[可靠性]SoC测试系统校准技术概述 [复制链接]

一、引言

随着集成电路工艺技术和设计方法的提高，我们已经可以把整个系统集成在单个芯片上，即系统芯片（System on Chip，SoC）。SoC芯片广泛应用于国防科技工业的各个行业，是武器装备、大飞机计划、探月工程等国防重要型号工程的核心电子器件。国家《十一五规划》和《国家中长期科学与技术发展规划（纲要）》专设“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件”专项，要求自主开发一批网络通信、信息安全和数字电子产品领域的示范性SoC关键芯片，并设立“极大规模集成电路制造技术及成套工艺”专项，要求面向通讯、移动多媒体、数字消费等重大SoC产品需求，研究64nm/45nm产品工艺，为自主设计的SoC提供制造服务。作为信息社会的基础和关键器件，SoC芯片的性能直接关系到电子装备的质量， SoC芯片的测试需求对SoC测试系统的量值提出了苛刻的要求，这无疑对SoC测试系统的计量校准技术提出了新的挑战。

目前国内使用的SoC测试系统多为国外进口，随着SoC芯片应用需求的扩大，与之配套的测试系统的装机量也快速增长，且大部分与军工任务有关。如此重要的设备,由于种种原因，其计量校准问题在国内一直没有得到解决，没有检定规程和校准规范，也没有校准方法，不仅给引进设备的验收带来很大的困难，而且不能保证设备量值的准确可靠，SoC测试系统的量值溯源技术成为亟待解决的问题。

二、国内外SoC测试系统的发展

SoC测试系统是一种特殊的集成电路测试系统（Automatic Test Equipment，ATE），ATE的发展离不开集成电路（Integrated CircuIT，IC）的发展。在分立器件发展期间，测试晶体管时往往是用多个台式仪器分别测试它的不同性能和参数，这个过程既慢又吃力，于是，美国仙童（Fairchild）公司的仪器部门提出将不同的恒压、恒流源和测量单元集合在一起，设计使用一种自动顺序控制器，通过一个插卡控制这些激励源和测量单元与被测IC连接并进行测试，这就是1960年世界上最早问世的ATE Model 300。1964年诞生了第一台商品化的ATE Model 4000，可以对IC进行直流参数和交流参数的自动测试。此后，德州仪器（Texas Instrument）、泰瑞达（Teradyne）、Takeda-Riken（爱德万前身）陆续推出了ATE，拉开了ATE产业迅猛发展的序幕。1979年我国研制成功第一台由NOVA机控制的5MHz LSI综合测试系统样机，此后在1986年、1987年分别有10MHz综合测试系统和20MHz半导体存储器测试系统样机问世。

全球半导体工业一直遵循“摩尔定律”(IC上可容纳的晶体管数目约每隔l8～24个月增加一倍，性能也提升一倍）向前发展，20世纪末期出现了上千万乃至上亿支晶体管集成在单一芯片上的SoC器件。SoC的出现提高了整机系统的性能，降低了功耗，并缩短了产品上市时间。目前SoC已在个人数字助理／掌上电脑、电信交换系统、GSM／CDMA手机、GPS定位仪等便携式数字移动通信设备，消费电子领域的MD机、CD机、收音机等音频类产品及录像机、摄像机、DVD播放机、HDTV／STB等视频产品和电视游戏机、数码相机、电子玩具等个人电子产品，以及在控制、测试、医疗设备领域的工控设备、机器人、电子测试设备、医疗电子设备中得到广泛应用，这些产品的核心芯片都已逐步由SoC所替代。

国家“十一五”规划和《国家中长期科学与技术发展规划（纲要）》设立了集成电路专项，结合SoC的全球发展趋势，重点发展对未来整机发展有重大影响的SoC芯片平台产品，开发了一批网络通信、数字家电、信息安全和汽车电子所需的关键核心SoC芯片产品。SoC芯片作为国防科技工业的基础和核心器件，其性能直接关系到电子装备的质量，SoC测试需求日益重要。

SoC芯片内部结构复杂，速度高达GHz，功能覆盖了逻辑、DSP、CPU、模拟模块以及上百种不同类型的存储器，给ATE提出了前所未有的测试难题，主要表现在以下方面：1）晶体管的数目越来越多；2）芯片所提供的功能越来越多；3）各个不同功能模块运作的频率往往不同；4）各功能模块所使用的电压也可能不同；5）功能模块的测试原理也不相同。

SoC测试系统具有共时测试能力、具备比传统的混合信号测试系统更高的精度、更高的频率、更多的通道及更强的模拟信号测试能力，分为数字部分和模拟、部分，其中数字部分主要包括：器件电源（DPS）、精密测量单元（PMU）、驱动/比较电路、时间测量单元、图形存储器等；模拟部分主要包括：波形发生器（Arbitrary Waveform Generator, AWG）和波形采样器（Waveform Digitizer, WD）等部件。

由于SoC器件种类繁多，相对应的测试系统会有不同精度、速度的模拟选件以满足不同的测试需要，SoC测试系统是目前集成电路测试系统中最为复杂的设备。

三、SoC测试系统校准方法

国内外对SoC测试系统的校准主要包括5种方案：“校准板”法、基准参数分项校准法、样品比对测试法、分项参数法和IC MAP法。“校准板”法和基准参数分项校准法是国外厂家通常采用的校准方法。

3.1 “校准板”法

Sapphire 、Flex、T6672等SoC测试系统均配有校准板，校准板上提供了电压、电阻、频率等标准参数，厂家规定校准板需定期送原厂校准，一般校准周期为6个月。经校准合格的校准板在校准软件的控制下，由板上的电压、电阻、频率等参考标准对ATE各单元进行校准。

“校准板”法的校准软件和校准板均由ATE制造厂设计，对ATE内部参数的校准能够比较全面，并能对ATE内部标准进行调整。但是“校准板”法也存在不足，由于ATE制造厂不会公开校准板的技术参数及校准方法，国内目前无法开展第三方的“校准板”法计量校准。由于送到国外的校准费用昂贵，一般为几千美金，校准周期为6个月，即每半年就要送检一次，每次校准耗时也很长，加上报关出关等，至少1个月，上述诸多困难导致国内大多数用户仅仅完成了图1中椭圆内的校准工作，并没有按照计量法的要求完成SoC测试系统的量值溯源，溯源链是不完整的。

3.2 基准参数分项校准法

UNIMET4000、93K可使用基准参数分项校准法对设备进行校准，以UNIMET4000为例，UNIMET4000在设计、生产阶段已将内部参考量电压基准和时钟基准引出，在校准时，将已溯源到国家基准的精密仪表、校准装置与电压基准和时钟基准连接，结合系统校准软件的运行，首先对内部参考量进行校准，电压基准为±9.9993V的精密基准源，时钟基准为10MHz的高稳定性晶振，如超出最大允许误差范围，则可通过在指定位置进行调整，将参考量调整合格。然后用校准合格的内部参考量去校准测试系统内部的其它单元，如电压源、电流源等单元的关键参数。此时，不需要外接仪表，而是采用经校准合格的内部参考量作为基准，运行系统校准软件中对应的校准项目进行校准，直至完成测试系统所有系统量的校准，从而达到校准整个系统的目的，保证整个系统的量值准确可靠。

基准参数分项校准法为ATE制造商设计，需要配备专用的校准软件和标准设备，UNIMET的校准选件为20万元，93K的校准选件为50万元，还需要购置高精度万用表、示波器、频率计等标准设备；制造商一般还不对外销售，UNIMET、93K均由制造商的维修部门负责校准，校准费用昂贵，一般上千美金。

3.3 样品比对测试法

样品比对测试法即所谓的“金器件”比对法来考核不同的测试设备，其过程大致如下：选择一组被认为是相对稳定的集成电路器件在规定的测试条件下，分别在不同的测试设备上测试，然后将同参数组比较，分析同一器件在不同测试设备上测试结果的差异，来判定测试设备的离群情况，从而得出相关性满意否的结论。所谓的“标准样品”毕竟是筛选出来的器件，本身会带有不稳定性，同时，比对只是解决了相互协调一致性检查，并没有真正解决溯源问题。

3.4 ICMAP传递法

集成电路参数测量保证方案的具体做法是：用一组稳定的、包装良好的、可运送的传递标准，作为未知样品。当用户需要时，被送到用户实验室现场，温度平衡后，由现场工作人员按正常操作程序进行测量规定的参数。测量后的“传递标准”又被送回到ICMAP中心实验室进行再次测量，然后在对在中心实验室的数据和用户实验室测得的数据进行统计分析，由中心实验室给出测试报告，此报告陈述用户实验室的测量结果与中心实验室的偏差和总测量不确定度。

ICMAP法在确保集成电路参数测试质量的同时，又综合考察测试人员、环境、设备等诸多因素，是对集成电路测试系统量值溯源一种新的手段。经研究，我们已经完成了数字集成电路计量保障方案的研究，并于2005年主持了“数字集成电路直流参数能力验证”计划（计划编号为CNAL M0009），对数字集成电路测试系统的“PMU电压参数传递标准器”和“ PMU电流参数传递标准器”开展了能力验证活动。

3.5 分项参数校准法

分项参数法是在研究国外厂家使用的“校准板”法和基准参数分项校准法的基础上提出的一种方法，采用多台标准仪器组成标准装置，针对ATE中的不同功能单元和特征参数分别进行校准溯源，以验证系统的技术指标，保障最终测试量值的准确可靠。

分项参数法采用多台标准仪器针对各个功能单元和特性参数分别校准，参数覆盖全面，该方法适合各种型号的测试系统，可以针对不同型号测试系统的功能单元和性能参数分别进行校准，具有较强的普适性，适合各种型号的测试系统。该方法是我们作为第三方计量机构研究所得方法，该方法已经在数字集成电路测试系统中使用，国家相关标准JJG1015-2006《通用数字集成电路测试系统检定规程》、JJF1160-2006《中小规模数字集成电路测试设备校准规范》，均采用分项参数法进行ATE的检定和校准。

三、 SoC测试系统校准方案

通常的SoC测试系统包括数字子系统、模拟子系统、混合信号子系统。需要通过校准保证其量值准确关键参数为：

系统基准部分：电压基准的准确度；电阻基准准确度、频率基准准确度。

数字子系统部分：器件电源电压/电流测量（DSP）、测量电压与施加电压（PMU）的准确度、比较电压准确度（COMP）、电流测量准确度、动态负载拉电流与灌电流的准确度、时钟周期设置准确度、通道间偏差、驱动信号上升/下降时间等。

模拟子系统部分：可编程的电压源/表单元设置/测量参数准确度、可编程电流源/表单元设置/测量参数准确度、数字滤波器幅频特性等。

混合信号子系统部分：任意波形发生器AWG设置参数准确度、模拟捕捉仪AC测量参数准确度、数字捕捉仪DCI测量参数准确度等。

SoC测试系统结构复杂，参数较多，可采用“分项参数+IC MAP”的校准方法开展计量工作。采用分项参数法对SoC测试系统的各个子系统分别进行校准，采用IC MAP法对SoC测试系统的整体性能进行量值传递。针对典型的SoC测试系统Teradyne的J750，可建立“分项参数+IC MAP”校准法的校准装置，为国内若干电子元器件检测中心提供了校准服务，保证了电子元器件检测的质量。