液晶屏显示驱动芯片测试技术研究
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摘要：液晶屏显示驱动芯片广泛应用于数码产品领域，近年来与之配套的驱动芯片的需求量也大幅度增加。驱动芯片测试贯穿在芯片的设计、制造与应用的全过程中，是保证芯片品质的重要手段。由于驱动芯片不同于一般的通用芯片，通用测试手段无法用于该类芯片的测试，目前该技术主要掌握在国外企业手中，因此在驱动芯片设计与制造的产业链中，测试技术已成为制约发展的一个瓶颈。针对此背景，本文提出一套高效、实用测试方法，采用多通道与高压模拟通道同步测试技术、色阶测试技术、特殊封装的适应性技术和ATE等技术，可以实现减少测试费用、提高驱动芯片测试吞吐量的同时也能保证客户对芯片质量的严格要求。
关键词：液晶显示驱动芯片 芯片测试 多通道同步测试 色阶测试
中图分类号：TN873 文献识别码：A 文章编号：1007-9416（2016）04-0000-00
Abstract：LCD display driver chip is widely used in the field of digital products， in recent years， the driving chip demand has a substantial increase. Drive chip testing throughout the whole design， manufacturing and application process， the chip test is an important means to ensure the quality of the chip. The driver is different from the general chip， so general test methods cannot be used for this type of chip， at present this technology is mainly hold by foreign companies. Therefore， in the design and manufacture of driving chip industry chain， testing technology has become a bottleneck which restricted the industrial development. Under this background， there proposed a set of effective and practical test method， which can effectively ensure product quality and reduce the cost of chip test at the same time by using multi channel， high voltage simulation channels synchronous test technology， color gradation test technology， special package technology adaptability and ATE technology. This method can make fast and accurate testing of all kinds of driving chips.
Keywords： LCD driver chip， chip test， multi-channel synchronous test， color gradation test
液晶屏显示驱动（LCD Driver）芯片主要用于仪器、仪表、手机、电脑、电视、便携式数码产品等领域的液晶屏显示器的驱动。最近这些年，消费者对带有液晶屏设备的需求随着手机、GPS设备、MP3/MP4播放器、车载娱乐电子和可穿戴设备等产品的日益广泛应用（且代纪更新快速）呈现急剧增加的状态。需求驱动生产，液晶屏 Driver芯片的产量也同步增加。
目前，虽然以京东方、华虹NEC为代表的多家企业投入大量资金研发LCD Driver芯片，但国内LCD Driver芯片市场仍被外国企业垄断。消费电子产品价格敏感性特别明显，如何减低成本成为厂商占领、扩大市场份额的一个决定性因素。目前测试成本已占芯片总成本的30%以上，所以设计一套高效的芯片测试方法可以大幅降低芯片成本，以适应激烈的市场竞争显得尤为重要。由于通用测试手段无法直接用于LCD Driver芯片的测试，因此在LCD Driver芯片设计与制造的产业链中，测试已成为制约发展的一个瓶颈。
由于LCD Driver芯片测试技术含量高、技术进步快，目前，LCD Driver测试技术完全掌握在日本、美国等企业手中，我国至今还没有成熟的技术可应用于量产测试，目前国内有学者进行了相关的研究，其中有部分研究只是针对某些单项进行研究[1][2][3]，测试技术还停留在实验室。而还有些研究者只是针对某些特定信号的驱动芯片进行了测试[4][5][6]。另一些学者就针对驱动芯片里的某些功能和芯片展开了研究[7][8][9]。
本文提出一套高效、实用测试方法，采用多通道与高压模拟通道同步测试技术、色阶测试技术、特殊封装适应性技术和ATE等技术，并结合LCD Driver芯片的特点开展深入研究。通过这些方法可以实现减少测试费用、提高驱动芯片测试吞吐量的同时也能保证客户对芯片质量的严格要求。
1 关键技术介绍
LCD Driver芯片有以下几个特点：频率高、差分低摆幅、精度要求高、模拟测试通道数量众多且需要并测。本文针对这些特点开展共性与关键测试技术研究，从而提高ATE系统测试效率、优化测试结果。LCD驱动芯片内部包括了多路电压、电流源，通过改变电压输出值使得液晶屏面板产生不同的输出色彩，因而它的性能直接决定LCD的显示效果。针对驱动芯片主要进行如下几个关键技术的研究，下面依次进行介绍。
1.1 开展多通道与高压模拟通道同步测试技术研究
LCD驱动控制芯片是典型的数-模混合SOC芯片，对于该类型芯片，通常器件的输入、输出和各类IO PIN数量较多，其中模拟PIN又占有绝大比例。如何对该类芯片众多的输入、输出PIN进行并行同步测量是该项测试技术的难点之一，且模拟管脚测试时容易受到众多因素的影响、比较常见的因素有系统纹波工频干扰、复杂接地网络互联和其他测试中通常可忽略的管脚寄生电容的影响等，这些因素都使得测试精度变差。而数字管脚中，数据速率多在200MHz以上， EMC问题也同样不可忽视。
针对多管脚高速器件，测试中如何实现多信号同步是另一项技术难点，本文针对该技术难点采用了数字接口硬件，利用数据寄存器和锁存器的硬件实现方法来进行多信号同步，其硬件实现框架如图1所示。
1.2 开展色阶测试技术研究
LCD Driver器件的一个核心测试项目就是色阶测试，这部分测试解决直接反映了IC的产品质量。基于白盒测试原理，ATE或者外部激励施加不同的、特定的RGB信号编码序列，LCD驱动芯片应该输出在指标范围内的电压信号。这些电压信号是否符合指标要求也就同时决定了该器件在正常使用阶段能否驱动液晶屏显示正确的色彩。每个驱动IC电压输出对应8比特编码，8位二进制输入可产生2的8次方共64个编码序列，根据需求不同，有两种方法对LCD驱动器件的模拟输出进行测试。一种是快速低精度的电压比较方法；一种是相对慢速高精度的电压均值采样测试方法，电压测量精度取决于采样ADC位宽和部件整体噪声水平。表1列出了编码序列对应的模拟电压值，如表1所示。
对于大屏幕的显示器件来说，Driver IC的输出PIN数量巨大。一般的数字采样测量单元测试部件的测试时间为几到几十个微秒，本次测试的样品共645个待测管脚，每管脚包含128个电压值，每次测试包含82560项测试结果，由此可知测试时间将会比较长。通过实践中大量实验与技术验证，采用了两个技术方法来优化总体测试时间。首先，在测试系统总成本允许的情况下，测试设备提供更多可同步并行工作的采样测量单元，在单位时间内同时对多个LCD驱动器件的输出进行采样。其次根据被测器件特点，选用采样频率更快的测量单元进行连续采样、并优化后台数据传输与采用分布式数据处理方式，也可进一步提升测试效率，提高测试吞吐量。
研究中开发了专门的测试软件作为测试工具来完成色阶测试，解决测试过程中耗时长的问题。利用本文搭建的测试系统，在645管脚中随机抽取一个管脚的测试数据与参考数据进行比较，分别记录误差百分比。根据测试结果可以看出，原测试数据在±0.4%范围内波动，波动比较大，通过本系统进行优化和改进后，测试数据在±0.25%范围内波动，波动范围变小，满足测试要求。在645个管脚中随机抽取一组管脚的某一个电压值进行数据分布分析，以此评估测试系统的测试稳定性。原测试结果在8.07～8.14范围内波动，波动范围约为0.86%。通过本文的优化方法以后，从图2中可以看出，分布数据在8.09～8.12范围内波动，波动范围约为0.37%，较之前的测试结果有明显改进。如图2所示。
从以上的对比结果来看，经过本文的优化和改进后，测试精度和测试稳定性都有很大的提高的改善。
1.3 特殊封装的适应性技术
考虑到缩小LCD模块尺寸、提高集成度的具体需求，厂商多采用COG（chip on glass）封装方式来封装驱动芯片。但从测试角度来讲，这种封装形式却极大增加了测试的难度与成本。集成电路全周期生产工艺中通常包含有两个测试环节，中测（CP）与成测（FT），分别在wafer阶段和封装完成后阶段对器件功能特性和直流参数等指标进行完整验证。
在wafer测试阶段，ATE测试机台采用线缆或者直接硬连接方式与探针卡相连，探针卡最终再通过探针与wafer上的IC pad相连接。对于LCD驱动IC高密度和高频的测试需求来讲，如何保证探针卡信号完整性和通用适配性也是整个测试过程需要重点解决的问题之一。由于测试通道信号频率较高（100MHz以上），探卡与测试设备采用直接硬连接的方式，尽量减小系统本身和外部电磁环境的影响。
本项目将对特殊封装的适应性方案进行研究，提出了一种能够适用于多种封装并能够根据不同封装形式快速转换的技术方案。方案使用PCB设计形式，所有信号输出至探卡，通过探针与被测管芯连接。探针卡如图3所示。
探卡制作过程中有如下技术关键点。
（1）信号阻抗与skew偏斜控制。通过仿真计算，设定高速差分线宽6mil，间距8mil，阻抗控制为100欧姆。并严格按照提供完整信号回流参考平面的要求，为高速通道信号提供完整电源或者地参考平面。对数据组信号约束等长要求在50mil范围内，严格控制信号间的skew偏差。
（2）地信号连接。首先保证模拟电路和数字电路的地线不能直接连接，系统设计上采用了远端汇流排共地连接的方式。PCB上根据信号类型划分不同的模拟信号区域和数字信号区域，并参考相应的地平面，且两个地平面不能重叠。当地平面信号构成完整环路系统时，可以大大增加系统噪声容忍度。
（3）EMC设计，选择合理的导线宽度，应尽量减小印制导线的电感量；采用正确的布线策略采用平等走线可以减少导线电感，如果布局允许，最好采用井字形网状布线结构；在电路设计中，通常采用源端匹配和终端匹配两种电阻匹配方式来减小信号的反射。LVCMOS电平常用设计为源端串接30欧姆左右电阻吸收反射回来的能量，终端匹配通常对电源和地信号各接100欧姆左右的电阻。具体设计需求不同，匹配电阻阻值的选择还同时需根据具体IC数据手册中的输出电流及输入电流来决定。
探卡制作完成后，对探卡分别进行信号传输测试、探针间阻抗随频率变化的测试。通过ATE测试设备对探卡施加信号，在探针端对信号进行测量。数据信号输出形态良好，没有明显变形，输出信号相比输入信号延时约0.5nS，对芯片测试无影响。另采用阻抗分析仪对探卡的阻抗特性进行了分析测试，测试频率范围在5MHz到40MHz，数据显示探卡印制线电容在测试范围内最大值为0.32pF，最小值为0.18pF，与测试频率呈现负相关，即在高频下电容较小，因此对高频信号没有明显影响。基于以上判断，探卡可以满足高频测试的要求。
4结语
液晶屏显示驱动芯片测试技术是整个驱动芯片设计制造过程中的关键技术，是保证芯片品质的重要手段。本文提出了一个实用的测试方案，同常规采用的方法相比，在减少测试时间、提高ATE测试效率上具有一定优势。方案中设计制作的自适应探卡，可以匹配不同型号的驱动芯片。通过这些方法可以实现减少测试费用、提高驱动芯片测试吞吐量，实现对LCD驱动芯片的高效、高质量测试，对液晶驱动芯片测试技术的发展起到了一定的推动作用。
参考文献
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收稿日期：2016-02-23
作者简介：濮德龙（1964―），男，江苏南京人，本科，高级工程师，毕业于北京邮电大学，研究方向：微电子测试。