基于magnum 2 測(cè)試系統(tǒng)的NAND FLASH VDNF64G08RS50MS4V25-III的測(cè)試技術(shù)研究
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1. 引言
NAND FLASH是一種廉價(jià)、快速、高存儲(chǔ)密度、大容量的非易失性存儲(chǔ)器，廣泛應(yīng)用在需要存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。由于其塊擦除、頁(yè)編程比較快和容量比較大。NAND FLASH通常會(huì)伴隨壞塊，所以出產(chǎn)時(shí)會(huì)有壞塊標(biāo)記，這些壞塊通常不使用，而沒(méi)有標(biāo)記成壞塊的可正常使用。在使用過(guò)程中，由于環(huán)境和使用年限等因素的影響，通常會(huì)出現(xiàn)壞塊增長(zhǎng)，這些壞塊的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。所有通常在使用前可進(jìn)行測(cè)試，以找出增長(zhǎng)的壞塊，本文章介紹了一種基于magnum II 測(cè)試機(jī)的NAND FLASH的測(cè)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(chǔ)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(hào)的塑封芯片（型號(hào)：MT29F16G08ABABAWP-AITX:B，溫度等級(jí)：工業(yè)級(jí)-40～85℃，版本號(hào)：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(gè)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(yè)大小：(4K+224)byte；
Ø 塊大?。?28頁(yè)=(512K+28K) byte；
Ø 片選塊容量：2048塊；
Ø 頁(yè)讀操作
—讀時(shí)間：25us(最大) ；
—串行讀取時(shí)間：25ns(最小) ；
Ø 快速寫(xiě)周期時(shí)間
—頁(yè)編程時(shí)間：230us(典型) ；
—塊擦除時(shí)間：0.7ms(典型)。
圖1 VDNF64G08RS50MS4V25-III原理框圖
圖2 VDNF64G08RS50MS4V25-III存儲(chǔ)器基片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
2.2 VDNF64G08RS50MS4V25-III的引腳說(shuō)明
VDNF64G08RS50MS4V25-III存儲(chǔ)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(chǔ)器各引腳的功能說(shuō)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(hào)，低電平有效時(shí)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(xiě)信號(hào)，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(gè)周期；
#RE：讀信號(hào),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(xiě)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(xiě)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(jiàn)表2：
表2：產(chǎn)品電特性
|
電性 指標(biāo) |
技術(shù)參數(shù) |
符號(hào) |
測(cè)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(xiě)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(kāi)關(guān) 指標(biāo)（A4、A5、A6） |
讀信號(hào)低電平到數(shù)據(jù)輸出時(shí)間 |
tREA |
VCC=2.7V VOH=1.4V,VOL=1.4V |
— |
25 |
ns |
|
塊擦除時(shí)間 |
tBERS |
— |
- |
ms |
表3：AC特性
|
參數(shù) |
符號(hào) |
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(hào)高電平保持時(shí)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(shí)間 |
tCOH |
15 |
—— |
ns |
|
讀信號(hào)低電平到訪讀問(wèn)時(shí)間 |
tREA |
—— |
20 |
ns |
|
塊擦除操作時(shí)間 |
tBERS |
—— |
3 |
ms |
|
片選信號(hào)低電平到讀訪問(wèn)時(shí)間 |
tCEA |
—— |
25 |
ns |
|
讀信號(hào)低電平到輸出保持時(shí)間 |
tRLOH |
5 |
—— |
ns |
|
讀信號(hào)高電平到輸出高阻時(shí)間 |
tRHZ |
—— |
100 |
ns |
|
Ready信號(hào)到RE信號(hào)為低的延時(shí) |
tRR |
20 |
—— |
ns |
|
讀高電平到輸出數(shù)據(jù)保持時(shí)間 |
tRHOH |
15 |
—— |
ns |
|
寫(xiě)信號(hào)高電平后，CLE的保持時(shí)間 |
tCLH |
5 |
—— |
ns |
|
CLE至RE延時(shí) |
tCLR |
10 |
—— |
ns |
|
CLE的建立時(shí)間 |
tCLS |
10 |
—— |
ns |
|
寫(xiě)信號(hào)高電平后，片選的保持時(shí)間 |
tCH |
5 |
—— |
ns |
|
CE的建立時(shí)間 |
tCH |
20 |
—— |
ns |
|
寫(xiě)信號(hào)周期 |
tWC |
25 |
—— |
ns |
|
寫(xiě)信號(hào)上升前，ALE的建立時(shí)間 |
tALS |
10 |
—— |
ns |
|
ALE到RE延時(shí) |
tAR |
10 |
—— |
ns |
|
ALE到數(shù)據(jù)輸出延時(shí) |
tADL |
70 |
—— |
ns |
|
ALE的保持時(shí)間 |
tALH |
5 |
—— |
ns |
|
寫(xiě)信號(hào)寬度 |
tWP |
12 |
—— |
ns |
|
寫(xiě)信號(hào)為高到忙信號(hào)為低的延時(shí) |
tWB |
—— |
100 |
ns |
|
寫(xiě)信號(hào)為高到讀信號(hào)為低延時(shí) |
tWHR |
60 |
—— |
ns |
|
頁(yè)編程時(shí)間 |
tPROG |
—— |
500 |
us |
|
寫(xiě)信號(hào)高電平保持時(shí)間 |
tWH |
10 |
—— |
ns |
|
寫(xiě)信號(hào)上升前，數(shù)據(jù)的建立時(shí)間 |
tDS |
10 |
—— |
ns |
|
寫(xiě)信號(hào)上升后，數(shù)據(jù)的保持時(shí)間 |
tDH |
5 |
—— |
ns |
|
讀頁(yè)操作時(shí)間 |
tR |
—— |
25 |
us |
4. VDNF64G08RS50MS4V25-III的測(cè)試方案
在本案例中，我們選用了Teradyne公司的magnum II測(cè)試系統(tǒng)對(duì)VDNF64G08RS50MS4V25-III進(jìn)行全面的性能和功能評(píng)價(jià)。該器件的測(cè)試思路為典型的數(shù)字電路測(cè)試方法，即存儲(chǔ)陣列的讀寫(xiě)功能測(cè)試及各項(xiàng)電特性參數(shù)測(cè)試。
3
4
4.1 magnum II測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介
Magnum II測(cè)試系統(tǒng)是上海Teradyne公司生產(chǎn)的存儲(chǔ)器自動(dòng)測(cè)試機(jī)，它由主機(jī)和測(cè)試底架組成，每個(gè)測(cè)試底架包含5個(gè)網(wǎng)站裝配板（Site Assembly Board），每個(gè)裝配板有128組測(cè)試通道，可用來(lái)連接DUT（Device Under Test）的管腳，5個(gè)裝配板之間完全相互獨(dú)立，故可以聯(lián)合多個(gè)裝配板測(cè)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(cè)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(cè)試板鎖定裝置。使用Magnum II測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)主機(jī)編程的方式配置各裝配板，再由各裝配板對(duì)DUT進(jìn)行一系列向量測(cè)試，最終在主機(jī)的UI界面打印出測(cè)試結(jié)果。
Magnum II測(cè)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(yàn)程序，即測(cè)試pattern，如棋盤(pán)格測(cè)試程序，反棋盤(pán)格測(cè)試程序，全空間全1測(cè)試，全空間全0測(cè)試，讀寫(xiě)累加數(shù)測(cè)試，讀寫(xiě)隨機(jī)數(shù)測(cè)試，對(duì)角線測(cè)試等，采用這些測(cè)試向量可以對(duì)器件進(jìn)行較為全面的功能檢測(cè)。
4.2 采用Magnum II測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方案設(shè)計(jì)
1）硬件設(shè)計(jì)
按照magnum II測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試通道配置規(guī)則，繪制VDNF64G08RS50MS4V25-III的測(cè)試轉(zhuǎn)接板，要對(duì)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(jì)
考慮到使用該模塊為器件提供需要施加激勵(lì)信號(hào)的特殊性，我們采用了magnum II系統(tǒng)的特殊編程語(yǔ)言和C++編程語(yǔ)言，在VC++環(huán)境中調(diào)試測(cè)試程序，來(lái)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(duì)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(cè)試項(xiàng)，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(huì)使用到pattern。
C、編輯pattern使用的是magnum II測(cè)試系統(tǒng)的特殊編程語(yǔ)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(cè)試
針對(duì)NAND FLASH等存儲(chǔ)單元陣列的各類故障模型，如陣列中一個(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)單元固定開(kāi)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(duì)各種故障類型加以測(cè)試，本文采用，全0、全1，棋盤(pán)格、反棋盤(pán)格，累加，隨機(jī)數(shù)的測(cè)試算法。
1）APG簡(jiǎn)介
APG即為Algorithmic Pattern Generator（算法模式生成器）模塊的簡(jiǎn)稱，它其實(shí)就是一個(gè)簡(jiǎn)單的電腦，用特殊的編程語(yǔ)言和編譯器生成目標(biāo)代碼供測(cè)試系統(tǒng)使用，APG主要由兩個(gè)地址生成器（XALU和YALU）、一個(gè)數(shù)據(jù)生成器(Data Generator)、一個(gè)時(shí)鐘選擇信號(hào)生成器(Chip Select)組成。
一組地址生成器最多可編輯24位地址長(zhǎng)度，結(jié)合兩個(gè)地址生成器可產(chǎn)生一系列的地址算法，如單個(gè)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(gè)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(gè)存儲(chǔ)單元，以滿足各種測(cè)試需求。
數(shù)據(jù)生成器最多可編輯36位數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(shí)生成0xaa的數(shù)據(jù)等等。
時(shí)鐘信號(hào)生成器最多可編輯18個(gè)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(wú)效，電平有效，電平無(wú)效。
除以上四個(gè)模塊外，APG還包括管腳定義模塊（pinfunc），計(jì)數(shù)器（count）,APG控制器（mar）等，使用magnum II特殊的編程語(yǔ)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(duì)器件進(jìn)行功能測(cè)試。
4.4 VDNF64G08RS50MS4V25-III的電性能測(cè)試
針對(duì)NAND FLASH類存儲(chǔ)器件，其電性測(cè)試內(nèi)容主要有管腳連通性測(cè)試（continuity）、管腳漏電流測(cè)試(leakage)，電源管腳靜態(tài)電流測(cè)試(ICC1/ ICC2)、電源管腳動(dòng)態(tài)電流測(cè)試(ICC3)、輸出高/低電平測(cè)試（voh/vol），時(shí)序參數(shù)測(cè)試(TACC、TOE、TCE)。
1） PMU簡(jiǎn)介
PMU即為Parametric Measurement Unit，可以將其想像為一個(gè)電壓表，它可以連接到任一個(gè)器件管腳上，并通過(guò)force電流去測(cè)量電壓或force電壓去測(cè)量電流來(lái)完成參數(shù)測(cè)量工作。當(dāng)PMU設(shè)置為force 電流模式時(shí)，在電流上升或下降時(shí)，一旦達(dá)到系統(tǒng)規(guī)定的值，PMU Buffer就開(kāi)始工作，即可輸出通過(guò)force電流測(cè)得的電壓值。同理，當(dāng)PMU設(shè)置為force 電壓模式時(shí)， PMU Buffer會(huì)驅(qū)動(dòng)一個(gè)電平，這時(shí)便可測(cè)得相應(yīng)的電流值。NAND FLASH 器件的管腳連通性測(cè)試（continuity）、漏電流測(cè)試(leakage)、voh/vol測(cè)試均采用這樣的方法進(jìn)行。
2） 靜態(tài)電流測(cè)試((ICC1/ ICC2)、動(dòng)態(tài)電流測(cè)試(ICC3)、時(shí)序參數(shù)測(cè)試(TACC、TOE)。
靜態(tài)電流測(cè)試不需要測(cè)試pattern，而動(dòng)態(tài)電流測(cè)試需要測(cè)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(cè)試靜態(tài)電流時(shí)器件的片選控制信號(hào)需置成vcc狀態(tài)，測(cè)試動(dòng)態(tài)電流時(shí)負(fù)載電流（ioh/iol）需設(shè)為0ma。
對(duì)時(shí)序參數(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)， pattern測(cè)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(hào)的時(shí)序，改變data strobe的時(shí)序來(lái)捉取第一次數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間；也可以固定data strobe的時(shí)序，改變控制信號(hào)的第一次有效沿的時(shí)間，與data strobe的時(shí)序做差運(yùn)算即可得到器件的最快反應(yīng)時(shí)間。
參考文獻(xiàn)：
[1] Neamen,D.A.電子電路分析與設(shè)計(jì)——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(shuō)明書(shū)[Z]. 2013。
[3] Magnum II Programmer’s Manual。上海泰瑞達(dá)。
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