CN1714295A - 集成电路接触缺陷的测试方法和测试装置 - Google Patents

Abstract

提供了向多个网(例如，24)施加测试信号的多种测试器构造。对响应的非线性特性进行检测(例如，谐波、发生偏移)，并将其用于评估该网中的器件连接是否合适。

Description

集成电路接触缺陷的测试方法和测试装置

技术领域

本发明涉及确定集成电路与其上安装有该集成电路的电路板之间的接触的完整性的方法和装置。可以将该方法应用于并联有许多器件的复杂电路板。

背景技术

这种电路板组件的自动测试是常见的。CMOS和双极集成电路通常在输入和输出引脚以及器件地和电源轨(power rail)之间具有寄生或保护二极管。该情况已经在现有技术的测试器中得到了认识和采用，以验证组件引脚连接的完整性。

US 5,280,237和US 6,188,235利用了通过基底和地之间的寄生二极管而形成在集成电路内的寄生晶体管。在“接地发射极”结构中进行晶体管测试，并且必须将器件接地(GND)引脚连接到偏置电压而不是地。在器件接地引脚确实连接到地的情况下，例如与许多商业性的电路内测试器的情况那样，则不能进行这种测试。

US 4,779,041试图验证连接两个器件引脚中的每一个的二极管和地的内部共模(common mode)电阻的存在。施加到第二端子的大电流脉冲导致固有内部电阻两端的电压降，该电压降随后表现为承受恒定偏置电流的第一端子上的相应的电压变化。该技术存在几个缺陷，包括：由于多个连接组件共用脉冲或偏置电流中的任何一个或两者而导致的错误读取、由于其他组件而导致的正在测试的两个引脚之间的并联电流通道、以及由于电路板与测试器的交点(trace)和连接而导致的外部共模电阻。此外，预期的响应在不同批次或制造商的器件之间可能变化很大。

US 5,521,513和US 5,554,928通过采用测量内部共模电阻的另选方法解决了US 4,779,041的某些缺陷。将电压源同时连接到组件的两条引线，并测量所产生的电流。然后将相同的电压源分别连接到相同的两条引线中的每一条上，并测量所产生的电流。然后可以根据所产生的电流来计算这些引线(以及地)之间的公共电阻。遗憾地是，使用电压激励在确定适当的电压电平方面存在严重的问题。向器件引脚施加给定电压而引起的电流与向不同的器件引脚施加完全相同的电压而引起的电流可能相差几个量级，从而将不确定性引入到操作条件和预期响应中。

US 5,736,862利用了多对集成电路引脚之间的内部AC通道。当两个引脚正确连接时，向一个引脚施加AC信号将在第二个引脚上产生相同频率的输出信号。另一种相似的方法是，分别向两个器件引脚施加具有不同频率的两个AC信号，然后利用正向偏压二极管的非线性特性产生和频与差频，随后可以在第三器件引脚处对该和频与差频进行检测，以推断出正确的连接。第一种方法容易受到由于并联通道和外部共模电阻而导致的错误信号的影响。后一种方法由于每一次测试都需要对三个独立的器件引脚进行选择、偏压和连接而显得复杂。

IEEE Proceedings of the International Test Conference 1997中的相关方法“Analog AC Harmonic Analysis Method for Detecting Solder Opens”(http：//www.computer.org/proceedings/itc/4210/4210toc.htm)向第一引脚施加AC信号，并测量同一器件的第二引脚上的输出信号的谐波项(content)，这减少了由于并联通道而导致的未检测出的缺陷的数量。

EP 0,571,963识别由相似功能的引脚之间的内部二极管构成的多端子结构，该多端子结构为US 5,280,237中所采用的寄生晶体管的一般情况。然后对这些结构施加偏压，以产生一组端子电流，然后对这些电流进行测量，并将其与表示错误连接的标记偏差进行比较。所示实施例存在与CMOS器件相关的问题，即由于信号引脚和供给电压引脚之间存在的附加寄生二极管而导致的大本底电流的问题(由US 6,188,235解决)。同样，使用偏压对于具有变化特性的器件和引脚存在确定适当电压的问题。

上述各种技术最少需要两个器件引脚连接，其中两个所选择的引脚不会构成相同总线部分，并且不会两者都连接到任何其它独立器件的引脚。该要求是根据以下事实而产生的：对于这些技术，这种并联器件连接往往掩盖了任何单个器件引脚连接错误的影响。所得到的两个不同功能引脚的选择可能使测试激励的选择复杂化，并使得难以或者不能预测测试响应。

一些方法优选地对组内引脚的结果进行比较。必须在独立的时间单独进行这些测量的事实引入了测量不确定性，这对于测试的完整性可能具有相当大的影响。

上述技术中没有一个技术清楚地解决了与测试通道中固有的串联电阻相关的问题。任何实际的测试器通常都必须使用测试布线和探针，以“钉床(bed-of-nials)”的方式与要测试的电路板电连接。通常由于探针引脚或连接器接触电阻，使得这种连接将具有量值很大并且可变的相关串联电阻。这种电阻的不希望的效果是将错误引入到所施加的激励和所测量的响应中，由此极大地降低了测试的准确度和一致性。

US 5,365,180提供了一种用于在晶片测试过程中，测量探针板和其上制造有集成电路的晶片之间的接触电阻的方法。通过隔离二极管在要测试的器件的两个引脚之间施加第一和第二测试电流，并且分别测量第一和第二结果电压降。通过将所测量的电压的差值除以测试电流的差值来计算动态电阻。然后，例如可以通过从所计算出的动态电阻中减去预定的内部电阻值来确定接触电阻。

US 5,786,700类似地来确定电子器件的两个外部接入点之间的线性互连电阻。在两个接入点之间施加各种电流或电压，以使内部ESD二极管正向偏压，并测量所得到的电压或电流。将所得到的电流-电压关系应用于互连模型算法以求出互连电阻。

尽管上述两种方法在确定动态和静态串联电阻方面可能有用，但这两个数值在未连接器件引脚的检测方面都没有任何内在的重要性，尤其是在网络上具有多于一个器件连接的情况下。

相反地，在测试通道中存在未知的串联电阻时，希望能可靠地检测出引脚连接错误。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种测试多个半导体器件连接的完整性的方法，其中每一个半导体器件在施加测试信号的第一节点和连接到所述器件的电源连接的第二节点之间的传导通道中都包括一非线性元件；该方法包括以下步骤：将测试信号施加给所述器件，以使测试电流在所述节点之间流动，从而在所述节点之间产生电压差；当测试电流变化时测量该电压差；以及基于该测量来提取主要由于所述器件的非线性特性而导致的响应分量，并利用该响应分量来表示与所述器件的连接是否可接受。

由此可以提供一种方法，该方法即使在多个器件并联连接到同一测试连接时，也能够测试与基底(例如电路板)的器件连接的完整性，并且该方法基本上与测试通道内的串联电阻无关。

优选地，测试信号是由电流源产生的DC电流，然后可以对引起电流变化的电压变化进行分析，以计算动态电阻偏移电压(offset voltage)。应该理解，通过该方法计算出的动态电阻偏移电压根据测试电流幅值的不同选择而改变。因此，例如如果希望在类似器件的不同组(所谓的“网”)之间比较动态电阻偏移电压，则测试电流必须基本相同或至少相似或者是确定相关的。

该测试信号可以包括AC分量。在这种情况下，可以检测到由非线性器件中的电流产生的谐波信号的存在。应该注意，在要测量非线性分量的AC响应的情况下，不必实时地提供AC信号。相反地，可以提供一系列变化的DC信号。因此，除了第二测试信号以外的其他测试信号的提供可以用于询问要测试的电路板以及所测量的进一步的电压差。优选地将该电流选择为代表正弦或其他波形的抽样值，该正弦或其他波形具有与在波形的峰谷之间的时间内等间隔抽样相对应的小低次谐波成分或零低次谐波项。然后可以将这些抽样用于询问电路板的性能以及其上的连接的完整性。不必以任何特定的顺序或恒定的速率来进行该抽样。假设数据处理设备可以将所测量的电压重新排序为以从谷值到峰值的顺序或相反顺序施加测试电流而产生的序列。然后对通过利用AC信号驱动要测试的器件而得到的结果进行数字化合成。

可以对来自两个基本相同的网(即以类似方式连接的多组引脚)的结果进行比较，并且如果它们的差异超过预定阈值，则表示错误连接。

根据本发明的第二方面，提供了一种对集成电路引脚和电路板之间的连接的连续性进行测试的方法，其中该集成电路引脚与构成第一组的多个集成电路引脚相连，该方法包括以下步骤：对具有与第一组相关的电特性的第二组集成电路引脚进行识别；向第一组引脚施加一个或更多个第一测试信号，并测量在第一组引脚和基准电压之间出现的一个或更多个相应的第一电压差；向第二组引脚施加一个或更多个第二测试信号，并测量在第二组引脚和基准电压之间出现的一个或更多个相应的第二电压差；以及基于测量来提取并比较第一组引脚和第二组引脚的非线性特性，以实现连续性的测量。

优选地，对上述多个组进行选择，以使得各个组能够以相同的方式(例如在各个组中具有相同数量的相同器件连接)执行测试。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于测试多个器件连接的完整性的装置，其中每一个器件在施加测试信号的第一节点和连接到各个器件的电源连接的第二节点之间的传导通道中都包括一非线性元件，该装置包括：信号装置，用于向所述器件施加测试信号，以使测试电流在所述节点之间流过，从而在所述节点之间产生电压差；电压测量装置，用于在测试电流改变时，对电压差进行测量；以及数据处理器，基于上述测量而设置该数据处理器，以提取主要由于器件的非线性特性而导致的响应分量，并利用该响应分量来表示到该器件的连接是否可接受。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于测试电路通道中的连接的连续性的装置，该电路通道包括构成与第一电路节点相连的第一组的多个集成电路器件引脚，以使得电流流经这些引脚，并通过相关的半导体结到达第二电路节点，该装置包括：第一信号装置，用于向第一组引脚施加M个测试信号，并测量在第一电路节点和基准值之间出现的M个电压差，其中M是大于0的整数；第二信号装置，用于向第二组引脚(期望其具有与第一组引脚相同或相关的特性)施加N个测试信号，并测量在连接到第二组引脚的第二电路节点和基准值之间出现的N个电压差，其中N是大于0的整数；以及处理器，其对上述电压差进行响应，用于导出或比较第一组引脚和第二组引脚的非线性特性，以实现连续性的测量。

优选地，该非线性特性是动态偏移电压或者真实的或合成的谐波项。

优选地，M和N相等，并且同时向第一组引脚和第二组引脚施加相同的测试信号。

优选地，直接根据所测量的M个和N个电压差的相应差值，来计算用作连续性测量的第一组引脚和第二组引脚之间的非线性特性的差异。

该M个和N个信号可以是来自具有小低次谐波项或零低次谐波项的定期抽样的正弦或其它波形。

附图说明

下面将参照附图，通过示例的方式对本发明作进一步的说明，在附图中：

图1是表示二极管的电流-电压特性的曲线图；

图2表示串联的线性和非线性器件的电压分配；

图3表示串联的电阻和二极管的电压分配；

图4表示多个并联的二极管与单个更大二极管的等效效果；

图5示意性地表示了构成本发明实施例的测试器的电路；

图6表示图5中所示构造的等效电路；

图7是对由于单个错误连接而导致的串联电阻误差电压和预期电压变化进行比较的曲线图；

图8表示构成本发明实施例的装置，该装置被构造用来测试CMOS器件内的连接；

图9表示根据本发明并利用具有AC分量的测试信号的测试器的实施例；

图10a表示正弦测试信号，图10b表示二极管的非线性电流-电压特性；图10c表示在二极管两端形成的电压波形的示例，而图10d表示图10c中所示的波形的频率分量。

图11表示“奇异正弦波”的形式；

图12表示构成本发明的另一实施例的测试器；

图13表示用于执行直接差分谐波分析，以检测错误连接的装置；

图14表示构成本发明实施例的另一测试器；以及

图15是表示由于并联电阻负载的存在而导致的前向电压测量中的误差的曲线图。

具体实施方式

图1表示半导体二极管的电压-电流特性。实际上，已知可以通过以下公式来表示二极管中流过的电流：

$I=I_s(e^{\frac{\mathrm{qV}}{\mathrm{kT}}}-1)---\left(1\right)$

其中

I＝电流

I_S＝反向饱和电流

q＝电荷(charge of election)

V＝电压

K＝玻尔兹曼常数

T＝由绝对温度表示的温度

可以看出，由于器件两端的电压和流过器件的电流之间的比值限定了器件的电阻，所以二极管具有非线性电阻。在V₁、I₁和V₂、I₂处示出了所得到的曲线上的两个点。

经过点V₁、I₁和V₂、I₂的直线的斜率与动态电阻Rd相对应。由于该曲线的非线性特性，所以动态电阻线不经过原点，而是具有相关的偏移电压V₀。

通过该斜率来定义动态电阻Rd

$\mathrm{Rd}=\frac{V_1-V_2}{I_1-I_2}---\left(2\right)$

该直线的电压公式给出如下

V(I)＝V₀+I.Rd                    (3)

从该公式中我们可以通过将值V2和I2插入到公式3中，并随后代入在公式2中定义的Rd的表达式，来获得偏移电压V₀。

$V_0=\frac{V_2{I}_1-V_1{I}_2}{I_1-I_2}---\left(4\right)$

但是，假设在电路中没有其他电阻元件是不合理的。在本发明的内容中，测试器和要测试的电路板之间的连接几乎不可避免地存在一些电阻。此外，如果使用探针或“钉床”结构，则在与要测试的电路板的接口处可能会出现一些接触电阻。

图2表示非线性元件Z与线性电阻元件R串联的网络。

如果在电流为I时Z两端的电压由函数V_Z(I)给出，则网络两端的总电压由各元件两端的电压之和给出

V(I)＝V_Z(I)+I.R                 (5)

为电流I₁和I₂定义的动态电阻和偏移电压由以下公式给出

$\mathrm{Rd}=\frac{V_Z\left(I_1\right)-V_Z\left(I_2\right)}{I_1-I_2}+R---\left(6\right)$

$V_0=\frac{V_Z\left(I_2\right)I_1-V_Z\left(I_1\right)I_2}{I_1-I_2}---\left(7\right)$

以上V₀的表达式仅是电流I₁、I₂和所获得的非线性电压V_Z(I₁)、V_Z(I₂)的函数。V₀与串联电阻元件R(该电阻R被视为在零电流时所限定的电阻)无关。

在图3中，非线性电压分量V_Z是由于正向偏压结型二极管D而导致的，并由以下公式给出

$V_Z\left(I\right)={\mathrm{\ηV}}_T\ln (\frac{I}{I_S}+1)---\left(8\right)$

其中

η＝二极管特性

V_T＝温度T时的热电压

I_S＝反向饱和电流

在这种情况下，动态电阻Rd变为

$\mathrm{Rd}={\mathrm{\ηV}}_T\left(\frac{\ln (I_1+I_S)-\ln (I_2+I_S)}{I_1-I_2}\right)+R---\left(9\right)$

其基本上与二极管反向饱和电流I_S无关。

由于正是I_S的这种变化表征了并联二极管情况下的连接错误，所以Rd的值对错误检测没有直接作用。

相反，动态电阻偏移电压V₀变为

$V_0=\mathrm{\η}{V}_T(\frac{I_1\ln (I_2+I_S)-I_2\ln (I_1+I_S)}{I_1-I_2}-\ln \left(I_S\right))---\left(10\right)$

其相当于由以下公式给出的电流I₀时的二极管前向电压

$I_0=\exp \left(\frac{I_1\ln (I_2+I_S)-I_2\ln (I_1+I_S)}{I_1-I_2}\right)-I_S---\left(11\right)$

偏移电压V₀的以上公式表明偏移电压V₀与二极管反向饱和电流I_S有关，而与电路串联电阻R无关。

这正是在并联二极管的情况下，连接错误的检测所需的。

假设我们考虑两个网A和B，每一个网都包括多个并联二极管，分别具有总反向饱和电流I_SA和I_SB。

对于给定的测试电流I₁和I₂，由下式给出相应的偏移电压V_0A和V_0B

$V_{0A}=\mathrm{\η}{V}_T(\frac{I_1\ln (I_2+I_{\mathrm{SA}})-I_2\ln (I_1+I_{\mathrm{SA}})}{I_1-I_2}-\ln \left(I_{\mathrm{SA}}\right))---\left(12\right)$

$V_{\mathrm{OB}}=\mathrm{\η}{V}_T(\frac{I_1\ln (I_2+I_{\mathrm{SB}})-I_2\ln (I_1+I_{\mathrm{SB}})}{I_1-I_2}-\ln \left(I_{\mathrm{SB}}\right))---\left(13\right)$

取两个电压V_0A、V_0B的差值为

$V_{\mathrm{OA}}-V_{OB}=\mathrm{\η}{V}_T(\frac{I_1(\ln (I_2+I_{\mathrm{SA}})-\ln (I_2+I_{\mathrm{SB}}))-I_2(\ln (I_1+I_{\mathrm{SA}})-\ln (I_1+I_{\mathrm{SB}}))}{I_1-I_2}-\ln \left(I_{\mathrm{SA}}\right)+\ln \left(I_{\mathrm{SB}}\right))---\left(14\right)$

对于实际值I₁、I₂＞＞I_SA、I_SB，将以上公式简化为

$V_{\mathrm{OA}}-V_{\mathrm{OB}}=\mathrm{\η}{V}_T(-\ln \left(I_{\mathrm{SA}}\right)+\ln \left(I_{\mathrm{SB}}\right))={\mathrm{\ηV}}_T\ln \left(\frac{I_{\mathrm{SB}}}{I_{\mathrm{SA}}}\right)---\left(15\right)$

该公式说明偏移电压的差值与反向饱和电流的比值的自然对数成正比，由此提供了对各个网上的连接器件的相对数量的直接表示。

以下公式表示在差分偏移电压的计算中可以使用网络电压(V_A2-V_B2)、(V_A2-V_B1)的直接差分测量。

$V_{\mathrm{OA}}=\frac{V_{A2}{I}_1-V_{A1}{I}_2}{I_1-I_2},V_{\mathrm{OB}}=\frac{V_{B2}{I}_1-V_{B1}{I}_2}{I_1-I_2},V_{\mathrm{OA}}-V_{\mathrm{OB}}=\frac{(V_{A2}-V_{B2})I_1-(V_{A1}-V_{B1})I_2}{I_1-I_2}---\left(16\right)$

但是，在本发明的内容中，可以通过施加了测试信号的单个传导通道来连接多个器件，我们必须能够观测到偏移电压的变化。

在公式1中给出了流过正向偏压二极管的电流I_D，通常将公式1表示为

$I_D=I_S(e^{\frac{V_D}{\mathrm{\η}{V}_T}}-1)---\left(17\right)$

其中

I_S＝反向饱和电流

V_D＝前向电压

η＝二极管特性

V_T＝热电压

对于图4中所示的N个并联的相同二极管，给出公共电压V_D时的总电流I如下

$I={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N{I}_{\mathrm{Dj}}={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N{I}_{\mathrm{Sj}}(e^{\frac{V_D}{{{\mathrm{\η}}_{j}V}_{\mathrm{Tj}}}}-1)---\left(18\right)$

假设公共工作温度以及标称二极管特性η，则该公式简化为

$I=I_{\mathrm{Stot}}(e^{\frac{V_D}{\mathrm{\η}{V}_T}}-1)$ 其中 $I_{\mathrm{Stot}}={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N{I}_{\mathrm{Sj}}---\left(19\right)$

该公式等效于单个二极管，其中反向饱和电流I_Stot等于各个反向饱和电流I_Sj的代数和。

对于N个相同的并联二极管的特殊情况

I_Stot＝NI_S

由于已经表明在连接到同一导体的多个非线性器件的网络中存在单个非线性器件可以导致可测量的偏移电压变化，所以可以在测试系统内利用该效果。

图5表示构成本发明实施例的测试器的电路图。测试器10与要测试的电路板20相连。

测试器包括电流源12，该电流源12具有与第一可移动连接15相连的第一端子，该第一可移动连接15可以用于与要测试的电路板上的导体进行选择性的电连接，并与电路板20上的多个器件(称为网24)相连。连接15不必是单个可移动探针(为简化，示出了单个探针)，而是可以由与适当切换装置相结合的多个探针(例如所谓的“钉床”)构成。

在电流源12的第二端子和电路板20上的电压干线(supply rail)(即接地连接22或电源轨23)之间连接有电流回路16。诸如电压计的测量装置13与电流源12并联设置，以相对于电压干线22或23适当地测量作为从电流源12流出的电流的结果而在网24内出现的电压差。将电压计13的输出提供给数据处理器14的输入端，数据处理器14存储有来自电压计的多个结果，并对这些结果进行处理，以提供对要测试的电路板20是错误还是正确连接的测量。

要测试的电路板20包括两个连接器件21和21’，每一个连接器件分别具有到公共网24和共用接地22以及电源轨23的连接27和27’。图6表示测试器10内的相同测试结构的等效电路。测试器10和要测试的电路20之间的连接会具有相关的电阻，包括由于路由切换、测试布线而产生的电阻和测试探针接触电阻。该组合电阻等同于测试通道中的串联电阻R，其向所检测的网电压增加了不希望的误差分量(误差电压)。图7是在多种数量的N个连接器件(N＝2...5)的情况下，对典型串联电阻误差电压和由于单个错误元件连接而导致的网电压的预期差值进行比较的曲线图。例如，在图7中可看到，在测试电流为3mA时，由于10Ohms的串联电阻而导致的误差电压比由于网上的两个器件(N＝2)之一的错误连接而导致的预期电压差要大。

根据本发明的测试方法分离出由于非线性和线性负载特性而导致的电压分量，并给出连接完整性的指示，其与测试通道中的串联电阻无关。

在第一操作方法中，电流源12向网24施加第一电流，以使连接器件21的内部二极管25正向偏压。由电压计13来测量所得到的网电压11，并由数据处理器14对其进行存储。然后由电流源向同一网施加不同的第二电流，并测量所得到的第二电压。

所得到的电流-电压曲线上的经过两个所选择的操作点的直线限定了相关动态电阻Rd，并且由于非线性特性，使得该直线在偏移电压V₀处与电压轴相交。

如前所述，偏移电压V₀与测试通道中的串联电阻的值无关，并且与所连接的正向偏压二极管的反向饱和电流总和的自然对数基本上成正比。任何一个器件引脚连接中的错误都会导致偏移电压V₀的变化，偏移电压V₀的变化反过来指示出该错误。

优选地，可以根据所得到的差分网电压来计算施加相同测试电流的网之间的偏移电压差。这种直接差分测量技术减少了所需电压测量的总数，并具有由内在共模信号和噪声抑制所提供的附加优点。

CMOS器件还具有形成在各个I/O引脚和电源轨之间的其它二极管。这些二极管被设置为防静态保护测量部分，或者可以是寄生二极管。对于这些器件，为了进行接触完整性测试，同样可以采用这种二极管。图8表示与图5中所示相同的测试装置，但是该测试装置被构造为利用这些二极管来进行测试。在这种情况下，从电源轨23获得电流回路连接16，并选择测试电流的极性以使附加二极管26正向偏压。

实际上可以将地22和电源轨23连接在一起，并通过适当测试极性的简单选择来利用二极管到地或者到电源轨中的任何一个。

如果需要，可以在测试器中使电流回路连接16接地。

数据处理器14可以具有已知好电路板的性能的知识，并且随后可以将要测试的网的性能与已知好电路板上相同网的性能进行比较。

另外或另选地，数据处理器14可以具有与各个网24相连的器件的数量和类型的知识。因此，该数据处理器可以确定哪个网应该表现类似的特性，并可以对这些网进行比较。这具有下述的优点：由于利用了网之间的比较而不是依赖于测量绝对值，所以有效地消除了温度(公式1是与温度有关的)以及因器件批次、系列或制造商的变化而导致的不同电路板之间的器件特性(公式8中的I_S和η)的变化的影响。

在本发明的另一实施例中，电流源12另外包括交流分量。在图9中示出了这种测试器。

该谐波分析方法包括以下步骤

●施加包含正弦变化分量的电流

●测量所得到的电压波形

●分析所得到的波形的谐波项

●根据所得到的波形的谐波项的差值来确定错误连接

可以直接或间接地将谐波响应与施加了相同激励的类似网的谐波响应进行比较，从而进行与各个器件特性无关的测试。

对于正向偏压并联二极管的特性η以及总反向饱和电流I_S，给出电压响应如下

$V=V_{\mathrm{DIODE}}+V_{\mathrm{SERIES}}={\mathrm{\ηV}}_T\ln (\frac{I}{I_S}+1)+I{R}_{\mathrm{SERIES}}---\left(20\right)$

对于由dc偏流和正弦变化分量构成的电流，I＝I_BIAS+I_MODsin(ωt)，由串联电阻导致的电压项可以仅包含dc和基频分量。相反，二极管的非线性传输特性将产生dc、基频和谐波分量，如泰勒展开式所示

$\ln \left(x\right)=(x-1)-\frac{{(x-1)}^2}{2}+\frac{{(x-1)}^3}{3}-\·\·\·---\left(21\right)$

从第二个谐波开始的谐波项可以用作(组合的)非线性二极管特性的测量，并且与测试通道中的串联电阻无关。通常，仅测量第二个谐波就足以检测到器件连接错误。

因此，通过图10b的非线性特性将图10a中所示的正弦信号映射到图10c的改进波形中。在图10d中示意性地示出了其谐波项。

然后将由电压计13检测的结果电压波形11的一个或更多个其它谐波分量30(由于非线性负载的传送特性而导致)的测量值与基准值进行比较，以检验网上器件的正确连接。

通常，第二个谐波项的测量足以构成有效测试。由于线性串联电阻而导致的任何电压分量都将与原始测试电流波形成正比，否则不能影响所观测的谐波项。同样，可以将响应与相似类型和功能的其它网的响应进行比较。

优选地，通过上述优点，可以根据所得到的差分网电压来计算施加了相同测试电流的多个网之间的谐波项的差异。

为了使所观测到的结果电压波形的谐波项与测试通道中的串联电阻无关，电流激励波形本身必须表现出低谐波失真。另外，实际的谐波项测量通常需要电压波形的抽样，或者使用专用的同步检测器或滤波器。

奇异正弦波(可归因于Don Lancaster)为用于产生数字化波形的重复二进制序列，具有精确受控的幅值和确定的小低谐波项。使相同的二进制序列通过简单的低分辨率的数模转换器，可以很容易地合成具有相似的低谐波项并且特别适于谐波分析方法的模拟信号。图11示出了在输入二进制序列“011110”时，来自delta-sigma转换器的这种输出。在第一个半周期中，该二进制输入序列中的“1”将当前输出值加1，而“0”保持当前输出值。在第二个半周期中，重复该二进制输入序列，但在这种情况下，该二进制输入序列中的“1”从当前输出值中减去1，而“0”保持当前输出值。理想地，所得到的输出波形由于半波对称性而具有零偶次谐波项(zero even-harmonic content)，并且由于总周期长12可以精确地除尽3而具有零三次谐波项(zero third harmonic content)。

上述谐波分析方法需要使用AC源来提供交流分量以及从所检测的结果电压波形中提取谐波项的方法。

已经设计出上述方法的改进，由此可以仅利用一组直流激励和相应电压响应的测量来导出谐波项的等效测量。可以通过对以规则间隔对所得到的电压波形进行抽样而采集的数据进行时间-频率域转换来执行谐波分析。如图10a中所示，对于没有电抗性元件的电阻负载，利用对应抽样次数的激励电流的瞬时值，通过执行一组DC电压测量来得到完全相同的初始抽样数据集合(不考虑时间)。适当的输入电流值集合是在仿真输入电流波形的最小和最大峰值之间的半周期的一组等时空抽样。然后可以将所获得的电压测量集合进行映像，以仿真用于进行分析的完整波形周期，由此减少了所需的测量次数。因此可以利用图5的装置，使用一组DC测量来执行非线性负载特性的谐波分析。

在上述方法中，可以将所处理的结果与针对已知的好电路板而获得的基准值进行比较，或者优选地，与针对相类似的网而获得的基准值进行比较。测试器的改进实施例使得能够直接比较网特性，提供了包括防噪性能和准确性得以提高在内的显著优点。

图12示出了测试器的改进实施例，其包括：

●用于施加第二偏置电流的第一电流源12a和第二电流源12b；

●第一电流源和第一器件端子网24a之间的连接15a；

●第二电流源和第二器件端子网24b之间的连接15b；

●用于对第一网和第二网之间的差动电压进行测量的检测器17；以及

●用于测量所获得的网电压的可选检测器13a、13b。

在操作中，第一电流源12a向网24a施加一个或更多个电流，以使得连接器件21的内部二极管25a正向偏压。同时，第二电流源12b向第二网24b施加一个或更多个电流，以使得同一连接器件21的内部二极管25b正向偏压。

通过以下改进，可以如前所述应用上述各种方法：

对于各次测量，第二电流源12b向第二网(24b)施加与第一电流源完全相同的电流。使用来自检测器17的电压(为两个网24a、24b之间的结果电压的差异)来替代所检测的绝对网电压13。基于一次或多次测量，使用来自检测器17的差值提取非线性分量(为两个网24a、24b中的每一个的非线性分量的差异)。可以将经过处理的非线性分量直接用作为连接完整性的指示。

这具有下述优点：由于仅需要提取单个非线性分量来指示网24a、24b的匹配，所以可以加快测试处理。另一个优点在于：这种方法内在的共模信号和噪声抑制使得能够进行更准确并且更小可变性的测量。

图13示出了直接差分谐波分析方法的图形表示，其可以通过图12中所示测试器装置，使用所述的方法来实现。匹配电流源12a和12b向网40和41(图13)提供相同的电流，网40和41在器件连接的数量和类型方面都相同。可变电阻器44a和44b表示测试通道中未知的和不希望的串联电阻。各条通道中的非线性元件产生谐波，检测该谐波的电压并将其输入到减法器49。减法器49形成网40和41中产生的电压之间的差值并将其输出。如果这些网基本上彼此匹配，则减法器的输出11的谐波项应该基本上为零。由于使用了电流激励，所以串联电阻44a和44b的值的不匹配可能仅导致输出11中的基波分量，为了进行错误检测可以忽略该基波分量。但是，如果一个网包含错误器件连接，则这些网将不能彼此匹配，并且减法器的输出将包含大量的基波分量和谐波分量。同样，可以忽略基波分量以提供与串联电阻44a和44b的值无关的测试。通常，仅第二谐波项就可以提供这些网的匹配的足够指示。

在没有特定错误连接的内在区别的情况下，可以将上述方法用于检测到网的错误器件连接。在网上的多个器件中的一个错误连接的情况下，希望进一步确定错误的特定器件连接。上述技术中的任何一个都可以扩展为包括以下所述的错误隔离诊断。

图14表示适于诊断特定器件连接错误的测试器的另一改进实施例。该测试器还包括：

●用于施加附加电流的第三电流源19

●附加电流源19和另一器件端子29之间的连接18。

在使用中，如上所述配置并执行测试。在已检测到错误的情况下，仅需采取以下的诊断步骤。由第三电流源19向要测试的网上的多个器件之一的另一端子29施加附加电流。对端子29进行选择，以仅连接到要测试的网24共用的多个器件之一。然后重复该初始测试，记录由于附加电流而导致的结果中的差值。已经发现，如果结果中的差值大于给定符号(与附加的所施加电流相关)的特定量值，则可以将初始错误归因于选择用来向端子29施加附加电流的特定器件。如果所记录的差值大于与给定符号相反符号的特定量值，则该错误可归因于所选择的器件以外的器件。在结果中的差值是不足以导致该错误的量值的情况下，可以对连接到错误网的其它各个器件重复以上步骤。随后可以将各个器件的记录响应的比较用于区分错误器件连接。

在要测试的电路板中，在器件端子和电源或接地轨之间偶尔连接一外部电阻。流过该电阻(而不是流过器件二极管)的测试电流可能导致不可预测的结果。图15表示根据测试电流绘制的由于并联电阻负载的不同值而导致的前置电压的误差。

可以通过使用增大的测试电流来减小外部电阻的影响，由此使流过电阻的电流的比例更小。另一个解决方法是例如通过连接附加并联电阻来均衡所比较的网的外部电阻。可以通过以非常低的电压来测量实际外部电阻，以确定附加并联电阻的值，从而使得二极管的非线性阻抗变得很小。随后可以将正确量值的可选择的或可编程的电阻与一个或其它网并联连接，以均衡网电流。

在上述方法中，可以在具有相似特性的多组网内对测量结果进行直接或间接的比较。可以将这种网组定义为：对于这种网组，该组中的各个网的各个节点在该组的所有其它网内具有对应的匹配良好的节点。匹配良好的节点是那些在具有相似输入/输出类型和功能的单个器件上的多组引脚。可以通过电路和器件数据的人工或自动检查来执行识别这些网组的处理。检验网组的其它步骤可根据已知方法，通过对已知的好电路板进行测量来执行。

Claims (37)

1、一种用于测试多个半导体器件连接的完整性的方法，其中每一个半导体器件在施加了测试信号的第一节点和与所述器件的电源连接相连的第二节点之间的传导通道中都包括一非线性元件；所述方法包括以下步骤：

向所述器件施加测试信号，以使得测试电流在所述节点之间流动，从而在所述节点之间产生电压差，

当所述测试电流变化时，对所述电压差进行测量，以及

基于所述测量，提取主要由于所述器件的非线性特性而导致的响应分量，并利用该响应分量来指示到所述器件的连接是否可接受。

2、根据权利要求1所述的方法，其中对所测量的电压差值及其相应的测试电流值进行分析，以计算所述电路的动态电阻的偏移电压。

3、根据权利要求2所述的方法，其中所述非线性器件是二极管，并且所述偏移电压是使电流流过所述第一和第二节点之间的二极管的数量的函数。

4、根据上述权利要求中的任何一个所述的方法，其中从电流源提供所述测试信号。

5、根据权利要求1所述的方法，其中所述测试信号包括具有可转换值的DC信号。

6、根据权利要求1所述的方法，其中所述测试信号包括AC信号。

7、根据权利要求6所述的方法，其中对在所述非线性器件中流过的电流所产生的AC信号的谐波进行检测，以指示存在所述非线性器件。

8、根据权利要求7所述的方法，其中将谐波分量的幅值用作为对连接在所述第一和第二节点之间的非线性器件的数量的测量。

9、根据权利要求1所述的方法，其中所述测试信号包括具有小低次谐波项或零低次谐波项的正弦或其它波形的离散时间抽样，并且在重构对输入以进行谐波分析的具有小低次谐波项或零低次谐波项的正弦或其它波形的响应时，将所测量的电压差用作离散抽样。

10、一种用于测试集成电路引脚和电路板之间的连接的连续性的方法，其中所述集成电路引脚与构成第一组的多个集成电路引脚相连，所述方法包括以下步骤：

识别具有与所述第一组相关的电特性的第二组集成电路引脚；

向所述第一组引脚施加一个或更多个第一测试信号，并对所述第一组引脚和基准电压之间出现的一个或更多个相应的第一电压差进行测量；

向所述第二组引脚施加一个或更多个第二测试信号，并对所述第二组引脚和基准电压之间出现的一个或更多个相应的第二电压差进行测量；以及

基于上述测量，提取并比较所述第一和第二组引脚的非线性特性，以实现连续性的测量。

11、根据权利要求10所述的方法，其中所述第一和第二组包括相同数量的器件引脚。

12、根据权利要求11所述的方法，其中所述第一组中的各个器件连接在所述第二组中具有对应的器件连接，这些器件连接属于相同或相似系列的器件技术并具有相似的功能。

13、根据权利要求10所述的方法，其中对所述第一和第二非线性特性进行比较，并且如果它们之间的差值超过第一阈值，则表示存在错误连接。

14、根据权利要求10所述的方法，其中所述第一测试信号和所述第二测试信号是基本相同的电流波形。

15、根据权利要求10所述的方法，其中所述第一测试信号和所述第二测试信号是具有可转换值的DC信号，并且根据所述电压差来计算电压偏移，对所述偏移进行比较，并且如果所述偏移的差超过一阈值，则表示存在错误连接。

16、根据权利要求10所述的方法，其中所述或各个第一测试信号以及所述或各个第二测试信号包括叠加在DC分量上的AC分量，并比较谐波分量的大小，如果谐波分量的差超过一阈值，则表示存在错误连接。

17、根据权利要求10所述的方法，其中所述或各个第一测试信号以及所述或各个第二测试信号包括具有小低次谐波项或零低次谐波项的正弦或其它波形的离散时间抽样，并在重构对输入以进行谐波分析的具有小低次谐波项或零低次谐波项的正弦或其它波形的响应时，将所测量的电压差用作离散抽样。

18、根据权利要求10所述的方法，其中基于形成所述第一电压差和所述第二电压差之间的差异，通过提取非线性特性来直接进行非线性特性的比较。

19、一种用于测试多个器件连接的完整性的装置，其中各个器件在施加了测试信号的第一节点和与各个器件的电源连接相连的第二节点之间的传导通道内都包括一非线性元件，所述装置包括：

信号装置，用于向所述器件施加测试信号，以使得测试电流在所述节点之间流动，从而在所述节点之间产生电压差，

电压测量装置，用于在所述测试电流改变时，对所述电压差进行测量，以及

数据处理器，基于所述测量设置该数据处理器，以提取主要由于所述器件的非线性特性而导致的响应分量，并利用该响应分量来指示到所述器件的连接是否可接受。

20、根据权利要求19所述的装置，其中对所测量的电压差值及其相应的测试电流值进行分析，以计算所述电路的动态电阻的偏移电压。

21、根据权利要求20所述的装置，其中所述非线性器件是二极管，并且所述偏移电压是使电流流过所述第一和第二节点之间的二极管的数量的函数。

22、根据权利要求19、20或21所述的装置，其中从电流源提供所述测试信号。

23、根据权利要求19所述的装置，其中所述测试信号包括具有可转换值的DC信号。

24、根据权利要求19所述的装置，其中所述测试信号包括AC信号。

25、根据权利要求24所述的装置，其中对在至少一个非线性器件中流过的电流所产生的信号的谐波分离进行检测，以指示存在至少一个非线性器件。

26、根据权利要求25所述的装置，其中将所述谐波分量的幅值用作为对连接在所述第一和第二节点之间的非线性器件的数量的测量。

27、根据权利要求19所述的装置，其中所述测试信号包括具有小低次谐波项或零低次谐波项的正弦或其它波形的离散时间抽样，并且在重构对输入以进行谐波分析的具有小低次谐波项或零低次谐波项的正弦或其它波形的响应时，将所测量的电压差用作离散抽样。

28、一种用于测试电路通道中的连接的连续性的装置，所述电路通道包括构成第一组的多个集成电路器件引脚，该第一组与第一电路节点相连，以使得电流流经所述多个引脚，并通过相关半导体结流到第二电路节点，所述装置包括：

第一信号装置，用于向所述第一组引脚施加M个测试信号，并对所述第一电路节点和基准值之间产生的M个电压差进行比较，其中M是大于零的整数；

第二信号装置，用于向预期具有与所述第一组引脚相同或相关性能的第二组引脚施加N个测试信号，并对与所述第二组引脚相连的第二电路节点和基准值之间产生的N个电压差进行测量，其中N是大于零的整数；以及

处理器，其对所述电压差进行响应，用于导出或比较所述第一和第二组引脚的非线性特性，以实现连续性的测量。

29、根据权利要求28所述的装置，其中所述第一和第二组包括相同数量的器件引脚。

30、根据权利要求29所述的装置，其中所述第一组中的各个器件连接在所述第二组中具有对应的器件连接，这些器件连接属于相同或相似系列的器件技术并具有相似的功能。

31、根据权利要求29所述的装置，其中对所述第一和第二非线性特性进行比较，并且如果它们之间的差异超过第一阈值，则由所述数据处理器指示存在错误连接。

32、根据权利要求29所述的装置，其中所述M个测试信号和所述N个测试信号是基本上相同的电流波形。

33、根据权利要求28所述的装置，其中所述第一测试信号和所述第二测试信号是具有可转换值的DC信号，并且根据所述电压差计算电压偏移，对所述偏移进行比较，并且如果所述偏移差超过一阈值，则指示存在错误连接。

34、根据权利要求29所述的装置，其中所述M个测试信号和所述N个测试信号包括叠加在DC分量上的AC分量，并且对所述电压差的谐波分量的幅值进行比较，并且如果谐波分量中的差异超过一阈值，则指示存在错误连接。

35、根据权利要求28所述的装置，其中基于形成所述第一电压差和所述第二电压差之间的差异，通过提取非线性特性来直接执行非线性特性的比较。

36、根据权利要求19或权利要求28所述的装置，还包括另一测试信号发生器，用于产生通过另一器件连接向所选择的集成电路施加的探测电流，并且其中重复所述连续性测试，并且如果所述非线性特性的变化超过第一预定阈值，则表示所选择的集成电路具有不可接受的连接，或者如果所述非线性特性的变化超过与所述第一预定阈值符号相反的第二预定阈值，则表示所选择的集成电路具有可接受的连接。

37、根据权利要求1或权利要求10所述的方法，其中另一测试信号发生器产生通过另一器件连接施加到所选择的集成电路上的探测电流，并重复所述连续性测试，并且如果所述非线性特性的变化超过第一预定阈值，则表示所选择的集成电路具有不可接受的连接，或者如果所述非线性特性的变化超过与所述第一预定阈值相反符号的第二预定阈值，则表示所选择的集成电路具有可接受的连接。

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