开短路测试原理及若干问题的探讨赵鹏飞 2011年10月目录1开短路测试的原理 (2)1.1数字电路单个引脚的抽象模型 (2)1.2电源及输入引脚开短路测试 (3)1.2.1正常情况 (3)1.2.2开路情况 (4)1.2.3短路情况 (5)1.3GND及输出引脚开短路测试 (5)1.3.1正常情况 (5)1.3.2开路情况 (6)1.3.3短路情况 (6)1.4本节小结 (7)2多引脚内联条件下的开短路测试 (7)2.1多引脚内联条件下开短路测试的传统方法 (7)2.1.1测试原理 (7)2.1.2系统漏洞 (9)2.2多引脚内联条件下开短路测试方法的进一步探讨 (10)2.2.1延长线断路情况下的开短路测试 (10)2.2.2公共线断路情况下的开短路测试 (11)2.2.3分支线断路情况下的开短路测试 (11)2.3多引脚内联条件下开短路测试方案完善 (12)2.3.1开路状态的矩阵分析 (12)2.3.2开路状态下的I-U曲线 (15)2.3.3关于激励电流取值范围的探讨 (17)2.4本节小结 (18)3测试板继电器烧死问题解决新方案 (18)3.1测试板继电器烧死导致的后果 (18)3.2导致继电器烧死的主要原因 (18)3.3用晶体管替换继电器的理论依据 (18)3.4实现晶体管替换继电器的若干条件 (18)3.5本节小结 (18)开短路测试原理及若干问题的探讨1 开短路测试的原理1.1数字电路单个引脚的抽象模型不论是简单的逻辑门电路，还是结构复杂的运算控制单元甚至单片机，其内部除了极少数的特殊器件之外，有90%以上的结构全是P/N结。

而对于任何一个集成电路的任何一个功能引脚来说，其功能无非就是能够输入人们所期望的电信号或者输出人们所期望的电信号。

不论是输入还是输出，电路内部必会形成一个电流通路。

基于以上两个原因，我们就有理由提出一个能够应用于绝大多数集成电路的引脚内部结构抽象模型如图-1。

1N1204C1N1204CA B图-1图-1中的图A为电源及输入引脚的抽象模型，图B为输出及GND的抽象模型，就是将电路的一个引脚抽象为一个P/N结与一个电阻的串联的综合体。

接着，我们搭建如图-2所示电路：图-2如图-2所示，我们给电路的引脚模型加以-100uA的电流（也即加负压从电路中抽出0.1mA的电流），在引脚上测得约有-0.7V的电压。

而对于这个电路的解释要从两方面入手，一个是硅管的导通压降为0.7V左右；另一个就是源电流很小，在内阻上的压降完全可以忽略。

1.2电源及输入引脚开短路测试根据以上特性及对集成电路引脚内部结构的假设模型，我们提出电路电源及输入引脚开短路测试的简化模型。

1.2.1正常情况从图-3可以看出，当电路引脚电器连接正常时加流测压，测试值约为-0.7V左右。

图-31.2.2开路情况-4可以看出，当电路引脚开路时加流测压，测试值约为0.0V。

从图1.2.3短路情况从图-5可以看出，当电路引脚短路时加流测压，测试值为0.0V。

图-51.3GND及输出引脚开短路测试同样，根据以上特性及对集成电路引脚内部结构的假设模型，我们提出电路输出及GND引脚开短路测试的简化模型。

1.3.1正常情况从图-6可以看出，当电路引脚电器连接正常时加流测压，测试值约为-0.7V。

图-61.3.2开路情况-7可以看出，当电路引脚开路时加流测压，测试值约为0.0V。

从图1.3.3短路情况从图-8可以看出，当电路引脚短路时加流测压，测试值为0.0V。

图-81.4本节小结本小结主要讲述了集成电路单个引脚内部结构的抽象模型及其建立依据，进而解释了集成电路引脚开短路测试的简化模型原理。

最终得出结论：所有可以抽象为P/N结串联电阻模型的集成电路引脚,都可以通过“抽流测压法”检定其引脚的开短路是否异常；无开短路异常情况下测得电压值约为-0.7V,而存在开路或者短路异常时测得电压值均接近0V。

2 多引脚内联条件下的开短路测试2.1多引脚内联条件下开短路测试的传统方法2.1.1测试原理多引脚内联就是指一个集成电路的若干个引脚因电器特性类似或功能实现需要在晶圆上就形成欧姆连接的现象。

多引脚内联现象大多出现在引脚众多、功能复杂、数模混合集成电路当中，相互连通的引脚大多为电源或GND.多引脚内联电路的开短路测试的原理还是源自前面可以抽象为P/N结串联电阻模型引的脚开短路测试的原理，其特别之处就在于测试相互内联的管脚时将其余与之内联的管脚从地上断开。

如图-9所示：图-9-A图-9-A通过图-9-A与图-9-B之间的对比，我们就会发现如果不将与之内联的其余管脚从地上断开，测试结果总是这些引脚短路。

2.1.2系统漏洞从以上方法看貌似多引脚内联电路的OS测试也很简单，其实不然。

图-10-A当我们看到图-10-A和图-10-B所示情况的时候，不禁狠拍脑门大吃一惊，甚至不敢相信咱们会犯下了这样大的错误，我们把开路的产品测成了良品。

下面我们就针对以上漏洞，将开路情况分为延长线开路、公共线开路和分支线开路三种情况分类作进一步讨论。

2.2多引脚内联条件下开短路测试方法的进一步探讨2.2.1延长线断路情况下的开短路测试众所周知压焊工序所作的主要工作就是将晶圆上的焊点用金丝或者铜导线和与之对应的电路管脚焊接在一起。

为了说明问题方便，现在我们姑且就将这根金丝（或者铜导线）称为延长线。

如果，某组内联引脚中的只一根甚至多根没有打线，或者说是塑封过程导致断丝，那么，造成的直接后果就是引脚与晶圆之间电器开路。

如图-11所示：图-11在这种情况下，我们利用以上原理测得的结果是该引脚开路，这个结论是完全符合我们事先预期的,也就是说前面我们所讲的方法在此种情况下依然是可行的。

2.2.2公共线断路情况下的开短路测试内联引脚之间的电器内联关系是晶片上形成的，也就是说它是在制造晶圆的过程中就已经产生。

我们把这条在晶圆上形成内联引脚之间相互内联特性的通路简化一根导线，该导线也即我们这里所讲的公共线。

导致公共线开路的最主要原因是晶圆自身制造缺陷和受到外力划伤。

如图-12所示：图-11从单个支路的角度看，公共线开路情况下测试结果是正常的，没有开短路异常，但是，明显这是和实事相反的。

虽然公共线开路可能仅仅影响到电路的稳定性，但是，作为一个电路测试者，剔除这样的缺陷产品理所当然是我们的职责。

这就决定了我们对多引脚内联条件下开短路测试方案完善的必要性。

2.2.3分支线断路情况下的开短路测试这里我们把晶圆上的压焊点和与该点有电器连接关系的所有通路抽象为一条导线，把这根导线暂且称为分支线。

分支线开路的原理基本类似于公共线，在分支线开路的情况下，我们测试多引脚内联条件下的开短路情况如图-12所示：图-12从图-12我们可以看出，当相互内联引脚中有一个或者多个引脚的分支线开路的时候，我们的测试方法对其测试完全是无效的，这就是我们惯用的测试方案中最大的漏洞。

2.3多引脚内联条件下开短路测试方案完善2.3.1开路状态的矩阵分析虽然在前面的分析当中我们已经分析了延长线、公共线和分支线分别开路的所有情况，但是实际上还存在相互内联引脚中多种开路同时存在情况，即延长线、公共线和分支线开路情况两两组合出现，这就是一定要进行开路状态矩阵分析的必然。

开路状态组合矩阵通过开路状态矩阵可以看出，我们传统开短路测试方案的漏洞出现在“？”和“！”所处的位置，也即“公共线开路”和“分支线开路”两种情况下。

在解释新的解决方案原理之前首先看一下图-13-A、图-13-B和图-13-C所示：图-13-A图-13-B图-13-C图-13-A 、图-13-B 和图-13-C 中的区别就是电流源的输出电流从50、100到300微安，从以上三图我们可以看出无开短路异常、公共线开路和分支线开路三种情况下从引脚测量的电压值发生了变化。

上表是无开短路异常、公共线开路和分支线开路三种情况下从引脚测量的电压值，从表中数据我们可以发现以下三个规律：A. 随着电流源输出电流的增多，无开短路异常、公共线开路和分支线开路三种情况下从引脚测量的绝对电压值都在增大。

B. 电流源相同的情况下，公共线开路和分支线开路时从引脚测量的电压值完全相同,这样我们就可以将问题归结到有开路异常和无开路异常两种情况，以方便讨论。

C. 随着电流源输出电流的增大，存在开路异常情况下从引脚测得的绝对电压和无开短路异常情况下测得的绝对电压之间的差值明显增大。

2.3.2开路状态下的I-U曲线根据以上现象，我们有理由对电流源的输出电流和从电路引脚测得的电压之间的关系作进一步探讨，进而设计测试方案如下：[1]电流源的输出电流从50uA到500uA以25uA为步进量间断增加，并分别记录无开短路异常和存在开路异常情况下从引脚测量的电压值。

[2]利用最小二乘法拟合电流源输出电流值与电压值之间的高次方程，并绘出更大测试范围内的I-U曲线图。

电流源的输出电流以25uA为步进量从50uA到500uA间断增加,测得电流源输出电流与引脚电压之间对应关系如下表：I_U测试记录由以上数据绘得电流（0～500uA）的I-U曲线如图-14所示。

图-14从图-14可以看出，随着电流源输出电流的增大，无开短路异常和存在开路异常情况下从引脚测量的电压值均以接近线性的方式增大，同时，当电流达到250uA 的时候开始，二者的差别越来越大。

图-15从图-15可以清楚地看到，随着电流源输出电路的增大，无开短路异常和存在开路异常条件下测得引脚电压绝对值也明显增大。

利用最小二乘法拟合差别电压与电流源输出电流之间的4阶方程，并绘其0～500uA之间的曲线如图-16所示。

图-162.3.3关于激励电流取值范围的探讨虽然以上所有的推理方法都近乎顺理成章，但是中间最大的不足就在于所采地数据来自于仿真软件。

这也就决定了即使我们在这里确定了激励电流的取值范围，也没有多大意义，甚至都是空谈。

那是否就是说咱们前面的一切工作都是瞎扯蛋呢？其实不是这样，至少我们可以为激励电流范围的确定提出以下几点要求：[1]激励电流必须在电路及电路引脚所能承受的范围之内，确保不能因测试电流过大导致电路失效。

[2]理论上讲测试电流越小越好，但是在实际操作当中应预留一间的空间，以满足测试机正常区别良品与不良品。

[3]如果实际当中差别电压的三阶导数存在极大值点，那在满足以上两个原则的基础上，尽可能的使第二次测试电流接近这一点，以提高判别的准确度。

2.4本节小结3 测试板继电器烧死问题解决新方案3.1测试板继电器烧死导致的后果3.2导致继电器烧死的主要原因3.3用晶体管替换继电器的理论依据3.4实现晶体管替换继电器的若干条件3.5本节小结。