基于GPIB总线的芯片测试系统开发与应用

林 晨，艾 博，宗俊吉

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

随着半导体技术的高速发展，芯片需要测试的参数日益增多，对测试的自动化程度和准确性也提出了很高的要求。芯片测试系统是计算机和标准总线技术的模块化系统，一般由计算机、测试仪器和软件组成。由软件将计算机与测试仪器有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和测试仪器的测量、控制能力集成于一体，通过软件实现数据显示、存储与分析处理，广泛应用于芯片测试领域[1-2]。

建立一个可靠、稳定的计算机和测试设备有效通讯是保证信息交互的基础。而目前常用的通讯技术如RS-232（EIA RS-232），RS-485（EIA RS-232），MODBUS，CAN(Controller Area Network)，TCP/IP，GBIP（General Purpose Interface Bus）等协议，其中RS-232通讯接口信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片；MODBUS通讯作为常用的工业数据通讯，在处理大数据量通讯时效率较低；应用CAN通讯处理数据易出现信道堵塞，数据不一致等情况，影响数据传输稳定性；TCP/IP通讯应用的最大隐患是信息传递安全性较差[3]。

针对低温测试工艺条件及要求，要确保自动测试过程中信息的稳定传输，以保证测试效率，同时由于被测对象的测试数据越精确，对后续芯片可用性的判定越准确，故选取可进行高效率大量数据通讯的协议，基于此要求，选择GPIB通讯协议进行计算机与测试设备间的数据通讯。

1 系统硬件结构

芯片测试系统由通用接口总线(GPIB)、计算机和半导体测试分析仪组成，如图1所示。计算机与半导体分析仪通过GPIB总线相连，将控制命令发送到测试仪器，测得的数据被发送到计算机进行分析处理，从而实现数据和信号的传输。

1.1 测试仪器与测试条件

测试仪器采用Keysight B1500A半导体分析仪，其功能覆盖了从基本的电流-电压（IV）和电容-电压（CV）表征到快速、精准的脉冲IV测试的全方位测量。在0.1 fA～1 A/0.5 μV～200 V范围内执行精确的电流-电压（IV）测量，支持点测量、扫描测量、采样和脉冲测量，低采样间隔为5ns（200MSa/s）。Keysight B1500A带有IEEE488.2标准的GPIB端口，借助GPIB接口卡可以实现与计算机的实时通信。

1.2 GPIB通讯模块

GPIB接口卡采用的凌华科技（ADLINK）USB-3488A高性能USB接口GPIB卡，如图2所示。

图2 GPIB卡

GPIB总线是一种数字化的24脚并行总线，其中，8条负责数据传输，5条负责接口通讯，其余11条负责数据传输控制。使用8位并行协议，字节串行的双向挂钩和双向异步通信方式。数据单位是字节，数据以ASCII码字符串方式传送，数据传输率最高可达1 Mb/s。GPIB电缆一端连接器的外部结构如图3所示。

图3 GPIB电缆连接器的外观图

USB-3488A支持IEEE488.2标准通信协议[4-5]，本系统采用的部分指令为：

*CLS状态清除命令，清除状态字节寄存器、数据时间查询寄存器、标准时间状态寄存器、标准操作状态寄存器和其他寄存器；

*ESE标准事件状态启用命令，设置标准状态启用寄存器；

*ESE?标准事件状态启用查询命令，返回标准事件状态启用寄存器的值；

*ESR?标准事件状态寄存器查询命令，返回标准事件状态寄存器的数据；

*IDN?标志查询命令，返回标志字符串。字符串内容为：[制造商]、[型号]、[序列号]、[版本号]；

*OPC操作完成命令，在所有要执行的操作完成后设置标准事件状态寄存器为0；

*OPC?操作完成查询命令，在所有要执行的操作完成后返回ASCII字符；

*RST复位命令，将仪器重置为初始状态；

*SRE服务请求启用命令，设置服务请求启用寄存器；

*SRE?服务请求启用查询命令，返回服务请求启用寄存器值；

*STB?读状态字节查询命令，返回包含主汇总状态位的状态字节；

*TST?自检查询命令，启动自检并返回两种状态中的一种（0表示自检通过；1表示自检失败）；

*WAI等待完成命令，让仪器在执行下一个命令之前等待上一个命令完成。

2 系统软件设计

软件系统的设计采用VS2010作为开发工具，开发了一套基于Windows操作系统的低温芯片测试系统软件，对芯片测量系统进行控制和数据

处理，I-V数据的点测流程如图4所示。

图4 软件实现流程图

2.1 系统通讯搭建

GPIB发送开启测试仪地址命令，打开测试仪，部分代码为：

判断测试仪通讯是否连接主要通过识别GPIB反馈的特定标志，连接成功如图5所示：

图5 测试仪通讯成功图

2.2 开启测试

B1500A的点动测试的部分指令如表1所示。

表1 点动测试指令

实现测试部分程序为：

图6 测试过程图

①为电压值1 V时电流测试指令；

②为本次测试时间；

③为本次测试结果；

通过对③结果数据的提取、换算即可得到本次测试结果并存储到计算机。如此反复直到完成所设定的测试范围。

2.3 测试数据处理

计算机读取测试仪测量的电压、电流数据并保存。

通过计算机设置测试电压范围-1～0.2 V，步进电压0.1 V，电流量程100 mA，开始测试芯片电性能参数，测试数据如表2所示，其对应的测试曲线如图7所示，获取零偏电压，从而判断芯片是否合格。

图7 上位机测试曲线

表2 测试结果表

为了分析上位机测试结果的准确性，设置相同的测试参数，使用测试仪单独测试，其测试结果如图8所示。

图8 测试仪测试曲线

通过图7和图8比对可见，相同测试参数下，上位机测试结果与测试仪测试结果曲线态势基本一致，故认为通过上位机可有效控制测试仪进行测试。

3 结束语

针对低温测试的工艺要求，选用基于GPIB总线的通讯方式，实现了上位机控制半导体分析仪进行工艺测试，通过上位机与测试仪测试结果一致性对比分析，表明该系统测试准确可靠，而且数据传输快，操作方便。基于该系统采集被测芯片的电性能数据进行分析，通过对应的工艺参数要求，判定芯片是否合格。经过对芯片测试系统的多次考核测试，表明系统软件运行稳定、可靠，并且能够实时采集并分析被测芯片的电性能参数。

通过点测模式的研发为今后阶梯扫描式连续测试研发奠定了基础，提供了借鉴。