雖然可以對各種器件進(jìn)行開(kāi)路和短路測試，但這在半導體驗證測試中最為常見(jiàn)。本文將詳細描述在CMOS芯片上測試開(kāi)路和短路的過(guò)程。

 

在深入研究開(kāi)路和短路測試的技術(shù)細節之前，我們必須首先了解其與半導體驗證的相關(guān)性。半導體驗證通常分為結構和功能兩部分。結構測試可確保芯片正確構建。功能測試確定芯片是否符合設計規范并在最終環(huán)境中按預期執行。打開(kāi)和短路測試檢查半導體芯片的保護二極管電路中的故障。因此，它是一種結構測試。
 

下圖表示典型的CMOS芯片?？梢钥闯?，每個(gè)引腳都具有保護二極管和CMOS晶體管的網(wǎng)絡(luò )。

 

 

圖1： CMOS芯片的內部電路

 

每個(gè)輸入引腳上的CMOS晶體管通過(guò)允許電流從V DD（芯片的電源電壓）流入DUT電路以及從DUT電路流向V SS（地）來(lái)起到開(kāi)關(guān)的作用。如果在輸入或輸出引腳上感應出過(guò)壓，可能會(huì )損壞CMOS晶體管。為了保護這些器件，每個(gè)信號引腳都放置了兩個(gè)二極管（參見(jiàn)圖1）。第一個(gè)位于信號引腳和V DD之間，第二個(gè)位于信號引腳和V SS之間。如果在任何引腳上施加大于V DD的正過(guò)壓，則V DD二極管變?yōu)檎蚱?，允許電流在信號引腳和V DD之間流動(dòng)。類(lèi)似地，如果在任何引腳上施加大于V SS的負過(guò)壓，則V SS二極管變?yōu)檎蚱?，允許電流在V SS和信號引腳之間流動(dòng)。這樣，保護二極管可防止在過(guò)壓條件下?lián)p壞CMOS晶體管和DUT電路。V DD和V SS保護二極管必須在開(kāi)路和短路條件下進(jìn)行測試，以確保其正常工作。如果保護二極管缺失或功能不正常，可能會(huì )出現開(kāi)路情況。如果存在直接連接，則可能出現短暫情況：

 

引腳和V DD之間

引腳和V SS之間

引腳和另一個(gè)信號引腳之間

 

這些短路故障模式中的每一種都妨礙了設備的正確操作。打開(kāi)并短接所有上述故障模式的測試檢查。

 

注：CMOS集成電路基于FET技術(shù)，因此通常使用V DD / V SS術(shù)語(yǔ)來(lái)確定正電源電壓/負電源電壓（接地）。這些端子也可以記錄為V CC / Gnd。

 

1.第1節：硬件設置

 

測試設置

開(kāi)路和短路的測試設置分為兩個(gè)例程：測試V DD保護二極管和測試V SS保護二極管。

 

測試V DD保護二極管

為了檢測信號引腳的V DD保護二極管的開(kāi)路或短路，將V SS，V DD和所有其他信號引腳連接到SMU地，并將最小電流（即100μA）強制插入信號引腳。如果V DD保護二極管正常工作，它將變?yōu)檎蚱?，電流將在信號引腳和V DD之間流動(dòng)（見(jiàn)圖2）。

 

 

圖2：測試VDD二極管（開(kāi)關(guān)未顯示）

 

通過(guò)測量正向偏置V DD二極管兩端的壓降，我們可以確定它是否正常工作。如果信號引腳和地之間測量的電壓接近0 V（或接地），則信號引腳與地之間通過(guò)V SS，V DD和/或另一個(gè)信號引腳之間存在一個(gè)或多個(gè)短路。如果在信號引腳之間測量的電壓或上升到高于可接受的正向偏置電壓的電位，則信號引腳和地之間存在開(kāi)路。如果測得的電壓是可接受的正向偏壓，則V DD保護二極管正常工作。表1顯示了V DD的示例 保護二極管測試結果和由此產(chǎn)生的通過(guò)/失敗規范。

 

注意： 沒(méi)有電流（除少量漏電流外）流過(guò)V SS保護二極管，因為它會(huì )反向偏置。

 

注意： 可接受的正向偏壓通常取決于制造半導體二極管的材料。然而，制造技術(shù)也可用于降低正向偏置電壓降。硅二極管的正向偏壓通常被認為是0.65 V.精確的電壓降取決于流過(guò)二極管pn結的電流，結的溫度和幾個(gè)物理常數。正向偏置電壓降，施加電流和相關(guān)變量之間的關(guān)系如下圖3所示，通常稱(chēng)為二極管方程：

 

 

圖3：二極管方程

 

二極管方程中的變量如下所述。ID =二極管電流（A）IS =飽和電流（A）VD =二極管兩端的電壓降（V）N =理想系數，介于1和2 Vt之間=熱電壓（V），室溫下約25.85 mV兩者之間的電壓信號引腳和地將接近0 V，測試結果將為Fail：Shorted。如果其他信號引腳未全部接地，電流仍會(huì )流過(guò)正向偏置的V DD保護二極管（如圖2所示），測試結果為Pass。

 

測試V SS保護二極管

測試V SS二極管的過(guò)程與測試V DD二極管的過(guò)程相同。所有引腳（包括V SS和V DD）都連接到SMU地。然而，這次，相同值的負電流（即-100μA）被強制進(jìn)入信號引腳。如果V SS保護二極管正常工作，它將變?yōu)檎蚱?，電流將在V SS和信號引腳之間流動(dòng)（見(jiàn)圖4）。

 

 

圖4：測試VSS二極管（開(kāi)關(guān)未顯示）

 

注意：沒(méi)有電流（除了少量漏電流）流過(guò)V DD保護二極管，因為它會(huì )反向偏置。

 

通過(guò)測量正向偏置V DD二極管兩端的壓降，我們可以確定它是否正常工作。表2列出了V SS保護二極管的測試參數。

 

 

自動(dòng)化測試設置

 

有兩種常見(jiàn)的硬件配置可用于執行開(kāi)路/短路測試。首先，外部開(kāi)關(guān)系統前端和可編程源測量單元可用于自動(dòng)化V DD和V SS保護二極管測試。開(kāi)關(guān)系統可以?huà)呙桀A先配置的狀態(tài)，創(chuàng )建到半導體器件的V DD，V SS和信號引腳所需的電流和接地路徑。源測量單元可以強制所需的電流并測量從每個(gè)信號引腳到地的結果電壓（見(jiàn)圖5）。其次，除了交換系統外，還可以使用PXIe-6556，也可以使用卡的PPMU功能在數字引腳上使用。選項一將在下面詳細討論。

 

 

圖5a：使用SMU和MUX進(jìn)行Opens / Shorts自動(dòng)測試設置

 

 

圖5b：使用HSDIO打開(kāi)/短接自動(dòng)測試設置

 

以下步驟概述了使用上述SMU和開(kāi)關(guān)組合進(jìn)行開(kāi)路和短路測試的過(guò)程：

 

第1步：將所有引腳接地

為了通過(guò)FET開(kāi)關(guān)將SMU連接到DUT，使用矩陣拓撲結構，其中SMU的引腳連接到矩陣中的行，而引腳來(lái)自芯片連接到列。

 

通過(guò)關(guān)閉矩陣上的所有連接來(lái)完成DUT上所有引腳的接地，該連接將PXI-4130 SMU的地線(xiàn)連接到DUT上的引腳。從PXI-4130 SMU低引腳到V DD和V SS的連接直接通過(guò)電纜而不是通過(guò)開(kāi)關(guān)完成。這是因為V DD和V SS引腳始終連接到SMU低引腳。雖然所有信號引腳最初都連接到SMU Low，但它們依次連接到SMU測量通道，因此通過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)連接到SMU。

 

重要的是不僅要將V SS和V DD連接到地。在測試保護二極管之前，所有其他信號引腳應接地。將所有其他信號引腳接地可確保檢測到任何信號引腳到信號引腳短路。有關(guān)進(jìn)一步說(shuō)明，請參見(jiàn)圖6。當在兩個(gè)信號引腳之間檢測到短路時(shí)，被測引腳和SMU低電壓之間的電壓應該超出表1和表2中列出的可接受范圍（理想情況下為0V），測試應該失敗。如果其他信號引腳未全部接地，則電流仍會(huì )流過(guò)正向偏置的V DD保護二極管，測試結果為Pass。見(jiàn)下面的圖6。

 

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圖6：接地引腳對于檢測短路至關(guān)重要

 

步驟2：在3 V的SMU上設置電壓鉗

為了在開(kāi)路條件下產(chǎn)生的極限電壓，在SMU上設置上限電壓鉗位。如果未設置鉗位且電路開(kāi)路，則SMU將測量非常高的電壓值。這可能會(huì )損壞芯片電路。在PXI-4130上，電壓鉗位電平在軟件中設置為3 V. 3 V是可接受的值，因為它高于檢測開(kāi)路（1.5V）的測試限值，并且在大多數CMOS的規格范圍內芯片。

 

步驟3：從SMU強制±100uA并測量產(chǎn)生的電壓

SMU每次向一個(gè)信號引腳的二極管施加±100μA的電流，并測量產(chǎn)生的電壓。每個(gè)引腳通過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)依次連接到SMU。對于該測試，預期電壓約為±0.65V（正向偏置二極管兩端的電壓降）。測量由強制電流產(chǎn)生的電壓并與測試規格表進(jìn)行比較，以確定最終的測試結果。

 

回到頂部2.第2節：軟件設置

該開(kāi)放和短路系統的軟件是使用NI LabVIEW和NI Switch Executive開(kāi)發(fā)的。LabVIEW用作主應用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境（ADE），而Switch ExecuTIve用于配置高密度矩陣上的路由。

 

以下軟件版本用于實(shí)施Opens and Shorts Semiconductor測試：

LabVIEW 8.5圖形編程環(huán)境

Switch ExecuTIve 2.1.1交換機管理軟件

可以從本文檔末尾的鏈接下載本文檔中描述的LabVIEW代碼。

 

注意： LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言中的功能塊稱(chēng)為“虛擬儀器”或“VI”。因此，在描述本節中的過(guò)程時(shí)將使用首字母縮略詞‘VI’。

 

如前所述，開(kāi)路和短路測試可分為兩個(gè)例程：a）測試V DD保護二極管，b）測試V SS保護二極管。兩個(gè)例程都可以使用相同的硬件連接來(lái)執行，并且編程例程的唯一區別可以是簡(jiǎn)單地改變SMU的強制電流的方向。由于這些相似之處，本文檔僅概述了演示如何測試V SS保護二極管的示例。該測試程序可以復制并稍作改動(dòng)，以測試V DD保護二極管。有關(guān)必要變更的詳細信息，請參見(jiàn)文件末尾。

 

測試V SS保護二極管的步驟如下：

初始化，配置和啟用SMU輸出

初始化開(kāi)關(guān)硬件并將所有DUT引腳連接到地

使用5544交叉點(diǎn)FET矩陣迭代信號引腳

斷開(kāi)被測信號引腳與地之間的連接

將SMU連接到被測信號引腳

測量被測信號引腳和地之間的電壓

對測量的電壓進(jìn)行分析以確定測試結果

斷開(kāi)SMU與被測信號引腳的連接

將被測信號引腳重新接地

禁用SMU的輸出并關(guān)閉SMU會(huì )話(huà)句柄

從開(kāi)關(guān)硬件斷開(kāi)所有信號引腳并關(guān)閉NISE會(huì )話(huà)句柄

初始化SMU，配置和啟用SMU的輸出

 

使用LabVIEW中的NI-DCPower API初始化，配置和啟用PXIe-4141 SMU的輸出。有關(guān)框圖代碼的圖片，請參見(jiàn)圖7。

 

 

圖7：在LabVIEW中初始化，配置和啟用SMU輸出

 

SMU的資源名稱(chēng)被送入IniTIalize VI以初始化SMU并提供SMU會(huì )話(huà)句柄。然后將SMU會(huì )話(huà)句柄傳遞給所有后續的NI-DCPower VI。接下來(lái)，SMU的通道1配置為DC電流，這是它將進(jìn)行測試的原因。NI-DCPower配置VI可以按任何順序連接，只要在啟用SMU輸出之前設置所有參數即可。需要饋送的參數包括電流水平，電流水平范圍，電壓限制和電壓限制范圍。

 

IniTIalize VI之后的步驟是niDCPower屬性節點(diǎn)。該步驟指示SMU根據電流水平和電壓限制輸入自動(dòng)確定和設置電流水平和電壓限制范圍。屬性節點(diǎn)后面的VI確認SMU將用于DC電流模式。接下來(lái)，將電流水平設置為-100μA（測試V SS保護二極管，配置通道1，使電流流入SMU，V SS保護二極管正向偏置）和電壓限制，或者電壓鉗位設置為3 V（相當于±3 V）。

 

最后，輸入到配置輸出啟用VI的布爾值true啟用SMU的輸出，將配置參數提交給設備并開(kāi)始通過(guò)SMU的通道1的-100μA電流。

 

初始化開(kāi)關(guān)硬件并將所有DUT引腳連接到地

初始化開(kāi)關(guān)硬件并將其設置為V DD，V SS和所有DUT的信號引腳接地的狀態(tài)。使用LabVIEW控制開(kāi)關(guān)有多種方法，但是將系統切換硬件編程的最佳方法是使用NI Switch Executive API。有關(guān)框圖代碼的圖片，請參見(jiàn)圖8。

 

 

圖8：初始化開(kāi)關(guān)硬件并將所有DUT引腳連接到地

 

NI Switch Executive（NISE）虛擬設備名稱(chēng)被輸入到Open Session VI，以打開(kāi)系統中所有交換機的會(huì )話(huà)句柄。NI Switch Executive將這些會(huì )話(huà)句柄存儲在一個(gè)NISE會(huì )話(huà)句柄中，該句柄傳遞給所有后續的NISE VI。“斷開(kāi)所有”VI斷開(kāi)NI Switch Executive會(huì )話(huà)管理的每個(gè)交換機設備上的所有連接，從而將交換機系統配置設置為未連接交換機路由的已知狀態(tài)。最后，GND到DUT路由組中的所有路由都被連接，這導致開(kāi)關(guān)硬件被設置為V DD，V SS和所有DUT的信號引腳接地的狀態(tài)。

 

要了解有關(guān)NI Switch Executive Virtual Device的更多信息以及如何創(chuàng )建一個(gè)，請查看本文末尾鏈接的7分鐘NI Switch Executive演示。

 

迭代信號引腳，一次測試一個(gè)

使用LabVIEW‘For Loop’迭代DUT信號引腳。在“For Loop”中，使用NI Switch Executive VI將被測DUT信號引腳與地斷開(kāi)，并將待測DUT信號引腳連接到SMU的通道1。使用NI-DCPower VI測量每個(gè)DUT信號引腳與地之間的電壓。在繼續下一次For循環(huán)迭代之前，將待測DUT信號引腳從SMU的通道1斷開(kāi)，然后將其重新連接到地（參見(jiàn)圖9）。

 

圖9：斷開(kāi)GND，連接SMU，測量，斷開(kāi)SMU和重新連接GND

 

在上圖中，我們：

斷開(kāi)被測信號引腳與地之間的連接

將SMU連接到被測信號引腳

測量被測信號引腳和地之間的電壓

根據電壓測量確定測試結果

斷開(kāi)SMU與待測DUT信號引腳的連接

將待測DUT信號引腳重新接地

 

使用NI Switch Executive中創(chuàng )建的路由組完成斷開(kāi)和重新連接DUT信號引腳的過(guò)程。路由組用于將交換矩陣置于所需狀態(tài)。要了解有關(guān)路由組的更多信息以及如何創(chuàng )建一個(gè)視圖的更多信息，請參閱本文檔末尾的7分鐘NI Switch Executive演示。第一個(gè)路由組包含將DUT信號引腳連接到地的路由，第二個(gè)路由組包含將DUT信號引腳連接到SMU的通道1的路由（參見(jiàn)圖10）。

 

圖10：設置路由組以簡(jiǎn)化索引正確的DUT信號引腳

 

接下來(lái)，LabVIEW中的NI Switch Executive配置API提供對所有NI Switch Executive功能的完全編程訪(fǎng)問(wèn)，用于從所有路由組中提取單個(gè)路徑名稱(chēng)。結果將是兩個(gè)字符串數組，包括路由組1和路由組2的路由（參見(jiàn)圖11）。

 

圖11：使用NI Switch Executive Configuration API的陣列輸出

 

將這些數組傳遞給For循環(huán)將自動(dòng)索引數組。例如，在循環(huán)的第一次迭代中，要在循環(huán)內連接和斷開(kāi)的索引路由是DUT_Signal_Pin0_to_GND和DUT_Signal_Pin0_to_SMU_Channel1。在循環(huán)的第二次迭代中，索引路由是DUT_Signal_Pin1_to_GND和DUT_Signal_Pin1_to_SMU_Channel1。這將繼續，直到數組索引每個(gè)元素。您不限于此命名方案。您可以在“Switch Exec for OS”VI的“路由組1”和“路由組2”控制字段中輸入您的特定陣列名稱(chēng)。

 

根據DUT的通過(guò)/失敗規范，確定電壓測量是否表明DUT信號引腳上的V SS保護二極管已經(jīng)通過(guò)，失效打開(kāi)或因短路而失效（見(jiàn)圖12）。

 

 

圖12：根據電壓測量確定測試結果

 

在進(jìn)行電壓測量并確定測試結果后，斷開(kāi)SMU的通道1與被測DUT信號引腳的連接，并將被測引腳重新接地。

 

禁用SMU的輸出并關(guān)閉SMU會(huì )話(huà)句柄

使用NI-DCPower VI禁用SMU的輸出并關(guān)閉SMU會(huì )話(huà)句柄。有關(guān)框圖代碼的圖片，請參見(jiàn)圖13。

 

 

圖13：禁用SMU輸出并關(guān)閉SMU會(huì )話(huà)句柄

 

輸入到配置輸出啟用VI的布爾值false禁用SMU的輸出，停止通過(guò)通道1的-100μA電流。關(guān)閉VI關(guān)閉SMU會(huì )話(huà)句柄并重新分配先前保留的SMU資源。

 

注意： 如果在調用關(guān)閉VI時(shí)仍然啟用了電源輸出，則通道1將保持其當前狀態(tài)并繼續吸收電流。

 

從開(kāi)關(guān)硬件斷開(kāi)所有信號引腳并關(guān)閉NISE會(huì )話(huà)句柄

使用NI Switch Executive VI斷開(kāi)V DD，V SS和其余信號引腳與交換硬件的連接并關(guān)閉NISE會(huì )話(huà)句柄。有關(guān)框圖代碼的圖片，請參見(jiàn)圖14。

 

 

圖14：斷開(kāi)所有信號引腳并關(guān)閉NISE會(huì )話(huà)句柄

 

Disconnect All VI再次斷開(kāi)NI Switch Executive會(huì )話(huà)管理的每個(gè)交換機設備上的所有連接，從而將交換機系統配置設置為未連接交換機路由的已知狀態(tài)。Close Session VI關(guān)閉系統中所有交換機的會(huì )話(huà)句柄。雖然不是必需的，但包含錯誤處理程序通常很有幫助。如果發(fā)生錯誤，VI將返回錯誤描述，并可選擇顯示包含錯誤信息的對話(huà)框。

 

修改代碼以測試V DD保護二極管

要修改V SS保護二極管測試，必須首先禁用SMU，然后在重新啟用SMU之前，應更改配置以在通道1上強制100μA而不是-100μA。For循環(huán)可以執行完全相同的連接和斷開(kāi)，進(jìn)行測量并確定測試結果。

 

結合V SS和V DD保護二極管測試

確定每個(gè)DUT信號引腳的最終結果可以通過(guò)組合V SS和V DD保護二極管測試的結果來(lái)完成。只有當兩個(gè)保護二極管都通過(guò)各自的測試時(shí)，才能確定通過(guò)的最終結果。有多種方法可以顯示測試結果，包括但不限于a）將布爾值傳遞到LED陣列，以及b）在數組中格式化和顯示字符串簇。