雖然可以對(duì)各種器件進(jìn)行開(kāi)路和短路測(cè)試，但這在半導(dǎo)體驗(yàn)證測(cè)試中最為常見(jiàn)。本文將詳細(xì)描述在 CMOS 芯片上測(cè)試開(kāi)路和短路的過(guò)程。

在深入研究開(kāi)路和短路測(cè)試的技術(shù)細(xì)節(jié)之前，我們必須首先了解其與半導(dǎo)體驗(yàn)證的相關(guān)性。半導(dǎo)體驗(yàn)證通常分為結(jié)構(gòu)和功能兩部分。結(jié)構(gòu)測(cè)試可確保芯片正確構(gòu)建。功能測(cè)試確定芯片是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范并在最終環(huán)境中按預(yù)期執(zhí)行。打開(kāi)和短路測(cè)試檢查半導(dǎo)體芯片的保護(hù)二極管電路中的故障。因此，它是一種結(jié)構(gòu)測(cè)試。

下圖表示典型的 CMOS 芯片?？梢钥闯觯總€(gè)引腳都具有保護(hù)二極管和 CMOS 晶體管的網(wǎng)絡(luò)。

圖 1： CMOS 芯片的內(nèi)部電路

每個(gè)輸入引腳上的 CMOS 晶體管通過(guò)允許電流從 V DD（芯片的電源電壓）流入 DUT 電路以及從 DUT 電路流向 V SS（地）來(lái)起到開(kāi)關(guān)的作用。如果在輸入或輸出引腳上感應(yīng)出過(guò)壓，可能會(huì)損壞 CMOS 晶體管。為了保護(hù)這些器件，每個(gè)信號(hào)引腳都放置了兩個(gè)二極管（參見(jiàn)圖 1）。第一個(gè)位于信號(hào)引腳和 V DD 之間，第二個(gè)位于信號(hào)引腳和 V SS 之間。如果在任何引腳上施加大于 V DD 的正過(guò)壓，則 V DD 二極管變?yōu)檎蚱?，允許電流在信號(hào)引腳和 V DD 之間流動(dòng)。類似地，如果在任何引腳上施加大于 V SS 的負(fù)過(guò)壓，則 V SS 二極管變?yōu)檎蚱?，允許電流在 V SS 和信號(hào)引腳之間流動(dòng)。這樣，保護(hù)二極管可防止在過(guò)壓條件下?lián)p壞 CMOS 晶體管和 DUT 電路。V DD 和 V SS 保護(hù)二極管必須在開(kāi)路和短路條件下進(jìn)行測(cè)試，以確保其正常工作。如果保護(hù)二極管缺失或功能不正常，可能會(huì)出現(xiàn)開(kāi)路情況。如果存在直接連接，則可能出現(xiàn)短暫情況：

引腳和 V DD 之間

引腳和 V SS 之間

引腳和另一個(gè)信號(hào)引腳之間

這些短路故障模式中的每一種都妨礙了設(shè)備的正確操作。打開(kāi)并短接所有上述故障模式的測(cè)試檢查。

注：CMOS 集成電路基于 FET 技術(shù)，因此通常使用 V DD / V SS 術(shù)語(yǔ)來(lái)確定正電源電壓 / 負(fù)電源電壓（接地）。這些端子也可以記錄為 V CC / Gnd。

1. 第 1 節(jié)：硬件設(shè)置

測(cè)試設(shè)置

開(kāi)路和短路的測(cè)試設(shè)置分為兩個(gè)例程：測(cè)試 V DD 保護(hù)二極管和測(cè)試 V SS 保護(hù)二極管。

測(cè)試 V DD 保護(hù)二極管

為了檢測(cè)信號(hào)引腳的 V DD 保護(hù)二極管的開(kāi)路或短路，將 V SS，V DD 和所有其他信號(hào)引腳連接到 SMU 地，并將最小電流（即 100μA）強(qiáng)制插入信號(hào)引腳。如果 V DD 保護(hù)二極管正常工作，它將變?yōu)檎蚱?，電流將在信?hào)引腳和 V DD 之間流動(dòng)（見(jiàn)圖 2）。

圖 2：測(cè)試 VDD 二極管（開(kāi)關(guān)未顯示）

通過(guò)測(cè)量正向偏置 V DD 二極管兩端的壓降，我們可以確定它是否正常工作。如果信號(hào)引腳和地之間測(cè)量的電壓接近 0 V（或接地），則信號(hào)引腳與地之間通過(guò) V SS，V DD 和 / 或另一個(gè)信號(hào)引腳之間存在一個(gè)或多個(gè)短路。如果在信號(hào)引腳之間測(cè)量的電壓或上升到高于可接受的正向偏置電壓的電位，則信號(hào)引腳和地之間存在開(kāi)路。如果測(cè)得的電壓是可接受的正向偏壓，則 V DD 保護(hù)二極管正常工作。表 1 顯示了 V DD 的示例 保護(hù)二極管測(cè)試結(jié)果和由此產(chǎn)生的通過(guò) / 失敗規(guī)范。

注意： 沒(méi)有電流（除少量漏電流外）流過(guò) V SS 保護(hù)二極管，因?yàn)樗鼤?huì)反向偏置。

注意： 可接受的正向偏壓通常取決于制造半導(dǎo)體二極管的材料。然而，制造技術(shù)也可用于降低正向偏置電壓降。硅二極管的正向偏壓通常被認(rèn)為是 0.65 V. 精確的電壓降取決于流過(guò)二極管 pn 結(jié)的電流，結(jié)的溫度和幾個(gè)物理常數(shù)。正向偏置電壓降，施加電流和相關(guān)變量之間的關(guān)系如下圖 3 所示，通常稱為二極管方程：

圖 3：二極管方程

二極管方程中的變量如下所述。ID =二極管電流（A）IS =飽和電流（A）VD =二極管兩端的電壓降（V）N =理想系數(shù)，介于 1 和 2 Vt 之間=熱電壓（V），室溫下約 25.85 mV 兩者之間的電壓信號(hào)引腳和地將接近 0 V，測(cè)試結(jié)果將為 Fail：Shorted。如果其他信號(hào)引腳未全部接地，電流仍會(huì)流過(guò)正向偏置的 V DD 保護(hù)二極管（如圖 2 所示），測(cè)試結(jié)果為 Pass。

測(cè)試 V SS 保護(hù)二極管

測(cè)試 V SS 二極管的過(guò)程與測(cè)試 V DD 二極管的過(guò)程相同。所有引腳（包括 V SS 和 V DD）都連接到 SMU 地。然而，這次，相同值的負(fù)電流（即 -100μA）被強(qiáng)制進(jìn)入信號(hào)引腳。如果 V SS 保護(hù)二極管正常工作，它將變?yōu)檎蚱?，電流將?V SS 和信號(hào)引腳之間流動(dòng)（見(jiàn)圖 4）。

圖 4：測(cè)試 VSS 二極管（開(kāi)關(guān)未顯示）

注意：沒(méi)有電流（除了少量漏電流）流過(guò) V DD 保護(hù)二極管，因?yàn)樗鼤?huì)反向偏置。

通過(guò)測(cè)量正向偏置 V DD 二極管兩端的壓降，我們可以確定它是否正常工作。表 2 列出了 V SS 保護(hù)二極管的測(cè)試參數(shù)。

自動(dòng)化測(cè)試設(shè)置

有兩種常見(jiàn)的硬件配置可用于執(zhí)行開(kāi)路 / 短路測(cè)試。首先，外部開(kāi)關(guān)系統(tǒng)前端和可編程源測(cè)量單元可用于自動(dòng)化 V DD 和 V SS 保護(hù)二極管測(cè)試。開(kāi)關(guān)系統(tǒng)可以掃描預(yù)先配置的狀態(tài)，創(chuàng)建到半導(dǎo)體器件的 V DD，V SS 和信號(hào)引腳所需的電流和接地路徑。源測(cè)量單元可以強(qiáng)制所需的電流并測(cè)量從每個(gè)信號(hào)引腳到地的結(jié)果電壓（見(jiàn)圖 5）。其次，除了交換系統(tǒng)外，還可以使用 PXIe-6556，也可以使用卡的 PPMU 功能在數(shù)字引腳上使用。選項(xiàng)一將在下面詳細(xì)討論。

圖 5a：使用 SMU 和 MUX 進(jìn)行 Opens / Shorts 自動(dòng)測(cè)試設(shè)置

圖 5b：使用 HSDIO 打開(kāi) / 短接自動(dòng)測(cè)試設(shè)置

以下步驟概述了使用上述 SMU 和開(kāi)關(guān)組合進(jìn)行開(kāi)路和短路測(cè)試的過(guò)程：

第 1 步：將所有引腳接地

為了通過(guò) FET 開(kāi)關(guān)將 SMU 連接到 DUT，使用矩陣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中 SMU 的引腳連接到矩陣中的行，而引腳來(lái)自芯片連接到列。

通過(guò)關(guān)閉矩陣上的所有連接來(lái)完成 DUT 上所有引腳的接地，該連接將 PXI-4130 SMU 的地線連接到 DUT 上的引腳。從 PXI-4130 SMU 低引腳到 V DD 和 V SS 的連接直接通過(guò)電纜而不是通過(guò)開(kāi)關(guān)完成。這是因?yàn)?V DD 和 V SS 引腳始終連接到 SMU 低引腳。雖然所有信號(hào)引腳最初都連接到 SMU Low，但它們依次連接到 SMU 測(cè)量通道，因此通過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)連接到 SMU。

重要的是不僅要將 V SS 和 V DD 連接到地。在測(cè)試保護(hù)二極管之前，所有其他信號(hào)引腳應(yīng)接地。將所有其他信號(hào)引腳接地可確保檢測(cè)到任何信號(hào)引腳到信號(hào)引腳短路。有關(guān)進(jìn)一步說(shuō)明，請(qǐng)參見(jiàn)圖 6。當(dāng)在兩個(gè)信號(hào)引腳之間檢測(cè)到短路時(shí)，被測(cè)引腳和 SMU 低電壓之間的電壓應(yīng)該超出表 1 和表 2 中列出的可接受范圍（理想情況下為 0V），測(cè)試應(yīng)該失敗。如果其他信號(hào)引腳未全部接地，則電流仍會(huì)流過(guò)正向偏置的 V DD 保護(hù)二極管，測(cè)試結(jié)果為 Pass。見(jiàn)下面的圖 6。

［ ］放大圖片

圖 6：接地引腳對(duì)于檢測(cè)短路至關(guān)重要

步驟 2：在 3 V 的 SMU 上設(shè)置電壓鉗

為了在開(kāi)路條件下產(chǎn)生的極限電壓，在 SMU 上設(shè)置上限電壓鉗位。如果未設(shè)置鉗位且電路開(kāi)路，則 SMU 將測(cè)量非常高的電壓值。這可能會(huì)損壞芯片電路。在 PXI-4130 上，電壓鉗位電平在軟件中設(shè)置為 3 V. 3 V 是可接受的值，因?yàn)樗哂跈z測(cè)開(kāi)路（1.5V）的測(cè)試限值，并且在大多數(shù) CMOS 的規(guī)格范圍內(nèi)芯片。

步驟 3：從 SMU 強(qiáng)制±100uA 并測(cè)量產(chǎn)生的電壓

SMU 每次向一個(gè)信號(hào)引腳的二極管施加±100μA 的電流，并測(cè)量產(chǎn)生的電壓。每個(gè)引腳通過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)依次連接到 SMU。對(duì)于該測(cè)試，預(yù)期電壓約為±0.65V（正向偏置二極管兩端的電壓降）。測(cè)量由強(qiáng)制電流產(chǎn)生的電壓并與測(cè)試規(guī)格表進(jìn)行比較，以確定最終的測(cè)試結(jié)果。

回到頂部 2. 第 2 節(jié)：軟件設(shè)置

該開(kāi)放和短路系統(tǒng)的軟件是使用 NI LabVIEW 和 NI Switch Executive 開(kāi)發(fā)的。LabVIEW 用作主應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境（ADE），而 Switch ExecuTIve 用于配置高密度矩陣上的路由。

以下軟件版本用于實(shí)施 Opens and Shorts Semiconductor 測(cè)試：

LabVIEW 8.5 圖形編程環(huán)境

Switch ExecuTIve 2.1.1 交換機(jī)管理軟件

可以從本文檔末尾的鏈接下載本文檔中描述的 LabVIEW 代碼。

注意： LabVIEW 圖形化編程語(yǔ)言中的功能塊稱為“虛擬儀器”或“VI”。因此，在描述本節(jié)中的過(guò)程時(shí)將使用首字母縮略詞‘VI’。

如前所述，開(kāi)路和短路測(cè)試可分為兩個(gè)例程：a）測(cè)試 V DD 保護(hù)二極管，b）測(cè)試 V SS 保護(hù)二極管。兩個(gè)例程都可以使用相同的硬件連接來(lái)執(zhí)行，并且編程例程的唯一區(qū)別可以是簡(jiǎn)單地改變 SMU 的強(qiáng)制電流的方向。由于這些相似之處，本文檔僅概述了演示如何測(cè)試 V SS 保護(hù)二極管的示例。該測(cè)試程序可以復(fù)制并稍作改動(dòng)，以測(cè)試 V DD 保護(hù)二極管。有關(guān)必要變更的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)文件末尾。

測(cè)試 V SS 保護(hù)二極管的步驟如下：

初始化，配置和啟用 SMU 輸出

初始化開(kāi)關(guān)硬件并將所有 DUT 引腳連接到地

使用 5544 交叉點(diǎn) FET 矩陣迭代信號(hào)引腳

斷開(kāi)被測(cè)信號(hào)引腳與地之間的連接

將 SMU 連接到被測(cè)信號(hào)引腳

測(cè)量被測(cè)信號(hào)引腳和地之間的電壓

對(duì)測(cè)量的電壓進(jìn)行分析以確定測(cè)試結(jié)果

斷開(kāi) SMU 與被測(cè)信號(hào)引腳的連接

將被測(cè)信號(hào)引腳重新接地

禁用 SMU 的輸出并關(guān)閉 SMU 會(huì)話句柄

從開(kāi)關(guān)硬件斷開(kāi)所有信號(hào)引腳并關(guān)閉 NISE 會(huì)話句柄

初始化 SMU，配置和啟用 SMU 的輸出

使用 LabVIEW 中的 NI-DCPower API 初始化，配置和啟用 PXIe-4141 SMU 的輸出。有關(guān)框圖代碼的圖片，請(qǐng)參見(jiàn)圖 7。

圖 7：在 LabVIEW 中初始化，配置和啟用 SMU 輸出

SMU 的資源名稱被送入 IniTIalize VI 以初始化 SMU 并提供 SMU 會(huì)話句柄。然后將 SMU 會(huì)話句柄傳遞給所有后續(xù)的 NI-DCPower VI。接下來(lái)，SMU 的通道 1 配置為 DC 電流，這是它將進(jìn)行測(cè)試的原因。NI-DCPower 配置 VI 可以按任何順序連接，只要在啟用 SMU 輸出之前設(shè)置所有參數(shù)即可。需要饋送的參數(shù)包括電流水平，電流水平范圍，電壓限制和電壓限制范圍。

IniTIalize VI 之后的步驟是 niDCPower 屬性節(jié)點(diǎn)。該步驟指示 SMU 根據(jù)電流水平和電壓限制輸入自動(dòng)確定和設(shè)置電流水平和電壓限制范圍。屬性節(jié)點(diǎn)后面的 VI 確認(rèn) SMU 將用于 DC 電流模式。接下來(lái)，將電流水平設(shè)置為 -100μA（測(cè)試 V SS 保護(hù)二極管，配置通道 1，使電流流入 SMU，V SS 保護(hù)二極管正向偏置）和電壓限制，或者電壓鉗位設(shè)置為 3 V（相當(dāng)于±3 V）。

最后，輸入到配置輸出啟用 VI 的布爾值 true 啟用 SMU 的輸出，將配置參數(shù)提交給設(shè)備并開(kāi)始通過(guò) SMU 的通道 1 的 -100μA 電流。

初始化開(kāi)關(guān)硬件并將所有 DUT 引腳連接到地

初始化開(kāi)關(guān)硬件并將其設(shè)置為 V DD，V SS 和所有 DUT 的信號(hào)引腳接地的狀態(tài)。使用 LabVIEW 控制開(kāi)關(guān)有多種方法，但是將系統(tǒng)切換硬件編程的最佳方法是使用 NI Switch Executive API。有關(guān)框圖代碼的圖片，請(qǐng)參見(jiàn)圖 8。

圖 8：初始化開(kāi)關(guān)硬件并將所有 DUT 引腳連接到地

NI Switch Executive（NISE）虛擬設(shè)備名稱被輸入到 Open Session VI，以打開(kāi)系統(tǒng)中所有交換機(jī)的會(huì)話句柄。NI Switch Executive 將這些會(huì)話句柄存儲(chǔ)在一個(gè) NISE 會(huì)話句柄中，該句柄傳遞給所有后續(xù)的 NISE VI?！皵嚅_(kāi)所有”VI 斷開(kāi) NI Switch Executive 會(huì)話管理的每個(gè)交換機(jī)設(shè)備上的所有連接，從而將交換機(jī)系統(tǒng)配置設(shè)置為未連接交換機(jī)路由的已知狀態(tài)。最后，GND 到 DUT 路由組中的所有路由都被連接，這導(dǎo)致開(kāi)關(guān)硬件被設(shè)置為 V DD，V SS 和所有 DUT 的信號(hào)引腳接地的狀態(tài)。

要了解有關(guān) NI Switch Executive Virtual Device 的更多信息以及如何創(chuàng)建一個(gè)，請(qǐng)查看本文末尾鏈接的 7 分鐘 NI Switch Executive 演示。

迭代信號(hào)引腳，一次測(cè)試一個(gè)

使用 LabVIEW‘For Loop’迭代 DUT 信號(hào)引腳。在“For Loop”中，使用 NI Switch Executive VI 將被測(cè) DUT 信號(hào)引腳與地?cái)嚅_(kāi)，并將待測(cè) DUT 信號(hào)引腳連接到 SMU 的通道 1。使用 NI-DCPower VI 測(cè)量每個(gè) DUT 信號(hào)引腳與地之間的電壓。在繼續(xù)下一次 For 循環(huán)迭代之前，將待測(cè) DUT 信號(hào)引腳從 SMU 的通道 1 斷開(kāi)，然后將其重新連接到地（參見(jiàn)圖 9）。

圖 9：斷開(kāi) GND，連接 SMU，測(cè)量，斷開(kāi) SMU 和重新連接 GND

在上圖中，我們：

斷開(kāi)被測(cè)信號(hào)引腳與地之間的連接

將 SMU 連接到被測(cè)信號(hào)引腳

測(cè)量被測(cè)信號(hào)引腳和地之間的電壓

根據(jù)電壓測(cè)量確定測(cè)試結(jié)果

斷開(kāi) SMU 與待測(cè) DUT 信號(hào)引腳的連接

將待測(cè) DUT 信號(hào)引腳重新接地

使用 NI Switch Executive 中創(chuàng)建的路由組完成斷開(kāi)和重新連接 DUT 信號(hào)引腳的過(guò)程。路由組用于將交換矩陣置于所需狀態(tài)。要了解有關(guān)路由組的更多信息以及如何創(chuàng)建一個(gè)視圖的更多信息，請(qǐng)參閱本文檔末尾的 7 分鐘 NI Switch Executive 演示。第一個(gè)路由組包含將 DUT 信號(hào)引腳連接到地的路由，第二個(gè)路由組包含將 DUT 信號(hào)引腳連接到 SMU 的通道 1 的路由（參見(jiàn)圖 10）。

圖 10：設(shè)置路由組以簡(jiǎn)化索引正確的 DUT 信號(hào)引腳

接下來(lái)，LabVIEW 中的 NI Switch Executive 配置 API 提供對(duì)所有 NI Switch Executive 功能的完全編程訪問(wèn)，用于從所有路由組中提取單個(gè)路徑名稱。結(jié)果將是兩個(gè)字符串?dāng)?shù)組，包括路由組 1 和路由組 2 的路由（參見(jiàn)圖 11）。

圖 11：使用 NI Switch Executive Configuration API 的陣列輸出

將這些數(shù)組傳遞給 For 循環(huán)將自動(dòng)索引數(shù)組。例如，在循環(huán)的第一次迭代中，要在循環(huán)內(nèi)連接和斷開(kāi)的索引路由是 DUT_Signal_Pin0_to_GND 和 DUT_Signal_Pin0_to_SMU_Channel1。在循環(huán)的第二次迭代中，索引路由是 DUT_Signal_Pin1_to_GND 和 DUT_Signal_Pin1_to_SMU_Channel1。這將繼續(xù)，直到數(shù)組索引每個(gè)元素。您不限于此命名方案。您可以在“Switch Exec for OS”VI 的“路由組 1”和“路由組 2”控制字段中輸入您的特定陣列名稱。

根據(jù) DUT 的通過(guò) / 失敗規(guī)范，確定電壓測(cè)量是否表明 DUT 信號(hào)引腳上的 V SS 保護(hù)二極管已經(jīng)通過(guò)，失效打開(kāi)或因短路而失效（見(jiàn)圖 12）。

圖 12：根據(jù)電壓測(cè)量確定測(cè)試結(jié)果

在進(jìn)行電壓測(cè)量并確定測(cè)試結(jié)果后，斷開(kāi) SMU 的通道 1 與被測(cè) DUT 信號(hào)引腳的連接，并將被測(cè)引腳重新接地。

禁用 SMU 的輸出并關(guān)閉 SMU 會(huì)話句柄

使用 NI-DCPower VI 禁用 SMU 的輸出并關(guān)閉 SMU 會(huì)話句柄。有關(guān)框圖代碼的圖片，請(qǐng)參見(jiàn)圖 13。

圖 13：禁用 SMU 輸出并關(guān)閉 SMU 會(huì)話句柄

輸入到配置輸出啟用 VI 的布爾值 false 禁用 SMU 的輸出，停止通過(guò)通道 1 的 -100μA 電流。關(guān)閉 VI 關(guān)閉 SMU 會(huì)話句柄并重新分配先前保留的 SMU 資源。

注意： 如果在調(diào)用關(guān)閉 VI 時(shí)仍然啟用了電源輸出，則通道 1 將保持其當(dāng)前狀態(tài)并繼續(xù)吸收電流。

從開(kāi)關(guān)硬件斷開(kāi)所有信號(hào)引腳并關(guān)閉 NISE 會(huì)話句柄

使用 NI Switch Executive VI 斷開(kāi) V DD，V SS 和其余信號(hào)引腳與交換硬件的連接并關(guān)閉 NISE 會(huì)話句柄。有關(guān)框圖代碼的圖片，請(qǐng)參見(jiàn)圖 14。

圖 14：斷開(kāi)所有信號(hào)引腳并關(guān)閉 NISE 會(huì)話句柄

Disconnect All VI 再次斷開(kāi) NI Switch Executive 會(huì)話管理的每個(gè)交換機(jī)設(shè)備上的所有連接，從而將交換機(jī)系統(tǒng)配置設(shè)置為未連接交換機(jī)路由的已知狀態(tài)。Close Session VI 關(guān)閉系統(tǒng)中所有交換機(jī)的會(huì)話句柄。雖然不是必需的，但包含錯(cuò)誤處理程序通常很有幫助。如果發(fā)生錯(cuò)誤，VI 將返回錯(cuò)誤描述，并可選擇顯示包含錯(cuò)誤信息的對(duì)話框。

修改代碼以測(cè)試 V DD 保護(hù)二極管

要修改 V SS 保護(hù)二極管測(cè)試，必須首先禁用 SMU，然后在重新啟用 SMU 之前，應(yīng)更改配置以在通道 1 上強(qiáng)制 100μA 而不是 -100μA。For 循環(huán)可以執(zhí)行完全相同的連接和斷開(kāi)，進(jìn)行測(cè)量并確定測(cè)試結(jié)果。

結(jié)合 V SS 和 V DD 保護(hù)二極管測(cè)試

確定每個(gè) DUT 信號(hào)引腳的最終結(jié)果可以通過(guò)組合 V SS 和 V DD 保護(hù)二極管測(cè)試的結(jié)果來(lái)完成。只有當(dāng)兩個(gè)保護(hù)二極管都通過(guò)各自的測(cè)試時(shí)，才能確定通過(guò)的最終結(jié)果。有多種方法可以顯示測(cè)試結(jié)果，包括但不限于 a）將布爾值傳遞到 LED 陣列，以及 b）在數(shù)組中格式化和顯示字符串簇。