第三章 – 開路與短路測試

開路與短路測試(Open/Short test)，也稱為連續性測試(Continuity test)或稱連接測試(Contact test)。此測試項目的主要目的，是要確認所有待測物的接腳，是否正確地連接到IC內部電路。並確認沒有任何的接腳，與其它的接腳短路，或與電源接腳短路(Power/Ground Pin)。

一般來說，所花費的測試時間愈長，IC的售價相對較高。因此，降低每顆IC的平均測試時間，是減少成本的方法之一。其實，找出一種可以快速分辨IC好壞的測試方法，是絕對有必要的。Open/Short這個測試項目，可以非常快速地判斷IC是否為良品的一種方法。同時，Open/Short測試，也可以用來驗證測試系統及相關設施是否正常。例如Probe Card及Socket是否連接正常。

基本觀念

一般IC設計時，為了達到Open/Short測試目的。會在Bond Pad之後，有一個保護二極體(diode)的設計，分為上、下兩個二極體。上面稱為Vdd Diode(Upper Diode)，下面稱為Vcc Diode(Lower Diode)。如圖說明。

Open/Short測試項目，可依測試對象，區分為訊號腳的Open/Short測試，及電源腳的Open/Short測試。依測試方法，可區分為DC量測法，及Pattern量測法。一般IC規格表，及其相關資料中，並不會針對 Open/Short 測試項目所需要的測試條件，加以說明。但有一些測試條件，是適合大多數的IC製程。這些條件，會在以下描述。


要執行Open/Short測試。首先，要將待測物的所有接腳全部接地（包括電力腳及接地腳）。接下來，需要將 PMU連接到欲量測的待測腳上，並供應一個電流。此電流，會使得其中一個保護二極體形成一個迴路。當供應一個負向電流時，待測接腳會與接地腳形成一個迴路。當供應一個正向電流時，待測接腳會與電力腳形成一個迴路。供應的電流值，可介於100μA到500μA之間。一旦形成電流迴路時，橫跨於保護二極體之間的電壓差，約為0.65伏特。0.65伏特電壓差，是適合大部份，以矽為材質基底，所製造出來的IC。

至於，其它的材質基底，因設計上或製程上的差異。其電壓差，需依個案來決定。測試過程中，利用PMU供應電流量電壓時，必需要有限壓設定。讓電壓值，限定在一個範圍之內。尤其是待測腳，在開路的情況之下。這個Voltage Clamp的觀念，在前面的章節曾經提過，請讀者特別留意。Open/Short測試時，其限壓設定值，可以設定在3伏特。以上所述的量測方式，稱為序列靜態Open/Short量測法（Open/Short Serial Static Method）。


此方法，屬於DC的量測方式，可以得到所量測的電壓值。此電壓值，可以很清楚地指出IC失效的原因。不管是短路的情況，或者是開路的情況，都可以依量測到電壓值，來檢視其結果。另外，此方法的缺點是，每一根接腳需要獨立地做DC的量測。因此，量測時間較長。在實務上，Open/Short測試項目，不會同時量測 Vdd Diode（Upper Diode）及Vss Diode（Lower Diode）。通常，只會選擇其一來測試。

序列靜態量測法

訊號接腳的序列靜態量測法，可分為 Vdd Diode 的量測及 Vss Diode 的量測。英文為 Signal Pin Open/Short Serial Static Method 。

訊號接腳的序列靜態量測法(Upper Diode)

  • 量測的原理

Vdd Diode是訊號腳連接到電力腳之間的保護二極體。首先，將所有IC接腳都要接地（包括電力腳及接地腳）。再利用PMU，提供一個正向電流，給待量測的訊號腳，並做好限壓措施（可設定為3.0伏特）。如果一切正常，所量測到的電壓值，約為0.65伏特上下。

當訊號腳是開路（Open）的情況時，所量測到的電壓，應為限壓值3.0伏特。

當訊號腳是短路（Short）的情況時，所量測到的電壓，會小於0.1伏特或趨近於0.0伏特。

請特別注意，當訊號腳是短路（Short）的情況時。此量測方式無法判斷，待測腳的短路，是與其它訊號腳之間的短路，還是與電力腳或接地腳之間的短路。只能告知待測腳有短路現象。

  • 量測的步驟與方式

(1) 將所IC的所有腳都接地（包括電力腳及接地腳）。
(2) 設定限壓值為 3伏特。
(3) 使用PMU逐一供應+100μA到待測訊號腳上，並量測電壓值。
(4) 所量測到的電壓值，如果大於1.2伏特時，判斷為Open 如果小於0.1伏特時，判斷為Short。

  • 問題檢討
  • 為何要將 Vdd/Vss 或 Vcc/GND 所有的Power Pin都接地?

因為要判斷待測腳是否與 Vdd/Vss 或 Vcc/GND 短路。

  • 為何要將所有 Signal Pin 接地?

因為要判斷待測腳是否與 Signal Pin 短路。

  1. Device 是否具備上下兩個保護二極體，簡單快速的方法，就是試一次就知道了。
  2. 只測OPEN時，不一定要將 Signal Pin 接地，但Power Pin(Vcc/GND)一定要接地。

只測Open的條件：設定最大值為1.2伏特，且不設下限。
只測Short的條件：設定最小值為0.1伏特，且不設上限。

圖：加強記憶的判斷方法（Vdd）

訊號接腳的序列靜態量測法（Vss Diode）

  • 量測的原理

Vss Diode是訊號腳連接到接地腳中間的保護二極體。首先，將IC所有腳都接地（包括電力腳及接地腳）。再利用PMU提供一個負向電流(-100μA到-500μA)給待量測的訊號腳，並做好限壓措施（可設定為-3.0伏特）。如果一切正常時，所量測到的電壓值，約為-0.65伏特上下。

當訊號腳是開路（Open）的情況時，所量測的電壓應為限壓值-3.0伏特。

當訊號腳是短路（Short）的情況時，所量測到的電壓，會大於－0.1伏特或趨近於0伏特電壓。

請特別注意，當訊號腳是短路（Short）的情況時。此量測方式，無法判斷待測腳的短路，是與其它訊號腳之間的短路，還是與電力腳或接地之間的短路。只能告知，待測腳有短路現象。

  • 量測的步驟與方式

(1) 將IC所有腳都接地（包括電力腳及接地腳）。
(2) 設定限壓值為－3.0伏特。
(3) 使用PMU逐一供應－100μA到待測訊號腳上，並量測電壓值。
(4) 所量測到的電壓值，如果小於－1.2伏特時，判斷為Open。如果，大於－0.1伏特時，判斷為Short。

只測Open的條件：設定最小值為－1.2伏特，且不設上限。
只測Short的條件：設定最大值為－0.1伏特，且不設下限。

圖： 加強記憶的判斷方法(Vss)

Pattern量測法

訊號腳Open/Short的Pattern量測法（Signal Pin Open/Short Pattern Method），這是一種快速且低成本的測試方法。是用來驗證Open/Short測試項目。以下的說明，對於尚未接觸功能測試的讀者而言，是比較難以理解的。在這裡，筆者試圖以比較簡易的方式，來加以說明。建議讀者，了解功能測試的相關原理與作法後，重新回頭了解此一章節的敘述，會對讀者有較大的幫助。


利用Pattern量測法之前，必需先了解動態負載的電路設計。並且需要將時序問題了解清楚。動態負載（Dynamic Load）是在PE Card上的電路。一般，每一個Channel都會有此一設計，尤其是在 Compare Channel上。

圖：動態負載的電路設計

之前，所提到的時序問題，主要是希望更快速地執行Open/Short測試。因此，發現類似Pattern的量測法，比PMU量測方式更快。而Pattern的量測基本原理，是以Cycle Base為基礎。因此，利用動態負載電路，提供一個電流後，在適當的時序點上。利用比較電路，來比較待測腳是否符合期望的電壓值。這裡，讀者須特別注意，是利用比較電路，而不是用PMU來量測。

圖：Open/Short Pattern 量測法的時序關係圖

  • 量測的原理

主要的精神，是利用Dynamic Load的特性，模擬出正電流或負電流。如圖3-7的電路設計，剛好符合這樣的要求。也就是說，當Vt電壓值高於D點時，D點會產生IOL的電流。另外，相反的當Vt電壓值，低於D點時，會產生IOH的電流。以圖3-7的例子作說明。首先，需設定好IOL的電流值（IOL=+100μA）及IOH的電流值（IOH=－100μA）。當驅動電路，Vt=+3.0V時，D點會產生IOL=+100μA的電流。當驅動電路，Vt=-3.0V時，D點會產生IOH=－100μA的電流。

接下來，利用比較電路，將待測腳的電壓值，與設定的最大電壓值（VOH）與最小電壓值（VOL）作比較。如果大於VOH時，則OPEN。如果小於VOL，則SHORT。讀者須特別注意，此時待測腳設定成輸出腳(Output Pin)，其它訊號腳設定成輸入腳。利用Pattern量測法時，有一個典型的Pattern稱為Walking Z Pattern 如圖1所示。

圖1

量測時，訊號輸入腳與輸出腳間關係如圖2所示

圖2

  • 量測的步驟與方式

(1) 利用電源供應器，將所有電力腳接地。
(2) 設定Vt電壓為＋3伏特時，表示Force一個+100μA電流測Upper Diode。
(3) 設定VOH/VOL電壓值(1.2V/0.1V or -1.2V/-0.1V)。
(4) 設定IOL=+100μA的電流值IOH=-100μA電流值。
(5) 設定Strob Time。
(6) 執行Pattern (Walking Z Pattern)。
(7) 判斷Pass/Fail。

電源腳的短路開路測試

電源腳的結構，與一般的訊號腳的結構，不太一樣。電源腳會串聯數以萬計的電晶體，因此無法預估電流的供應量。也就是說，無法預估多大的電流量，才能滿足電路上的需要。因此IFVM或VFIM的量測方法，無法滿足電源腳的量測需要。


提供電流量測電壓（IFVM）的方法中，因為電源腳應提供的電流量，無法得知之故。此法不適用來量測Power Pin的Open/Short。另外，提供電壓量測電流（VFIM）的方式，也有一個盲點。也就是在Power Pin提供一個電壓，此電壓一般為Device的操作電壓。此時，其它的接腳應給與什麼樣的測試條件呢?直覺的想法是，將所有Input/Output Pin全部接地，然後再量測Power Pin的電壓值。此時，電壓值應為多少才合理呢?又此測試方法與量測Gross Idd有多大的差異呢?因此，這兩種測量方式，不太適合量測Power Pin的Open/Short測試項目。

圖：是電源腳與一般訊號腳在IC設計上的結構示意圖

因此，電源腳的短開路測試方法，需要一個能提供電壓，然後量測電壓的量測模式(Force Voltage Measure Voltage Mode:VFVM Mode)，一般將此結構稱為Dynamic Power Supply Source Voltage Measure Voltage (DPS-SVMV)

如圖1A所示

  • 量測的原理

首先，須要知道Power Pin與Ground Pin 之間，會有一個二極體的設計。相同地，在正常的情況下，這個二極體電壓降，一樣約為0.7V/0.65V之間。利用提供電壓量測電壓的硬體結構。如圖1A結構，提供一個Vs電壓。此電壓值，一般會供應－1.5V電壓。如此，Vt電壓值可得Vt=－0.8V。因為Vs=Vt+Vd，如圖3-12a所示。A點為GND Pin為接地點，電壓值為0V。B點因Vd的關係，所以電壓值為－0.7V。C點電壓為電源供應器電壓，為－1.5V。流經此迴路的電流值為－0.8mA (由A點流向C點)。故正常情況下，電壓計會量測到－0.65V左右的電壓值。

當Power Pin是Open的狀況下，如圖b所示。此時，無法形成一個迴路。因此，沒有電流流經電阻R。所以，B點電壓與C點電壓相同，C點=B點=Vs=-1.5V。
圖B :


當Power Pin是在Short的狀況下，如圖所示。A點與B點皆為零電位。此時，Vs=Vr=－1.5V，流經電阻器R的電流量為-1.5mA。如果Power Pin與其它Signal Pin短路時，其情況相同。

  • 量測的步驟與方式

(1) 設定DPS-SVMV的Vs=Vd+Vr的電壓。
(2) 將所有Input/Output Pin接地。
(3) 將DPS-SVMV連接到Power Pin上。
(4) 執行電壓量測。
(5) 判斷 Pass/Fail。