雖然目前有多款裝置可進行開路與短路測試，但仍屬半導體檢驗測試最為常見。此篇技術文件將透過互補式金屬氧化物半導體(CMOS)晶片，說明開路與短路的測試程式。
在進入技術細節前，須先了解開路與短路測試與半導體檢驗的相關性。半導體檢驗一般可分為結構檢驗與功能檢驗兩個部分。結構測試可確保晶片製程正確。功能測試將了解晶片是否符合設計規格，並能於最後的環境中執行作業。開路與短路測試將針對半導體晶片的防護二極體電路，找出可能的產品瑕疵，因此屬於結構測試。圖1為典型的CMOS晶片。晶片的各組接腳均具備防護二極體與CMOS電晶體所構成的網路。
各組輸入接腳上的CMOS電晶體，即如同切換器，可讓電流從VDD(晶片的供電電壓)流動至受測裝置(DUT)電路，亦可從DUT電路流動至VSS(接地)。若輸入或輸出接腳發生過電壓，則CMOS電晶體即可能損壞。
為了保護這些裝置，各組訊號接腳均具備兩組二極體(圖1)。第一組二極體位於訊號接腳與VDD之間；第二組二極體則位於訊號接腳與VSS之間。若大於VDD的正向過電壓流動至任何接腳，則VDD二極體將變成順向偏壓(Forward-biased)，讓電流可於訊號接腳與VDD之間流動。
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| 圖1 CMOS晶片的內部電路 |
同樣地，若大於VSS的負向過電壓流動至任何接腳，則VSS二極體將變成順向偏壓，讓電流可於訊號接腳與VSS之間流動。而防護二極體可於過電壓的情況下，避免CMOS電晶體與DUT的電路損壞。VDD與VSS防護二極體必須經過開路與短路測試，以確保其可正確作業。若缺少防護二極體或其功能故障，則可能發生開路。
若有下列三種直接連結情形則可能發生短路：一、接腳與VDD直接連結；二、接腳與VSS直接連結；三、接腳與其他訊號接腳直接連結。這些短路的錯誤模式，均會造成裝置錯誤。開路與短路測試作業，將檢查前述所有的可能情形。
須注意，CMOS積體電路是以場效電晶體(FET)技術為架構，亦常使用VDD/VSS代表正向供電電壓/負向供電電壓(接地)。這些端點亦可定義為VCC/Gnd。
建構硬體設定
硬體設定部分將分成測試設定與自動化測試設定兩方面來加以說明。
測試設定
開路與短路測試可分為測試VDD防護二極體與VSS防護二極體兩組設定。
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| 圖2 測試VDD二極體 |
若要偵測訊號接腳的VDD防護二極體的開路與短路，則可將VSS、VDD與所有其他訊號接腳連至電源量測單元(SMU)接地，再將最小電流如100微安培(μA)導入至訊號接腳。而可正確作業的VDD防護二極體將成為順向偏壓，且電流將於訊號接腳與VDD之間流過(圖2)。 |
若透過順向偏壓的VDD二極體量測電壓壓降，則可了解是否功能正常。若訊號接腳與接地間的電壓接近為0伏特(V)(或接地)，則訊號接腳、VSS、VDD、接地及/或其他訊號接腳之間，應發生一個或以上的短路情況。若訊號接腳軌道之間的電壓與電位比，高於規格內的順向偏壓電壓壓降，則訊號接腳與接地之間應發生開電路情況。若測得電壓為規格內的順向電壓壓降，則VDD防護二極體運作無虞。表1為VDD防護二極體測試結果範例，還有其Pass/Fail規格。
須注意的是，由於VSS為逆向偏壓，因此VSS防護二極體將沒有電流通過(或小於漏電流總量)。另外，規格之內(Acceptable)的順向偏壓電壓壓降，往往依半導體二極體的金屬材質而有所不同。製造技術亦可降低順向偏壓電壓壓降的情形。矽晶二極體的規格內順向偏壓電壓壓降，一般均為0.65伏特。而實際電壓壓降將因二極體p-n接合面的電流、接合面的溫度，與多個物理常數而有所變化。以下公式則顯示順向偏壓電壓壓降、電流強度，與相關變數之間的關係，並為常見的二極體等式。
而二極體等式中的變數如下：
ID=二極體電流(安培)
IS=飽和電流(安培)
VD=二極體之間的電壓壓降(伏特)
N=理想係數(Ideality Coefficient)，介於1～2之間
Vt=熱電壓(伏特)；室溫下約為25.85毫伏特(mV)
訊號接腳與接地之間的電壓應趨近為0伏特，且測試結果應為Fail：短路。若其他訊號接腳並非全部接地，則電流應保持通過順向偏壓VDD防護二極體(圖2)，且測試結果將為Pass。
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| 圖3 測試VSS二極體 |
VSS二極體的測試程式與VDD二極體相同。包含VSS與VDD在內的所有接腳均接至SMU接地。此時卻是用相同數值如-100微安培的負向電流導入至訊號接腳。而可正確作業的VSS防護二極體將成為順向偏壓，且電流將於訊號接腳與VSS(圖3)之間流過。 |
須注意的是，由於VSS為逆向偏壓，因此VDD防護二極體將沒有電流通過(或小於漏電流總量)。
若透過順向偏壓的VDD二極體量測電壓壓降，則可了解是否功能正常。表2顯示VSS防護二極體的測試參數。
自動化測試設定
若要自動化VDD與VSS防護二極體測試作業，也可利用外接的切換系統前端，與可程式化的SMU。切換系統可掃描預先設定的狀態，並為半導體裝置的VDD、VSS與訊號接腳建立所需的電流與接地路徑。SMU可強制供應所需的電流，並量測各組訊號接腳到接地的相對應電壓(圖4)。下列步驟將針對上述自動化測試設備，約略說明開路與短路的測試程序：
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| 圖4 開路與短路的自動化測試設定 |
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若要透過FET切換器連接SMU與DUT，則接腳必須搭配矩陣拓撲，讓SMU連接矩陣的列(Row)，晶片接腳則連接矩陣的行(Column)。 |
若矩陣用以連接PXI-4130 SMU的接地與DUT的接腳，只要關閉矩陣上的所有連結，即可讓DUT的所有接腳完成接地。若用連接線取代切換器，則可直接將PXI-4130 SMU的Low接腳連接至VDD與VSS。此因VDD與VSS接腳均保持SMU Low接腳的連接狀態。所有訊號接腳不僅從開始即連接SMU Low，且均依序連接SMU量測通道，因此亦是透過矩陣切換器連至SMU。
必須特別注意的是，不僅有VSS與VDD連至接地。在測試防護二極體之前，其他的所有訊號接腳亦應連至接地。所有訊號接腳均完成接地作業，將可確實偵測到所有發生短路狀態的Signal pin-to-signal接腳。
圖5將進一步說明。當於二組訊號接腳之間偵測到短路時，則受測接腳與SMU Low之間的電壓，應為表1與表2(理想狀態為0伏特)所列的可接受範圍之外，且測試作業為Fail。若其他訊號接腳並非全部接地，則電流應保持通過順向偏壓的VDD防護二極體，且測試結果將為Pass。
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| 圖5 接地接腳為偵測短路時所必備 |
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為限制開電路狀態所產生的電壓，應設定SMU的電壓箝制(Voltage Clamp)上限。若未設定箝制條件並為開電路，則SMU將測得極高的電壓值。且將損壞晶片電路。此處可透過軟體將PXI-4130的電壓箝制設定為3伏特。由於3伏特高於偵測開電路(1.5伏特)時的測試限制，且符合大多數CMOS晶片的規格，因此一般均設定為3伏特。 |
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讓SMU強制單次供應±100微安培電流至各組訊號接腳的二極體，並量測所得的電壓。各組接腳均透過矩陣切換器，依序連接SMU。而此測試中，將可預計獲得約±0.65伏特(順向偏壓二極體的電壓壓降)的電壓。因此可測得由強制電流所造成的電壓，並將之與測試規格表進行比較，以了解最後的測試結果。 |
進行軟體相關設定
此開路與短路系統的軟體，是以美商國家儀器(NI)的LabVIEW與Switch Executive所開發。LabVIEW為主要的應用開發環境(ADE)，Switch Executive則用於設定高密度矩陣上的路由。而用以建置Opens and Shorts Semiconductor Test的軟體版本分別為LabVIEW 8.5圖形化程式設計環境及Switch Executive 2.1.1切換器管理軟體。此處所提到的LabVIEW程式碼，可透過NI的網站下載。
Functional blocks in the LabVIEW圖形化程式設計語言中的函式區塊，即所謂的「Virtual Instruments」或「VI」。後續說明作業程序時，均直接簡稱為「VI」。
如先前所述，開路與短路測試可分為測試VDD防護半導體和測試VSS防護半導體兩種。只要使用同樣的硬體連結功能，即可執行這兩個程序。唯一差異在於程序的程式設計作業。只要變更SMU強制電流的方向，即可完成程式設計。由於相似性極高，本文將僅說明VSS防護二極體的測試範例。此測試程序可直接複製，僅修改其中小部分即可進行VDD防護二極體測試。必要的程序修改細節，將列於文件最後。
VSS防護二極體的測試步驟為：首先，初始化SMU，接著設定並啟動SMU的輸出；接著，初始化切換硬體，並將DUT的所有接腳連至接地；然後，使用五百四十四個交點(Crosspoint)的FET矩陣，循環進行，其中包括中斷受測訊號接腳與接地的連結、將SMU連接受測的訊號接腳、量測受測訊號接腳與接地之間的電壓、分析所測得的電壓以了解測試結果、中斷SMU與受測訊號接腳之間的連結、重新連接受測的訊號接腳與接地。第四步則是停用SMU的輸出並關閉SMU的區段代碼(Session Handle)；最後，中斷所有訊號接腳與切換硬體之間的連結，並關閉NISE區段代碼。
初始化SMU 設定並啟動SMU輸出
可透過LabVIEW中的NI-DCPower API，以初始化、設定，並啟動PXI-4130 SMU的輸出。可參閱圖6的程式碼截圖。
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| 圖6 於LabVIEW中初始化、設定，並啟動SMU的輸出 |
將SMU的來源名稱填入Initialize VI，以進行SMU的初始化作業並提供SMU區段代碼。SMU區段代碼接著將傳送至後續的所有NI-DCPower VI。然後，SMU的Channel 1將設定為DC Current，亦即將供電予該通道以進行測試。只要在啟用SMU輸出之前，將所有參數設定完畢，則NI-DCPower Configuration VI可依任何次序進行接線。所需參數亦包含電流強度、電流強度範圍、電壓限制，與電壓限制範圍。
接著，Initialize VI的步驟則為niDCPower屬性節點。此步驟將讓SMU根據電流強度與電壓輸入限制，自動決定並設定電流強度與電壓限制範圍。緊接著屬性節點的VI，將確認SMU以DC Current模式作業。電流強度將設定為-100微安培(為了測試VSS防護二極體，Channel 1將設定讓電流導入SMU，且VSS防護二極體為順向偏壓)；而電壓限制，或稱電壓箝制則設定為3伏特(等於±3伏特)。
最後，「True」的Boolean值將輸入至Configure Output Enabled VI，以啟動SMU的輸出、將設定參數導入裝置，並讓SMU Channel 1傳輸-100微安培的電流。
初始化切換硬體 將DUT所有接腳連至接地
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| 圖7 初始化切換硬體，並將DUT的所有接腳連至接地 |
初始化切換硬體並進行設定，使VDD、VSS與所有受測裝置的訊號接腳均為接地狀態。透過LabVIEW，有多種方法可控制切換器；但要將切換硬體設計為系統的最佳方式，卻是透過NI Switch Executive API。可參閱圖7的程式碼截圖。
NI Switch Executive(NISE) Virtual Device Name將輸入至Open Session VI，以開啟系統中所有切換器的區段代碼。NI Switch Executive會將所有區段代碼儲存為單一NISE區段代碼，並重送至所有的後續NISE VI。而「Disconnect All」將針對NI Switch Executive區段所管理的切換裝置，中斷其所有連結。因此，可將切換系統設定為「未連接任何切換路由」的狀態。最後，連接GND到DUT路由群組中的所有線路，可讓切換硬體成為「VDD、VSS，與所有DUT訊號接腳均連至接地」的狀態。
單次測試一組訊號接腳
透過LabVIEW的For Loop，將可循環測試DUT的訊號接腳。可於For Loop中使用NI Switch Executive VI以中斷DUT的受測訊號接腳與接地，再將之連至SMU的Channel 1。並透過NI-DCPower VI以量測各組DUT訊號接腳到接地的電壓。在繼續For Loop的下一次循環之前，應先中斷DUT的受測訊號接腳與SMU Channel，並將其重新連至接地(圖8)。
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| 圖8 中斷GND、連接SMU、量測、中斷SMU，與重新連接GND |
透過上圖可發現：中斷受測訊號接腳與接地的連結、將SMU連接受測的訊號接腳、量測受測訊號接腳與接地之間的電壓、根據所測得的電壓決定測試結果、中斷SMU與DUT受測訊號接腳之間的連結，以及重新連接DUT的受測訊號接腳與接地。
只要使用NI Switch Executive所建立的路由群組(Route Group)，即可完成DUT訊號接腳的中斷與重新連結作業。路由群組可讓切換矩陣進入所需的狀態。第一個路由群組包含DUT訊號接腳到接地的線路，第二個群組則為DUT訊號接腳到SMU Channel 1的線路(表3)。
在LabVIEW中的NI Switch Executive Configuration API，將可透過程式設計的方式存取NI Switch Executive的所有功能，並可從所有路由群組中找出獨立的線路名稱。相關結果將為兩組字串陣列，分別由Route Group 1與Route Group 2(圖9)所組成。
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| 圖9 使用NI Switch Executive Configuration API的陣列輸出 |
將這些陣列傳送至For Loop中，則將自動索引陣列。舉例來說，在迴圈的第一次循環中，迴圈所將連接與中斷的索引線路為DUT_Signal_Pin0_to_GND與DUT_Signal_Pin0_to_SMU_Channel1。在迴圈的第二次循環中，索引過後的線路為DUT_Signal_Pin1_to_GND和DUT_Signal_Pin1_to_SMU_Channel1。此步驟將持續，直到陣列對各個元素索引完畢。且系統並不限於使用此命名方式。使用者可於「Switch Exec for OS」VI的「Route Group 1」與「Route Group 2」控制欄位中，輸入所需的陣列名稱。
根據DUT的Pass/Fail規格，即可了解DUT受測訊號接腳上的VSS防護二極體電壓量測為Pass，或因開/短路而Fail(圖10)。
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| 圖10 根據電壓量測獲得測試結果 |
在進行電壓量測並取得測試結果後，即可中斷SMU Channel 1與DUT的受測訊號接腳，並將受測接腳重新連至接地。
停用SMU輸出並關閉SMU區段代碼
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| 圖11 停用SMU的輸出並關閉SMU Session Handle |
透過NI-DCPower VI則可停用SMU的輸出，並關閉SMU的區段代碼，可參閱圖11的程式碼截圖。
若將「False」的Boolean值輸入至Configure Output Enabled VI，即可停用SMU的輸出，並停止Channel 1的-100微安培電流。Close VI將關閉SMU的區段代碼，並重新分配所省下的SMU電源。
請注意，當呼叫Close VI時，若電源輸出仍為啟用狀態，則Channel 1將保持現有狀態並繼續吸出(Sinking)電流。
中斷所有訊號接腳與切換硬體之間的連結 關閉NISE區段代碼
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| 圖12 中斷所有訊號接腳，並關閉NISE區段代碼 |
NI Switch Executive VI可透過切換硬體，以中斷VDD、VSS，與剩餘的訊號接腳，並關閉NISE區段代碼，可參閱圖12的程式碼截圖。
針對NI Switch Executive區段所管理的切換裝置，Disconnect All VI可再度中斷所有連結，因此切換系統將設定為「未連接任何切換器線路」的狀態。Close Session VI將關閉系統中所有切換器的區段代碼。雖然此動作並非必要，但可納入錯誤處理器(Error Handler)。若發生錯誤，則VI將回傳錯誤訊息，並依選項設定而顯示錯誤訊息對話框。
修改VDD防護二極體的測試程式碼
若要修改VSS防護二極體的測試作業，必須先停用SMU，接著將Channel 1的-100微安培強制電流變更為100微安培，再啟用SMU。For Loop亦可執行相同的連結與中斷作業、進行量測，並決定測試結果。
整合VSS與VDD防護二極體測試
在整合VSS與VDD防護二極體的測試結果後，即可得出各組DUT訊號接腳的最終結果。只有此兩組防護二極體的測試均為Pass，最終結果才能為Pass。目前有多種方式可顯示測試結果，但大抵不出將Booleans帶入LED陣列或者於陣列中格式化並顯示字串叢集。
(本文作者任職於美商國家儀器)