孙崇钧 邱 萍

（1.武汉数字工程研究所 武汉 430205）（2.中国船舶集团有限公司 北京 100080）

1 引言

集成电路老炼中测试设备是指在传统静态老炼和动态老炼的基础上，采用老炼中测试技术将传统老炼与电性能测试有机地结合在一起的综合性老炼测试设备，该设备能够确保集成电路老炼效果、优化老炼时间、精确的检测故障至单元级并检测到“可恢复性”故障（即高温动态老炼过程中失效，恢复常温后又正常的故障），最大限度地检测到集成电路在实际工况条件下的偶然失效概率分布情况。为真正贯彻GJB 548B中方法1015要求，集成电路老炼中测试设备广泛应用于FPGA、DSP、CPU及专用芯片等核心集成电路的老炼试验过程中，特别是在武器装备、精密制造、航天航空等高端制造领域［1～3］。

集成电路老炼中测试设备最初主要依赖进口，如美国MCC、AEHR、意大利EDA公司等，随着不断增长的市场需求，国内无论是传统的集成电路测试系统生产厂家，还是传统的集成电路可靠性筛选设备生产厂家，都已经针对集成电路老炼中测试技术推出了具有自主知识产权的集成电路老炼中测试设备，比如新润泰斯特生产的XR8238系列，杭可仪器生产的HRIF-2000系列等，其性能指标均已达到国际先进水平［4～5］。然而，由于集成电路老炼中测试设备内部组成结构、计量参数、接口形式的不同，使得其计量手段不同于常规的ATE，尤其是在实际工况下，需要在计量过程中利用老炼试验箱提供特定的温度以及非常规气体含量等特定的应力条件，对老炼试验箱内多个试验区、每个试验区上百个测试通道进行适配及测量，这将带来较大的实际计量操作的难度与工作量。本文通过分析成电路老炼中测试设备的工作原理和结构组成，研究系统级可操作性的校准方法，并且针对性的设计了校准装置硬件方案和校准软件方案。

2 集成电路老炼中测试设备原理及参数校准方法

如图1所示，集成电路老炼中测试设备主要由系统控制器、系统软件平台、老炼试验箱、数据处理子系统、老炼测试子系统、程控电源子系统、温度控制子系统、气体检测子系统以及监控报警子系统等组成。集成电路老炼中测试设备是VLSI老炼中测试的主要设备，其工作原理是在一定的温度、氮气含量等环境条件下，能够实现对VLSI高温动态老炼的同时，也可对其电性能进行测试，通过植入多种复杂信号及向量集，测量每个器件输出管脚的信号，真正确保高温动态老炼效果，剔除存在早期失效质量缺陷器件。

图1 集成电路老炼中测试设备原理示意图

2.1 集成电路老炼中测试设备参数分析

在明确了集成电路老炼中测试设备结构的基础上，集成电路老炼中测试设备整体计量中主要涉及到的子系统包括［6～9］：

1）老炼测试子系统，主要涉及数字通道驱动（Driver，用于提供数字信号输入）、数字通道比较（Comparator，用于检测输出电平高低）、信号上升/下降时间、精密测量单元（PMU，Precision Measurement Unit，用于直流参数测量）、测试速率（测试信号每秒钟传输的有效比特数）等参数。

2）程控电源子系统，用于提供待老炼器件的负载电压/电流以及系统的供电，主要涉及程控电压和电流驱动、纹波电压、负载调整率等参数。

3）温度控制子系统，主要为老炼试验箱提供规定的温度条件，涉及老炼试验温度设置、温度波动性及温度的均匀性等参数。

4）气体检测子系统，通过充入氮气排除老炼测试箱内的氧气，减少集成电路在老炼测试期间器件管脚被氧化的程度，涉及到氮气含量参数。

5）监控报警子系统，用于完成温度、电源电压、氮气含量的监控和保护功能。

按照不同参数的特性，可将集成电路老炼中测试设备的参数分为四类，如表1所示。

表1 集成电路老炼中测试设备参数分类

2.2 集成电路老炼中测试设备校准方法研究

集成电路老炼中测试设备校准方法如图2所示，即在一定的温度、气体环境条件下，对于直流参数的校准，采用专用直流校准接口连接至老炼试验箱外，采用矩阵开关实现多通道间的切换，标准电阻可采用高精度电阻安装在校准接口适配盒中，也可采用可编程电阻模块；对于交流参数的校准，采用耐高温的专用交流校准接口连接至老炼试验箱外；对于温度控制子系统和气体检测子系统，分别采用专用的校准接口连接至老炼试验箱外，最后利用外接仪器仪表完成老炼中测试设备各个校准参量的校准［10～13］。

图2 集成电路老炼中测试设备校准方法示意图

3 校准装置设计与实现

本文根据校准方法设计了相应的校准装置，通过配置合理的外接仪器仪表，采用各类校准接口适配板连接至集成电路老炼中测试设备老炼试验箱内，在对应的试验区的插槽端检测老炼中测试设备的各参数是否满足指标要求。

为减小设备体积，实现现场校准，本文采用基于PXI总线技术和虚拟仪器技术的校准装置，通过各模块化仪器之间的合理布局与整体架构设计，利用网络接口实现被校设备与PXI主控机的通信，实现自动化或者半自动化校准过程。另外，对老炼试验箱外的校准接口和连接线缆实现通用化设计，使每套被校设备的适配和连接都遵循了一定标准，降低针对具体老炼中测试设备开发校准接口和连接线缆时的复杂程度。

3.1 PXI板卡的选择

校准装置中外接仪器仪表采用基于PXI总线的板卡组成，安装在PXI机箱的外设模块槽（Peripheral modules slot）内，通过PXI总线与PXI控制器互联。PXI控制器作为校准装置的主控模块，安装在PXI机箱的系统控制器槽（System controller module slot）内，具备PXI内部总线接口以及GPIB、以太网等外部接口，完成对校准装置的控制以及校准数据的传输、分析和处理；PXI控制器与集成电路老炼中测试设备通过以太网建立TCP/IP连接，实现控制信号的同步和数据的传输［14］。

本文选取的PXI板卡包括：1）PXI机箱：PXIe-1065；2）PXI控制器：PXIe-8840；3）数字多用表：PXIe-4071；4）可编程电阻：pickering 40-297-050；5）矩阵开关：pickering 40-535-021；6）直流电源：PXI-4132；7）示波器：PXIe-5185。

3.2 校准适配设计

校准装置在校准过程中的适配方式如图3所示。分为专用直流校准接口、专用交流校准接口和专用温度校准接口三种适配方式，其中专用直流校准接口由信号接口适配板、信号接口适配盒、耐高温线缆和校准端配套线缆组成；专用交流校准接口由信号接口适配板、耐高温射频电缆组成；专用温度校准接口由温度传感器及耐高温引线组成。

图3 集成电路老炼中测试设备校准适配方式示意图

老炼试验箱内部的信号接口适配板安装在老炼试验箱插槽上，信号接口适配板根据厂家的资源定义采用与老炼试验板相同的尺寸和连接方式，与耐高温线缆的定义和线序相适配，则信号接口适配盒不需要重新设计，能实现校准装置与被校对象的通用化适配。信号接口适配板设计时选用了具有优良耐热性、高机械强度、良好的尺寸稳定性、低Z轴膨胀系数的材料，例如FR5或聚酰亚胺（PI）作为信号接口适配板的板材，同时，选用耐温150℃以上的交、直流接插件和线缆将被校信号通过信号接口适配板引出到试验箱外，连接校准仪表，使校准仪表以及其他不耐高温的校准装置组成部分不受老炼试验箱高温工况影响。

如图4所示，本文设计的信号接口适配板设计有4组90pin的欧式插座与老炼试验箱插槽连接，信号接口适配板上设计有大电流端子用于大电流单通道的校准，耐高温连接器用于与耐高温线缆连接。信号接口适配盒通过80pin耐高温线缆连接至老炼试验箱内的信号接口适配板，通过香蕉头线缆连接至校准装置相应的源表，最后将所有的资源通过100pin标准扁平电缆连接至校准装置的矩阵开关，实现集成电路老炼中测试设备多通道与矩阵开关的点阵连接，形成校准所需的完整测量回路。

图4 集成电路老炼中测试设备信号接口适配板

3.3 校准软件设计

为了能够方便地实现校准装置各种外接仪器仪表的控制、信号采集、信号处理与分析、数据处理、文件输入输出以及实时过程控制与显示等功能，本文采用了校准软件来实现以上功能。校准软件由PXI控制器中的通用校准软件以及老炼中测试设备中的专用校准程序模块组成，通用校准软件和专用校准程序之间的控制命令以及数据的传输均通过以太网（TCP/IP协议）实现，通用校准软件在PXI机箱上运行，校准仪表与通用校准软件能够通过PXI总线、GPIB总线、LAN总线及串口实现通信［15～16］。

校准软件的工作流程包括：1）启动校准装置的各硬件模块后进行自身的初始化，通过通讯总线控制校准装置完成硬件的配置与参数初始化，并与被校集成电路老炼中测试设备建立通信连接；2）根据需求选择待校准的参数和通道，首先控制老炼中测试设备处于实际工况条件下的状态，并在老炼试验箱的插槽内产生待校准参量，然后控制校准装置端PXI板卡进行测量以及通道切换，并将每个校准通道的测量结果返回给校准软件；3）所有参量校准完毕后，校准软件将测量结果保存为相应文件。

4 结语

本文通过分析集成电路老炼中测试设备内部结构和工作原理，研究了一种实际工况下基于通用测试接口的多参量、多通道集成电路老炼中测试设备的现场校准方法，最后设计了基于虚拟仪器技术的校准装置。校准装置的设计与构建是实现集成电路老炼中测试设备全试验区、全参数校准的重要途径，保障了集成电路老炼中测试设备校准的高效性、可靠性。校准装置通过将硬件可重用化、软件模块化，对校准接口和连接线缆进行统一和标准化，尽量减少了后期针对具体集成电路老炼中测试设备重复开发的工作量，应用前景广阔。