芯片测试：IC测试机-ATE

ATE/ATS内部结构简介

ATE/ATS:自动测试设备/自动测试系统，也称测试机是测试工程师在IC测试中必须使用的工具，本文主要从技术层面对ATE/ATS的组成及软硬件及其接口要求进行了简明扼要的论述，以便测试工程师了解、掌握。

通常将在计算机控制下，能自动进行各种信号测量、数据处理、传输，并以适当方式显示或输出测试结果的系统称为自动测试系统，简称ATS（Automated Test System），这种技术我们称之为自动测试技术。

在自动测试系统中，整个工作都是在预先编制好的测试程序统一指挥下完成的，系统中的各种仪器和设备是智能化的，都可进行程序控制。

自动测试系统（ATS）是一个不断发展的概念，随着各种高新技术在检测领域的运用，它不断被赋予各种新的内容和组织形式。自动测试技术创始于20世纪50年代，从20世纪50年代至21世纪的今天，大致分为以下三代。

• 第一代自动测试系统是根据测量任务专门设计的，主要用计算机技术来进行逻辑定时控制，主要动能是进行数据自动采集和自动分析，完成大量重复数据的测试工作，承担繁重的数据运算和分析任务。系统中的仪器采用专用接口，因此系统较为复杂，通用性差，不利于自动测试系统的推广应用。
• 第二代自动测试系统是尽可能利用现成的仪器设备，再利用计算机来共同组建成所需要的自动测试系统。为了系统组建方便，第二代自动测试系统中的仪器采用了标准化的通用接口，这样就可以把任何一个厂家生产的任何型号的可程控仪器连接起来形成一个自动测试系统。第二代自动测试系统示意图如图9-1所示。系统的典型方框图9-2所示。

图中表明，当前的自动检测系统，通常包括以下几个部分。

（1）控制器

（2）激励信号源

（3）测量仪器

（4）开关系统

（5）适配器

（6）人机接口

（7）检测程序

第三代自动测试系统 大体说来，它也是由微型计算机、通用硬件系统和软件系统三部分组成。但是，第三代自动测试系统主要体现以软件控制、以功能组合方式实现的合成仪器自动测试技术，以高速A/D、D/A和DSP芯片为基础组成通用测试仪器硬件系统（即通用硬件部分，结构如图9-3所示），而测试/测量任务的实现以及系统升级完全依靠软件来实现（即软件系统部分，如图9-4所示）。

通用测试系统架构

通用化自动测试系统（ATS）主要由图1所示的三个部分组成：

• 主控计算机、 其中“主控计算机”中的软件主要包括操作系统、编译器、测试执行程序（TP）。
• 总线仪器测控组合、 “总线仪器测控组合”中主要包括模块化测试测量仪器、各类控制开关、通讯总线等。
• 信号调理与转接装置。“信号调理与转接装置”主要包括各类测量与激励控制信号的转接与适配。

主控计算机及系统软件提供TP的开发与运行环境，并通过控制总线控制测试测量仪器完成TP的执行、取回测试数据，生成测试报表。

值得一提的是，作为通用化的测试系统应该具有一个开放式的结构，系统软、硬件各组成部分均进行模块化分割，各模块之间应该是通过标准接口（或协议）相互联系。

为了保证系统的灵活性，同时充分发挥设计人员的创造力，只需从接口上对开放式系统进行定义，而不需要定义各模块的内部具体实现，同时还要考虑到系统功能的可扩充性和技术的可升级性。

因此，作为通用测试系统两大重要组成部分的硬件系统和软件系统均需要具备灵活、开放的体系结构与接口设计。

通用测试系统硬件架构

通用测试系统硬件设计的关键在于UUT接口的标准化设计，UUT接口标准化的目的在于提供一种能够在多个UUT之间方便转换的硬件连接结构。

这种结构通过对机械连接机构、接插件和连接器的标准化规定提供了可工作于宽频带信号范围内的接口连接方式。

为采用VME总线、VXI总线、PCI总线、PXI总线仪器的通用测试系统提供了标准化（IEEE P1505转接装置接口(RFI)系统标准）的有力支撑。

图2是通用化硬件组成及接口原理示意框图。其中：开关矩阵(SWM)接口和ATS转接装置(RFX)接口是ATS的重要组成部分，因为ATS仪器和UUT是通过SWM来连接的，大多数的激励和测量信号是通过RFX作用到UUT上的。

标准RFX接口限制了不同类型信号在接收器的不同位置上出现，SWM可实现多种仪器与由标准RFX接口所确定的多功能终端的连接。SWM接口与RFX的标准化提高了互操作性，并降低了重组费用，可以确保测试UUT所需要ATS仪器能被切换到转接装置所需要的任何管脚。

通用测试系统软件架构

自动测试系统的软件是TPS的重要组成部分，直接影响通用测试系统的性能和效率。自动测试软件结构也有相应的标准。如图3所示，开放式ATS体系结构中包含了多种标准的开放式软件接口关系。

IEEE 1226中的测试基础框架（TFF）定义了开发和执行测试程序和测试流程的一系列接口，软件功能模块通过这些接口实现信息交换，这些带有标准接口的功能模块组成了测试基础框架。

但是标准并没有定义这些模块的实现，留给开发者很大的自由度，使之可以用C/C++或ATLAS等语言实现TFF。

在科学技术高度发展的今天，测试工作处于各种现代装备系统设计和制造的首位，是保证现代装备系统实际性能指标的重要手段。

代表着测试技术与仪器行业最高水平的通用ATE(自动测试设备) /ATS(自动测试系统) 技术，以商业成品设备和技术(Commercial Off The Shelf)为依托，采用开放的工业标准、低廉的设备价格、有效的技术支持和最新技术的商业产品和技术，在电子设备的生产与制造行业成为降低生产成本、提高生产效率的重要手段。

IC测试基本原理与ATE测试向量生成

IC测试主要的目的是将合格的芯片与不合格的芯片区分开，保证产品的质量与可靠性。随着集成电路的飞速发展，其规模越来越大，对电路的质量与可靠性要求进一步提高，集成电路的测试方法也变得越来越困难。

因此，研究和发展IC测试，有着重要的意义。而测试向量作为IC测试中的重要部分，研究其生成方法也日渐重要。

IC 测试

IC测试原理

IC 测试是指依据被测器件（DUT）特点和功能，给DUT提供测试激励（X），通过测量DUT 输出响应（Y）与期望输出做比较，从而判断DUT是否符合格。图1所示为IC测试的基本原理模型。

根据器件类型，IC测试可以分为数字电路测试、模拟电路测试和混合电路测试。

数字电路测试是IC测试的基础，除少数纯模拟IC如运算放大器、电压比较器、模拟开关等之外，现代电子系统中使用的大部分IC都包含有数字信号。

数字IC 测试一般有直流测试、交流测试和功能测试。

功能测试

功能测试用于验证IC是否能完成设计所预期的工作或功能。功能测试是数字电路测试的根本，它模拟IC的实际工作状态，输入一系列有序或随机组合的测试图形，以电路规定的速率作用于被测器件，再在电路输出端检测输出信号是否与预期图形数据相符，以此判别电路功能是否正常。其关注的重点是图形产生的速率、边沿定时控制、输入/输出控制及屏蔽选择等。

功能测试分静态功能测试和动态功能测试。静态功能测试一般是按真值表的方法，发现固定型（Stuckat）故障。动态功能测试则以接近电路 工作频率的速度进行测试，其目的是在接近或高于器件实际工作频率的情况下，验证器件的功能和性能。

功能测试一般在ATE（Automatic Test Equipment）上进行，ATE测试可以根据器件在设计阶段的模拟仿真波形，提供具有复杂时序的测试激励，并对器件的输出进行实时的采样、比较和判断。

交流参数测试

交流（AC）参数测试是以时间为单位验证与时间相关的参数，实际上是对电路工作时的时间关系进行测量，测量诸如工作频率、输入信号输出信号随时间的变化关系等。常见的测量参数有上升和下降时间、传输延迟、建立和保持时间以及存储时间等。交流参数最关注的是最大测试速率和重复性能，然后为准确度。

直流参数测试

直流测试是基于欧姆定律的，用来确定器件参数的稳态测试方法。它是以电压或电流的形式验证电气参数。直流参数测试包括：接触测试、漏电流测试、转换电平测试、输出电平测试、电源消耗测试等。 直流测试常用的测试方法有加压测流（FVMI）和加流测压（FIMV），测试时主要考虑测试准确度和测试效率。通过直流测试可以判明电路的质量。如通过接触测试判别IC引脚的开路/短路情况、通过漏电测试可以从某方面反映电路的工艺质量、通过转换电平测试验证电路的驱动能力和抗噪声能力。 直流测试是IC测试的基础，是检测电路性能和可靠性的基本判别手段。

ATE测试平台

ATE（Automatic Test Equipment）是自动测试设备，它是一个集成电路测试系统，用来进行IC测试。一般包括

• 计算机和软件系统
• 系统总线控制系统
• 图形存储器
• 图形控制器
• 定时发生器
• 精密测量单元（PMU）
• 可编程电源和测试台等。
• 系统控制总线提供测试系统与计算机接口卡的连接。
• 图形控制器用来控制测试图形的顺序流向，是数字测试系统的CPU。它可以提供DUT所需电源、图形、周期和时序、驱动电平等信息。

测试向量及其生成

测试向量（Test Vector）的一个基本定义是：测试向量是每个时钟周期应用于器件管脚的用于测试或者操作的逻辑1和逻辑0数据。

这一定义听起来似乎很简单，但在真实应用中则复杂得多。因为逻辑1和逻辑0是由带定时特性和电平特性的波形代表的，与波形形状、脉冲宽度、脉冲边缘或斜率以及上升沿 和下降沿的位置都有关系。

ATE测试向量

在ATE语言中，其测试向量包含了输入激励和预期存储响应，通过把两者结合形成ATE 的测试图形。

这些图形在ATE中是通过系统时钟上升和下降沿、器件管脚对建立时间和保持时间的要求和一定的格式化方式来表示的。

格式化方式一般有RZ（归零）、RO（归1）、NRZ（非归零）和NRZI（非归零反）等。

图2为RZ和R1格式化波形，图3为NRZ和NRZI格式化波形。

图2 RZ和R1数据格式波形?

图3 NRZ和NRZI数据格式波形

RZ数据格式，在系统时钟的起始时间T0，RZ测试波形保持为“0”，如果在该时钟周期图形存储器输出图形数据为“1”，则在该周期的时钟周期期间，RZ测试波形由“0”变换到“1”，时钟结束时，RZ 测试波形回到“0”。若该时钟周期图形存储器输出图形数据为“0”，则RZ测试波形一直保持为“0”，在时钟信号周期内不再发生变化。归“1”格式（R1）与RZ相反。

非归“0”（NRZ）数据格式，在系统时钟起始时间T0，NRZ测试波形保持T0前的波形，根据本时钟周期图形文件存储的图形数据在时钟的信号沿变化。即若图形文件存储数据为“1”，那么在相应时钟边沿，波形则变化为“1”。NRZI波形是NRZ波形的反相。

在ATE中，通过测试程序对时钟周期、时钟前沿、时钟后沿和采样时间的定义，结合图形文件中存储的数据，形成实际测试时所需的测试向量。

ATE测试向量与EDA设计仿真向量不同，而且不同的ATE，其向量格式也不尽相同。以JC-3165型ATE为例，其向量格式如图4所示。

ATE向量信息以一定格式的文件保存，JC-3165向量文件为

.MDC文件。在ATE测试中，需将

.MDC文件通过图形文件编译器，编译成测试程序可识别的*.MPD文件。在测试程序中，通过装载图形命令装载到程序中。

ATE测试向量的生成

对简单的集成电路，如门电路，其ATE测试向量一般可以按照ATE向量格式手工完成。而对于一些集成度高，功能复杂的IC，其向量数据庞大，一般不可能依据其逻辑关系直接写出所需测试向量，因此，有必要探寻一种方便可行的方法，完成ATE向量的生成。

在IC设计制造产业中，设计、验证和仿真是不可分离的。其ATE 测试向量生成的一种方法是，从基于EDA工具的仿真向量（包含输入信号和期望的输出），经过优化和转换，形成ATE格式的测试向量。

依此，可以建立一种向量生成方法。利用EDA工具建立器件模型，通过建立一个Test bench仿真验证平台，对其提供测试激励，进行仿真，验证仿真结果，将输入激励和输出响应存储，按照ATE向量格式，生成ATE向量文件。其原理如图5所示。

测试平台的建立

（1）DUT模型的建立

•① 164245模型：在Modelsim工具下用Verilog HDL语言[5]，建立164245模型。164245是一个双8位双向电平转换器，有4个输入控制端：1DIR，1OE，2DIR，2OE；4组8位双向端口：1A，1B，2A，2B。端口列表如下：

•② 缓冲器模型：建立一个8位缓冲器模型，用来做Test bench 与164245 之间的数据缓冲，通过 在Testbench总调用缓冲器模块，解决Test bench与164245模型之间的数据输入问题。

（2）Test bench的建立

依据器件功能，建立Test bench平台，用来输入仿真向量。Test bench中变量定义：