1、第 1 页 共 35 页智能卡测试仪器的研究与设计摘要随着智能卡的运用日益广泛，智能卡测试已经成为是智能卡产业的一个重要组成部分。它贯穿智能卡芯片设计、制造、封装、应用的全过程。智能卡测试是保证智能卡性能、质量的关键环节之一，是发展智能卡产业的一门技术，对提高芯片合格率降低成本具有重要的意义。论文首先介绍智能卡芯片的可测试性及智能卡测试设备研究的必要性及其发展史。在阐述了智能卡芯片的可测性同时介绍了智能卡测试设备中两种关键的测试技术：逻辑功能测试和直流参数测量的基本知识。在论文第三章的介绍了智能卡测试仪器的硬件系统设计架构，分析了板级子系统的硬件结构及功能。重点讨论了智能卡测试设备中两种关键的
2、测试技术：逻辑功能测试和直流参数测量。第四章，在系统分析其工作原理和测试方法的基础上，设计了硬件电路。关键词：智能卡，自动测试设备，逻辑功能测试，直流测试第 2 页 共 35 页Smart Card Research and Design of test equipmentAbstractWith the increasingly widespread use of smart cards, smart card testing has become an important part of the Smart Card industry. It runs through the smart
3、card chip design, manufacturing, packaging, the entire process of application. Smart card test is one of the key to ensure the quality and performance of smart cards. it is a key technology of the smart card industry.Paper first introduces the smart card chip testability and smart card test equipmen
4、t necessarily for the research. elaborating on the smart card chip testability also introduced two fundamental test techniques of smart Card testing, the logic function testing and DC parameter testing, and then introduced basics of logic function test and DC Parametric test.The third chapter in the
5、 thesis, introduced the smart card test equipment hardware design architecture，analysis of board-level subsystem hardware structure and function Focused on test equipment in the smart card key test of two techniques, the logic function testing and DC parameter testing. In the fourth chapter, design
6、of hardware circuit design on the analyze basis of its working principle and testing method.Keywords：Smart Card，Automatic Test Equipment(ATE)，Logic Test，DC Parametric Test第 3 页 共 35 页1 绪论智能卡自出现以来就受到有关领域的极大关注及青睐。目前，智能卡以其具有很高的数据处理能力、计算能力及较大存储容量的优势而让“小卡片”担当起了“大角色” 1。而为了确保智能卡的质量和性能，在其设计、生产和应用等各个阶段都要进行反复
7、的检验和测试。测试不仅对确保系统的可靠性有重要作用，而且对降低系统成本也具有重要意义,智能卡测试仪器的研究与设计就显得尤为重要 2。而其测试的发展主要体现在集成电路自动测试仪(Automatic Test Equipmnet， ATE)的发展水平上。最初的芯片测试对测试人员的专业素质要求非常高，通常都是通过有经验的测试技术人员凭借自身的专业知识和经验，利用信号发生器、万用表、示波器等工具进行手工测试。这种测试的特点是测试周期长，速度慢，无法排除测试结果中的人为因素。随着智能卡行业的不断增大，智能卡产量的不断提高以及应用的日益广泛，大批量自动测试的迫切需求等因素促使智能卡测试系统的诞生、发展和不
8、断壮大。1.1 测试仪器的发展过程及国内外现状智能卡是 IC 卡（集成电路卡）的一种,一般用于指一张给定大小的塑料卡片，上面封装了集成电路芯片，用于存储和处理数据。智能卡芯片内部集成有 CPU(中央处理单元)、 ROM、RAM、EEPROM 、安全逻辑、密码运算协处理器、通讯接口等一系列功能部件,智能卡芯片的功能大部分决定于这此功能部件的设置及其功能的强弱 3。我们常用的智能卡大致分四种：存储卡、加密存储卡、CPU 卡、射频卡 。智能卡具有很高的数据处理能力、计算能力及较大的存储容量,尤其是智能卡完善的安全技术体制及面向应用编程良好的适应性及灵活性,自出现以来就受到有关应用领域的极大关注及青睐
9、 4。智能卡采用的是智能 IC 芯片,智能 IC 芯片的性能指标在很大程度上决定了智能卡的性能特点。智能卡测试仪器的发展主要体现在集成电路自动测试仪的发展水平上。而ATE 的发展过程大致可以分为以下四个阶段 5：1965 年-1969 年，测试对象是小规模集成电路，可测管脚数达 16 个。测试仪第 4 页 共 35 页采用导线连接、拨动开关、按钮插件、数字开关或二极管矩阵等方法，编制自动测试序列，测量集成电路外部管脚的直流参数。1969 年-1972 年，此时计算机的发展已达到适用于控制测试系统的程度，测试对象扩展到中规模集成电路，可测管脚数达 24 个。同时随着图形技术的研究，可以实现对 2
10、4 管脚以下的数字器件在较低的速率下进行逻辑功能测试，即同时从器件的直流参数和逻辑功能两个方面加以测试和印证，这是一个飞跃。 1972 年-1980 年，测试系统进入第三代，测量对象为 LSI，可测管脚数高达128 个，测试速率提高到 10MHz 和 20MHz。不但能有效地测量 CMOS 电路，也能有效地测量 TTL、ECL 电路。此时作为独立发展的半导体自动测试设备，无论其软件、硬件都相当成熟。从 1980 年开始，随着集成电路发展到第四代，集成电路测试系统取得了突飞猛进的进展。测量对象为 VLSI，管脚数高达 256 个、512 个、甚至 1024 个等，测试图形速率也高达 l00MHz
11、、500MHz 以上，定时精度最高可达到 55ps。测试系统的智能化水平进一步提高，具备与计算机辅助设计（CAD）连接能力，自动生成测试序列，并加强了数字系统与模拟系统的融合。国际上先进的测试设备制造商都针对主流测试市场推出中、高档测试设备，但任何一款测试设备都不能满足不断更新的芯片测试需求。为解决性能、价格的矛盾，适应性和复杂性的矛盾，各大测试设备制造商都先后提出测试系统的开放性和标准化，使系统具有灵活配置，不断升级，快速编程，以适应各种测试需求，构造出最优性/价比的系统，同时又进一步加快了产品的升级换代速度 6。目前，测试系统可测直流参数已达数十种，可测管脚数多达 1024 个 7，直流参
12、数测试系统的发展速度是惊人的。我国在 70 年代初就开始了集成电路直流参数测试系统的研制工作，80 年代后期国产集成电路测试系统设计能力有较大提高，测试理论、测试方法、测试系统的研究实验工作受到国家重视，初步形成一支科研、设计、制造的技术队伍。国产中小规模集成电路直流参数测试系统的技术水平进入新的发展时期和走向实用阶段，但与国际先进水平仍有较大差距。20 年来，芯片的速度平均每年增长 30%，而测试系统的速度平均每年只增加了 12%，测试系统的发展已经很难跟上芯片设计技术进步的步伐。尤其是频率测试，以及芯片引脚数的增多和功能的增加，都对测试系统提出了更高的要求。由第 5 页 共 35 页于测试
13、系统需要依靠现有的半导体器件去构建测试电路，而要满足将来出现的集成电路的测试要求，客观上存在着类似“鸡与鸡蛋”的相互依存关系。只有不断开拓新的测试方法，开发新的测试系统才能完成未来的集成电路测试。1.2 本课题的研究意义所谓智能卡测试实际上是集成电路（Integrated Circuit，IC）测试的一种，是指按照芯片的设计要求，采用仪器仪表对其输入响应功能以及电性能参数进行测试，以检验芯片的功能及参数性能是否合乎使用要求。自从有了智能卡的设计与制造，就有了智能卡的测试，随着智能卡的发展及其应用的日益广泛，对其性能的要求也越来越高。其质量和性能的优劣直接影响到智能卡的稳定性和可靠性。智能卡测试
14、业已经成为一个不可或缺的独立行业。智能卡测试作为整个智能卡行业生产的一个重要环节，是确保智能卡能够正常工作及满足使用要求的必要手段。智能卡的测试是对其上封装了集成电路芯片所进行的测试。然而，作为一种电子产品，所有的芯片不可避免都会出现各种各样的故障。如何检测存在的故障是智能卡生产商和智能卡使用者都不得不面对的一个问题。对于智能卡生产商而言，为了确保出厂的所有智能卡都是合格品，测试是必不可少的环节 89。而对于智能卡使用者来说，智能卡测试是具有可选择性的。目前，由于销售渠道的复杂，以及对智能卡芯片性能要求的提高，智能卡测试作为智能卡使用者可选择的一种测试变得越来越重要和必要，通过把好智能卡芯片测
15、试这一道关，可以为节省大量的时间以及人力物力的耗费。因此，很多大的智能卡使用厂商在购入新的智能卡芯片之后，为了保证芯片的质量和性能合乎要求，都会经过严格的入库检测和筛选。尤其是在一些特殊应用行业，甚至已经成为一个必不可少的环节。1.3 课题的研究内容及目标随着智能卡功能不断提高和应用的日益广泛其上黏贴的芯片速度与功能的不断提高，得芯片迅速投入量产过程难度增加，由此测试变得更加必要。本课题的研究任务就是在解智能卡测试参数以及测试方法前提下，设计智能卡的电气检测与逻辑测试用测试台。具体工作有以下几方面内容：1、研究智能卡测试电路的测试方法和方案；第 6 页 共 35 页2、设计电气检测电路与逻辑测
16、试电路；3、采用 EDA 工具设计原理图。下面分章节对本论文内容进行介绍：第一章绪论中主要介绍课题背景、国内外研究情况以及本课题的研究意义、来源和研究内容；第二章简要介绍了智能卡芯片测试的可测试性设计相关知识，详细阐述了两种集成电路测试技术：逻辑功能测试和直流参数测试，以及相关测试设备。第三章简要介绍了智能卡测试仪器设计的总体思路，并对每个模块做了比较细致的介绍，详细介绍逻辑功能测试和直流参数测试单元的设计方案。第四章给出智能卡测试仪器每个模块硬件设计图。第五章总结了论文的设计工作，展望智能卡测试仪器的发展前景。第 7 页 共 35 页2 智能卡测试技术2.1 智能卡测试分类根据在智能卡芯片生
17、产周期的不同阶段，测试可以分为 10：1、生产测试(Manufacturing Test)集成电路测试伴随 IC 生产过程中的每一个环节，在不同阶段有着不同的定义。生产测试主要包括：设计功能验证(Design Functional Verification)、晶圆测试 (Wafer Test，也称中测)；封装测试(Package Test)、成品测试(Device Test)、老化测试(Burn-in Test)等。设计功能验证通常是由芯片设计者参与完成。在芯片设计开发阶段，当一个新的芯片在初次开发完成之后，往往需要利用各种仿真器来验证设计的正确性。仿真器可以在时钟驱动下工作，也可以没有时钟驱
18、动。可以是基于周期的或事件的驱动，并且可以访问设计中的任何信号、变量或者常量。从测试的概念来说，设计功能验证不是真正的芯片测试。仿真器又可分为软件仿真器（如各种 EDA 软件）和硬件仿真器（如 FPGA 硬件仿真平台） 。特别是采用软件仿真器进行的测试，仅仅是模拟芯片的实际运行过程。仿真器施加的波形可以被看作是理想的数学表示，未知的信号可以被看作状态“X” ，高阻状态则被看作状态“Z” 。但硬件仿真器有所不同，基于 FPGA 芯片的硬件仿真器需要实际的时钟驱动信号，施加或输出的波形也具有各种电参数可测量特性，而且可以通过硬件仿真器的开发软件访问设计中的信号、变量或者常量。虽然硬件仿真器依然无法
19、保证实际生产出来的芯片与仿真器验证性能完全相同，但作为一种更为便捷、可靠的验证手段，越来越受到行业所重视。除了设计功能验证，其他测试都是基于各种测量仪器或集成电路自动测试设备配以必要的附属设施系统完成，如:探针卡(Probe Card)、探针台(Prober)、机械手、适配器等。IC 生产中一般的测试形式有晶圆测试，成品测试，老化测试和质量保证测试。1、晶圆测试（Wafer Test，WT）：在裸露的、尚未划片分离的晶圆片上对所有芯片进行的电性能测试，是芯片测试的第一个环节。测试的主要目的是验证芯第 8 页 共 35 页片设计功能是否完全得到，分析制造工艺缺陷等引起的芯片功能失效原因，筛除不合
20、格芯片。2、成品测试（Final Test，FT）：晶圆片上的芯片经过后工序的封装后，对其成品进行全面电性能测试。3、老化测试（Burnin Test）:分静态老化和动态老化两种方式。静态老化测试通常指在高温和加载电源条件下，对芯片成品进行静态工作下的寿命性测试；动态老化通常指在静态老化的基础上再加载输入激励信号，对芯片成品进行动态工作下的寿命性测试。4、质量控制测试（Quality Control Test，QC）：为确保产品质量，对准备人库的合格产品进行电性能抽样测试。测试的器件根据其性能要求和外形封装的不同，需要由不同的测试机，分选机和检测设备进行测试。另外，针对不同的应用场合也有不同的
21、参数测试标准，即通常所指的民用级标准、工业级标准、军品级标准等。在生产过程中的芯片测试主要有三个目的：第一、尽可能提高出厂的芯片都是合格产品在现代集成电路制造工艺中，芯片加工需要经历一系列化学、光学、冶金、热加工等工艺环节，每道工艺都可能引入各种各样的缺陷，每一类缺陷都可能导致芯片功能不符合设计要求。另外，在其他的生产环节，如中测、封装、成测等其他阶段，机械的损伤等其他因素也会使得芯片丧失功能。实际上，在芯片生产的各个环节都会产生一些不合格芯片。芯片测试的目的，就是要确保在产品规范中列出的所有的测试条件(包括温度、湿度、电平等)下，只有各种参数均满足规范要求的才能称之为合格芯片；相反，在生产过
22、程的任何一个阶段，在规范中规定的任一测试条件下只要有一项指标不满足要求的，都列入不合格芯片。直到出厂前，经历所有测试之后被判断为合格芯片的器件才能作为产品卖给用户。第二、降低成本这里所指的成本包括两层含义，一是集成电路出厂前的开发、制造成本。集成电路测试之所以会贯穿生产过程的每一个环节，就是为了尽早地发现和放弃不合格的芯片。由于芯片生产的各个环节都占据了一定比例的芯片成本，所以尽早筛除不合格产品，节约不合格芯片后道加工的制造费用，是降低芯片生产总成本第 9 页 共 35 页的重要一环；另一方面是芯片应用系统开发成本。对于芯片应用商而言，芯片质量的可靠性及性能的稳定性是影响应用系统开发成功以否的
23、重要因素，不合格芯片的引入将直接导致应用系统开发成本的上升。第三、提供缺陷分析依据任何集成电路工艺制造过程总不可避免会存在一些缺陷，基本的缺陷类型有：金属颗粒（Particle，细小的金属颗粒会短接两根连线） ，不正确的间隙，不正确的注入值（Implant value） ，不对齐，空洞（Holes，不期待蚀刻的暴露部分） ，弱氧化以及污染。由这些缺陷导致的故障行为可以通过参数测试和逻辑测试来检测。参数测试方法包括测量供电电压下的静态电流、引脚电参数性能和动态功耗等。逻辑测试在对电路设计流程的逻辑抽象的基础上，建立制造故障模型，通过检测电路的主要输出值来检测故障。逻辑测试基本的故障模型包括固定性
24、故障（Stuck-at Fault）模型，桥接故障模型（Bridge Fault） ，开路故障（Open Fault）模型以及与时序相关的故障模型，如门时延故障和路径时延故障模型。而最早的和最常用的故障模型是固定性故障模型 11。如今，IC 测试在半导体生产过程中对分析产品的缺陷起到了关键性作用,由测试所形成的反馈信息已成为分析和定位各种缺陷的唯一途径 12。2、接受测试(Acceptance Test or Incoming Inspection)接受测试也称为入库测试。当集成电路通过各种渠道送到芯片用户手中，有条件的用户会根据系统开发需要，按照某些特殊标准对这些 IC 进行使用前的测试和筛
25、选。只有检验合格的芯片才能应用到系统级的设计中。2.2 芯片可测试性设计尽管 ATE 在检测芯片生产测试时有诸多优势，但使用 ATE 存在以下四个问题。第一，ATE 机器昂贵，并且随着芯片规模的增加、管脚数目的日趋增多成本越来越高 10；第二，从 ATE 的发展历程来看，ATE 的测试频率跟不上芯片运行速度提升的步伐，这就使得进行真速测试非常困难甚至无法实现；第三，如果选择芯片全功能扫描测试，对一些功能复杂的数字芯片，测试向量的编写也将非常复杂，对 ATE 的测试向量存储容量是一个巨大的挑战，而且测第 10 页 共 35 页试时间也将非常漫长。这对于追求规模效应的 IC 行业来说是无法接受的。
26、第四，存储在 ATE 存储器中的测试向量是用 ATPG 算法产生的 13。尽管关于ATPG 算法这方面的研究不断取得进展，时序电路的测试产生时间仍然极其巨大并且测试效率仍然不令人满意，主要表现为故障覆盖率不高。除此之外，芯片上晶体管数目日趋增加而输入输出管脚相对有限，也使得获得高的测试效率变得更复杂更耗时。可测性设计（DFT）就是为解决这些问题而提出的。在芯片设计流程中，DFT 通过添加引入面向测试的硬件设计,以提高可测试性。在设计中添加 DFT 后通常能缩短测试时间、提高故障覆盖率，因而有较好的测试效果，同时也使得易于用 ATPG 来产生测试向量。DFT 改变了测试向量加载到 DUT 的测试
27、策略。组合电路或非扫描时序电路，将在每个时钟周期加载测试向量到 DUT。而扫描 DFT 加载测试向量到 DUT 是以扫描周期（Scan Cycle）为单位的。目前，绝大多数芯片的设计都或多或少地采用了可测试性设计技术。一种典型的可测试性设计是内建自测试，简称 BIST（Buld-In Self Test） 14。BIST 是一种把芯片内部部分电路用于测试电路自身的 DFT 设计技术。测试向量不是像外部测试一样外部产生，而是使用 BIST 硬件内部产生。在一定程度上，BIST 降低了芯片测试对 ATE 的依赖，同时 BIST 可以在电路正常工作时进行测试。BIST 不仅降低外部 ATE 的成本，
28、而且能够检测时序相关的故障。集成电路的可测试性设计已经成为集成电路过程设计中必须考虑的一项设计内容，通过优化 IC 测试的运作模式，尽可能提高测试芯片的功能覆盖率，缩短集成电路的测试时间，提高了测试的可靠性。当然，芯片最终的测试依然必须依靠ATE 或其他仪器设备来完成。2.3 智能卡测试技术数字集成电路（Integrated Circuit，IC）种类繁多，从简单的通用门电路到复杂的微处理器、微控制器等电路，测试技术的可比性几乎无从谈起。但智能卡测试内容主要包括逻辑功能测试 15、直流参数测试。其中逻辑功能测试是对芯片输入管脚施加相应的激励信号，检测芯片输出管脚时序电平是否为期望的逻辑状态，从而达到验证芯片逻辑功能的目的。由于数字集成电路将输入输出高/低电平抽象成“0” 、 “1”的逻辑信号，因此逻辑测试功能可以理解成对数字集成电路真值表的验证；直流参数测试内容主要包括输入高/
