【正达在线集成电路测试仪系列论文】



进阶的数字集成电路在线功能测试




摘  要:数字集成电路(后文简称:数字IC。这里特指中/小规模固定逻辑数字IC)在线功能测试,是各型在线电路维修测试仪的基础功能,被广泛应用在电路维修检测中。本文对数字IC在线功能测试的基本操作进行介绍。早期测试频率通常在50kHz以下,测试频率对数字IC功能测试的影响没有被充分认识。2011年问世的第三代ZD9610在线电路维修测试仪,将测试频率提高到2000kHz,引入“IC特征频率”指标表征数字IC动态性能。将数字通道提高到80路,测试范围扩展到>40管脚大规模固定逻辑数字IC。

关键词:集成电路;在线功能测试;2000kHz;动态性能;数字通道;器件库


0  引言

    在线电路维修测试仪是当今电路板维修和元器件筛选领域中的重要检测设备,是伴随着数字IC和模拟IC的快速发展应运而生的。

    1980年代初,数字IC大量应用。国内许多电路维修人员对数字IC既陌生新奇又概念模糊,维修常无所适从。1980年代末,来自新加坡的“创能”BW4040在线电路维修测试仪进入国内市场。其名称中的“在线”是指:测试时无须焊下电路板上的器件。其型号中的“4040”是指:具有40路数字通道和40路VI曲线通道。“创能”BW4040在线电路维修测试仪结合器件测试技术与电脑信息技术,具有+5V数字IC器件库。不但可以检测电路板,还能够胜任对数字IC的实验教学工作。面对在线电路维修测试仪(后文简称:电路测试仪)的巨大优势,1990年代初,国内企业开始投入研制。历经几十年的积累发展,今天的正达第三代ZD9610电路测试仪,在先进性上早已不可同日而语(图1)。


图1  第三代ZD9610电路测试仪


1  数字通道和隔离通道

    早期电路测试仪由于数字通道的限制,只能对中/小规模固定逻辑(组合逻辑和时序逻辑)数字IC功能测试。中/小规模数字IC通常指每个IC芯片所包含的晶体管(BJT和FET)个数在100以内。对于电路测试仪来说,特指管脚数为14pin,16pin,18pin,20pin,24pin,28pin的数字IC(图2)。


2  电路板中的中/小规模固定逻辑数字IC


1.1  数字通道

    数字通道有5个显著特点:

    ①从测试排缆中输出,通过测试夹(测试座)施加于数字IC;

    ②每个通道都是均匀的。即:每个数字通道都能够施加信号/采集信号或作为电源管脚;

    ③可以向电路测试仪外/向电路测试仪内施加后驱动大电流,即在线后驱动电隔离技术;

    ④可以调整测试频率;

    ⑤可以设定测试阈值。

    总之,数字通道是通过测试排缆输出的直接用于数字IC功能测试的专用通道。早期电路测试仪的数字通道是40路,还曾经出现过32路、28路和24路等规格。


1.2  隔离通道

    多个三态输出的数字IC(例如74373数据锁存器)输出管脚相互直接连接在一起时,会构成总线结构。由于三态输出数字IC使能端在电路工作时受到时序信号控制,因此不会发生总线竞争问题。但在线功能测试时,使能端不受控制,可能会出现多个三态输出数字IC同时处于输出状态。从而使被测数字IC受到干扰,始终无法通过功能测试。

    为了避免总线干扰,数字IC在线功能测试时,电路测试仪能够输出一个同步隔离信号。隔离信号由隔离通道端子产生,可以同时引出多路,并根据需要进行高/低设置。只有在测试中遇到连接成总线结构的数字IC并且确实存在总线干扰时,才会用到隔离信号,一般罕有应用。

    例如:有多个74373输出端构成总线结构。测试某个74373时,如果74373能够通过功能测试,则无须施加隔离信号。只有当某个74373总是无法通过功能测试时,这时可以从隔离通道端子引线接到其它74373的管脚1,同步施加一个高信号,关闭其它74373输出。管脚1是74373的使能端,当施加低电平时74373工作,施加高电平时74373输出被禁止。


1.3  数字通道数量

    数字通道数量是衡量电路测试仪性能和价值的重要指标,决定电路测试仪能够测试多少类型的数字IC。增加数字通道数量会提高硬件成本和测控难度,因此只应用在高端电路测试仪上。

    新加坡“创能”BW4040电路测试仪进入国内市场后,其命名方法也成为一种约定俗成的规则,型号4040代表:40路数字通道,40路VI曲线通道。全是通过测试排缆输出。“创能”BW4080也是这种命名方式,即:40路数字通道,80路VI曲线通道。再如正达电路测试仪中的ZD2828,ZD4040,ZD4080等机型,一看型号便知是什么样的硬件性能。

    曾经有个厂家,将电路测试仪型号命名为4880。实为40路数字通道,是将测试排缆输出的40路数字通道和8路隔离通道端子加在一起。令人费解的是:既然如此,电路测试仪还有2路端子输出的VI曲线探棒通道,这可是实实在在的VI曲线通道。为何又大方地舍掉,而不将型号命名为4882?

    型号4880有误导之嫌,好像能够对48管脚数字IC功能测试,实则不行。一般电路测试仪(包括早期“创能”BW4040和BW4080)都有隔离通道,但不会与数字通道混为一谈。混淆两者,恰恰反映出对数字通道数量的敏感和在意,也从侧面说明数字通道数量的重要性。


2  测试夹和器件库

    数字IC在线功能测试有两个关键词:1.“在线”,2.“功能”。之所以能够“在线测试”,在于采用测试夹。之所以能够“功能测试”,在于具有器件库。


2.1  测试夹

    第三代ZD9610电路测试仪配备多种封装规格的在线测试夹和离线测试座。

    包括:DIP测试夹(双列直插式/脚间距2.54mm),SOP测试夹(双列贴片式/脚间距1.27mm),PLCC测试夹(方形J形管脚贴片式/脚间距1.27mm),SOP测试座(双列贴片式/脚间距1.27mm),SSOP测试座(双列贴片式/脚间距0.65mm),TSSOP测试座(双列贴片式/脚间距0.5mm),PLCC测试座(方形贴片式/脚间距1.27mm),DIP测试座(双列直插式/脚间距2.54mm),SDIP测试座(收缩型DIP封装/脚间距1.778mm),QFP测试座(方形L形管脚贴片式/脚间距0.65mm),圆形测试座等。每种封装规格又包括不同IC管脚数。例如:DIP测试夹,包括:8pin,14pin,16pin,20pin,24pin,28pin,40pin,48pin等管脚数的测试夹。

    测试夹在使用环节中,具有一些专项技术。

    ①测试夹接触检查:采用测试夹(测试座)测试IC,由于IC管脚存在污垢锈蚀或三防漆未去除等原因,会造成与测试夹接触不好。如果出现这种情况,电路测试仪系统软件能够提示与测试夹没有接触好的IC管脚序号,从而保证测试的可靠性和安全性(图3)。


图3  采用DIP测试夹/20pin在线测试数字IC


    ②空管脚智能识别:有些数字IC存在空脚,例如:14管脚8输入与非门74LS30N管脚9,10,13是空脚。早期电路测试仪会误将空脚视为接触不好。空管脚智能识别功能不会误判,直接完成测试。

    ③测试夹自动定位:测试夹可以测试小于其管脚的数字IC。可以正向夹取,反向夹取,左右错位夹取。例如:采用20pin测试夹可以测试20,18,16,14等管脚的数字IC。如遇到被测IC旁边有元器件阻挡时,左右移动测试夹(或反向夹取)而不是必须更换一个测试夹,能够提高测试效率。测试夹自动定位功能得益于每个数字通道都是均匀的,都能施加信号/采集信号或作为电源管脚。


2.2  器件库

    器件库数量也是衡量电路测试仪性能和价值的重要指标。第三代ZD9610电路测试仪数字IC器件库包括:TTL74/54库,CMOS4000/4500/14000库,驱动器库,29000库,DRAM/SRAM库,8000/80000库,HD2500库,9000/90000库,3400/34000库,AMD2500库,+3.3V器件库,俄罗斯器件库,西门子器件库,淘汰器件替代库,>40管脚+5V器件库,>40管脚+3.3V器件库等。  其中:

    ①包括+5V和+3.3V器件:早期数字IC多为+5V供电,CMOS结构数字IC还支持+12V。现在是主流+3.3V供电。电压趋低是数字IC发展趋势,+3.3V器件库是电路测试仪不断发展的标志。+3.3V器件库包括数百种IC型号,例如:74LVT646,74LVTH2952等。另外,+3.3V器件库中还包括数百种>40管脚IC型号。例如:74ALVCH162820,74ALB16244等。

    ②几乎囊括全部的74系列TTL和4000系列CMOS器件:为提高测试效率,对74系列和4000系列器件,在多数情况下只需输入功能代码。例如:测试74LS30N,只需输入7430。

    ③包括大量驱动器和存储器:除早期75系列驱动器外,还具有ULN2000/ULN2800/UDN/ULS等系列驱动器,并增加大量新型接口器件。例如:MAX3096,MAX481CUA等,有千余种,并专门增设驱动器测试阈值。DRAM/SRAM存储器包含数千种型号,支持快速测试和完全测试。


3  数字IC在线功能测试基本操作

    数字IC在线功能测试,简称ICFT(In-Circuit Functional Test),是电路测试仪基础功能。ICFT原理是:对被测数字IC相关输入管脚施加测试输入信号,并提取其输出管脚的测试输出信号。将测试输出信号与标准值进行比较,从而判断被测数字IC逻辑功能是否正常。

    ICFT涉及后驱动电隔离技术、测试输入信号自动补偿技术和对输出管脚自动施加上拉电阻等专项技术,请详见《电路测试仪入门介绍》一文。正达电路测试仪器件库中有万余种数字IC,有些数字IC功能比较复杂,尤其是>40管脚数字IC等。请详见《图说对大于40管脚数字IC功能测试》、《大于40管脚PLCC封装大规模LSI器件功能测试》、《可编程逻辑器件PLD功能测试》、《高压接口数字IC功能测试》和《数字IC型号识别》等专门介绍。正达电路测试仪是一个开放系统,对器件库中没有的数字IC,特别是非固定逻辑可编程数字IC,允许使用者通过编程方式添加器件库。请详见《如何编写在线电路维修测试仪数字器件逻辑功能测试程序》一文。

    本文以正达电路测试仪2018版系统软件为例,特意选择TTL器件库中具有代表性的几个简单数字IC作为测试实例,目的是介绍基本操作。


3.1  数字IC功能测试软件设置

    ①电路板文件:用于电路板在线状态测试建立板文件库。建立/选择“维修库”。

    ②设置关联电路板图/显示隐藏电路板图:关联/显示“维修库”电路板照片。

    ③器件位置编号:建立“维修库”中器件位置编号。

    ④器件管脚数:用于数字IC型号识别和在线学习未知器件状态。

    ⑤测试阈值:对逻辑0和逻辑1的规定。设有6种默认阈值,紧/松两档。还可以自定义设置。

    ⑥器件测试频率:支持2000kHz测试频率。可以自动搜索最高测试频率并完成测试,用于测试数字IC的动态性能。

    ⑦工作模式:分为“离线功能测试”和“在线功能测试”2种模式。

    ⑧选择器件库:选择器件库类型。

    ⑨选择测试器件:输入/选择被测数字IC型号。

    其他说明:正达电路测试仪的测试电源由程序控制,具有+5V,+3.3V,+12V,-5V,-12V测试电源,在测试数字IC瞬间自动施加所需要的各种电源。


3.2  数字IC在线功能测试实例

    数字IC功能测试需要满足两个条件:1.器件库中必须应包含被测数字IC的测试程序。2.为数字IC施加测试电源,使其能够处于工作状态。

    以在线测试“HD74LS74AP”数字IC为例。HD74LS74AP是双D型触发器,时序逻辑数字IC。首先对电路板施加+5V测试电源,最好在电路板电源入口处供电。例如:施加在电路板电源、地接线柱。连接测试排缆和IC测试夹,用IC测试夹夹取HD74LS74AP。

    进入数字IC功能测试系统软件界面。选择“TTL器件库”,输入或选择“7474”型号,选择“在线功能测试”项,选择“TTL紧”阈值,器件测试频率处勾选“自动搜索最高测试频率”项(图4)。


图4  HD74LS74AP数字IC在线功能测试软件设置


    按“开始测试”按钮(图5)。+5V测试电源在测试瞬间自动施加。


图5  HD74LS74AP数字IC在线功能测试显示结果


    ①结果说明:管脚14在电路板上接+5V电源,管脚8接地;L下标相同的管脚在实际电路板上相互连接,管脚5和管脚12连接。7474功能测试正确。器件测试频率窗口会显示“1500kz”,这是该HD74LS74AP所能通过功能测试的最高测试频率。即:如果手动选择1500kz及以下,均能通过功能测试。如果手动选择1500kz以上,均不能通过功能测试。

    ②测试波形:黑色波形为施加的测试输入信号时序波形。绿色波形为数字IC实际输出的测试输出信号(绿色虚框为介于高/低电平之间的状态)时序波形。红色波形为系统理论计算值时序波形,以此作为标准值。从7474测试波形可见,测试输出信号和标准值相符。

    ③电子辞典:按“观察器件逻辑图”按钮,可以查看7474的逻辑功能图(图6)。图中提供逻辑表达式/内部图/功能表等信息。


图6  HD74LS74AP逻辑功能图


    ④其它说明:当在线测试集电极开路输出数字IC(O.C门器件)时,如果电路板上没有上拉电阻或等效的上拉电阻,系统会做出提示,并自动模拟施加一个1kΩ上拉电阻完成测试。当测试+3.3V数字IC时,须输入或选择+3.3V数字IC完整型号。例如:测试74LVX245时,不能简写为74245。

    能够通过数字IC在线功能测试的器件逻辑功能正常。不能通过测试的器件不一定全是坏的,有时会受到某些在线因素的影响。数字IC在线功能测试首先是快速排除好器件,迅速压缩故障范围。对于不能通过测试的数字IC,应再分析甄别,不要急于拆卸器件。例如:测试类似HD74LS74AP等时序逻辑数字IC时,一般而言,只要测试输出信号有高、低变化,即使不能通过功能测试,通常也没问题。


3.3  自动补偿技术和编程技巧

    在线情况下,数字IC的管脚可能接地、接电源或相互连接,因此测试输入信号会发生变化。电路测试仪具有测试输入信号自动补偿技术,能够根据被测数字IC在线管脚状态自动调整施加的测试输入信号。另外,测试输入信号和测试输出信号也有可能相互干扰。在编写数字IC测试程序时,可以运用编程技巧对信号干扰问题进行相应处理。

    例如,2输入与非门输入管脚连接会变成反相器。通过测试输入信号自动补偿技术,可以自动按照反相器功能测试。再如,回到上述“HD74LS74AP”测试实例。从(图5)实测连接图可见:被测7474管脚5和管脚12在线连接。从(图6)逻辑图可见:管脚5是7474第1个触发器的输出管脚,管脚12是7474第2个触发器的输入管脚。通过运用编程技巧,可以避免第1个触发器的测试输出信号对施加在第2个触发器输入管脚上的测试输入信号产生干扰。

    正达电路测试仪数字IC器件库中有万余种型号,这些测试程序已经编写好,所以编程技巧对一般用户来说用不到。除非用户编写器件库中没有的数字IC或非固定逻辑可编程数字IC的测试程序。


3.4  数字IC离线功能测试

    以离线功能测试方式对>40管脚数字IC(48管脚74ABT16245C)功能测试为例。测试方法:正确连接离线测试板。采用56pin管脚中心间距0.65mm的双列贴片式SSOP测试座。将74ABT16245C轻轻放置于测试座中,有缺口端朝向测试座顶边方向,扣住测试座上盖将74ABT16245C锁紧。依照系统软件提示打开电源管脚、接地管脚对应的拨码开关并连接测试电源(图7)。


图7  离线测试双列48管脚74ABT16245C


    选择“40脚以上器件库_5V”,输入或选择“74ABT16245”型号,选择“离线功能测试”项,选择“TTL紧”阈值。器件测试频率处勾选“自动搜索最高测试频率”项。按“开始测试”按钮。

    数字IC离线功能测试是ICFT的一种应用形式。能够在线功能测试,必然可以离线功能测试。离线测试时数字IC没有在线因素的影响,测试结论准确可靠。

    由于测试夹的限制,对许多小型贴片IC无法在线测试。此事有弊也有利。用测试夹好夹取的双列直插式IC,拆卸比较困难。而小型贴片IC的方便之处在于好拆卸,反而更容易离线功能测试。


3.5  数字IC双板功能测试

    数字IC双板功能测试是ICFT的一种测试方式。直接对比好坏两块电路板上相同位置数字IC各个管脚状态、自身连接状态、测试输出信号等。不依靠系统理论计算值,直接以好电路板上数字IC工作状态作为标准值。

    由于中/小规模数字IC有24pin和28pin,加之兼顾测试40pin大规模LSI器件,数字IC双板功能测试要求电路测试仪数字通道必须达到80路,能够双40路测试。

    ①电路板供电:同时给好坏两块电路板施加测试电源。2组测试电源在测试瞬间自动施加。

    ②测试夹连接:1号测试排缆连接测试夹1,夹取好电路板上某数字IC。2号测试排缆连接测试夹2,夹取坏电路板上相同位置数字IC。

    ③选择相应器件库并输入数字IC型号。器件测试频率处勾选“自动搜索最高测试频率”项,对比数字IC的动态性能。

    以测试HD74LS373P为例。HD74LS373P是八D型数据锁存器,时序逻辑数字IC。在前文“1.2隔离通道”曾提到这种带使能端的三态输出器件。双板功能测试直接对比测试夹1和测试夹2的连接状态和测试输出信号。两者相符(图8)。


图8  两块电路板HD74LS373P双板功能测试


    并非测试三态输出数字IC就必须要用到隔离通道,也并非多个三态输出数字IC一旦构成总线结构就一定不能通过功能测试。这个例子中的HD74LS373P就是总线结构,但无须采用隔离通道。


3.6  故障数字IC在线功能测试实例

    以在线测试“SN74LS244N”为例。SN74LS244N是8路驱动器,组合逻辑数字IC。对电路板施加+5V测试电源,连接测试排缆,放置测试夹。选择“TTL器件库”,输入“74244”型号,选择“在线功能测试”项,选择“TTL紧”阈值,器件测试频率处勾选“自动搜索最高测试频率”项。

    在测试中,测试频率会自动降至最低的1kHz,但SN74LS244N依旧无法通过功能测试。从测试波形可见:SN74LS244N的管脚12输出呈现高阻状态,全为绿色虚框,介于高/低电平之间。74244功能测试失败(图9)。对于功能故障的数字IC,无论怎样降低测试频率也无法通过测试。


图9  故障SN74LS244N管脚12输出故障报错


3.7  数字IC在线状态测试

    数字IC在线状态测试是ICFT的一种测试方式。由于在线因素影响,某些功能完好数字IC的测试输出信号可能与系统理论计算值存在差异。同时,数字IC管脚之间也可能出现短路和断路问题,对于不影响功能测试的管脚连接形式,ICFT无法判别是否本身就应该是这种管脚连接形式。

    数字IC在线状态测试可以事先从好电路板上学习并记录各个数字IC的在线状态,包括:器件管脚状态、自身连接状态、测试输出信号等,建立电路样板维修库。用以对故障电路板上相同位置数字IC对比测试,适用于批量维修同种类型的电路板。

    以对某设备上2号驱动电路板建立状态维修库(仅学习其中一片CD74LS02器件)为例。在线施加+5V测试电源,连接测试排缆和测试夹。建立“驱动板-02”板文件,输入位置编号“U6”,选择“TTL器件库”,输入“7402”型号,选择“TTL紧”阈值,选择“在线学习已知器件”项,器件测试频率处勾选“自动搜索最高测试频率”项(图10)。


图10  对CD74LS02在线状态学习建库


    按“开始学习”建立维修库。器件测试频率窗口会显示“1800kz”,这是该CD74LS02所能通过功能测试的最高测试频率。可以关联电路板照片,作为测试背景呈现。转动鼠标滚轮,维修库对应的电路板图像背景也随之不断变换,直接通过图像定位维修库。

    和故障电路板对比测试时,用测试夹夹取故障电路板上相同位置的数字IC。选择“驱动板-02”板文件,选中“U6/7402”器件编号和型号,按“开始比较”测试。比较被测数字IC和维修库中数字IC管脚状态、自身连接状态、测试输出信号以及所能通过功能测试的最高测试频率等是否一致。测试波形中的红色标准值并不是系统理论计算值,而是已学数字IC的测试输出信号。无论已学数字IC测试输出信号是否与系统理论计算值相符,均以其作为标准值(图11)。


图11  对CD74LS02在线状态对比测试


3.8  数字IC型号识别

    数字IC型号识别分为在线型号识别和离线型号识别,是数字IC逆向循环功能测试,可以识别去除标志或标志不清的数字IC型号。被识别数字IC应无故障,并且应存在于器件库中。

    正确连接测试夹(测试座)并施加测试电源。在“器件管脚数”窗口中输入被识别数字IC的管脚数。在“工作模式”处选择“在线/离线型号识别”。器件测试频率会自动降至1kHz。识别初始默认的是TTL器件库,如果在TTL器件库中识别不出,应更换一个器件库再次识别。

    在线/离线识别数字IC型号时,测试夹(测试座)和被识别数字IC的第1管脚必须对齐,不支持测试夹自动定位功能。

    正达电路测试仪可以识别>40管脚数字IC型号,可以识别+3.3V数字IC型号,这是目前普通数字IC型号识技术无法实现的。


4  基于IC特征频率的TST测试方案

    早期电路测试仪的测试频率很低,一般在50kHz以下。改变测试频率对数字IC功能测试结果不会产生影响。测试结果只有2种状态:

    ①能够通过功能测试(数字IC功能正确)。

    ②不能通过功能测试(数字IC功能故障)。

    维修实践表明,一些能够通过功能测试的数字IC却不能使电路板正常工作。多是因为数字IC动态性能下降所致,而早期数字IC功能测试无法判别这种问题。


4.1  IC特征频率的提出

    北京正达时代电子技术有限公司于2011年研制出第三代ZD9610电路测试仪。测试频率大幅度提高到2000kHz,测试中对被测数字IC施加动态模拟负载,负载量随测试频率的提高而增加。引入IC特征频率指标(即:数字IC能够正确完成功能测试时的最高测试频率)表征数字IC动态性能。使工作频率为几十MHz的数字IC通过IC特征频率指标映射到电路测试仪测试频率范围之内。经过对各种类型数字IC大量实测验证,IC特征频率指标能够表征数字IC的动态性能[1]。

    大量实测表明:   

    ①每种数字IC的IC特征频率稳定不变。

    ②同厂家、同型号、同结构的正品数字IC的IC特征频率稳定一致。

    ③动态性能(由tPHL和tPLH参数体现)越好的数字IC,IC特征频率相对越高。

    ④由于动态模拟负载,数字IC即使工作频率指标为几十MHz,IC特征频率普遍低于2000kHz。

    ⑤不同功能的数字IC动态性能一致,IC特征频率也可能存在差别。功能测试程序不同,不同功能数字IC相互之间比较IC特征频率没有意义。

    ⑥静态参数发生改变的数字IC,诸如数字IC输入/输出管脚漏电等问题,也可以通过IC特征频率反映出来。

    得出以下结论:

    ①IC特征频率能够表征数字IC的动态性能。

    ②IC特征频率能够表征数字IC的综合性能。

    ③IC特征频率如同数字IC的身份证,具有明确的个体属性。


4.2  IC特征频率的应用

    基于IC特征频率指标,正达电路测试仪数字IC功能测试结果出现第3状态(Third state),并形成基于IC特征频率的TST测试方案(Third State Test)。

    第3状态是指:在IC特征频率之上,基本功能正确的数字IC不能够通过功能测试,而在IC特征频率以下能够通过功能测试的结果状态。测试结果具有3种状态:

    ①不能通过功能测试(IC特征频率以上/数字IC功能正确)。

    ②能够通过功能测试(IC特征频率以下/数字IC功能正确)。

    ③始终不能通过功能测试(所有测试频率/数字IC功能故障)。

    IC特征频率从1kHz~2000kHz分18级选项,测试中可以自动识别IC特征频率。例如:测试某个74LS245器件时,只需选择器件型号开始测试。测试完毕后,系统显示功能测试正确的同时,提示IC特征频率是1800kHz,表明这个74LS245器件是在1800kHz通过功能测试的。测试频率在1800kHz以下都可以通过功能测试,但在2000kHz测试频率时,74LS245器件则不能通过功能测试。如果在测试过程中,IC特征频率自动降为1kHz时仍不能通过功能测试,74LS245功能测试失败。

    数字IC工作速度下降等动态参数故障和管脚漏电等静态参数故障,都可以通过IC特征频率的下降表现出来。因此,基于IC特征频率的TST测试方案可以测试数字IC的综合性能。


5  TST测试方案的应用场景

    第三代ZD9610电路测试仪对200余种不同功能数字IC以及2000余个同型号数字IC进行IC特征频率表征性和一致性验证,获取的验证数据和测试结论明确,经得起反复验证。后续实践也表明,基于IC特征频率的TST测试方案,无论是在电路板维修还是在元器件筛选领域,都取得显著测试效果。


5.1  开展精细化电路板维修

    早期电路测试仪由于测试频率很低,动态性能不佳的数字IC能够通过功能测试,无法反映出不同器件之间的动态性能差异。VI曲线测试与器件频率特性无关,更不具备相应的测试能力。

    基于IC特征频率的TST测试方案,可以测试数字IC的综合性能。数字IC的工作速度能够通过IC特征频率反映出来,从而开展电路板精细化维修。例如:正达电路维修中心测试过一片SN74LS244N器件,IC特征频率仅为800kHz。同型号正品SN74LS244N的IC特征频率应该在1800kHz以上。对比测试这片SN74LS244N的VI曲线,看不出丝毫问题。更换SN74LS244N后,电路板工作性能改善。

    开展精细化电路板维修并不意味着过程繁琐。例如,不必深究这片SN74LS244N具体是哪一个亦或哪几个参数下降引起的问题。这片SN74LS244N的IC特征频率如此之低已经足够说明问题。


5.2  对元器件综合性能筛选

    如果将某个性能完好数字IC的IC特征频率作为标准值,就可以严格筛选这类元器件。例如,仙童公司CD4050的IC特征频率是1000kHz。倘若有50片待测器件,其中48片符合标准,2片IC特征频率低于1000kHz,则这2片CD4050器件动态性能下降,不能用在重要场合。

    基于IC特征频率的TST测试方案,在企业元器件二次筛选中应用简单,效果显著。


5.3  甄别翻新数字IC

    重要设备上如果误用翻新器件会存在风险隐患,因此甄别翻新器件非常重要。翻新器件少部分存在严重损坏,采用VI曲线测试有一定效果。但是多数情况下翻新器件功能正常,器件管脚阻抗特性/静态参数性能无变化,采用VI曲线测试无效。因为翻新器件主要是从淘汰设备上拆卸下来,拆卸之前仍然处于正常使用状态。

    基于IC特征频率的TST测试方案,能够充分反映出翻新器件的实际综合性能。即使翻新器件较之同型号全新器件的VI曲线完全一致,但IC特征频率也会明显下降。下降幅度少则200kHz,有些甚至会下降1000kHz。


5.4  识别数字IC准确型号

    数字IC型号识别是通过逻辑关系识别,识别结果中与该逻辑符合的数字IC都有可能。逻辑符合的数字IC通常不止一个,即使是只有一个,不同厂家生产的同型号数字IC,性能上也会存在差异。早期电路测试仪数字IC型号识别的测试结果中,无法区分这些差异。

    例如:对一个双列直插封装16管脚数字IC型号识别。识别结果:4050。早期电路测试仪就到此为止了。究竟是哪一个厂家的4050,究竟是哪一种准确型号,无法进一步判别。

    基于IC特征频率的TST测试方案,这些问题会变得很明晰。对于以上例子,可以按照4050再进行数字IC功能测试,查看IC特征频率实测值。如果是500kHz,是TI公司CD4050。如果是1000kHz,是仙童公司CD4050。这2种器件仅是厂家不同,型号/封装/功能/结构完全相同。如果是1800kHz呢?是ST公司M74HC4050B1。对比PDF资料,以上3种数字IC的工作速度(由tPHL和tPLH参数体现)与IC特征频率表征性相符。M74HC4050B1速度最快,TI公司CD4050速度最慢。


5.5  TST测试方案甄别翻新数字IC实例

    DM74LS154N是24管脚4-16线译码器。曾经广泛应用,现已停产多年。目前市场出售的几乎全是翻新器件。外观上,翻新仙童公司DM74LS154N外形/型号/厂家/标识与全新器件相同(图12)。


图12  测试DM74LS154N翻新器件


    采用VI曲线对新旧DM74LS154N器件对比测试,没有差异。DM74LS154N每个管脚VI曲线对比结果完全重合,最大误差仅为0.2%(图13)。


图13  VI曲线测试对比新旧DM74LS154N器件


    采用基于IC特征频率的TST测试方案,全新DM74LS154N的IC特征频率是1800kHz,翻新器件的IC特征频率大部分为1500kHz左右,有些更低。速度明显慢于全新器件,无法在1800kHz条件下通过功能测试(图14)。早期电路测试仪在低频环境下(例如10kHz)测试DM74LS154N功能,全新和翻新器件都能够通过功能测试。加之VI曲线测试无效,因此无法甄别DM74LS154N的新旧性质。


图14  翻新DM74LS154N无法在1800kHz下通过功能测试


    但不排除在同批次中有个别翻新器件IC特征频率达标,这也正是翻新器件的实测特点。因为翻新器件应用条件并不完全一样,有些使用时间很短,有些甚至在被拆卸之前根本就没有使用过。如果因为某种器件停产而只能使用翻新器件,采用TST测试方案,可以劣中选优。


6  结语

    数字IC在线功能测试能够迅速压缩电路板故障范围,将通过测试的数字IC排除在故障之外。纵观电路测试仪的发展历程,数字IC在线功能测试始终是基础功能。技术成熟,器件库齐全。

    有人主张用VI曲线测试代替数字IC在线功能测试,目前看不可行。最容易想到的就是,VI曲线测试不是功能性测试,无法解决数字IC型号识别问题。VI曲线测试和频率特性无关,数字IC因频率特性引发的动态性能故障无法测试。对电路板上数字IC快速排查来说,数字IC在线功能测试的效率比VI曲线测试要高得多。同时,VI曲线测试还面临着许多使用环节中的限制。

    正达第三代ZD9610电路测试仪这种先进平台,实现对>40管脚数字IC功能测试,实现对数字IC动态性能测试,采用更加精密的测试夹和测试座,在测试广度、测试深度和使用环节上取得突破。进阶的数字集成电路在线功能测试,有正达科技人员不懈努力的身影。


参考文献

[1].第三代在线电路维修测试仪[J].设备管理与维修,2013(3):24-25.


2019-10-30

2019年10月30日

※正达在线电路维修测试仪:【国内外业界首创】5cVI曲线鹰爪5线测试法

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