当用在线测试器（ICT）对低电压工艺产品做加电测试向量的测试时，要保证该测试向量不违反低电压部份的愈来愈严格而紧缩的指标，本文讨论了做这种测试所遇到的挑战以及必需遵守的安全规则。

　　讨论的主题中包括了：为什麽制造商在采用低电压工艺产品？当低电压器件暴露於强载荷的条件下会发生什么？为测试进行设计中应考虑什么问题？不同的 ICT 引脚设计的精度；以及报告和控制有害测试事件的能力的重要性。 这些测试事件可能会不适当地加重器件的负荷。

　　低电压工艺的带来的好处
　　随着市场要求功能更强、包装更小、电池寿命更长的的产品，半导体器件制造商们转向能满足这些要求的方向。因此过去的十年以来，低电压工艺产品得到了广泛的使用。
　　使半导体器件在比较低的电压下工作，可以使产品设计者得到以下好处：较低的功耗、较少的冷却需求和较快的处理速度。 这些好处已经在过去 18 年内使个人计算机的性能指标增加了400多倍，而个人计算机的功耗却大体上保持不变。
　　使用5V VCC 电源很久以来就是磁芯和逻辑存储器两者的标准。而专用集成电路 (ASICs)、微处理器和数字信号处理器 (DSP) 等日益增加的复杂性，形成了现代的互补型金属氧化半导体制造业的工艺流程。它能够生产比较小的结构，其中单个晶体管的氧化物门的厚度对静电场强度相当敏感。 因为电场强度与电源电压成正比， 必须降低电源电压以保证这些较小的结构能可靠地工作。
　　可以用另外一个方法 ，把电子器件做得更加复杂，却不扩大芯片面积的总体尺寸。那就要减少结构的大小，这也需要减少 VCC 电源电压。在低於 5V下可靠工作的结构的极限尺寸为 0.6 微米，而 使用0.35 微米的制造流程，需要2.5V VCC才能正常工作。减少电源电压也导致了功耗按指数规律下降，因此，降低供电电压是总的趋势。
　　各主要的半导体制造商的工艺路线显示，在过去十年期间，逻辑电压门限一直在稳定地降低。由TexasInstruments提供的低电压器件的进展。在最近十年中，从 5V 到 3.3V到 2.5V 到1.8V 直到0.8V。今天个人计算机主板上Intel公司的 Pentium 芯片组所用的低电压逻辑电平的多样性。

　在线测试器测试低电压工艺产品时遇到的挑战
　　在线测试器依靠针床型的夹具，使得测试器仪器与印刷电路板的每个节点 ( 或网点)都能进行电的连接。使用这种连接方法，测试器采取用一种 "分而治之"的策略， 把每个元件当成PCB上的唯一器件进行测试。 如果所有的单个元件都通过了测试，那么整块电路板大体上也没有装配差错，因而能够在实际应用中正常发挥其功能。这个测试策略是可能的，因为测试器利用了使“失能”和“抑制”等技术，来把被测元件从不需要的周围元件的电气影响中隔离出来。
　　为了进行数字元件的加电向量测试，本测试器利用了驱动器/感应器 (D/S) 引脚。它能够把输入引脚加电到规定的逻辑状态，并且敏感出输出引脚上形成的逻辑状态。数字引脚驱动器设计成低阻抗的电流源，它通常可以输出高达600mA 或更大的电流。 这个电源迅速地强制电路板上的节点达到测试所需要的逻辑电平，临时性地强制把元件的输出端节点达到其相反的逻辑状态，通常被称为“ 反向驱动”。
　　这些加电测试向量技术已经被成功地用于在线测试仪器长达20多年。然而，今天新的低电压工艺产品难以用常规的在线测试器来准确、可靠和安全地进行测试了。其理由在于在线D/ S引脚设计的误差，它很容易违反低电压工艺产品中的愈来愈严格的最大电压和电流的指标。

驱动和敏感精度
　　为了成功地测试低电压工艺产品，在线驱动器必须能够准确地提供器件所预期的逻辑高和逻辑低的电压。同样，传感器必须足够准确地检测出器件引出接点上的逻辑高和逻辑低电平。
　　大部分在线测试器采用了一个D/S设计。它包括一个干线驱动器(rail driver)和一个简单的比较器（如AM26C32）。这是一个简单的设计，既便宜又容易制造，因为它采用了现成的商用部件。干线驱动器通常的输出阻抗大约是5欧姆，而一个无载荷驱动器的误差约为150mV。此设计中的传感器的输入电压误差通常为300 mV。
　　更精确的在线测试器利用了闭环，它采用定制的ASIC设计，因而大大地改进了测试器中的驱动器和传感器的精度。这些设计的成本较高，并且需要更大的工程工作量。但是它通常有更低的输出阻抗（1欧姆或更低）和更小的敏感误差（100mv或更低）。
　　这两种D/S的设计在无电流状态下测试大于1.2伏电压的工艺都能很适当。然而对于测试低于1.2伏电压的工艺，用简单的设计将变得不可能。由于引脚敏感的不精确性，即便是高电压工艺，若用反向驱动，简单的设计也变得不可行了，因为干线驱动器引脚设计的输出阻抗太高。

　　在反向驱动条件下的精度
　　如前所述，在线测试时的反向驱动，出现于当在线测试器需要提供电流来暂时地盖过一个元件的输出，使它的逻辑状态与其原来要达到的状态相反。反向驱动是常见的，它可能由于电路设计条件，线路板的差错情况或者在测试程序中漏掉了隔离的代码而发生。
　　对一个PC母板的在线测试典型程序进行的分析中发现：在56个器件中发现17个器件有反向驱动，并且有156个反向驱动事件需要的反向驱动电流大于50mA，中等的驱动电流为176mA，最大的反向驱动电流要600mA，而持续最长的时间为2.5mA。
　　对于用高输出阻抗的在线测试器来说，这样大的反向驱动电流可能会产生问题，这是因为引脚驱动器的电压误差随着反向驱动电流的增大而迅速增加，反向驱动电流和驱动误差之间的关系，曲线分别对应于高输出阻抗的干线驱动器，低输出阻抗的定制ASIC引脚驱动器。

　高输出阻抗驱动器随着反向驱动电流的增加而迅速地失去它的精度，在100mA反向驱动电流时，驱动器的精度已经不能满足测试1.2V逻辑工艺，而在200mA反向驱动电流时，驱动器的精度已经不能满足测试3.3V的逻辑工艺了。当反向驱动电流超过了300mA时，甚至已经不能满足测试5V的工艺了，在500mA的反向驱动电流时，高输出阻抗驱动器出现了超过2V的误差，相反地，即便在反向驱动电流达到400mA时，低输出阻抗驱动器精度还是足以测量0.8V的逻辑工艺。
    同时展示了高输出阻抗和低输出阻抗驱动器在实验室中取下的波形，图中分别显示了有反向驱动和没有反向驱动时的波形。这些波形表明，本来要驱动1.2V的高输出阻抗驱动器，在承受6欧姆的负载时，只达到了0.58V；相反，低输出阻抗驱动器在同样的负载下却能达到1.07V。

对损坏的更大的敏感性
　　由于低电压工艺的器件要求的器件的尺寸较小和最大门限电压较低，低电压工艺的器件在遭受过电压时更加容易损坏。对以下类型的失效更为敏感。
　　其失效机制是人所共知的TDDB（随时间而变的介质崩溃），它是时间、温度、电压和门氧化物厚度等诸因素之间交互影响的结果。
　　在器件的引脚被大于其最大额定压值驱动时，门氧化物损坏可能会发生。例如Intel的FSB/PSB总线的最大额定电压值是1.75V。如果在此总线上的器件引脚被超过1.75V的电压驱动，并持续一段时间，则对于晶体管门氧化物的损坏就会产生。
　　大多数常用的在线测试器的一组D／S引脚必须采用同样的逻辑电平赋值，（即16个或32个引脚被迫采用同样的逻辑电平），这样的设计成本比较低；但当同一组中的D／S引脚需要连接到不同电压工艺的器件引线上时，就会发生问题。
　　当发生这种情况时，程序员必须把公共的逻辑电平赋值给该组中的所有引脚，这可能造成某些低电压器件引脚的驱动电压超过其最大额定值。
　　对于使用高输出阻抗驱动器的在线测试仪，更容易发生过电压状况。同为程序员会提高编程电压来试图补偿某些引脚在反向驱动下的电压误差，当这种情况可能发生的应用实例。

　　由于有更精确的D/S引脚，以及在设计驱动器时对各引脚的逻辑电平能够独立地编程赋值，因而高档的在线测试器可以避免这些潜在的问题。
　　这种按引脚的可编程性消除了测试折衷情说，（这种折衷可能会不经意地导致某些器件被超过它们最大额定值的电压所驱动），这就保证了器件上的每个引脚被准确地驱动该器件所要求的逻辑电平门限。

　　静电放电（ESD -Electrostatic Discharge）二极管过载，
　　ESD二极管过载是一种可能发生在低电压工艺上的失效机制，它出现于当ESD保护二极管受到的反向驱动电流超过了额定最大值的时候。有些器件制造商建仪ESD二极管不应承受超过100mA的电流，超过这个定额将会导致ESD二极管的损坏，这种损坏不能在工厂的测试中检测出来，因而可能导致在现场的潜在失效。器件的ESD二极管被损伤后，它对静电放电就缺乏保护。这将会降低器件性能指标，而且最终可能导致灾难性的失效。
　　对于大多数在线测试器来说，识别和避免ESD二极管的过荷状态是不可能的，在市场上只有一种在线测试器有此功能。它能够测量实时的反向驱动电流，能够报告在线路板上什么地方发生了反向驱动，并且能够对最大反向驱动电流及其持续时间进行编程。图5展示了这个测试器所提供的反向驱动报告的一个实例，操作员可以用它来识别潜在的有害反向驱动事件。

当一对晶体管组成了一个PNPN或NPNP可控硅整流器类型的结构时，有可能发生一种CMOS闭锁（latchup）的失效机制。它在器件中电源到地之间造成一条低阻抗、大电流的通路，这会造成器件的故障甚至永久性的破坏。闭锁通常是由于在CMOS器件的输入端加上了一个快速上升或下降的电压尖峰，这个尖峰的发生可能由于静电放电，也可能因为在线测试时，某一个输出端因为被反向驱动而突然改变了其逻辑状态。
　　当在线测试时，可能导致器件输入端上产生电压尖峰的一个应用实例。一个数字存储示波器的波形图，它显示了在输出端被反向驱动而改变逻辑状态时，可能产生的巨大的电压尖峰；也表明了它会怎样有害地影响到测试和器件本身的可靠性。

　　为了在数字在线测试过程中避免产生这些潜在的有害电压尖峰，需要采用多层次的数字隔离技术，多层隔离技术保证在一个线网上的所有输出端都受到控制，并且在联接到数字驱动器之前处在一个已知的状态，有些在线测试器只隔离那些与被测器件输入端直接相连的输出端；但如图6和图7所展示的，这不足以防止那些不直接与被测器件联接的网点上发生的电压尖峰。
　　流过反向驱动器件的电流增加了该器件输出结点和引线的温度。一个集成电路的最大安全反向驱动时间取决于该集成电路上被反向驱动的引脚数目、电流大小、持续时间、封装形式和制造工艺。
　　反向驱动时间太长会使引线的温度升高，当超过了其融点会导致引线的失效；它或者会诱发引线中的疲劳机制从而造成潜在的缺陷，使器件寿命缩短而失效。
　　因此，使在线测试器在反向驱动时把测试时间保持最小是很重要的，有些在线测试器设计有专门的数字控制器和存贮器来支持引脚的驱动功能，它们可以有效地快速施加测试向量，并且能精确地定时。比较低级的在线测试器要求较长的测试时间，因为在测试时测试向量要从PC机的存贮器传送出来。这些测试器的定时性是非常难于预测的，因为它依赖于所采用的PC机的型号，要传送的数据的总数，以及在PC机上是否还运行着别的程序。
　　为比较上述两种方法的性能指标，做了专门的执行1000个测试向量的实验。结果是：不具有专用数字控制器的测试器，比有专用控制器的测试器要多化520倍的时间（104ms比0.2ms）。减少测试执行时间会导致反向驱动元件的负荷减轻，并且降低因电路板运行而生成的电压尖峰出现的机会。

　　低电压对在线测试的潜在影响
　　正如上面所述，在许多情况下，常规的在线测试器在精度、安全性和可靠性方面不具备测试低电压工艺的能力。制造商们若想采用这些性能较低的在线测试器来测试低电压工艺，就必须面对如下的副作用。

减少了故障测定的覆盖面
　　如果ICT的D/S引脚不能足够精确地驱动和感受低电压工艺的器件引脚，制造商可能决定不去测试这个器件，或者他们用一个不加电的非向量测试的方法来代替，比如让模拟电容突然开路或检查二极管的PN结来检查故障。这些方法与数字向量测试相比是低级的，因为它们加大了测试的工作量，增加了夹具的成本和复杂性，而且不能检测出器件究竞是坏了，还是有故障。

　　降低诊断的精确性并增加了虚假失效的机会
　　由于常用在线测试器驱动器和传感器的不精确性，以及在高、低逻辑电平之间门限容差的日益缩小，把好的低电压器件当成坏的机会愈来愈多。图8表示了一个有故障的印制板，它导致了一个常规测试器把三个好的器件错误地诊断为坏器件，同时它又未能指出真正的电路板故障。像这样错误的失效诊断增加了制造过程中的修理成本，并导致了不必要的、可能带来电路板进一步损伤的返修工序。

　进行在线测试的安全保障技术
　　制造商若要想精确、安全而可靠地测试有低电压工艺器件的电路板，必须寻求具有下列能力的在线测试仪器：

　　闭环工作，有低输出阻抗的驱动器
　　在线测试器应该具有低于100mV的额定驱动精度以及低于1欧姆的输出阻抗，这将保证驱动器可以测试低至0.8V的低电压工艺器件，并且能够使驱动器在无负载和反向驱动条件下保持精确。

　　精确的传感器分辨率
　　在线测试器应当具有低于100mV的电压输入误差，这将允许测试器成功地在低于1.2V的低电压工艺器件上区分输出的高、低逻辑电平。

　　实时的反向驱动电流测量能力
　　在线驱动器应该能够对反向驱动电流的大小和持续时间进行实时测量。这一特点使得测试器能够识别那些反向驱动电流非常大的事件，它能查出并加亮测试程序中被遗忘的或不适当的器件隔离步骤。

　　反向驱动电流和持续时间要可编程的
　　在线程序员应该能为测试中的每个器件引脚设置最大反向驱动电流和允许时间，当电路板上有故障时，这可以用来防止敏感的器件受到过载，这个特性也可以用来识别一般无法由常规的在线测试器检测出的故障（例如，“使能”引脚的故障和临界状态的输出晶体管）。

　　按引脚可编程的逻辑电平赋值能力
　　在线测试器D／S引脚应当允许单独地（而不是成组地）进行逻辑电平门限、反向驱动极限和电压摆速的编程。按引脚可编程的D／S使得程序员和测试向量生成软件具备充分的灵活性，可以给器件上的每个引脚赋予对它们适宜的逻辑电平，从而避免像图4中那种发生在共用逻辑电平赋值的在线测试器上的折衷处理。

　　专用的数字控制器和定时功能
　　在线测试器应当有专用的数字控制器硬件，它能够快速地、用一致的和可重覆的测试定时指标来执行数字测试向量。具有专用数字控制器的测试器带来的好处是更高的数字测试吞吐量、较低的器件反向驱动负荷和更加一致的测试结果。

　　多层次的数字隔离
　　最后，在线测试器应该具有测试生成和电路分析的软件。它能自动地使电路板上任何联接到被驱动的网点上的输出端进入失能或抑制状态。为了避免潜在的有害电压尖峰（这种情况发生在被反向驱动的输出端突然改变其逻辑状态时），这个能力是十分重要的。
　
　　对今天的低电压工艺器件进行加电在线向量测试是具有挑战性的，大数的在线测试仪器不能胜任这个工作。为了精确、安全和可靠地测试低电压工艺器件，需要一个高级的测试器。它应当具有独立可编程能力、高精度的驱动/传感器、实时反向驱动电流测量和控制能力和专用的控制器，并且有多层次数字隔离的能力。