SiP 芯片測試系統的設計

王慶賀，黎 蕾，鄭利華，顧林

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

系統級封裝（SiP），是將多顆裸芯封裝在同一殼體的一種封裝方式。SiP 封裝技術能夠提高元器件的集成度，有效的降低器件的體積，優化系統的性能，在對電路體積和重量要求較高的領域（如導彈、航天飛行器、火箭）有廣泛的應用價值和應用前景[1-4]。

由于SiP 電路的復雜度和集成度越來越高，結構和功能越來越復雜，設計制作的SiP 電路的故障率也越來越高。電路測試用于檢驗SiP 芯片是否實現設計規范中的功能和性能指標，是區分正常電路和故障電路非常重要的環節[5-8]。因此，該文將SiP 電路測試作為研究對象，設計了一套SiP 電路測試系統，如果SiP 電路順利通過該測試系統的測試，可以判定電路的功能正常、性能也達到要求。該測試系統主要實現對Mxx 型SiP 電路的實裝測試、ATE 測試和老練測試。

1 SiP電路簡介

Mxx 型SiP 電路采用了DSP+FPGA 框架，內部集成多款芯片，擁有多種外部接口。該SiP 電路主要實現數據采集和處理、通信以及控制等功能。

如圖1 所示為SiP 的電路框圖，該SiP 內置FPGA芯片、DSP 芯片、FPGA 配置芯片、SDRAM、FLASH、電平轉換芯片、RS422 芯片、RS429 芯片和1553B 芯片。內置的DSP 和FPGA 通過EMIF 和GPIO 實現通信。該SiP電路對外有1 路McBSP接口、1 路I2C接口、16 路GPIO（DSP）、20 路IO 輸出（FPGA）、20 路IO輸入（FPGA）、1 路SPI 接口、3 路422 接口（3 發3 收）、4路429接口（4發4收）和1路1553B 接口。功能和接口較為復雜。

圖1 SiP的電路框圖

該SiP 芯片使用具有正反雙腔陶瓷外殼的CPGA300 封裝形式，成品SiP 電路如圖2 所示。

圖2 SiP成品電路

2 SiP電路測試系統設計

2.1 實裝測試系統設計

實裝測試主要目的是完成SiP 電路在三溫條件下的功能測試，其中,高低溫采用熱流罩實現所需測試環境溫度。該文所使用的Mxx 型SiP 的實裝測試的三溫條件為高溫（+125 ℃）、常溫（+25 ℃）、低溫（-55 ℃）。

2.1.1 實裝測試板設計

Mxx 型SiP 器件結構、功能比較復雜，通過對SiP結構、功能的分析，可以知道該SiP 主要由DSP 和FPGA 兩款主控芯片組成，該SiP 使用FPGA 處理器實現信號的采集和輸出，使用DSP 處理器實現系統控制、數據處理。因而實裝測試板的設計主要以該SiP 電路的DSP 和FPGA 兩款處理器為核心，分別對存儲芯片、DSP 端的多種通信接口、FPGA 端的多種通信接口進行功能測試。

SiP 實裝測試板的示意圖如圖3 所示。實裝測試板由直流電源供電，含有電流測量芯片，用于對SiP 電路電流的監測。實裝測試板的主要控制單元是DSP28335，DSP28335 可以通過UART 與SiP 進行通信、對SiP 的某些功能進行測試，同時可以和上位機進行通信，由上位機實現對實裝測試系統的控制，DSP28335 可以通過RS232 接口或者CAN 接口與上位機進行通信。SiP 測試插座用于放置SiP 電路。實裝測試板為SiP 芯片提供復位信號、時鐘和電源。JTAG1、JTAG2 接口分別用于SiP 內部的DSP、FPGA程序調試和固化。SPI 接口的Flash 芯片、I2C 接口的EEPROM 用于SiP 的McBSP、SPI 和I2C 接口的測試。

圖3 實裝測試板示意圖

2.1.2 功能測試方法設計

Mxx 型SiP 芯片的功能測試項如表1 所示。

表1 Mxx型SiP芯片的功能測試項

實裝測試時，將SiP 樣品電路放置在實裝測試板測試插座中，進行SiP 電路的三溫功能測試。部分功能項測試方法如下：

1）ASRAM 讀寫測試

DSP 通過EMIF 總線對ASRAM 全地址進行讀寫測試，分別進行“0x5555”、“0xAAAA”讀寫測試，如果寫入和讀出的數據一致，則ASRAM 讀寫測試通過。

2）FLASH 擦除、讀寫測試

DSP 通過EMIF 總線對FLASH 進行擦除、寫入和讀取功能的測試。DSP 首先對FLASH 進行整片擦除，擦除完成后，對FLASH 寫入0x5555，讀取數據并比較數據是否一致，然后再擦除，進行0xAAAA、地址值的寫入和讀取測試。

3）DSP 通過EMIF 接口與FPGA 通信測試

將FPGA 邏輯例化成EMIF 接口存儲器，DSP 通過EMIF 接口與FPGA 進行通信，測試方法和ASRAM讀寫測試方法相同。

4）McBSP 接口（SPI 接口）測試

SiP 的McBSP 接口和SPI 接口的測試方法相同，都是配置成SPI 主模式，然后對實裝測試板上的Flash 進行寫入和讀取的測試，如果寫入和讀取的數據一致，則測試通過。

5）I2C 接口測試

通過SiP 的I2C 接口對實裝測試板上的EEPROM 進行寫入和讀取測試，如果寫入和讀取的數據一致，則測試通過。

6）422 接口測試

SiP 有三個422 接口，其中兩個422 接口相連，互發數據，如果發送和接收的數據正常，則這兩路422接口測試通過；另外一個422 接口和實裝測試板上的DSP28335 的串口通過協議轉換芯片相連，如果DSP28335 可以通過串口和FPGA 進行收發數據，則該路422 接口測試通過。

7）429 接口測試

429 接口的發送和接收接口依次相連，進行429協議數據的發送，如果收發數據一致，則測試通過。

8）1553B 接口測試

同時使用兩塊實裝測試板進行1553B 接口的測試，一塊測試板的1553B 接口配置為BC 模式，另一塊測試板的1553B 接口配置為RT 模式，BC 端通過1553B 總線向RT 端發送數據，再從RT 端讀回數據，如果發送和讀回的數據一致，則測試通過。

2.1.3 一鍵測試設計

實裝測試項均由上位機軟件控制，進行一鍵測試，上位機一鍵測試的流程圖如圖4 所示。在準備好SiP 電路測試的硬件和軟件后，單擊上位機軟件的“一鍵測試”按鈕，上位機軟件就自動發送各個實裝測試項的指令，并根據收到的狀態字判斷測試項是否通過測試。使用上位機一鍵測試提高了測試效率。

圖4 上位機一鍵測試流程圖

2.2 ATE測試系統設計

ATE 測試可以給測試電路提供測試模式，通過測試向量給電路施加激勵，被測量的電路對激勵輸出響應[9]。ATE 測試類型分為三種，分別是直流參數測試、交流參數測試和動態功能測試[10-12]。

ATE 測試機通過性能板（Performance Board，PB）將激勵傳輸給被測器件（Device Under Test，DUT），DUT 對激勵的輸出響應再通過PB 板傳輸給ATE 測試機。ATE 測試系統的基本框圖如圖5 所示。由于ATE 測試機的PB 板無法直接和被測SiP 電路接觸，設計了ATE 測試板實現SiP 電路和PB 板的電連接，SiP 電路可以放置在ATE 測試板上的插座中進行ATE 測試。

圖5 ATE測試系統基本框圖

ATE 測試板實物圖如圖6 所示，測試板中間是插座；插座的上方是JTAG1 和JTAG2，分別用于調試DSP 和FPGA 的程序；ATE 測試板的兩側是含有過孔的焊盤，ATE 測試機通過插針接觸這些焊盤，給ATE測試板供電并傳遞電信號。

圖6 ATE測試板實物圖

SiP 電路ATE 測試步驟如下：

1）ATE測試前，將ATE測試需要的DSP程序、FPGA 程序下載到SiP 電路中；

2）將ATE 測試板安裝到ATE 的PB 上；

3）將SiP 電路放到ATE 測試板的插座中；

4）運行ATE 測試機的測控軟件，加載程序；

5）對SiP 電路執行連接性測試；

6）對SiP 電路執行功能測試。

ATE 測試機按照測控軟件中的程序依次執行操作，只有當被測SiP 電路的所有測試項目都測試通過時，ATE 測試才通過[13-14]。

2.3 老化測試系統設計

SiP 電路的可靠性十分重要，關系著使用該SiP電路的系統是否能夠可靠運行，為了提高SiP 電路的可靠性，需要對電路進行試驗篩選，老化試驗是其中一個重要的篩選環節。老化試驗分為靜態老化試驗和動態老化試驗，動態老化試驗要求在電路允許的最高溫度下完全模擬實際的工作狀態，更能有效的篩選出失效的SiP[15-16]。該系統采用動態老化試驗方法，試驗條件選擇溫度為125 ℃，時間160 h。

該文設計的老化測試系統由老化板、溫控箱、CAN 通信系統和上位機軟件組成，如圖7 基于CAN總線的老化測試系統框圖所示。上位機通過CAN總線與多個老化板進行通信，控制老化板并接收狀態信息。使用CAN 通信方式可以方便地擴展老化板的數量，滿足大批量老化試驗的要求。

圖7 基于CAN總線的老化測試系統框圖

老化板和實裝測試板相同，但需要將實裝測試的插座換成老化插座。四個老化插座連接到一個溫控箱上。老化插座內置熱電偶、加熱棒，結構如圖8所示。通過溫控箱和老化插座，可以控制SiP 的殼溫保持在125±3 ℃。使用溫控箱和老化插座，不依賴老化箱，可以在常溫環境進行老化試驗。

圖8 老化插座示意圖

老化測試上位機軟件如圖9 所示，上位機軟件可以設置與CAN 通信相關的參數，可以控制各個老化板中的SiP 功能、接口測試的開始和結束，顯示各個老化板中SiP 的測試是否正常，通過下方的顯示區可以顯示各個老化板實時的測試結果。通過一個上位機軟件監控所有老化板的狀態，操作十分方便。

圖9 老化測試上位機軟件

3 系統驗證

使用該SiP 電路測試系統，對選取的25 顆SiP 進行測試。在測試中心搭建了測試需要的軟件和硬件環境。

實裝測試：依次將25 顆電路放在實裝測試板上的插座中，使用熱流罩的噴氣口將插座罩住，通電后，依次設置熱流罩的溫度為+125 ℃、+25 ℃、-55 ℃進行實裝測試，并記錄測試結果。

ATE 測試：將ATE 測試板固定在ATE 測試機的機臺上面，保持良好接觸，依次將25 顆電路放在ATE 測試板的插座中，使用熱流罩的噴氣口將插座罩住，進行ATE 三溫測試。

老化測試：準備25 塊老化板，七個溫控箱，將老化板的CAN 接口連接到CAN 總線上，將25 顆電路放在老化插座中，設置溫控箱的溫度為+125 ℃，接上電源后，使用老化測試上位機軟件依次啟動電路的老化測試，160 h 后停止測試。

該SiP 電路三種測試的測試結果如表2 所示，測試系統可以將不合格電路篩選出來。

表2 測試結果統計表

4 結束語

該文對某款SiP 電路的組成進行了介紹，并基于該SiP 設計了SiP 電路測試系統，并對該系統的設計和實現做了詳細的介紹，該測試系統能夠實現對SiP電路的實裝測試、ATE 測試和老化測試。使用該SiP測試系統對25 顆SiP 電路進行了測試，該測試系統有效地篩選出了有故障的SiP 電路，為SiP 器件可靠性分析提供了檢測手段。