IC TESTING / MARKING / PACKING (TMP)
Electrical Parameter Testing
การทดสอบทางไฟฟ้า (Electrical Testing) เป็นการทดสอบเพื่อพิสูจน์ (Verify) พารามิเตอร์ต่างๆ เพื่อใช้เป็นตัวพิจารณาอุปกรณ์ที่ทําการทดสอบว่าใช้การได้หรือไม่นอกจากนี้เป็นการนําความรู้พื้นฐานเรื่องกฏของโอห์ม (Ohm’s Law) มาคํานวณหาค่าความต้านทาน ค่ากระแส หรือค่าแรงดัน โดยเปลี่ยนวงจรหรืออุปกรณ์ให้เป็นวงจรเสมือนตัวต้านทานหนึ่งตัว ในบทนี้จะได้อธิบายความหมาย, จุดมุ่งหมาย หรือวิธีการในการทดสอบพารามิเตอร์ต่างๆ
1. การทดสอบการเปิดและลัดวงจร (Opens and Shorts Test)
การทดสอบนี้ บางครั้งเรียกว่า Continuity หรือ Contact Test เพื่อสํ าหรับทดสอบว่ามีสัญญาณที่ขาอุปกรณ์หรือไม่ และขาเหล่านั้นมีการชอร์ตกัน ชอร์ตกับแหล่งจ่ายหรือกราวด์หรือไม่และการทดสอบแบบนี้ยังเป็นเครื่องบ่งชี้ว่าเครื่องมือที่ใช้ในการทดสอบ ได้แก่ Test Probe Card,Device Test Socket ต่ออย่างถูกต้องตรงกับตําแหน่งหรือไม่อีกด้วย เงื่อนไขการทดสอบการเปิดและลัดวงจรจะไม่ได้ระบุไว้ในคู่มือ (Data Book) แต่เป็นที่รู้กันว่าการทดสอบแบบนี้จะถูกกระทําในทุก ๆ อุปกรณ์
วิธีการในการทดสอบอุปกรณ์
ในขั้นแรกต่อขาสําหรับป้อนแรงดันและขากราวด์ ของอุปกรณ์ลงกราวด์ ของแหล่งจ่ายไฟจากนั้นต่อขาของ MPU เข้ากับขาของอุปกรณ์ที่ต้องการทดสอบแล้วจ่ายกระแสเข้าไป ซึ่งจะมีผลทําให้ไดโอดที่ทําหน้าที่ป้องกัน (Protection Diode) ตัวใดตัวหนึ่งอยู่ในลักษณะไบแอสตรง ดังรูป 3-1 และ 3-2 โดยถ้าป้อนกระแสบวกเข้าไปไดโอดตัวที่ต่อกับ VDD จะได้รับไบแอสตรง (Forward Bias)ซึ่งกระแสที่จ่ายเข้าไปจะมีค่าอยู่ระหว่าง 100 µA ถึง 500 µA ไดโอดที่ได้รับไบแอสตรงจะมีแรงดันตกคร่อมประมาณ 0.65 V ซึ่งแรงดันนี้จะสามารถใช้เป็นค่าในการตรวจสอบได้ PMU จะถูกกําหนดให้เป็นตัวจ่ายกระแสและวัดแรงดัน ซึ่งแรงดันแคลมป์จะถูกโปรแกรมให้จํากัดแรงดันอยู่ที่ 3V ไม่ว่าจะเกิดการเปิดหรือลัดวงจรของขาอุปกรณ์ที่ทดสอบข้อดีของการทดสอบการเปิดและลัดวงจรนี้ คือ เมื่ออุปกรณ์ชํารุดค่าแรงดันที่วัดได้ คือค่าแรงดันจริงที่สามารถวิเคราะห์ได้ว่าเกิดการลัดหรือเปิดวงจรได้ทันที แต่วิธีการแบบนี้ ก็มีข้อเสียในเรื่องเกี่ยวกับต้องใช้เวลานานสําหรับการตรวจสอบขาทุกขาของอุปกรณ์
รูปที่ 1 : การทดสอบ Opens / Shorts Test : VDD Diode
รูปที่ 2 : การทดสอบ Opens / Shorts Test : VSS Diode
ตารางที่ 1 : แสดงผลการทดสอบ Opens / Shorts โดยใช้ PMU
จากตารางที่ 1 จะพบว่าเมื่อป้อนกระแส –100 ไมโครแอมป์ (-0.100mA) เข้าที่ขา Pin 1และ Pin 3 เมื่อวัดแรงดันจะได้เท่ากับ -641mV และ -633mV ตามลําดับ ซึ่งประมาณเท่ากับแรงดันตกคร่อมไดโอดขณะได้รับไบแอสตรง แสดงว่าขา Pin 1 และขา Pin 3 ปกติ เครื่องจะรายงานผลลัพธ์ออกมาว่า “PASS” ส่วนที่ขา Pin 2 เมื่อป้อนกระแสค่าเดียวกัน แต่วัดแรงดันได้ –3.0 V ซึ่งแสดงว่าขานี้ Open Circuit ส่วนที่ขา Pin 4 วัดค่าแรงดันได้ –0.04 mV ซึ่งแสดงว่าขานี้ ShortCircuit เครื่องจะรายงานผลลัพธ์ออกมาว่า “FAIL”
2. การทดสอบพารามิเตอร์ทางด้านไฟตรง (Verifying DC Parameters)
การทดสอบพารามิเตอร์ทางด้านไฟตรงทุกพารามิเตอร์ จะใช้วิธีการป้อนกระแสแล้ววัดค่าแรงดันหรือ ป้อนแรงดันแล้ววัดค่ากระแส ในกรณีของการป้อนกระแสเข้าไปค่าแรงดันที่วัดได้ก็คือค่าแรงดันตกคร่อมความต้านทานของซิลิกอนภายในอุปกรณ์นั่นเอง ในทํานองเดียวกันเมื่อป้อนแรงดันเข้าไปแล้ววัดค่ากระแส ค่ากระแสที่วัดได้ก็จะเป็นกระแสที่ไหลผ่านภายในของซิลิกอน เช่นเดียวกันการทดสอบนี้จําเป็นต้องมีความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการคํานวณโดยใช้กฎของโอห์ม (Ohm’s Law) เพื่อนํามาใช้ในการคํานวณหาค่าความต้านทานภายในตัวอุปกรณ์ ดังตัวอย่างต่อไปนี้
ตารางที่ 2 : ตัวอย่างข้อมูลจากตารางคุณลักษณะเฉพาะของอุปกรณ์
จากตารางที่ 2 เมื่อแรงดันเอาต์พุตในสภาวะลอจิก “0” (VOL) มีค่าเท่ากับ 0.4 V มีกระแสไหลเท่ากับ 8 mA เมื่อนําค่าดังกล่าวมาคํานวณหาค่าความต้านทานทางด้านเอาต์พุตของอุปกรณ์นี้จะได้เท่ากับ 0.4 V / 8 mA = 50 Ohms แสดงว่าอุปกรณ์ตัวนี้มีค่าความต้านทานสูงสุดที่เอาต์พุตเท่ากับ 50 โอห์ม
การทดสอบพารามิเตอร์ทางด้านไฟตรง ที่สําคัญ ๆ มีดังต่อไปนี้
2.1 IDD Gross Current การทดสอบนี้เป็นการทดสอบขั้นต้นเพื่อจําแนกว่าอุปกรณ์ตัวนั้น สมควรที่จะนําไปทดสอบพารามิเตอร์อื่นต่อไปหรือไม่ ถ้าหากผลการทดสอบค่านี้ไม่ผ่านก็สามารถที่จะระบุได้ว่าอุปกรณ์ตัวนั้นชํารุด (Fail)
รูปที่ 3 : Gross IDD Test
หลักการที่ใช้ในการทดสอบแบบนี้ จะพิจารณาจากกระแส IDD (กระแสที่ไหลจาก Drain ถึงDrain ในกรณีที่เป็น MOS) หรือกระแส ICC (กระแสที่ไหลจาก Collector ถึง Collector ในกรณีที่เป็น TTL) ถ้ากระแส IDD (หรือ ICC) มีค่าอยู่ในช่วงที่กําหนด แสดงว่าผ่านการทดสอบ (รูปที่ 3) ดังตัวอย่างต่อไปนี้
ตารางที่ 3 : Gross IDD Current using the DPS
จากตารางที่ 3 พบว่า เมื่อจ่ายแรงดันอินพุตจาก PMU หรือ DPS เท่ากับค่า VDD สูงสุด(5.25 V) แล้ววัดกระแส IDD ได้เท่ากับ 8.7 mA เมื่อนํามาเปรียบเทียบกับค่าตํ่ าสุด (–1mA) และ ค่าสูงสุด (+45mA) จะเห็นว่าค่ากระแส IDD ที่วัดได้อยู่ในช่วงที่กําหนด แสดงว่าอุปกรณ์ตัวนี้ผ่านการทดสอบ (PASS)
2.2 IDD Static Current เป็นการทดสอบวัดกระแสทั้งหมดที่ไหลจากแหล่งจ่ายไปยังขา VDD ของอุปกรณ์ในขณะที่อยู่ในฟังก์ชันการทํางานที่ทําให้กระแส IDD ตํ่ าสุดโดยค่ากระแสจะต้องไม่เกินกว่าค่าที่กําหนดตามคุณลักษณะเฉพาะของอุปกรณ์นั้นๆ
รูปที่ 4 : Static IDD Test
2.3 IDD Dynamic Current เป็นการทดสอบวัดกระแสทั้งหมดที่ไหลจากแหล่งจ่ายไปยังขา VDD ของอุปกรณ์ในขณะที่ทําการทดสอบโดยการป้อนสัญญาณที่มีความถี่สูงสุดที่ DUT ยังสามารถทํางานได้จาก MPU หรือDPS เข้าที่ขาอินพุต โดยค่ากระแสจะต้องไม่เกินกว่าค่าที่กําหนดในคุณลักษณะเฉพาะของอุปกรณ์นั้นๆ
รูปที่ 5 : Dynamic IDD Test
2.4 VOL / IOL Voltage Output Low (VOL) เป็นค่าแรงดันสูงสุดที่เอาต์พุตเมื่ออยู่ในสถานะลอจิก “0” ส่วน Current Output Low (IOL) เป็นค่ากระแสที่ไหลเข้าทางเอาต์พุตเมื่ออยู่ในสถานะลอจิก “0” ในการทดสอบ VOL / IOL ก็เพื่อให้แน่ใจว่าค่าความต้านทานทางด้านเอาต์พุตมีค่าตรงกับค่าที่ได้ออกแบบไว้หรือไม่ และเป็นการรับประกันว่าที่เอาต์พุตสามารถรับกระแสซิงค์ (Sink Current) หรือกระแสIOL ได้ตรงตามคุณลักษณะเฉพาะที่กําหนดไว้ ดังรูปที่ 6
รูปที่ 6 Output Voltage Test
ตารางที่ 4 : แสดงผลการทดสอบ VOL / IOL โดยใช้ PMU
Note : Meas = Measurement, rng = range
จากตารางที่ 4 พบว่า ถ้าค่าแรงดันที่ได้จากการวัดมีค่ามากกว่า 400mV (0.4V) ผลการทดสอบ VOL / IOL แสดงว่าไม่ผ่านการทดสอบ หรือ “FAIL” (Pin 2 และ Pin 6) ส่วน Pin อื่น ๆมีค่าแรงดันตํ่ากว่ากําหนด (0.4V) แสดงว่าผ่านการทดสอบ หรือ “PASS”
2.5 VOH / IOH เป็นการทดสอบแรงดันและกระแสในสภาวะเอาต์พุตเป็นลอจิก “1” ซึ่งเป็นการวัดค่าความต้านทานของขาเอาต์พุตของอุปกรณ์ และเป็นการรับประกันว่าที่เอาต์พุตสามารถจ่ายกระแสซอร์ส(Source Current) หรือกระแส IOH ได้ตรงตามคุณลักษณะเฉพาะที่กําหนดไว้ ถ้าแรงดันที่วัดตํ่ากว่าค่าที่กําหนด (+2.4V) แสดงว่าไม่ผ่านการทดสอบ (Fail) ดังตัวอย่างในตารางที่ 5
รูปที่ 7 : Output Voltage Test (VOH / IOH
ตารางที่ 5 : VOH / VOH serial / static test using the PMU
Note : Meas = Measurement, rng = range
2.6 Input Currents (IIL / IIH) Current Input Low (IIL) เป็นการทดสอบกระแสที่ไหลออกจากขาอินพุตของอุปกรณ์เมื่อให้สถานะอินพุตเป็นลอจิก “0” ซึ่งเป็นการวัดค่าความต้านทานระหว่างขาอินพุตของอุปกรณ์กับแหล่งจ่าย (VDD) ถ้ากระแสที่วัดได้มีค่าน้อยกว่ากําหนด (-10µA) แสดงว่าอุปกรณ์นั้นไม่ผ่านการทดสอบ (Fail) ส่วน Current Input High (IIH) เป็นการทดสอบกระแสที่ไหลเข้าขาอินพุตของอุปกรณ์เมื่อให้สถานะอินพุตเป็นลอจิก ”1” ซึ่งเป็นการวัดค่าความต้านทานระหว่างขาอินพุตของอุปกรณ์กับกราวด์ ถ้ากระแสที่วัดได้มีค่ามากกว่ากําหนด (-10µA) แสดงว่าอุปกรณ์นั้นไม่ผ่านการทดสอบ (Fail) ดังตัวอย่างในตารางที่ 6
รูปที่ 8 : Input Leakage Low Test (IIL)
รูปที่ 9 : Input Leakage High Test (IIH)
ตารางที่ 6 : IIL / IIH serial / static test using the PMU
2.7 Output Fanout เมื่อเราพิจารณาจากคุณลักษณะเฉพาะ กระแสรั่วไหลอินพุต (Input LeakageCurrent) และขับเอาต์พุต (Output Drive) จะเป็นอิสระต่อกัน เราสามารถทราบคุณลักษณะเฉพาะนี้ในการออกแบบ จากรูปที่ แสดงความสัมพันธ์ระหว่างคุณลักษณะเฉพาะทางด้านไฟตรงของอินพุตและเอาต์พุต ส่วนมากของการประยุกต์ใช้งานอุปกรณ์สารกึ่งตัวนํา จะนําอุปกรณ์ตัวหนึ่งมาต่อเข้ากับอุปกรณ์อื่น ๆ โดยตรง โดยวิธีนี้เอาต์พุตของอุปกรณ์หนึ่งตัวจะต่อเข้ากับอินพุตของอุปกรณ์หนึ่งตัวหรือมากกว่าหนึ่งตัว
รูปที่ 10 : แสดงความสามารถด้าน Fanout ของอุปกรณ์
2.8 High Impedance Currents (IOZL / IOZH) IOZL คือกระแสจากเอาต์พุตเมื่อเอาต์พุตอยู่ในสถานะอิมพิแดนซ์สูง (High Impedance : Z)และแรงดันตํ่ า (Low Voltage : L) ส่วน IOZH คือกระแสจากเอาต์พุตเมื่อเอาต์พุตอยู่ในสถานะอิมพิแดนซ์สูง (Z) และแรงดันสูง (High Voltage : H) IOZ เป็นการทดสอบการรั่วไหลในสถานะอิมพิแดนซ์สูง เพื่อให้แน่ใจการทํางานเมื่ออยู่ในสภาวะสองทิศทาง (Bi-Directional) และอิมพิแดนซ์สูงหรือสถานะปิด (Off) กระแสที่เอาต์พุตจะมีค่าตามพารามิเตอร์ที่กําหนดไว้ การทดสอบ IOZH เป็นการวัดค่าความต้านทานระหว่างขาเอาต์พุตกับขา VDD เมื่อเอาต์พุตอยู่ในสถานะอิมพิแดนซ์สูง ส่วนการทดสอบ IOZL เป็นการวัดค่าความต้านทานระหว่างขาเอาต์พุตกับขากราวด์ เมื่อเอาต์พุตตอยู่ในสถานะอิมพิแดนซ์สูง การทดสอบนี้เพื่อให้แน่ใจว่าค่าความต้านทานเอาต์พุต เมื่อ Turn off จะมีค่าเท่ากับพารามิเตอร์ที่ออกแบบไว้ เพื่อไปการรับประกันว่าเอาต์พุตจะไม่เคลื่อนไปจากค่าที่กําหนดตามคุณลักษณะเฉพาะของกระแส IOZL/IOZH ซึ่งเป็นข้อดีในการค้นหาปัญหาที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิตอุปกรณ์ CMOS ตัวอย่างของคุณลักษณะเฉพาะของ IOZ ดังตารางต่อไปนี้
ตารางที่ 7 : ตัวอย่างคุณลักษณะเฉพาะของ IOZ
รูปที่ 11 : การทดสอบพารามิเตอร์ Tristate Leakage
2.9 Input Clamp (VI) VI แทนด้วยค่าแรงดันที่วัดได้ที่ขาอินพุตเมื่อมีกระแสย้อนกลับ (Negative Current) จากอินพุต
รูปที่ 12 : แสดงการทดสอบ Input Clamp Diode
ตารางที่ 8 : ตัวอย่างคุณลักษณะเฉพาะของพารามิเตอร์ VI
การทดสอบนี้ใช้กับวงจร TTL เพื่อพิสูจน์ความมั่นคงของไดโอดแคลมป์ที่ต่อด้านอินพุตของอุปกรณ์ระหว่างขาอิมิตเตอร์กับกราวด์
2.10 Output Short Circuit Current (IOS) IOS แทนด้วยกระแส ( I ) ที่เกิดจากเอาต์พุต(O) เมื่อชอร์ตเอาต์พุต (S)
ตารางที่ 9 : ตัวอย่างคุณลักษณะเฉพาะของ IOS
การทดสอบ IOS เพื่อวัดค่าความต้านทานของเอาต์พุตเมื่อเอาต์พุตมีสถานะเป็นลอจิก “1”และป้อน 0 โวลต์เข้าไปที่เอาต์พุต การทดสอบนี้เพื่อให้แน่ใจว่าค่าความต้านทานเอาต์พุตอยู่ในช่วงพารามิเตอร์ที่ออกแบบไว้ เมื่อกําหนดให้โหลดมีค่าความต้านทานตํ่าที่สุดหรือชอร์ตลงกราวด์และรับประกันว่าจะไม่ให้เกิดความเสียหายจากกรณีดังกล่าว
รูปที่ 13 : การทดสอบชอร์ตวงจรเอาต์พุต (Output Short Circuit Test)