基于magnum 2 測試系統(tǒng)的NAND FLASH VDNF64G08RS50MS4V25-III的測試技術(shù)研究
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1. 引言
NAND FLASH是一種廉價、快速、高存儲密度、大容量的非易失性存儲器，廣泛應(yīng)用在需要存儲大量數(shù)據(jù)的場合。由于其塊擦除、頁編程比較快和容量比較大。NAND FLASH通常會伴隨壞塊，所以出產(chǎn)時會有壞塊標(biāo)記，這些壞塊通常不使用，而沒有標(biāo)記成壞塊的可正常使用。在使用過程中，由于環(huán)境和使用年限等因素的影響，通常會出現(xiàn)壞塊增長，這些壞塊的出現(xiàn)會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。所有通常在使用前可進(jìn)行測試，以找出增長的壞塊，本文章介紹了一種基于magnum II 測試機(jī)的NAND FLASH的測試方法。
2. VDNF64G08RS50MS4V25-III模塊介紹
1
2
2.1 VDNF64G08RS50MS4V25-III的結(jié)構(gòu)
VDNF64G08RS50MS4V25-III NAND FLASH存儲器采用疊層型立體封裝工藝進(jìn)行封裝，內(nèi)部采用4片相同型號的塑封芯片（型號：MT29F16G08ABABAWP-AITX:B，溫度等級：工業(yè)級-40～85℃，版本號：1612 WP 29F8G08ABABA AITX B 1-2 ，生產(chǎn)廠家：鎂光），分八層進(jìn)行疊裝，每層一個芯片。模塊的重量約為6.7±0.5克。其主要特性如下：
Ø 總?cè)萘浚?4G bit；
Ø 工作電壓：3.3V(典型值)，2.7~ 3.6V(范圍值)；
Ø 數(shù)據(jù)寬度：8位；
Ø 頁大?。?4K+224)byte；
Ø 塊大小：128頁=(512K+28K) byte；
Ø 片選塊容量：2048塊；
Ø 頁讀操作
—讀時間：25us(最大) ；
—串行讀取時間：25ns(最小) ；
Ø 快速寫周期時間
—頁編程時間：230us(典型) ；
—塊擦除時間：0.7ms(典型)。
圖1 VDNF64G08RS50MS4V25-III原理框圖
圖2 VDNF64G08RS50MS4V25-III存儲器基片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
2.2 VDNF64G08RS50MS4V25-III的引腳說明
VDNF64G08RS50MS4V25-III存儲器采用的是SOP封裝工藝，整塊芯片表面鍍金，這樣可以大幅度增強(qiáng)了芯片的抗干擾和抗輻射的能力，有利于該芯片能應(yīng)用于航空航天等惡劣的環(huán)境。
VDNF64G08RS50MS4V25-III 存儲器各引腳的功能說明如下：
VCC：+3.3V電源輸入端。濾波的旁路電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳, 并直接連接到地；
VSS：接地引腳；
#CE0/#CE1/#CE2/#CE3：片選信號，低電平有效時選中該片；
CLE: 命令鎖存，高電平有效；
ALE：地址鎖存，高電平有效；
#WE：寫信號，低電平有效，數(shù)據(jù)有效發(fā)生在相應(yīng)地址有效之后的兩個周期；
#RE：讀信號,低電平有效。
DQ0~DQ7：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳，地址輸入輸出腳；
#WP: 寫保護(hù)。
2.3 VDNF64G08RS50MS4V25-III的功能操作
表1 器件功能真值表
|
CE# |
CLE |
ALE |
WE# |
RE# |
DQ |
WP# |
MODE |
|
L |
H |
L |
H |
X |
H |
命令輸入 |
|
|
L |
L |
H |
H |
INPUT |
H |
地址輸入 |
|
|
L |
L |
L |
H |
INPUT |
H |
數(shù)據(jù)輸入 |
|
|
L |
L |
L |
H |
OUPUT |
X |
數(shù)據(jù)輸出 |
|
|
X |
X |
X |
X |
X |
X |
L |
寫保護(hù) |
|
H |
X |
X |
X |
X |
X |
0V/Vcc(2) |
待命狀態(tài) |
|
L |
X |
X |
H |
H |
X |
X |
總線閑置 |
注：“H”代表高電平，“L”代表低電平，“X”代表可以是任何狀態(tài)
3. VDNF64G08RS50MS4V25-III的電特性
VDNF64G08RS50MS4V25-III電特性見表2：
表2：產(chǎn)品電特性
|
電性 指標(biāo) |
技術(shù)參數(shù) |
符號 |
測試條件 |
最小值 |
最大值 |
單位 |
|
靜態(tài) 指標(biāo) （A1、A2、A3） |
輸入漏電電流 |
ILIL |
VCC=3.6V，VIN=0.0V |
-10 |
10 |
uA |
|
ILIH |
VCC=3.6V，VIN=3.6V |
-10 |
10 |
uA |
||
|
輸出漏電電流 |
ILOL |
VCC=3.6V,Vout=0.0V |
-10 |
10 |
uA |
|
|
ILOH |
VCC=3.6V,Vout=3.6V |
-10 |
10 |
uA |
||
|
靜態(tài)電流 |
ISB |
VCC=3.6V ，#CE=VCC-0.2 WP=VCC |
— |
400 |
uA |
|
|
矩陣讀電流 |
ICC1 |
VCC=3.6V ，tRC=100ns |
— |
51 |
mA |
|
|
矩陣編程電流 |
ICC2 |
VCC=3.6V ，tRC=100ns |
— |
51 |
mA |
|
|
擦除電流 |
ICC3 |
VCC=3.6V ，tRC=100ns |
— |
51 |
mA |
|
|
IO突發(fā)讀電流 |
ICC4R |
VCC=3.6V ，tRC=25ns, IOUT= 0mA |
— |
11 |
mA |
|
|
IO突發(fā)寫電流 |
ICC4W |
VCC=3.6V ，tWC=25ns, |
— |
11 |
mA |
|
|
總線閑置電流 |
ICC5 |
VCC=3.6V ，tRC=100ns |
— |
6 |
mA |
|
|
上電后首次復(fù)位電流 |
ICC6 |
VCC=3.6V ，tRC=100ns |
— |
11 |
mA |
|
|
輸出低電平 |
VOL |
VCC=2.7V IOL=2.1mA |
— |
0.4 |
V |
|
|
輸出高電平 |
VOH |
VCC=2.7V,IOH= -0.4mA |
2.4 |
— |
V |
|
|
開關(guān) 指標(biāo)（A4、A5、A6） |
讀信號低電平到數(shù)據(jù)輸出時間 |
tREA |
VCC=2.7V VOH=1.4V,VOL=1.4V |
— |
25 |
ns |
|
塊擦除時間 |
tBERS |
— |
- |
ms |
表3：AC特性
|
參數(shù) |
符號 |
最小值 |
最大值 |
單位 |
|
讀周期 |
tRC |
25 |
—— |
ns |
|
讀脈沖寬度 |
tRP |
12 |
—— |
ns |
|
讀信號高電平保持時間 |
tREH |
10 |
—— |
ns |
|
片選高電平到數(shù)據(jù)輸出高阻 |
tCHZ |
—— |
30 |
ns |
|
片選高電平到輸出數(shù)據(jù)保持時間 |
tCOH |
15 |
—— |
ns |
|
讀信號低電平到訪讀問時間 |
tREA |
—— |
20 |
ns |
|
塊擦除操作時間 |
tBERS |
—— |
3 |
ms |
|
片選信號低電平到讀訪問時間 |
tCEA |
—— |
25 |
ns |
|
讀信號低電平到輸出保持時間 |
tRLOH |
5 |
—— |
ns |
|
讀信號高電平到輸出高阻時間 |
tRHZ |
—— |
100 |
ns |
|
Ready信號到RE信號為低的延時 |
tRR |
20 |
—— |
ns |
|
讀高電平到輸出數(shù)據(jù)保持時間 |
tRHOH |
15 |
—— |
ns |
|
寫信號高電平后，CLE的保持時間 |
tCLH |
5 |
—— |
ns |
|
CLE至RE延時 |
tCLR |
10 |
—— |
ns |
|
CLE的建立時間 |
tCLS |
10 |
—— |
ns |
|
寫信號高電平后，片選的保持時間 |
tCH |
5 |
—— |
ns |
|
CE的建立時間 |
tCH |
20 |
—— |
ns |
|
寫信號周期 |
tWC |
25 |
—— |
ns |
|
寫信號上升前，ALE的建立時間 |
tALS |
10 |
—— |
ns |
|
ALE到RE延時 |
tAR |
10 |
—— |
ns |
|
ALE到數(shù)據(jù)輸出延時 |
tADL |
70 |
—— |
ns |
|
ALE的保持時間 |
tALH |
5 |
—— |
ns |
|
寫信號寬度 |
tWP |
12 |
—— |
ns |
|
寫信號為高到忙信號為低的延時 |
tWB |
—— |
100 |
ns |
|
寫信號為高到讀信號為低延時 |
tWHR |
60 |
—— |
ns |
|
頁編程時間 |
tPROG |
—— |
500 |
us |
|
寫信號高電平保持時間 |
tWH |
10 |
—— |
ns |
|
寫信號上升前，數(shù)據(jù)的建立時間 |
tDS |
10 |
—— |
ns |
|
寫信號上升后，數(shù)據(jù)的保持時間 |
tDH |
5 |
—— |
ns |
|
讀頁操作時間 |
tR |
—— |
25 |
us |
4. VDNF64G08RS50MS4V25-III的測試方案
在本案例中，我們選用了Teradyne公司的magnum II測試系統(tǒng)對VDNF64G08RS50MS4V25-III進(jìn)行全面的性能和功能評價。該器件的測試思路為典型的數(shù)字電路測試方法，即存儲陣列的讀寫功能測試及各項電特性參數(shù)測試。
3
4
4.1 magnum II測試系統(tǒng)簡介
Magnum II測試系統(tǒng)是上海Teradyne公司生產(chǎn)的存儲器自動測試機(jī)，它由主機(jī)和測試底架組成，每個測試底架包含5個網(wǎng)站裝配板（Site Assembly Board），每個裝配板有128組測試通道，可用來連接DUT（Device Under Test）的管腳，5個裝配板之間完全相互獨(dú)立，故可以聯(lián)合多個裝配板測試管腳數(shù)更多的產(chǎn)品。除了與主機(jī)通信的裝配板外，測試底架還包括系統(tǒng)電源供給、電源監(jiān)控板、冷卻風(fēng)扇、以太網(wǎng)集線器和測試板鎖定裝置。使用Magnum II測試系統(tǒng)時，通過主機(jī)編程的方式配置各裝配板，再由各裝配板對DUT進(jìn)行一系列向量測試，最終在主機(jī)的UI界面打印出測試結(jié)果。
Magnum II測試系統(tǒng)有著強(qiáng)大的算法模塊APG（Algorithmic Pattern Generator），可生成各種檢驗程序，即測試pattern，如棋盤格測試程序，反棋盤格測試程序，全空間全1測試，全空間全0測試，讀寫累加數(shù)測試，讀寫隨機(jī)數(shù)測試，對角線測試等，采用這些測試向量可以對器件進(jìn)行較為全面的功能檢測。
4.2 采用Magnum II測試系統(tǒng)的測試方案設(shè)計
1）硬件設(shè)計
按照magnum II測試系統(tǒng)的測試通道配置規(guī)則，繪制VDNF64G08RS50MS4V25-III的測試轉(zhuǎn)接板，要對器件速率、工作電流、抗干擾等相關(guān)因素進(jìn)行綜合考量。
2）軟件設(shè)計
考慮到使用該模塊為器件提供需要施加激勵信號的特殊性，我們采用了magnum II系統(tǒng)的特殊編程語言和C++編程語言，在VC++環(huán)境中調(diào)試測試程序，來完成相應(yīng)的控制操作。具體實(shí)施步驟如下：
A、按照magnum II的標(biāo)準(zhǔn)編程方法，先完成對VDNF64G08RS50MS4V25-III的Pin Assignments 定義，Pin Scramble定義，Pin Electronics，Time Sets等的設(shè)置。
B、確定Sequence Table Execution Order，編輯每一組測試項，即Test Block, Test Block 里面需要包含Pin Electronics，Time Sets，funtest()函數(shù)，funtest()函數(shù)中就會使用到pattern。
C、編輯pattern使用的是magnum II測試系統(tǒng)的特殊編程語言，運(yùn)用APG中各模塊的功能編輯所需要的算法指令，編譯生成object code。
4.3 VDNF64G08RS50MS4V25-III的功能測試
針對NAND FLASH等存儲單元陣列的各類故障模型，如陣列中一個或多個單元的一位或多位固定為0或固定為1故障（Stuck at 0 or 1 fault）、陣列中一個或多個單元固定開路故障（Stuck open fault）、狀態(tài)轉(zhuǎn)換故障（Transition fault）、數(shù)據(jù)保持故障（Data maintaining fault）、狀態(tài)耦合故障（Coupling fault）等，有相應(yīng)的多種算法用于對各種故障類型加以測試，本文采用，全0、全1，棋盤格、反棋盤格，累加，隨機(jī)數(shù)的測試算法。
1）APG簡介
APG即為Algorithmic Pattern Generator（算法模式生成器）模塊的簡稱，它其實(shí)就是一個簡單的電腦，用特殊的編程語言和編譯器生成目標(biāo)代碼供測試系統(tǒng)使用，APG主要由兩個地址生成器（XALU和YALU）、一個數(shù)據(jù)生成器(Data Generator)、一個時鐘選擇信號生成器(Chip Select)組成。
一組地址生成器最多可編輯24位地址長度，結(jié)合兩個地址生成器可產(chǎn)生一系列的地址算法，如單個地址的遞增（increment）、遞減(decrement)、輸出全為1(all 1s)、輸出全為0(zeros)等操作，兩個地址的關(guān)聯(lián)操作有相加(add)、相減(subtract)、或運(yùn)算(or)、與運(yùn)算(and)、異或(xor)運(yùn)算等，運(yùn)用這些地址算法可以非常靈活地尋址到器件的任一一個存儲單元，以滿足各種測試需求。
數(shù)據(jù)生成器最多可編輯36位數(shù)據(jù)長度，其功能除了有相加(add)、相減(subtract)、或運(yùn)算(or)、與運(yùn)算(and)、異或(xor)運(yùn)算等以外，還可以與地址生成的背景函數(shù)（bckfen）配合使用，以生成需要的數(shù)據(jù)，如當(dāng)?shù)刂窞槠鏀?shù)是生成0x55的數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)刂窞榕紨?shù)時生成0xaa的數(shù)據(jù)等等。
時鐘信號生成器最多可編輯18個片選通道，并且可產(chǎn)生4種不同的波形，即脈沖有效，脈沖無效，電平有效，電平無效。
除以上四個模塊外，APG還包括管腳定義模塊（pinfunc），計數(shù)器（count）,APG控制器（mar）等，使用magnum II特殊的編程語言并運(yùn)用這些模塊的功能編輯出所需要的算法指令，便可以對器件進(jìn)行功能測試。
4.4 VDNF64G08RS50MS4V25-III的電性能測試
針對NAND FLASH類存儲器件，其電性測試內(nèi)容主要有管腳連通性測試（continuity）、管腳漏電流測試(leakage)，電源管腳靜態(tài)電流測試(ICC1/ ICC2)、電源管腳動態(tài)電流測試(ICC3)、輸出高/低電平測試（voh/vol），時序參數(shù)測試(TACC、TOE、TCE)。
1） PMU簡介
PMU即為Parametric Measurement Unit，可以將其想像為一個電壓表，它可以連接到任一個器件管腳上，并通過force電流去測量電壓或force電壓去測量電流來完成參數(shù)測量工作。當(dāng)PMU設(shè)置為force 電流模式時，在電流上升或下降時，一旦達(dá)到系統(tǒng)規(guī)定的值，PMU Buffer就開始工作，即可輸出通過force電流測得的電壓值。同理，當(dāng)PMU設(shè)置為force 電壓模式時， PMU Buffer會驅(qū)動一個電平，這時便可測得相應(yīng)的電流值。NAND FLASH 器件的管腳連通性測試（continuity）、漏電流測試(leakage)、voh/vol測試均采用這樣的方法進(jìn)行。
2） 靜態(tài)電流測試((ICC1/ ICC2)、動態(tài)電流測試(ICC3)、時序參數(shù)測試(TACC、TOE)。
靜態(tài)電流測試不需要測試pattern，而動態(tài)電流測試需要測試pattern，使用的電流抓取函數(shù)分別是test_supply()和ac_test_supply()，需要注意的是測試靜態(tài)電流時器件的片選控制信號需置成vcc狀態(tài)，測試動態(tài)電流時負(fù)載電流（ioh/iol）需設(shè)為0ma。
對時序參數(shù)進(jìn)行測試時， pattern測試是必不可少的。采用逐次逼近法進(jìn)行，可以固定控制信號的時序，改變data strobe的時序來捉取第一次數(shù)據(jù)輸出的時間；也可以固定data strobe的時序，改變控制信號的第一次有效沿的時間，與data strobe的時序做差運(yùn)算即可得到器件的最快反應(yīng)時間。
參考文獻(xiàn)：
[1] Neamen,D.A.電子電路分析與設(shè)計——模擬電子技術(shù)[M]。清華大學(xué)出版社。2009：118-167。
[2] 珠海歐比特控制工程股份有限公司VDNF64G08RS50MS4V25-III使用說明書[Z]. 2013。
[3] Magnum II Programmer’s Manual。上海泰瑞達(dá)。
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