基于CHROMA 和FPGA 的芯片FT 測試系統的研究

范耀華，童 杰，蘇 江，陳建麗

（廣東科學技術職業學院，廣東 珠海 519090）

隨著智能化潮流的盛行，物聯網、大數據、人工智能等已是大勢所趨。而芯片作為實現這一切的硬件基礎，對其產業化和普及化發揮不可替代的作用。我國集成電路起步較晚，在和發達國家或地區的競爭中處于劣勢。但近年來，國內涌現出如海思、中芯國際、天水華天等一批優秀的芯片產業鏈相關企業，為我國的集成電路事業發展提供強大動力。芯片的產生主要由IC 設計、制造和測試3 個主要環節組成，其中IC 測試作為芯片流入客戶前的最后環節，對芯片質量最終把關以及對芯片可靠性和穩定性的檢索和鑒別都起到了重要作用[1]。所謂芯片測試，主要分為wafer 測試（CP 測試）和芯片封裝或功能的測試（FT 測試，業內定義為Final Test）。而FT 測試作為篩選質量可靠芯片的最后一步，其重要性更是不言而喻。其中，穩定且可靠的FT 測試系統不僅對芯片質量的篩選極為重要，更對保證芯片良率及誤宰、誤放等方面的達標有重要意義。本文重點討論的是一個新的穩定FT 測試系統的實現。

1 一般FT 測試方案

FT 系統主要由上位機、測試機（ATE）、LoadBoard 板卡（LB 板）、裝載芯片DUT 板卡、kit、socket 和編帶機（Handler）等組成，如圖1 所示。

圖1 一般測試方案整體框架圖

上位機通過不同的通信協議和ATE 進行測試數據或測試結果的交換，而測試機通過LB 板將其可用的測試資源和通道引出，接到DUT 板卡中。在DUT 上裝載socket，用于放置被測芯片。一般不同芯片socket 型號、尺寸等均不同，需要訂做。通過socket 和配套kit 以鑲嵌的方式連接，裝載到Handler，對所測芯片實現自動化和連續化，并根據不同測試結果將測試的芯片分bin，這部分在測試系統中很難改動。整個測試系統LB 板卡、DUT 板卡需要測試開發工程師根據被測芯片的測試模塊、覆蓋功能以及測試需要的數字或模擬通道進行設計開發，kit和socket 需要根據芯片尺寸等參數設計制作。而測試機需要根據芯片被測功能的復雜程度、穩定性以及經濟性等因素選擇使用。而Handler 作為實現連續和自動測試的專用機械設備，一般選定短期內就不會改變，它可兼容多類型芯片的自動化測試。作為測試開發工程師，除了設計和開發LB、DUT 板卡以及socket、kit 之外，另一個主要工作是根據芯片規格、參數、模塊等開發包括上位機程序在內的所有測試程序[2-3]。

除去Handler、socket、kit 等機械裝置，將ATE 和引出ATE 資源的LB 板卡、與LB 板卡相連的DUT 板卡歸為一體，整個測試系統將簡化為如圖2 所示的結構。

圖2 測試系統簡化圖

主要測試過程：

（1）上位機依照測試項順序發出測試指令，等待ATE返回測試結果（PASS or FAIL），其中如果有一項測試FAIL，則判斷為該芯片不良；

（2）ATE 提供測試資源（激勵和測試通道等）對芯片進行測試，等待芯片運行結果；

（3）芯片運行其中功能，如果全部運行完成且無誤，測試PASS，結果返回ATE，后返回上位機；運行過程中芯片FAIL，結果返回ATE，后返回上位機[4]。

2 基于Chroma 8000 和FPGA 通信的測試方案實現

2.1 Chroma 8000 簡介

Chroma 8000 作為電源供應器自動測試系統，能夠提供眾多變化的硬件選擇，如編程交流/直流電源供應器、電子負載、數字電表、示波器、時序/噪聲分析器和過電壓/短路測試器等。系統結合開放式軟件架構Powerpro III，為用戶提供彈性、功能強大、具經濟效益的自動測試系統，可滿足多種形式的電源供應器測試使用。

Chroma 8000 自動測試系統工作于WindowsXP、Windows7 及Windows10 等操作系統下，方便使用Windows 所提供的資源。系統使用優化測試命令技術來防止系統軟件將重復的控制命令下到系統硬件裝置，可明顯地提高測試速度。

對于芯片的FT 測試，Chroma 8000 可提供最多8 sites 同時測試，可滿足測試芯片DC/DC、Open/Short 等開短路測試，并可提供256 路測試資源測試芯片電源模塊或芯片管教的開短路問題、是否存在電源倒灌、激勵-相應是否在可允許范圍等。同時Chroma 8000 同時可為SOC 芯片提供強大的功能測試資源，滿足各種類型SOC芯片的測試[5]。

2.2 測試方案的具體實現

對于芯片FT 測試來說，測試過程可能不僅需要完成對芯片所有功能的覆蓋，而且需要根據芯片特性對芯片內部efuse 或者其他寄存器進行不同特性值的燒寫。同樣，對于同一批次或不同批次的芯片，需要對測試過程中的某些特性進行讀取，以便對該批次芯片的不同性能有大致了解，從而對芯片設計或制造等環節提供相應的反饋。對于一般測試方案而言，由于上位機發送的指令和數據都是統一的，為不同芯片發送不同的燒寫數據需要在軟件算法中，如果采用，會對一般的測試方案帶來了很大的挑戰?；诖耍覀冊O計了加入FPGA 的芯片測試方案，如圖3 所示。

圖3 改進后的測試系統圖

對于一般測試方案而言，新的測試方案改動部分主要在于測試芯片和ATE 之間增加了FPGA 作為通信橋梁，上位機的測試命令、測試特性數據通過ATE 寫入FPGA 的寄存器當中，芯片讀取FPGA 寄存器中的測試命令和數據開始相應的測試。具體測試過程：

（1）上位機主要用于發出測試開始命令，等待測試結果（PASS or FAIL），并將需要記錄的芯片測試特性數據等做記錄。測試過程中，如有必要，通過調試器修改測試主程序做相應調試；

（2）測試機（Chroma 8000 型號ATE）將需要的DC/DC 電源通道、測試資源和測試通道等引出到LB 板卡，并為測試提供硬件的支持。同時將上位機將上位機發來的測試指令等通過LB 板卡寫入FPGA 對應寄存器（如果可以，可將FPGA 資源集成到LB 板卡上，以節省空間），等待芯片讀取并測試；

（3）LB 板卡將測試機引出的電源通道、測試資源等連接到DUT 板卡上，同時和FPGA 相連，提供相應的電源通道和測試讀寫通道；

（4）FPGA 通過和DUT 板卡相連從而連接被測芯片，提供相應的寄存器用于保存測試機發來的臨時數據和芯片測試過程中的特性數據；

（5）DUT 板卡為被測芯片供電，板卡集成了測試芯片功能所必要的資源，如測試程序存儲芯片、繼電器、溫敏芯片、數字芯片及各種電阻、電容、電感等。同時，DUT 板卡需要有對應的放置芯片socket 位置，該位置不焊接任何元器件，只將socket 通過螺母等機械連接方式連接；

（6）芯片放置于DUT 板卡的socket 中，通過DUT 板卡的通電開機，完成FT 功能性測試，完成所有測試且測試正常，向FPGA 相應寄存器寫入測試結果和該芯片對應的特性數據；如果測試不正常，將不正常對應特性寫入FPGA 相應寄存器，并將測試FAIL 結果寫入相應寄存器。

3 對于加入FPGA 后的測試方案具體分析及例證

3.1 測試方案具體分析

加入FPGA 后的測試方案，看似多了不必要的FPGA中間環節，實則可完成很多必要且一般測試方案無法完成的功能。具體分析如下。

（1）對于一般測試系統，ATE 對于上位機發送的測試指令或測試數據需要及時發送到芯片進行測試，且芯片測試后的芯片特性數據要及時傳送到上位機并記錄。對于加入FPGA 的測試系統，上位機經過ATE 寫到FPGA的測試指令和數據可以給芯片足夠的時間讀取，且芯片返回的測試性能數據也在FPGA 中保存，可以有足夠時間給上位機進行記錄，這樣就為不同性能的芯片測試帶來了很大方便，不會因為各種性能不同的芯片測試時間差異造成芯片的誤宰，也不會因為測試數據丟失而造成無法記錄；

（2）上位機可根據芯片特性發送不同特性值到芯片進行判斷或燒寫，從而為客戶使用芯片帶來方便。對于多site 同時測試的系統，將FPGA 分為多個（圖4 中為4 個）完全相同的功能區，其中每個區地址不同，從而實現ATE可向對應芯片的ATE 寫入區內寫入測試指令、測試數據和燒寫數據，芯片從其中讀出對應的指令和數據進行測試。同樣芯片可將測試結果或芯片特性寫入對應的IC 寫入區供ATE 讀取并記錄。在一般的方案中，寫入芯片的數據由ATE 統一發送，其具體數值做不到因芯片特性而異。FPGA 結構如圖4 所示。

圖4 FPGA 結構圖

（3）對于一般測試方案，如果測試結果FAIL，則直接返回上位機測試結果并關掉該site 的測試資源（即該site斷電），這時對于FAIL 項的對應特性由于已經斷電，造成上位機無法記錄。而使用新的測試方案，對于已經測試FAIL 的芯片，測試的特性數據先寫到FPGA 對應的區域內，即使該site 斷電，因為FPGA 寄存器中的數據只要不斷電就不會丟失，也不會影響上位機讀取，從而給FAIL芯片的特性分析帶來極大的方便；

（4）芯片測試成本的一個主要考量在于芯片測試時間。對于很多SOC 芯片而言，IC 內部集成模塊眾多，如對各個模塊功能進行單一線性測試，測試時間將會大大增加。如果采用并行測試，測試時間減少，但所考慮的問題涉及復雜的數學模型，調試難度高，開發周期長，上位機和下位機的通信將帶來更大的不便。采用新的測試方案，無疑將為并行測試提供了足夠信息傳輸和存儲的位置，為并行測試提供了硬件上的必要支持。如現在市面上大多數藍牙音箱所用芯片，芯片內部集成了溫度傳感器（T-sensor）、音頻錄播（AUDIO）等功能，可并行測試，如圖5 所示。

圖5 并行測試圖

SOC 內部可用CORE0 和CORE1 分別對AUDIO 和T-sensor 進行測試，測試性能數據或測試結果可返回FPGA 內部各自區域，等待ATE 讀取并傳給上位機，完成AUDIO 和T-sensor 的并行測試[6-7]。

3.2 具體測試實現例證

現以集成了溫度讀取功能的SOC 芯片為例，該例體現了需要測試芯片的溫度功能（T-sensor）時的具體測試過程。例證過程為該2 個site 同時測試，芯片已經測試了其他功能，并已了解了溫度相關特性后對溫度特性進行測試。

（1）上位機發出T-sensor 測試命令，并根據已測內容，判斷該芯片在測試T-sensor 需要的參數，如2 個site測試分別發出參數1001 和1010；

（2）測試機提供相應的測試資源到LB 板卡，并將上位機發來的不同參數寫入通過LB 板卡寫入FPGA 已經為2 個site 芯片定好的寄存器位置。相對于一般測試系統，該系統可以將不同的測試數據寫到不同的芯片，更好地有針對性地對不同芯片采取不同的測試手段和方式，如圖6 所示。

圖6 測試機寫入不同數據圖

（3）2 個site 芯片通過寫入區0 和寫入區1 的地址分寫讀出相應數據，根據相應數據，進行相應功能的測試；

（4）芯片測試過程根據測得的溫度不同特性，將該特性轉化為對應數據，如10001 和10010，分別寫入FPGA對應的讀出區，等待測試機讀和上位機讀取，如圖7 所示。

圖7 芯片寫入不同數據圖

（5）測試過程中如果芯片FAIL，則停止測試，并將結果返回上位機；如果測試PASS，同樣將結果返回上位機。

注意到，測試過程中即使測試芯片FAIL，相關的FAIL 的特性數據也先寫入FPGA 的對應區域中，相對于一般的測試系統，該系統實現了芯片FAIL 斷電前已將對應的特性數據寫入FPGA 區域內，給之后的FAIL 芯片分析帶來很大方便。

4 結束語

本文介紹了一種基于Chroma 8000 和FPGA 通信的芯片測試系統測試方案，主要工作為一般ATE 和測試芯片直接通信的改造。在ATE 和IC 間加入FPGA 芯片作為通信的橋梁，可實現一般測試方案無法實現的功能，并且對于測試時間的減少將發揮更重要的作用。該方案已經在芯片測試，尤其是模塊眾多、功能復雜的SOC 芯片測試中使用。