R8）进行负载能力控制才能起到预期的输出效果。

图3 极性测试“微整机”电气原理

表1 极性测试“微整机”比较运算逻辑表

根据表1 所示，Vo2的数值介于0.23～0.93 V 之间，Vo1的数值根据测试需求一般设置在1.5～2.5 V 之间，根据Vo1和Vo2的数值需求设计R5、R7和RV2的具体阻值。

3.2.4 通讯接口单元Ⓓ

通讯接口单元用于和机械手进行信号交互，实现自动化测试。工作逻辑见图4，由光耦器件（U4、U5）、限流电阻（R9、R10）和两个发光二极管（D1、D2）组成，由比较运算单元的输出Y 决定发光二极管的点亮与熄灭，主要用于操作人员对量测结果进行直观的可视化判断，也便于后续调试、维护和故障检修，同时也是机械手的输入信号（机械手控制单元PLC 或板卡的I/O 端口会进行信号抓取），用于电路分选判断。

图4 机械手信号交互逻辑

NP 型二极管的量测原理同上，可根据实际测试需求进行灵活配置。

4 结束语

极性测试“微整机”硬件由2 个集成电路（一个4通道比较器和一个3 端稳压电路）、4 个光耦、2 个发光二极管及若干电阻、电容等组成，功能实现和ATE 的测试方法、自动化流程完全一致，只是其聚焦定位极性检测。

极性测试“微整机”成本不足百元，和ATE 动辄几万/几十万甚至百万的成本相比有天壤之别。“微整机”成本上的巨大优势只是表面，更重要的是对电路测试原理的深刻领悟和再应用。目前，极性测试“微整机”已经过Proteus 8 仿真并投入实际量产应用。