DE4400102C1 - I¶D¶¶D¶-Meßvorrichtung für CMOS-ICs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Elektronische Schaltungen müssen vor Auslieferung auf Defekte getestet werden. Bei heutigen hochkomplexen elektronischen Schaltungen stößt man dabei jedoch auf erhebliche Probleme. Aus­ zuliefernde Platinen werden in immer dichterer Packung mit immer höher integrierten ICs bestückt, wodurch die Testprobleme immer weiter verschärft werden.

Eine Testmöglichkeit besteht darin, die Eingänge und Ausgänge ei­ ner Schaltung, z. B. einer Platine, an einen Computer anzu­ schließen, der die Ausgänge darauf überwacht, ob dort bei Anlegen bestimmter Funktionen an den Eingängen die entsprechend der Funktion der Schaltung erwarteten Signale erscheinen. Solche soge­ nannten Funktionstester benötigen erhebliche Testzeiten und können daher nicht für die 100%-Prüfung sämtlicher auszuliefernder Schaltungen, sondern nur für Stichprobenüberprüfungen verwendet werden.

Bei der 100%-Prüfung sämtlicher auszuliefernder Schaltungen be­ schränkt man sich daher heute darauf, die Platinen mit Testern bei­ spielsweise gemäß DE 41 10 551 C1 auf korrekte Verlötung der ICs zu überprüfen. Die auf der Platine eingesetzten ICs müssen allerdings defektfrei, also geprüft sein.

Es ergibt sich also das Problem, die nicht eingelöteten ICs auf De­ fektfreiheit zu überprüfen. Dies kann beim Hersteller geschehen, der eine Ausgangsprüfung vornimmt, oder beim Anwender, der die ICs einlötet und der beispielsweise vor dem Bestückungsauto­ maten einen IC-Tester aufstellt.

Die erforderlichen IC-Tester müssen mit möglichst hoher Ge­ schwindigkeit arbeiten. Sowohl angesichts der Produktionszahlen heutiger IC-Fabriken als auch angesichts der hohen Geschwindig­ keit heutiger Bestückungsautomaten, die pro Sekunde mehrere ICs einsetzen, sollte die Testzeit pro IC so gering wie möglich sein, möglichst nur Sekundenbruchteile betragen. Wird dies nicht er­ reicht, so muß mit mehreren Testern parallel gearbeitet werden, was erhöhte Kosten, Platzanforderungen u. dgl. bedingt.

Nach dem Stand der Technik werden zum Testen von ICs Funkti­ onstester verwendet, die erhebliche Testzeiten von mindestens meh­ reren Minuten pro IC benötigen. Bei heute immer größer werden­ der Komplexität der ICs ist ein 100%-Test aller ICs bei der gefor­ derten Arbeitsgeschwindigkeit nicht mehr erreichbar.

Heute übliche ICs werden in MOSFET-Technik als sogenannte CMOS-ICs hergestellt. Für solche ICs ist vor kurzem ein neues als I_DD-Test bekanntes Testverfahren entwickelt worden, das mit rela­ tiv großer Geschwindigkeit einen sehr genauen Test auf Defektfrei­ heit ermöglicht.

Dabei wird der zu testende IC in einem Versorgungsstromkreis mit Betriebsspannung versorgt, und es werden seine Eingänge nachein­ ander mit unterschiedlichen Eingangssignalkombinationen (Signal­ mustern) beaufschlagt. Für jede Kombination wird der Versor­ gungsstrom I_DD gemessen. Diese Messung wird zunächst bei ei­ nem mit anderen Verfahren als defektfrei getesteten Gut-IC durch­ geführt. Sodann werden die Prüflinge auf dieselbe Weise getestet, und die sich ergebenden Strommuster werden mit dem des Gut-ICs verglichen.

Über derartige gattungsgemäße I_DD-Meßvorrichtungen wird in dem Aufsatz "I_DDq Benefits" von Steven D. McEuen, 1991 IEEE VLSI Test Symposium, Seiten 285-290, berichtet. Diese Meßvorrichtungen haben den Vorteil, sämtliche Schaltzustände des ICs auf den jeweils resultierenden Versorgungs­ strom I_DD überprüfen zu können. Daraus ergibt sich eine sehr ge­ naue Aussage, ob alle einzelnen Feldeffekttransistoren (FETs), die in dem IC integriert sind, ordnungsgemäß die gewünschten Schalt­ zustände einnehmen. Jede einzelne Abweichung kann erkannt wer­ den, um dann diesen defekten IC auszusortieren.

Ein wesentlicher Vorteil der I_DD-Testmethode besteht darin, daß die Anzahl der Messungen pro IC gegenüber einem Funktionstest erheblich verringert werden kann. Es müssen nur so viele unter­ schiedliche Eingangssignalkombinationen angelegt werden, daß alle getrennt ansteuerbaren Funktionskomponenten bzw. Strompfade des ICs wenigstens einmal ihren Zustand ändern. Die Anzahl der Mes­ sungen läßt sich dadurch um Größenordnungen verringern. Es er­ geben sich aber auch dann noch wenigstens einige 10 000 bis einige 100 000 Messungen, die für einen I_DD-Test eines ICs erforderlich sind.

Aus der genannten Literaturstelle und dem sonstigen Stand der Technik auf diesem Gebiet ist es bekannt, daß für den I_DD-Test ein Strommesser zwischen den Versorgungsanschluß V_DD des ICs und den +Anschluß der Stromversorgung geschaltet wird. Hier kann in für dieses Meßverfahren gewünschter Weise der Gesamtversor­ gungsstrom des ICs gemessen werden.

Nachteilig daran ist, daß der Strommesser bei dieser Schaltungsart "hoch" liegt, also nicht mit einem Anschluß an Masse. Es ergeben sich dadurch Probleme mit dem Anschluß des Signalausganges des Strommessers an die weiterverarbeitende digitale Auswerteinrich­ tung, deren einer Signaleingang üblicherweise an Masse der Test­ vorrichtung liegt. Der Signalausgang der Meßvorrichtung muß da­ her über eine Potentialtrennungseinrichtung an die Auswerteinrich­ tung angeschlossen werden. Eine im Stand der Technik bekannte Schaltungsmöglichkeit hierzu ist in dem genannten Aufsatz auf Seite 288, rechte Spalte, zweiter Absatz von unten, beschrieben. Als Strommesser wird dabei ein in der Versorgungsleitung angeordneter Widerstand verwendet, über dem eine Spannung abgegriffen wird, die mit einem Schalter getaktet kurzgeschlossen wird. Die sich ergebende gepulste Spannung kann über einen Kondensator als Potentialtrennungseinrichtung zur Auswertein­ richtung weitergeleitet werden. Systembedingt ist diese Schaltung sehr langsam. In dem Aufsatz auf Seite 289, linke Spalte, dritter Absatz von oben, werden 10 000 Strommessungen pro Sekunde als möglich angegeben.

Es sind auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Schaltun­ gen verwendbar, wie z. B. Differentialstrommesser, die aber einen sehr komplexen Aufbau erfordern und ebenfalls sehr langsam sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfa­ chere I_DD-Meßvorrichtung der eingangs genannten Art mit höherer Testgeschwindigkeit zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst.

Bei dieser Konstruktion der Meßvorrichtung ist der Strommesser nicht, wie beim Stand der Technik, im Versorgungsanschluß, son­ dern im Masseanschluß des ICs, also zwischen V_SS und Masse des Testers angeschlossen. Der Strommesser sitzt dabei mit einem An­ schluß an Masse des Testers. Sein Signalausgang kann daher un­ mittelbar ein Signal gegen Masse erzeugen, das ohne Potential­ trenneinrichtungen direkt der Auswerteinrichtung zugeführt werden kann. Dadurch allein läßt sich die Messung erheblich beschleuni­ gen. Außerdem kann bei dieser Anordnung der Meßeinrichtung auch deren Aufbau wesentlich vereinfacht werden. Der Strommes­ ser kann mit nur einem Operationsverstärker ausgeführt werden und somit mit extrem hoher Geschwindigkeit arbeiten. Dadurch kann die Meßgeschwindigkeit, also die Taktrate der einzelnen Strommes­ sungen gegenüber dem Stand der Technik um Größenordnungen er­ höht werden.

Bei I_DD-Meßvorrichtungen nach dem Stand der Technik, bei denen der Strommesser an V_DD angeschlossen ist, wird der über V_DD dem IC zufließende Strom gemessen. Der aus V_SS gegen Tester­ masse fließende Strom dagegen setzt sich in der Regel aus dem an V_DD anliegenden Versorgungsstrom I_DD zusammen und den Strömen, die von der Steuereinrichtung den Eingängen des ICs auf­ geprägt werden und die ebenfalls über V_SS zur Testermasse fließen. Da gemäß der vorliegenden Erfindung der Strommesser an V_SS angeschlossen ist, mißt er die Summe von I_DD und den Eingangsströmen. Wenn die Eingangsströme die korrekte I_DD-Be­ stimmung stören, also eine Trennung erforderlich ist, sind vorteil­ haft die Merkmale des Anspruches 2 vorzusehen. Dabei hat die Steuereinrichtung eine eigene Stromversorgung und wird mit ihrem Masseanschluß nicht an die Masse des Testers angeschlossen, son­ dern an V_SS. Die von der Steuereinrichtung den Eingängen aufge­ prägten, bei V_SS abfließenden Ströme gehen daher nicht durch den Strommesser, so daß dieser exakt den I_DD bestimmt, also den Ver­ sorgungsstrom, der bei V_DD in den IC eintritt.

Mit der Erfindung ist es möglich, die Taktrate der Messungen we­ sentlich zu erhöhen, und zwar bis in den Bereich der maximal zu­ lässigen Schaltfrequenz des ICs. Dabei kann es zu Störungen kom­ men, weil die beim Umschalten der einzelnen, jeweils aus zwei übereinander zwischen V_DD und V_SS liegenden FETs bestehenden Strompfade auftretenden, zum Umladen der Kapazitäten der FETs erforderlichen Stromimpulse nicht mehr schnell genug vom Netzge­ rät über den Versorgungsstromkreis geliefert werden können. Dann sind vorteilhaft die Merkmale des Anspruches 3 vorzusehen. ICs werden aus den genannten Gründen üblicherweise in Schaltungen mit möglichst dicht an V_DD und V_SS angeschlossenen Abblock­ kondensatoren beschaltet, die die Schaltstromspitzen des ICs auf­ nehmen, bevor die Stromversorgung reagieren kann. Nach An­ spruch 3 liegt dabei der Strommesser in dem durch den IC und den Abblockkondensator geschaffenen Stromkreis und kann somit auch die Stromverläufe in den einzelnen Umschaltphasen exakt bestim­ men, was mit I_DD-Meßvorrichtungen nach dem Stand der Technik aus Geschwindigkeitsgründen völlig unmöglich ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung mit zwei schematisierten Schalt­ bildern dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1 eine I_DD-Meßvorrichtung nach dem Stand der Tech­ nik und

Fig. 2 eine erfindungsgemäße I_DD-Meßvorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine I_DD-Meßvorrichtung nach dem Stand der Tech­ nik, die zum Testen nicht eingelöteter hochintegrierter CMOS-ICs bestimmt ist. Ein zu testender IC 1 ist mit seinem Versorgungs­ anschluß V_DD und seinem Masseanschluß V_SS dargestellt. Der IC 1 weist weiterhin eine Reihe von Eingängen E₁-E_n und einige Ausgänge A₁ bis A_m auf. Der IC 1 ist mit dem Versorgungsan­ schluß V_DD und dem Massenanschluß V_SS in einem Versorgungs­ stromkreis angeschlossen, und zwar mit V_DD an eine Versor­ gungsleitung 2, die zu + der nicht dargestellten Stromversorgung des Testgerätes führt und mit V_SS an eine Masseleitung 3 des Test­ gerätes. In der Versorgungsleitung 2 ist ein Strommesser 4 vorge­ sehen, der den auf der Versorgungsleitung 2 fließenden Strom mißt. Ein Signalausgang 5 des Strommessers 4 ist an den als A/D-Wand­ ler dargestellten Eingang 6 einer digitalen Auswerteinrichtung 7 an­ geschlossen, die mit der Masseleitung 3 des Testgerätes verbunden ist.

Da der Strommesser 4 in der Versorgungsleitung 2 gegen Masse hoch liegt, muß zwischen dem Signalausgang 5 und einer Ein­ gangsleitung 8 der Auswerteinrichtung 7 eine Potentialtrennung er­ folgen, im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Trennkon­ densator 9.

Der Strommesser 4 besteht beispielsweise nach dem Stand der Technik aus einem in der Versorgungsleitung 2 liegenden Längswi­ derstand, der mit einem FET-Schalter überbrückt ist, welcher ge­ taktet geöffnet und geschlossen wird. Die auf diese Weise gepulste Spannung über dem Längswiderstand wird abgegriffen und über den Trennkondensator 9 zur Auswerteinrichtung 7 übertragen.

Die Eingänge E₁ bis E_n des IC 1 sind mit den Ausgängen von Ein­ gangstreibern 10 verbunden, von denen zur zeichnerischen Verein­ fachung nur einer, der an den Eingang E₂ angeschlossen ist, darge­ stellt ist. Der Eingang des Eingangstreibers 10 wird von dem ent­ sprechenden Ausgang einer Steuereinrichtung 11 gesteuert, mit der über die angeschlossenen Eingangstreiber 10 alle Eingänge E₁ bis E_n des ICs mit den möglichen unterschiedlichen Signalmustern be­ aufschlagt werden können.

Dabei fließen, wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet, Steuerströme 12 von den Eingängen über V_SS in die Masseleitung 3. Gleichzeitig fließt der gestrichelt dargestellte Versorgungsstrom I_DD über die Versorgungsleitung 2 durch den Strommesser 4, von V_DD nach V_SS durch den IC 1 und in die Masseleitung 3. Durch den Strom­ messer 4 fließt also nur I_DD, während durch V_SS die Summe aus I_DD und dem Steuerstrom 12 fließt.

Zum Testen einer bestimmten IC-Serie wird dabei wie folgt vorge­ gangen:

Zunächst wird ein Gut-IC vorgegeben, also ein IC, der mit geson­ dertem Testverfahren, z. B. einem kompletten Funktionstest, als de­ fektfrei bestimmt wurde. Dieser wird in der Testschaltung gemäß Fig. 1 in aufeinanderfolgenden Meßschritten von der Steuerein­ richtung 11 her mit allen möglichen Eingangssignalkombinationen (Signalmustern) angesteuert. Dabei wird in jedem sich ergebenden Schaltzustand des IC 1 mit dem Strommesser 4 der Vorsorgungs­ strom I_DD ermittelt und von der Auswerteinrichtung 7 aufgezeich­ net. Es ergeben sich für alle Schaltzustände der Eingänge unter­ schiedliche Stromwerte des I_DD, die als charakteristisches Muster abgespeichert werden.

Nun werden Prüflinge in derselben Weise getestet, und es wird je­ weils das sich ergebende Strommuster mit dem des Gut-ICs vergli­ chen. Bei Abweichungen liegt ein Defekt vor.

Fig. 2 zeigt in entsprechender Darstellung wie Fig. 1 eine I_DD-Meßvorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung.

Ein IC 10 weist wiederum einen Versorgungsanschluß V_DD, einen Masseanschluß V_SS, Eingänge E₁ bis E_n und Ausgänge A₁ bis A_m auf. Der IC 10 ist in einem Versorgungsstromkreis an eine nicht dargestellte Stromversorgung des Testgerätes angeschlossen, und zwar mit V_DD über eine Versorgungsleitung 33 an + und mit V_SS an eine Masseleitung 13. In dem Versorgungsstromkreis ist, wie auch bei der bekannten Meßvorrichtung nach Fig. 1, ein Strommes­ ser 14 angeordnet, jedoch nicht in der Versorgungsleitung 33, son­ dern in der Masseleitung 13, und zwar zwischen V_SS und dem Masseanschluß 30 des Testgerätes. Der Strommesser 14 liegt daher mit seinem einen Anschluß an Masse 30. Sein Signalausgang 15 gibt somit ein Signal gegen Masse des Testgerätes ab und kann un­ mittelbar, also ohne Potentialtrennung (wie gemäß Fig. 1 erforder­ lich) an den wiederum als A/D-Wandler ausgebildeten Eingang 16 einer Auswertschaltung 17 angeschlossen werden.

Bei der dargestellten Anordnung des Strommessers 14 unmittelbar an Masse 30 des Testgerätes kann der Strommesser 14 sehr einfach und schnell aufgebaut sein, beispielsweise nur mit einem einzigen Operationsverstärker, der beispielsweise extern nur mit einem Wi­ derstand und einem Kondensator beschaltet ist. Sowohl der Strom­ messer 14 selbst als auch die Signalübertragung am Signalausgang 15 zum Eingang 16 der Auswertschaltung 17 können auf diese Weise um Größenordnungen schneller sein als bei allen physika­ lisch möglichen Ausführungsformen des Strommessers 4 gemäß Fig. 1.

Werden bei der Meßvorrichtung nach Fig. 2 die Eingänge E₁ bis E_n mit einer Schaltung gemäß Fig. 1 angesteuert, so würden, wie dort beschrieben, die Steuerströme 12 über V_SS zur Masseleitung des Testgerätes fließen, also durch den Strommesser. Dieser würde also die Summe aus I_DD und den Steuerströmen bestimmen. Um dies zu vermeiden, ist eine gesonderte Stromversorgung 31 vorge­ sehen, die mit ihren mit + und einem Massesymbol gekennzeich­ neten Ausgängen eine Steuereinrichtung 21 und Eingangstreiber 20 versorgt, die genauso, wie in Fig. 1 beschrieben, die Eingänge E₁ bis E_n des ICs 10 ansteuern.

Allerdings ist die an dem mit Erdungssymbol bezeichneten Ausgang der Stromversorgung 31 angeschlossene Masse der Ein­ gangstreiber 20 nicht an die Masseleitung 13 des Testgerätes ange­ schlossen, sondern an V_SS. Dies wird durch das Vorsehen einer gesonderten Stromversorgung 31 ermöglicht. Wie in Fig. 2 gestri­ chelt angedeutet, fließen bei dieser Beschaltungsart die Steuer­ ströme 22 von den Eingängen E₁ bis E_n des ICs 10 über V_SS zur Stromversorgung 31 und somit nicht durch den Strommesser 14. Durch diesen fließt nur, wie gestrichelt angedeutet, der Versor­ gungsstrom I_DD des ICs 10. Dadurch wird erreicht, daß der Strommesser 14 nur I_DD anzeigt, ohne Störungen durch die Steuer­ ströme 22.

Wie Fig. 2 weiter zeigt, ist ein Abblockkondensator 32 vorgesehen, der einerseits an V_DD und andererseits an Masse 30 des Testgerä­ tes, also an die Masseleitung 13 angeschlossen ist. Dieser Abblock­ kondensator 32 sorgt dafür, daß beim Umschalten des ICs 10 auf­ tretende schnelle und hohe Stromspitzen auf kürzestem Wege aus dem Abblockkondensator 32 abgedeckt werden können, bevor über die Versorgungsleitung 33 und die Masseleitung 13 aus der nicht dargestellten Stromversorgung des Testgerätes, die in der Regel dazu auch, schon wegen der Leitungslängen, zu langsam ist, ein Ausgleich erfolgen kann.

Abblockkondensatoren werden üblicherweise zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit von ICs bei trägen Stromversorgungskreisen vorgesehen, und zwar in Anschluß möglichst nahe an V_DD und V_SS. Gemäß Fig. 2 ist der Abblockkondensator 32 zwar an V_DD angeschlossen, aber nicht an V_SS, sondern an die Masseleitung 13, so daß der Strommesser 14 in dem für schnelle Stromspitzen zu­ ständigen Stromversorgungskreis liegt, der aus dem IC 10, dem Strommesser 14 und dem Abblockkondensator 32 gebildet ist. Der Strommesser 13 kann somit auch die beim Umschalten des IC 10 auftretenden schnellen Stromspitzen erfassen und auswerten, wozu er aufgrund seiner beschriebenen Anordnung an Masse 30 des Testgerätes und in potentialtrennungsfreiem Anschluß an die Aus­ werteinrichtung 17 auch von seiner Meßgeschwindigkeit her in der Lage ist.

Claims (3)

1. I_DD-Meßvorrichtung zum Bestimmen des Versorgungsstro­ mes (I_DD) eines unbeschalteten CMOS-IC bei unter­ schiedlicher Signalbeaufschlagung seiner Eingänge (E₁-E_n) durch eine Steuereinrichtung (20, 21), mit einem im Versor­ gungsstromkreis (13, 33) angeordneten Strommesser (14), dessen Signalausgang an eine digitale Auswerteinrichtung (16, 17) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Strommesser (14) zwischen dem Masseanschluß (V_SS) des ICs (10) und der Masse (30) des Versorgungsstromkrei­ ses (13, 33) angeordnet ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20, 21) mit einer eigenen Strom­ versorgung (31) versehen und mit ihrem Masseanschluß an den Masseanschluß (V_SS) des ICs (10) angeschlossen ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromspitzen des ICs (10) aufnehmender Abblock­ kondensator (32) zwischen dem Versorgungsanschluß (V_DD) des ICs (10) und der Masse (30) des Versorgungsstromkrei­ ses (13, 33) angeschlossen ist.