輸出阻抗影響電壓測試精度 


   為了對數字器件進行加電的矢量測試，在線測試設備使用了驅動器/比較器(D/S)，它們可以驅動被測器件的輸入/輸出管腳，以使之到達所需的邏輯狀態并進而測量輸出管腳的邏輯狀態。一些驅動器的數字管腳設計為低阻抗電流源，通常可輸出或吸收600mA或更大的電流。這一電流源驅使電路板上的節點迅速到達測試所需的邏輯電平。當對被測器件的輸出管腳進行瞬時飽和驅動、促使輸出管腳到達其相反邏輯狀態時，我們稱之為反向驅動。 


   加電矢量測試技術已在在線測試設備中成功使用了二十年。然而，目前傳統的在線測試設備卻越來越難以準確、可靠并安全地測試各種新型低電壓器件。這主要是傳統的在線D/S管腳設計不夠精密，同時可能會違反當今低電壓技術規范中有關最大電壓和電流的嚴格限制。為了成功地進行低電壓測試，在線驅動器必須足夠精確并提供被測器件輸入管腳所需的邏輯高/低電平。此外，在線比較器也必須足夠精確，以檢測器件輸出管腳上的邏輯高/低電平的差異。 


   多數使用D/S設計的傳統在線測試設備帶有線驅動器(rail driver)和簡單的比較器。由于使用商業現貨器件，這種測試儀設計簡單、成本低廉并且易于使用。線驅動器的輸出阻抗通常約為5Ω，無負載驅動誤差約為150mV，而比較器的輸入電壓誤差通常超過300mV。較為精密的在線測試設備通常使用閉環回路和定制化ASIC，極大地提高了驅動器和比較器的精度。此類設計成本高并且較難應用，但是它們的輸出阻抗非常低(1Ω及以下)，驅動器/比較器誤差也更小(100mV及以下)。在無負載電流時，兩種D/S設計都可以測試超過1.2V的電壓器件。不過受到本身的管腳比較器精度的影響，較簡單的測試儀無法精確測試低于1.2V的電壓。在反向驅動時，由于它的線驅動器管腳輸出阻抗較高，它甚至連高電壓都無法測試。 


   如上所述，當在線驅動器需要瞬時過電流驅動某個元件輸出，使其邏輯狀態達到相反狀態，這稱為反向驅動。在特定的電路設計、或PCB上特定的故障情況下以及當測試程度中缺少有關器件測試隔離代碼時，采用反向驅動技術變得相當普遍。對PC主板典型的在線測試程序進行分析得知，在56個數字器件的測試中有17個器件需要反向驅動；而156次反向驅動事例中的電流均大于50mA。反向驅動電流的中值為176mA，最高值為600mA，持續最長時間為2.5ms。在使用高輸出阻抗線驅動器的在線測試設備中，如此大量的反向驅動會引發問題，當反向驅動電流增加時，管腳驅動器的電壓精度會大幅降低。 


   高輸出阻抗驅動器的精度隨著反向驅動電流的增加而迅速下降。當反向驅動電流為100mA時，驅動器的精度已不足以測試1.2V邏輯電平；當反向驅動電流為200mA時，驅動器無法測試3.3V邏輯電平；當反向驅動器電流超過300mA時，驅動器無法測試5V邏輯電平；而當反向驅動器電流達到500mA時，高輸出阻抗驅動器的誤差甚至會達到2V。相比之下，低輸出阻抗的驅動器精度較為穩定，即使在反向驅動電流高達400mA時仍能測試0.8V邏輯電平。從實驗中我們了解到高輸出阻抗和低輸出阻抗的驅動器在反向驅動和非反向驅動情況下的性能。波形表明，當負載為6Ω時，原來計劃驅動1.2V的高輸出阻抗驅動器實際只能驅動0.58V。相比之下，低輸出阻抗驅動器在負載為6Ω時則可實現1.07V的驅動。 


   潛在故障和應對措施 


   由于器件尺寸更小同時最大電壓閾值更低，低電壓器件更容易出現下列故障：柵氧化層擊穿、ESD二極管過應力和CMOS鎖閉等。由于低電壓器件采用更薄的晶體管柵氧化層，因而在過壓情況下也更容易受損。這種損傷稱為時間相關介電擊穿，它與時間、溫度、電壓和柵氧化層寬度有關。當加在器件管腳上的電壓超過其最大額定電壓時會出現柵氧化層擊穿現象。例如，英特爾FSB/PSB總線的額定電壓為1.75V。如果與總線連接的器件管腳電壓長期處于1.75V以上，那么晶體管的柵氧化層便會受損。 


   大多數傳統的在線測試設備的D/S管腳都被迫使用相同的邏輯電平(16或32個管腳使用相同的邏輯電平)。這種設計成本低廉，但當同一組中的D/S管腳與電壓不同的被測器件管腳相連時便會出現問題。這種情況下，編程者不得不給該組中的所有管腳分配相同的邏輯電平，從而使某些低電壓器件的管腳電壓超過最大額定值。使用高輸出阻抗驅動器的在線測試設備也非常容易出現過壓情況，因為編程者試圖通過提高編程電壓來補償由于管腳驅動器反向驅動而產生的電壓誤差。 


   先進的在線測試設備提高了D/S精度并對驅動器進行了重新設計，如此可對每個管腳獨立編程設置其所需的邏輯電平，從而避免了上述潛在問題的發生。這種管腳獨立編程性可避免器件管腳電壓超過其最大額定電壓，從而保證器件的每個管腳都工作在適當的邏輯電平閾值內。 


   當ESD保護二極管的反向驅動電流超過額定最大值時還會出現ESD二極管過應力現象。一些器件廠商建議ESD二極管的電流不應超過100mA。如果超過這一額定值，在出廠測試時無法發現此類ESD二極管損壞，但隨后卻會在現場應用中出現故障。帶有受損ESD二極管的器件容易受到靜電放電的攻擊，從而降低性能，甚至引發災難性故障。目前，多數在線測試設備尚無法確定和避免ESD二極管過應力情況。 


   CMOS鎖閉是當一對晶體管組成等效的PNPN或NPNP可控硅整流器(SCR)時會出現的情況，它會在器件內形成從電源到接地之間的低阻抗、高電流通路，并造成器件誤操作和永久性失效。閉鎖通常是由于CMOS器件的輸入端出現快速上升或者下降電壓脈沖而引起的。靜電放電或在線測試中某個輸出因受到反向驅動而突然改變其邏輯狀態均會造成CMOS鎖閉。 


   為了避免數字在線測試中出現這種潛在的有害電壓脈沖，我們必須使用多層數字隔離技術。多層數字隔離技術可確保測試網絡中的所有輸出得到控制，并得知其在連接到數字驅動器前的狀態。一些在線測試設備只隔離那些與被測器件輸入直接相連的輸出，但它無法有效防止那些不與被測器件直接相連的電路網絡出現電壓脈沖。 


   另外，測試持續時間對被測器件也有重大影響。流經反向驅動元件的電流會導致器件輸出接點和接合引線的溫度升高，而IC的最大安全反向驅動時間是一個與反向驅動IC的管腳數、電流大小、封裝方式和制造工藝有關的函數。如果由于反向驅動時間過長而導致引線溫度超過熔點，那么便會引發引線失效或疲勞，從而產生潛在故障并縮短元件壽命。 


   因此，在出現反向驅動的時候在線測試設備必須盡量縮短測試時間。一些在線測試設備的管腳電路系統中帶有專用的數字控制器和存儲器，可實現精確定時并快速有效地進行矢量測試。落后的在線測試設備所需測試時間較長，因為測試過程中必須從PC中傳遞測試矢量。但這些測試設備的定時與所用PC類型、傳輸數據量以及PC上運行的其他程序有關，因此極難預測。為了比較兩種方法的性能，我們進行了如下試驗：在測試1,000個矢量時，不帶專用數字控制器的測試設備所需時間為帶專用數字控制器的測試設備所需時間的520倍(104ms對0.2ms)。縮短測試時間可減輕對反向驅動元件的壓力，并減少與板上動作相關的電壓脈沖出現。 


   低電壓在線測試策略決定設備的選擇 


   許多情況下傳統的在線測試設備無法準確、安全、可靠地進行低電壓測試。因此PCB制造商們在測試時必須處理相關問題，對一些測試策略進行折中處理。 


   降低故障檢測覆蓋率，如果在線測試 D/S管腳精度不夠，無法驅動和感應低電壓管腳，廠商必須決定是否放棄測試該元件，或是換用一種非加電無矢量測試技術，如模擬電容開路測試或二極管結測試技術。但這樣做的代價將是降低診斷精度并可能導致故障機會上升。這主要是由于傳統在線測試設備的驅動器和比較器精度不夠，同時邏輯高/低電平間的誤差幅度減小，好的低電壓元件極有可能被誤判為故障元件。因此，廠商如果希望能準確、安全、可靠地測試帶有低電壓器件的PCB，在選擇在線測試設備時應注意下列問題。 


   首先，在線測試設備的驅動器精度應不超過100mV，輸出阻抗應小于1Ω。這樣可保證驅動器能夠測試低于0.8V的低電壓，以及驅動器在無負載和反向驅動情況下的精度。在線測試設備的電壓輸入誤差應小于100mV，這樣便可有效區分1.2V以下的低電壓器件的高/低邏輯電平的不同。 


   其次，在線測試驅動器應當能實時測量反向驅動的電流和持續時間。這樣便能識別需要超大反向驅動電流的情況，并能指出測試程序中遺失或不恰當的器件隔離。在線測試編程人員還應該可設置每個器件管腳的最大反向驅動電流和持續時間，從而避免在電路板故障時敏感器件出現過壓現象。此外還要能識別傳統在線測試設備無法檢測的故障(如故障使能管腳和狀態臨界的輸出晶體管)。 


   此外，在線D/S管腳應該可獨立設置邏輯電平閾值(而不是整組管腳)、反向驅動限制條件及電平擺率。這樣編程器和測試生成軟件可為器件上的每個管腳設置恰當的邏輯電平。在線測試設備應該具有專用的數字控制器硬件，能夠迅速執行數字化測試矢量而且保持測試時序的一致性和重復性。帶有專用數字控制器的測試儀速度快、反向驅動更少同時測試結果重復性更好。 

   最后，在線測試設備應該具有測試程序生成和電路分析軟件，可自動禁止/停止PCB上與受驅動測試網絡相連的任何輸出。這可避免在反向驅動輸出的邏輯狀態突然改變時出現潛在有害的電壓脈沖。