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1 MCU簡介及發(fā)展趨勢
MCU(Micr0 Controller Unit)微控制器，又稱單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，是隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展，將計算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時器和多種I/O接[j集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機(jī)，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制。
MCU按其存儲器類型可分為MASK(掩模)ROM、OTP(一次性可編程)ROM、FLASH RO等類型，也可按其總線位數(shù)分為：4位、8位、16位、32位、64位等類型。目前，雖然隨著生產(chǎn)工藝和技術(shù)的進(jìn)步，32位MCU的發(fā)展勢頭非常迅猛，但是從市場銷售來看，8位MCU的出貨量占到了55％以上，仍是MCU市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。高集成度，多功能化，低成本以及小體積是MCU的發(fā)展趨勢。
現(xiàn)在的MCU大都集成RISC CPU CORE、ADC/DAC、ROM、FLASH、PLL電路等豐富的可供用戶使用的資源。(如圖1)
目前市場主流MCU已經(jīng)成為一種數(shù)字、模擬混合在一起的混合信號芯片，MCU產(chǎn)品集成越來越多的模擬功能和新的外圍電路成為MCU產(chǎn)品發(fā)展的重要方向，同時，這種發(fā)展趨勢也對MCU的測試提出了新的要求。
2 MCU的測試技術(shù)
針對MCU集成度的提高，要求對其各功能模塊的進(jìn)行全面測試，要求涵蓋廣泛的功能測試，這才能保證MCU芯片的可靠性及穩(wěn)定性。
2．1 內(nèi)置高性能RISC CPU的測試
內(nèi)置高性能RISC CPU是MCU芯片的核心部分，低功耗高性能的RISC架構(gòu)被廣泛的應(yīng)用于目前MCU的設(shè)計，其發(fā)展的趨勢是：更高的執(zhí)行指令速度，更為豐富的指令功能，更為方便實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。
MCU內(nèi)置具有能進(jìn)行高速數(shù)據(jù)處理的CPU內(nèi)核速度由早期的5 MHz提升至20 MHz以上，甚至已經(jīng)達(dá)到200 MHz，MCU的高性能RISC CPU內(nèi)核結(jié)構(gòu)也從12或14位寬指令集擴(kuò)展為16位指令集。
因此，對內(nèi)置高性能RISC CPU的測試必然要求相應(yīng)更快的測試速度及更為復(fù)雜龐大的測試用圖形文件，對測試設(shè)備而言也就是要求相應(yīng)的高速測試速率和大容量的圖形發(fā)生器，即對測試系統(tǒng)的基本測試功能有較高的要求：
(1)測試系統(tǒng)的測試速率應(yīng)至少高于100 MHz，相應(yīng)的的最小測試速率(Rate)低于10 ns，才能在測試時確保被測芯片達(dá)到規(guī)定速度。
(2)測試系統(tǒng)的時間精度隨著測試速度的提高也越來越被關(guān)注，這是由于芯片的保證精度而必然要考慮的，至少保證1ns以上的系統(tǒng)定時精度。
(3)由于RISC CPU內(nèi)核結(jié)構(gòu)的指令集擴(kuò)展，使得測試用圖形向量文件呈現(xiàn)增大趨勢，能保存測試圖形大容量的圖形發(fā)生器成為必要�，F(xiàn)在測試系統(tǒng)中的圖形發(fā)生器容量一般均達(dá)到幾十M/Pin，甚至達(dá)到100M/Pin以上，以滿足龐大測試圖形的要求
2．2 內(nèi)置ADC/DAC的測試
在MCU中常常集成多個高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC)，以增加MCU芯片的模擬信號處理能力，一般位數(shù)為10bit或12bit，速度從幾百KHz至十幾MHz，這使得MCU的測試不單單是一種數(shù)字器件的測試，而是數(shù)字、模擬混合在一起的混合信號芯片的測試，測試系統(tǒng)需具有較高的混合信號測試精度。(見圖2、圖3)。
MCU內(nèi)置ADC、DAC測試的測試參數(shù)主要有：
2．21 失調(diào)誤差(offset error)
ADC：其輸出代碼為0時的理想輸入模擬量與實(shí)際輸入模擬量的偏差。
DAC：其輸入代碼為0時DAC輸出模擬量與理想輸出的偏差。
2．22 增益誤差(gain error)
ADC：滿量程輸入時輸出代碼的誤差。
DAC：輸入代碼為最大時DAC實(shí)際輸出模擬量與理想輸出的偏差
2．23 微分非線性度(DNL)用于測量小信號非線性誤差
ADC：兩個轉(zhuǎn)換點(diǎn)之間的模擬輸入量之差減去1LSB值。
DAC：輸入代碼和其前一輸入代碼之間模擬量的變化減去1LSB。
2．24 積分非線性度(INL)
ADC：一個指定代碼實(shí)際輸入和傳輸函數(shù)線上理想輸入之間的偏移。
DAC：對一個輸入代碼所有非線性度的累計。
2．25 DAC的信噪比(SNR)
通過給DAC施加一個滿量程的正弦波數(shù)字代碼再分析其輸出波形頻率特性而得到的。
為了測試內(nèi)置的ADC，要求測試系統(tǒng)具有高精度的信號發(fā)生器，產(chǎn)生測試波形(見圖4)，其最小分辨率應(yīng)遠(yuǎn)小于被測器件的1LSB，也就是說如果對12bit的ADC進(jìn)行測試，測試系統(tǒng)的模擬信號發(fā)生器精度至少達(dá)到14bit以上，才能保證測試的準(zhǔn)確性。
而對于內(nèi)置DAC的測試而言，高速(采樣速度大于被測器件速度)高精度(位數(shù)高于被測器件的位數(shù))的Digitizer也必不可少，才能正確實(shí)時地捕獲DAC的模擬輸出波形，再通過FFT等數(shù)學(xué)運(yùn)算轉(zhuǎn)化到頻域范圍進(jìn)行測試(見圖5)。
2．3 內(nèi)置Memory的測試
MCU的內(nèi)置存儲器主要有MASK(掩模)ROM，OPT(一次性可編程)ROM和Flash 3種類型。內(nèi)置存儲器的廣泛使用要求測試系統(tǒng)具備存儲器測試能力，由于存儲器測試主要是依靠運(yùn)行不同的算法圖形來確定出芯片的各種不同類型故障，不同于通常的功能測試，因此，存儲器測試專用的算法生成圖形文件發(fā)生器(ALPG)和對芯片F(xiàn)AIL進(jìn)行實(shí)時準(zhǔn)確記錄的地址失效存儲器(AFM)成為MCU芯片測試系統(tǒng)的必要組成部分。
MCU內(nèi)置的存儲器主要完成CPU指令和用戶專用程序的存儲，其主要的發(fā)展方向是更大的存儲容量和更快的讀寫速度，因此與之相對應(yīng)測試系統(tǒng)具備存儲器測試部分且應(yīng)具備以下特點(diǎn)：
(1)高速且提供多種存儲器測試算法的算法圖形發(fā)生器(Algorithmic Patte Generator)；
(2)高速大容量的地址失效存儲器(Address Fail Memory)。
另外，比較MCU的內(nèi)置存儲器的主要三種類型：MASKROM的MCU成本低，但程序在出廠時已經(jīng)固化，OTPROM的MCU程序擁有一次性可編程能力，F(xiàn)ALSH MCU的程序可以反復(fù)擦寫，靈活性很強(qiáng)，在響應(yīng)終端用戶和市場變化方面和降低MCU因軟件代碼變化而閑置方面Flash MCU都有巨大的優(yōu)勢，因此Flash MCU已經(jīng)成為MCU的主流，其內(nèi)置Flash Memory正向著更為可靠的數(shù)據(jù)保持期限、更高速度的擦除/寫入周期以及更大的flash容量這幾個目標(biāo)發(fā)展，這使得對內(nèi)置FlashMemoly的測試變得十分重要。對于Flash Memory測試而言，高速M(fèi)atch測試技術(shù)和防止過擦寫測試技術(shù)是測試的關(guān)鍵。
2．3．1 高速M(fèi)atch
由于Flash芯片的擦和寫的操作需要的時間很長，因此通常采取同測技術(shù)，而不同的芯片所用的時間差異也比較大，所以大部分Flash芯片都會有一個狀態(tài)位用來顯示芯片的擦寫狀態(tài)。通常在芯片完成擦/寫操作時，在狀態(tài)位上就會有實(shí)時的體現(xiàn)。而我們所說的Match就是偵測芯片狀態(tài)位變化的功能，在同測的時候通過Match檢測出那些已經(jīng)擦寫成功的芯片，繼續(xù)進(jìn)行下面的測試，這樣就避免了芯片之間的互相等待時間，提高了同測測試的效率。
2．3．2 防止過擦寫
F1ash芯片的存儲單元還有另一特性，就是如果對已經(jīng)完成擦/寫操作的芯片再進(jìn)行多次擦/寫操作(過擦寫)的話，就會導(dǎo)致芯片壽命的縮短。因此過擦寫保護(hù)也是Flash芯片測試時必不可少的功能。通過Match功能檢測出已完成擦/寫操作的芯片，在通過實(shí)時屏蔽(Real Time Inhibit)這個功能屏蔽掉加載到這些Match成功芯片上的擦/寫信號，從而起到過擦寫保護(hù)的作用。
2．4 內(nèi)置內(nèi)置PLL的測試
MPUJ芯片內(nèi)部的時鐘部分都含有PLL(鎖相環(huán))部分，通過鎖相環(huán)電路的工作，可以使外部時鐘的相位與內(nèi)部時鐘的相位相符。
PLL的測試項(xiàng)目主要有頻率，Jitter，占空比等，其中Jitter的測試是PLL測試的重點(diǎn)和難點(diǎn)。Jitter又稱定時抖動，定義為數(shù)字信號在特定時刻相對于其理想時間位置的短時間的、非累積性的偏離。Jitter的產(chǎn)生是由多種因素引起的，很難徹底地消除，但是其應(yīng)保證在一定的容忍范圍內(nèi)，否則時鐘的Jitter將使芯片發(fā)生誤動作，降低芯片工作的穩(wěn)定性和可靠性。Jitter的測試是對微小時間量(ps)的測量，通常對其測試采用的方法分為直接測量和間接測量，直接測量就是用測試系統(tǒng)的選通窗口進(jìn)行Jitter的裕度界定，間接測量測試通過將微小的時間測試量轉(zhuǎn)換為電壓測試量，但是無論采用那種方法測試，都要求測試系統(tǒng)硬件具有ps級或更高測試精度的測試分辨率，才能得到精確的測試結(jié)果。
2．5 同時多芯片測試技術(shù)
由于市場的競爭異常激烈，降低MCU芯片的成本是保證價格競爭優(yōu)勢的重要途徑之一，而降低產(chǎn)品上市前的測試成本是降低生產(chǎn)成本的重要環(huán)節(jié)，測試成本可以占到芯片生產(chǎn)總體成本的40％左右。因此，縮短單個芯片的測試時間，通過共用測試系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)多個芯片的同測功能，一般而言測試系統(tǒng)提供2～8個芯片的同測，如果在考慮到芯片和測試系統(tǒng)管腳數(shù)的情況下，可以在同樣的測試時間內(nèi)盡可能地加大被測芯片的數(shù)量，這樣也就縮短了單位芯片的測試時間，從而降低單位芯片的測試成本。
如表1所示是MCU (20MHz)+ADC(10bit，3ch)+芯片測試時，單測和4同測的測試時間比較。兩者間測試時間基本相同，可以得出4同測時相當(dāng)于單個芯片測試時間為7340÷4=l 835 ms/DUT。從而大幅降低了測試成本。
3 愛德萬測試的測試解決方案
Advantest在集成電路測試有著極其豐富的經(jīng)驗(yàn)，針對當(dāng)今高速發(fā)展的半導(dǎo)體產(chǎn)品都有相應(yīng)系列的測試系統(tǒng)進(jìn)行對應(yīng)。
對于目前市場增長的巨大潛力，呈現(xiàn)了高度集成化和多功能化趨勢的MCU芯片，T6500系列的測試系統(tǒng)就是一款功能完全可以滿足其測試要求且具有較高性價比的設(shè)備。其主要特點(diǎn)為：
(1)基本功能測試能力：500 MHz最高測試頻率，64 MW的圖形發(fā)生器(SQPG)容量，1024 pin的最大測試管腳(I/O pin)數(shù)，8ns的最小測試速率，±500 ps定時精度。
(2)存儲器測試能力：125 MHz的算法圖形發(fā)生器(ALPG)測試頻率，36 Mbit/28 pin的地址失效存儲器(AFM)容量。
(3)混合信號測試能力：16bit分辨率51．2 MHz頻率的波形發(fā)生器(VAFG)，512K×32bit 的125MHz的DCAP，4Gbit'32位*125MHz的數(shù)字波形發(fā)生器(DAW)，16bit*512Mps的模擬波形數(shù)字化儀(VAFD)。
(4)頻率Counter功能(MAX 200MHz/DUT)最小分辨率31．25ps。
(5)T6500測試系統(tǒng)可以提供多種同測方案，提高測試效率，降低測試成本：
①512CH T6500系統(tǒng)每個Device 64pin時的同測方法：
以單位64 Pin進(jìn)行分割的系統(tǒng)同測(8DUT同測)
②512CH T6500系統(tǒng)每個Device 16pin時的同測方法：
FreePin assign同測方法(即ANY PIN同測)/Block內(nèi)任意Pin分割(32DUT同測)
(6)T6500測試系統(tǒng)在軟件方面提供了圖形化的軟件操作系統(tǒng)Viewpoint，這個軟件系統(tǒng)集成了眾多的圖形化(GUI)工具(見圖8)，使對芯片的失效分析變得簡單而直觀。
綜合以上特點(diǎn)，T6500系列的測試系統(tǒng)完全可以對MCU進(jìn)行全面、精確、高效、低成本的測試。
4 總結(jié)
MCU芯片技術(shù)不斷的發(fā)展，更高速率，更高集成度，更多功能的MCU器件不斷的涌現(xiàn)，對MCU芯片的測試技術(shù)也在隨著其發(fā)展不斷的提高和創(chuàng)新。
愛德萬測試一直致力于集成電路測試技術(shù)的開發(fā)與完善，愛德萬測試的測試系統(tǒng)以高穩(wěn)定性、高精度以及高同測數(shù)等諸多優(yōu)勢贏得了眾多世界知名的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商的青睞。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我們也會不斷的努力，旨在為客戶提供從設(shè)計到量產(chǎn)的完整測試解決方案，以及最完善的技術(shù)服務(wù)。
本文摘自《電子工業(yè)專用設(shè)備》
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