雖然可以對(duì)各種器件進(jìn)行開路和短路測(cè)試，但這在半導(dǎo)體驗(yàn)證測(cè)試中最為常見。本文將詳細(xì)描述在CMOS芯片上測(cè)試開路和短路的過(guò)程。

 

在深入研究開路和短路測(cè)試的技術(shù)細(xì)節(jié)之前，我們必須首先了解其與半導(dǎo)體驗(yàn)證的相關(guān)性。半導(dǎo)體驗(yàn)證通常分為結(jié)構(gòu)和功能兩部分。結(jié)構(gòu)測(cè)試可確保芯片正確構(gòu)建。功能測(cè)試確定芯片是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范并在最終環(huán)境中按預(yù)期執(zhí)行。打開和短路測(cè)試檢查半導(dǎo)體芯片的保護(hù)二極管電路中的故障。因此，它是一種結(jié)構(gòu)測(cè)試。
 

下圖表示典型的CMOS芯片。可以看出，每個(gè)引腳都具有保護(hù)二極管和CMOS晶體管的網(wǎng)絡(luò)。

 

 

圖1： CMOS芯片的內(nèi)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)起到開關(guān)的作用。如果在輸入或輸出引腳上感應(yīng)出過(guò)壓，可能會(huì)損壞CMOS晶體管。為了保護(hù)這些器件，每個(gè)信號(hào)引腳都放置了兩個(gè)二極管（參見圖1）。第一個(gè)位于信號(hào)引腳和V DD之間，第二個(gè)位于信號(hào)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(hào)引腳和V DD之間流動(dòng)。類似地，如果在任何引腳上施加大于V SS的負(fù)過(guò)壓，則V SS二極管變?yōu)檎蚱?，允許電流在V SS和信號(hào)引腳之間流動(dòng)。這樣，保護(hù)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(hù)二極管必須在開路和短路條件下進(jìn)行測(cè)試，以確保其正常工作。如果保護(hù)二極管缺失或功能不正常，可能會(huì)出現(xiàn)開路情況。如果存在直接連接，則可能出現(xiàn)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(hào)引腳之間

 

這些短路故障模式中的每一種都妨礙了設(shè)備的正確操作。打開并短接所有上述故障模式的測(cè)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(fù)電源電壓（接地）。這些端子也可以記錄為V CC / Gnd。

 

1.第1節(jié)：硬件設(shè)置

 

測(cè)試設(shè)置

開路和短路的測(cè)試設(shè)置分為兩個(gè)例程：測(cè)試V DD保護(hù)二極管和測(cè)試V SS保護(hù)二極管。

 

測(cè)試V DD保護(hù)二極管

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

 

 

圖2：測(cè)試VDD二極管（開關(guān)未顯示）

 

通過(guò)測(cè)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(hào)引腳和地之間測(cè)量的電壓接近0 V（或接地），則信號(hào)引腳與地之間通過(guò)V SS，V DD和/或另一個(gè)信號(hào)引腳之間存在一個(gè)或多個(gè)短路。如果在信號(hào)引腳之間測(cè)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(hào)引腳和地之間存在開路。如果測(cè)得的電壓是可接受的正向偏壓，則V DD保護(hù)二極管正常工作。表1顯示了V DD的示例 保護(hù)二極管測(cè)試結(jié)果和由此產(chǎn)生的通過(guò)/失敗規(guī)范。

 

注意： 沒(méi)有電流（除少量漏電流外）流過(guò)V SS保護(hù)二極管，因?yàn)樗鼤?huì)反向偏置。

 

注意： 可接受的正向偏壓通常取決于制造半導(dǎo)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(rèn)為是0.65 V.精確的電壓降取決于流過(guò)二極管pn結(jié)的電流，結(jié)的溫度和幾個(gè)物理常數(shù)。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(shù)，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(hào)引腳和地將接近0 V，測(cè)試結(jié)果將為Fail：Shorted。如果其他信號(hào)引腳未全部接地，電流仍會(huì)流過(guò)正向偏置的V DD保護(hù)二極管（如圖2所示），測(cè)試結(jié)果為Pass。

 

測(cè)試V SS保護(hù)二極管

測(cè)試V SS二極管的過(guò)程與測(cè)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(fù)電流（即-100μA）被強(qiáng)制進(jìn)入信號(hào)引腳。如果V SS保護(hù)二極管正常工作，它將變?yōu)檎蚱?，電流將在V SS和信號(hào)引腳之間流動(dòng)（見圖4）。

 

 

圖4：測(cè)試VSS二極管（開關(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(hù)二極管，因?yàn)樗鼤?huì)反向偏置。

 

通過(guò)測(cè)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(hù)二極管的測(cè)試參數(shù)。

 

 

自動(dòng)化測(cè)試設(shè)置

 

有兩種常見的硬件配置可用于執(zhí)行開路/短路測(cè)試。首先，外部開關(guān)系統(tǒng)前端和可編程源測(cè)量單元可用于自動(dòng)化V DD和V SS保護(hù)二極管測(cè)試。開關(guān)系統(tǒng)可以掃描預(yù)先配置的狀態(tài)，創(chuàng)建到半導(dǎo)體器件的V DD，V SS和信號(hào)引腳所需的電流和接地路徑。源測(cè)量單元可以強(qiáng)制所需的電流并測(cè)量從每個(gè)信號(hào)引腳到地的結(jié)果電壓（見圖5）。其次，除了交換系統(tǒng)外，還可以使用PXIe-6556，也可以使用卡的PPMU功能在數(shù)字引腳上使用。選項(xiàng)一將在下面詳細(xì)討論。

 

 

圖5a：使用SMU和MUX進(jìn)行Opens / Shorts自動(dòng)測(cè)試設(shè)置

 

 

圖5b：使用HSDIO打開/短接自動(dòng)測(cè)試設(shè)置

 

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

 

第1步：將所有引腳接地

為了通過(guò)FET開關(guān)將SMU連接到DUT，使用矩陣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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)開關(guān)完成。這是因?yàn)閂 DD和V SS引腳始終連接到SMU低引腳。雖然所有信號(hào)引腳最初都連接到SMU Low，但它們依次連接到SMU測(cè)量通道，因此通過(guò)矩陣開關(guān)連接到SMU。

 

重要的是不僅要將V SS和V DD連接到地。在測(cè)試保護(hù)二極管之前，所有其他信號(hào)引腳應(yīng)接地。將所有其他信號(hào)引腳接地可確保檢測(cè)到任何信號(hào)引腳到信號(hào)引腳短路。有關(guān)進(jìn)一步說(shuō)明，請(qǐng)參見圖6。當(dāng)在兩個(gè)信號(hào)引腳之間檢測(cè)到短路時(shí)，被測(cè)引腳和SMU低電壓之間的電壓應(yīng)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(cè)試應(yīng)該失敗。如果其他信號(hào)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(hù)二極管，測(cè)試結(jié)果為Pass。見下面的圖6。

 

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圖6：接地引腳對(duì)于檢測(cè)短路至關(guān)重要

 

步驟2：在3 V的SMU上設(shè)置電壓鉗

為了在開路條件下產(chǎn)生的極限電壓，在SMU上設(shè)置上限電壓鉗位。如果未設(shè)置鉗位且電路開路，則SMU將測(cè)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(shè)置為3 V. 3 V是可接受的值，因?yàn)樗哂跈z測(cè)開路（1.5V）的測(cè)試限值，并且在大多數(shù)CMOS的規(guī)格范圍內(nèi)芯片。

 

步驟3：從SMU強(qiáng)制±100uA并測(cè)量產(chǎn)生的電壓

SMU每次向一個(gè)信號(hào)引腳的二極管施加±100μA的電流，并測(cè)量產(chǎn)生的電壓。每個(gè)引腳通過(guò)矩陣開關(guān)依次連接到SMU。對(duì)于該測(cè)試，預(yù)期電壓約為±0.65V（正向偏置二極管兩端的電壓降）。測(cè)量由強(qiáng)制電流產(chǎn)生的電壓并與測(cè)試規(guī)格表進(jìn)行比較，以確定最終的測(cè)試結(jié)果。

 

回到頂部2.第2節(jié)：軟件設(shè)置

該開放和短路系統(tǒng)的軟件是使用NI LabVIEW和NI Switch Executive開發(fā)的。LabVIEW用作主應(yīng)用程序開發(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(cè)試：

LabVIEW 8.5圖形編程環(huán)境

Switch ExecuTIve 2.1.1交換機(jī)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)言中的功能塊稱為“虛擬儀器”或“VI”。因此，在描述本節(jié)中的過(guò)程時(shí)將使用首字母縮略詞‘VI’。

 

如前所述，開路和短路測(cè)試可分為兩個(gè)例程：a）測(cè)試V DD保護(hù)二極管，b）測(cè)試V SS保護(hù)二極管。兩個(gè)例程都可以使用相同的硬件連接來(lái)執(zhí)行，并且編程例程的唯一區(qū)別可以是簡(jiǎn)單地改變SMU的強(qiáng)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(cè)試V SS保護(hù)二極管的示例。該測(cè)試程序可以復(fù)制并稍作改動(dòng)，以測(cè)試V DD保護(hù)二極管。有關(guān)必要變更的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見文件末尾。

 

測(cè)試V SS保護(hù)二極管的步驟如下：

初始化，配置和啟用SMU輸出

初始化開關(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(hào)引腳

斷開被測(cè)信號(hào)引腳與地之間的連接

將SMU連接到被測(cè)信號(hào)引腳

測(cè)量被測(cè)信號(hào)引腳和地之間的電壓

對(duì)測(cè)量的電壓進(jìn)行分析以確定測(cè)試結(jié)果

斷開SMU與被測(cè)信號(hào)引腳的連接

將被測(cè)信號(hào)引腳重新接地

禁用SMU的輸出并關(guān)閉SMU會(huì)話句柄

從開關(guān)硬件斷開所有信號(hào)引腳并關(guān)閉NISE會(huì)話句柄

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(qǐng)參見圖7。

 

 

圖7：在LabVIEW中初始化，配置和啟用SMU輸出

 

SMU的資源名稱被送入IniTIalize VI以初始化SMU并提供SMU會(huì)話句柄。然后將SMU會(huì)話句柄傳遞給所有后續(xù)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(cè)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(shè)置所有參數(shù)即可。需要饋送的參數(shù)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(jié)點(diǎn)。該步驟指示SMU根據(jù)電流水平和電壓限制輸入自動(dòng)確定和設(shè)置電流水平和電壓限制范圍。屬性節(jié)點(diǎn)后面的VI確認(rèn)SMU將用于DC電流模式。接下來(lái)，將電流水平設(shè)置為-100μA（測(cè)試V SS保護(hù)二極管，配置通道1，使電流流入SMU，V SS保護(hù)二極管正向偏置）和電壓限制，或者電壓鉗位設(shè)置為3 V（相當(dāng)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(shù)提交給設(shè)備并開始通過(guò)SMU的通道1的-100μA電流。

 

初始化開關(guān)硬件并將所有DUT引腳連接到地

初始化開關(guān)硬件并將其設(shè)置為V DD，V SS和所有DUT的信號(hào)引腳接地的狀態(tài)。使用LabVIEW控制開關(guān)有多種方法，但是將系統(tǒng)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(qǐng)參見圖8。

 

 

圖8：初始化開關(guān)硬件并將所有DUT引腳連接到地

 

NI Switch Executive（NISE）虛擬設(shè)備名稱被輸入到Open Session VI，以打開系統(tǒng)中所有交換機(jī)的會(huì)話句柄。NI Switch Executive將這些會(huì)話句柄存儲(chǔ)在一個(gè)NISE會(huì)話句柄中，該句柄傳遞給所有后續(xù)的NISE VI。“斷開所有”VI斷開NI Switch Executive會(huì)話管理的每個(gè)交換機(jī)設(shè)備上的所有連接，從而將交換機(jī)系統(tǒng)配置設(shè)置為未連接交換機(jī)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(dǎo)致開關(guān)硬件被設(shè)置為V DD，V SS和所有DUT的信號(hào)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(qǐng)查看本文末尾鏈接的7分鐘NI Switch Executive演示。

 

迭代信號(hào)引腳，一次測(cè)試一個(gè)

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

 

圖9：斷開GND，連接SMU，測(cè)量，斷開SMU和重新連接GND

 

在上圖中，我們：

斷開被測(cè)信號(hào)引腳與地之間的連接

將SMU連接到被測(cè)信號(hào)引腳

測(cè)量被測(cè)信號(hào)引腳和地之間的電壓

根據(jù)電壓測(cè)量確定測(cè)試結(jié)果

斷開SMU與待測(cè)DUT信號(hào)引腳的連接

將待測(cè)DUT信號(hào)引腳重新接地

 

使用NI Switch Executive中創(chuàng)建的路由組完成斷開和重新連接DUT信號(hào)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(qǐng)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(hào)引腳連接到地的路由，第二個(gè)路由組包含將DUT信號(hào)引腳連接到SMU的通道1的路由（參見圖10）。

 

圖10：設(shè)置路由組以簡(jiǎn)化索引正確的DUT信號(hào)引腳

 

接下來(lái)，LabVIEW中的NI Switch Executive配置API提供對(duì)所有NI Switch Executive功能的完全編程訪問(wèn)，用于從所有路由組中提取單個(gè)路徑名稱。結(jié)果將是兩個(gè)字符串?dāng)?shù)組，包括路由組1和路由組2的路由（參見圖11）。

 

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

 

將這些數(shù)組傳遞給For循環(huán)將自動(dòng)索引數(shù)組。例如，在循環(huán)的第一次迭代中，要在循環(huán)內(nèi)連接和斷開的索引路由是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(xù)，直到數(shù)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。

 

根據(jù)DUT的通過(guò)/失敗規(guī)范，確定電壓測(cè)量是否表明DUT信號(hào)引腳上的V SS保護(hù)二極管已經(jīng)通過(guò)，失效打開或因短路而失效（見圖12）。

 

 

圖12：根據(jù)電壓測(cè)量確定測(cè)試結(jié)果

 

在進(jìn)行電壓測(cè)量并確定測(cè)試結(jié)果后，斷開SMU的通道1與被測(cè)DUT信號(hào)引腳的連接，并將被測(cè)引腳重新接地。

 

禁用SMU的輸出并關(guān)閉SMU會(huì)話句柄

使用NI-DCPower VI禁用SMU的輸出并關(guān)閉SMU會(huì)話句柄。有關(guān)框圖代碼的圖片，請(qǐng)參見圖13。

 

 

圖13：禁用SMU輸出并關(guān)閉SMU會(huì)話句柄

 

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)話句柄并重新分配先前保留的SMU資源。

 

注意： 如果在調(diào)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(dāng)前狀態(tài)并繼續(xù)吸收電流。

 

從開關(guān)硬件斷開所有信號(hào)引腳并關(guān)閉NISE會(huì)話句柄

使用NI Switch Executive VI斷開V DD，V SS和其余信號(hào)引腳與交換硬件的連接并關(guān)閉NISE會(huì)話句柄。有關(guān)框圖代碼的圖片，請(qǐng)參見圖14。

 

 

圖14：斷開所有信號(hào)引腳并關(guān)閉NISE會(huì)話句柄

 

Disconnect All VI再次斷開NI Switch Executive會(huì)話管理的每個(gè)交換機(jī)設(shè)備上的所有連接，從而將交換機(jī)系統(tǒng)配置設(shè)置為未連接交換機(jī)路由的已知狀態(tài)。Close Session VI關(guān)閉系統(tǒng)中所有交換機(jī)的會(huì)話句柄。雖然不是必需的，但包含錯(cuò)誤處理程序通常很有幫助。如果發(fā)生錯(cuò)誤，VI將返回錯(cuò)誤描述，并可選擇顯示包含錯(cuò)誤信息的對(duì)話框。

 

修改代碼以測(cè)試V DD保護(hù)二極管

要修改V SS保護(hù)二極管測(cè)試，必須首先禁用SMU，然后在重新啟用SMU之前，應(yīng)更改配置以在通道1上強(qiáng)制100μA而不是-100μA。For循環(huán)可以執(zhí)行完全相同的連接和斷開，進(jìn)行測(cè)量并確定測(cè)試結(jié)果。

 

結(jié)合V SS和V DD保護(hù)二極管測(cè)試

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