嚴格把關量產測試流程　高效能類比IC唾手可得

類比與數位IC的製造，本質上並不相同。數位IC提供功能，並使用掃描模式測試；類比IC則是指定其功能的性能，此外，性能會隨溫度漂移，測試設備的準確度與可重複性也有限，必須定期控制，而且須要定義數種工具，以確保長期穩定的性能。在業界，這些工具被稱為「溫度特性」、「能力分析」、「實驗室至終程關聯性測試」、「關聯性鎖定」以及「品質控制執行」，是提升類比IC品質不容忽視的關鍵。
 

類比IC不僅指定數位邏輯層次、功能以及速度，也包括類比準確度。就運算放大器而言，這些規格可能是最大偏移誤差100微伏特、開放迴路增益超過120dB、雜訊密度最低為1.1總諧波失真-100dB或是功率消耗。類比數位轉換器(ADC)的基本規格為偏移誤差、增益誤差、微分與積分線性、雜訊效能等諸多項目。類比數位轉換器的測試準確度，經常須要到達微伏特的水準。
 

若產品資料表已明確定義這些關鍵參數的最小及最大值，就須要針對每項裝置進行測量，所以單純的功能測試或統計測試是不夠的。此外，必須在產品資料表範圍與終程測試範圍之間使用防護帶，防護帶將包含參數的變化，如溫度漂移或是受限的測試準確度。為了確保測試系統長期的準確度，將會執行關聯性測試，並在生產測試的最後加入品質控制執行，確保測試系統在生產時維持穩定。
 

考量溫度漂移影響
 

類比IC參數會隨溫度漂移，例如運算放大器開放迴路增益會影響輸出電壓的調節，因此產生變化後也會造成放大器的漂移。產品資料表的規格在特定溫度範圍內獲得保證，一般工業產品是-40～85oC。在生產測試上，IC最好能於完整的溫度範圍內進行測試，可惜這在技術與成本上都無法實現。高階產品在室溫環境測試的花費，早已高出晶片成本。此外，在零下溫度環境中，空氣中的水氣凝結，測試台會因此結冰。凝結現象會造成漏電與短路，破壞測試的可重複性。
 

替代作法是在溫度範圍中，針對IC行為進行廣泛的特性測試。特性資料的用途，是判定產品資料表中每項規格的平均漂移與漂移變化，將平均變化加上三倍的標準差，可用於判定最大漂移值。在這種方式下，若將最大漂移由最小及最大規格範圍中去除，終程測試便只能在室溫下執行。室溫測試並非測試產品資料表的規格範圍，而是測試減少的範圍，也就是終程測試範圍。資料表規格與終程測試範圍間的差量，便稱為防護帶。
 

舉例來說，若類比數位轉換器的偏移指定為±500微伏特，最大正負漂移評量為154微伏特與-146微伏特，則終程測試範圍為346微伏特與-354微伏特。零件要通過這些終程測試範圍，才能販售。
 

此例在圖1、2及表1中，有進一步說明。圖1顯示一百個類比數位轉換器在不同溫度下偏移的分布情形，並針對每個類比數位轉換器，分別計算偏移漂移。圖2為漂移的分布情形。

圖1　一百個類比數位轉換器在不同溫度下偏移的分布情形

圖2　漂移的分布情形

能力分析強化品管流程
 

以上討論的特性是針對不同溫度下的漂移進行研究。能力分析則以類似的方式，評量不同測試系統參數的變動情形。受污染的接觸器可能會在測試時，造成裝置接地出現高阻抗，而導致內部穩定時間增加。此外，測試設備本身的準確度也受到限制。
 

測試系統能夠以並聯方式測試多種裝置，因此測試台必須提供多個點，以連結測試機器中的不同資源。即使這些點在印刷電路板(PCB)配置中保持對稱，通往這些資源的路徑也須不同，且多少會造成參數變化。
 

若裝置參數不在規格範圍中，仍可能因為測試公差，得到「良好」的測試結果。能力分析的目標，就是產生測試不準確的防護帶，不同的測試台、測試點以及測試機器，都會被列入考量之中。
 

在能力分析中，每個點會有二十四個單元受測，至少使用兩個測試台。之後至少會在一台以上的測試機器，重複進行測量。圖3顯示針對偏移測量例子，進行這類能力分析的一般資料。「c1」與「c2」代表使用的測試系統，「b3」與「b4」則代表兩個測試台。本資料用於計算每項規格測試準確度的標準差。

圖3　類比數位轉換器偏移的能力分析

在圖3的例子中，偏移測試準確度的標準差為37微伏特，針對溫度漂移與測試精確度，最終計算出的防護帶顯示於表2。

此例顯示，若偏移值超過0.283微伏特與-0.282微伏特，IC的測試結果便為「不良」。這些範圍大約是保證規格的一半。
 

實驗室至終程關聯性測試
 

以上說明的能力分析，可用於涵蓋不同測試設定的變化，可惜此方式無法作為正確測量參數的保證。若類比數位轉換器輸入驅動放大器的頻寬過低，之後最高有效位元(MSB)轉換可能失真。修改最高有效位元的長度，可對此效應產生部分補償。若在終程測試系統上，進行修正與生產測試，客戶可能會收到修改錯誤產品，實驗室至終程關聯性測試應避免發生此問題。
 

高階產品一般使用兩種不同的測試解決方案，一種是由開發工程師在實驗室中使用，研究並持續改善產品性能；第二種測試則是在量產時於測試系統中使用。在實驗室至終程關聯性測試中，使用兩種測試設定測試了十個單元。兩種測試間的資料必須在能力防護帶範圍之內，才會核准進行生產測試。因此實驗室至終程關聯性測試，可保證生產測試最初的準確度，但無法保證之後的表現；這是由關聯性鎖定所控制的。
 

關聯性鎖定攸關測試準確度
 

能力分析是用來針對測試解決方案最大誤差判定防護帶。最大誤差是由能力分析所判定。測試解決方案為了達到長期穩定，須要控制測試設定，不準確度才不會超過最大誤差。舉例而言，若接觸器受到污染或破損，在測試數百萬個IC後，很可能會發生這種情形。污染可能會增加接觸阻抗，若受影響的接觸部分包括類比輸入接腳或供應接腳，便可能對偏移或線性造成影響。
 

在關聯性鎖定中，十組已知單元的資料儲存於系統中，作為開發流程的一部分。開始生產測試之前，這十個單位會重新測試，並將資料與最初測試資料進行比對。資料之間的差異若未超過能力分析的防護帶範圍，就會開始進行生產測試。若資料差異超過防護帶範圍，就表示測試設定無效，必須改善。
 

品質控制執行
 

關聯性鎖定可在開始生產時，證實測試的準確度。可惜在生產測試過程中，元件可能會損壞，例如繼電器損壞將造成裝置在測試時，關閉供應電流後電壓依然維持在有效狀態，而造成IC損傷。另外，IC也可能會卡在接觸器中，之後所有IC，都只是壓在先前卡住的IC上方，因此只針對卡住的IC不斷進行測試，而無法測試之後的IC。
 

再次操作某些先前測試過的裝置，就可發現此問題。這裡的裝置不是以終程測試範圍為測試標準，而是依產品資料表保證規格進行。
 

令X為須要再次測試的裝置數量，可使用一般的測試良率，以及允許運送「不良」裝置給客戶的最高比率，計算出X的數值。一般測試良率若為95%，且出貨裝置故障率小於1百萬分缺陷率(ppm)，以下所列的公式就可成立：

或

當故障率低於1ppm時，須要再次測試的裝置數量為二百七十。
 

品質流程環環相扣
 

圖4顯示完整的品質流程。流程表分為兩個區域，第一個區域包含工作部分，必須在開發流程中進行，包括實驗室至終程關聯性測試、溫度特性以及能力分析，用於計算生產測試的防護帶。

圖4　品質控制流程圖

(本文作者任職於德州儀器)