半导体数字集成电路测试技术概要(

数字类集成电路测试探讨集成電路測試基本原理簡介認識半導體測試設備半導體測試术語PMU對於OPEN/SHORT測試方式DC測試參數的方式FUNCTIONAL測試參數方式測試成本挑戰與趨勢認識半導體測試設備1.晶圆（Wafers）-晶片（Dice）-封装（Packages）2.自动测试设备（ATE）的总体认识3.负载板（Loadboards）、探测机（Probers）、机械手（Handlers）和温度控制单元（Temperatureunits）4.模拟、数字和存储器测试每个die都被测试以确保它能基本满足器件的特征或设计规格书（Specification），通常包括电压、电流、时序和功能的验证。在一个Die封装之后，需要经过生产流程中的再次测试。这次测试称为“Finaltest”（即我们常说的FT测试）或“Packagetest”。商业用途（民品）芯片通常会经过0℃、25℃和75℃条件下的测试，而军事用途（军品）芯片则需要经过-55℃、25℃和125℃。測试系统用来验证一片晶圆上的某个独立的Die的正确与否，需要用ProbeCard来实现测试系统和Die之间物理的和电气的连接，而ProbeCard和测试系统内部的测试仪之间的连接则通过一种叫做“Loadboard”在CP测试中，Loadboard和Probecard一起使用构成回路使电信号得以在测试系统和Die之间传输,当Die封装出来后，它们还要经过FT测试，这种封装后的测试需要手工将一个个这些独立的电路放入负载板（Loadboard）上的插座（Socket）里，这叫手工测试（handtest）或是和一种快速进行FT测试的方法是使用自动化的机械手（Handler）.1.儲存類測試機2.模拟器件測試機3.混合訊號測試機4.數字測試系統低端的测试机被用来测试低价格或者低性能的低端产品，通常是些管脚少、复杂度低的器件；一般运行于低于20MHz的时钟频率，且只能存储少量的测试向量；用于小规模（SSI）或中规模（MSI）集成电路的测试。高端的测试机则是速度非常快（时钟频率高）、测试通道非常多的测试系统；时钟频率通常会达到400MHz，并能提供1024个测试通道；拥有高精度的时钟源和百万bit位的向量存储器。它们被用于验证新的超大规模（VLSI）集成电路，但是昂贵的成本阻碍了他们用于生产测试。而半导体测试工业普遍使用的是中高端的测试设备，它们拥有较好的性价比，在对测试成本非常敏感的半导体测试行业，这无疑是非常重要的。这类测试设备多运行在50-100MHz，提供256个测试通道，通常带有一些可选的配置。數字測試系統半導體測試術語1．DUT需要被实施测试的半导体器件通常叫做DUT（DeviceUnderTest，我们常简称“被测器件”）。数字电路期间的引脚分为“信号”、“电源”和“地”三部分。信号脚，包括输入、输出、三态和双向四类，输入：在外部信号和器件内部逻辑之间起缓冲作用的信号输入通道；输入管脚感应其上的电压并将它转化为内部逻辑识别的“0”和“1”电平。输出：在芯片内部逻辑和外部环境之间起缓冲作用的信号输出通道；输出管脚提供正确的逻辑“0”或“1”的电压，并提供合适的驱动三态：输出的一类，它有关闭的能力（达到高电阻值的状态）。双向：拥有输入、输出功能并能达到高阻态的管脚。电源脚，“电源”和“地”统称为电源脚，因为它们组成供电回路，有着与信号引脚不同的电路结构。VCC：TTL器件的供电输入引脚。VDD：CMOS器件的供电输入引脚。VSS：为VCC或VDD提供电流回路的引脚。GND：地，连接到测试系统的参考电位节点或VSS，为信号引脚或其他电路节点提供参考0电位；对于单一供电的器件，我们称VSS为GND。2.測試程序测试程序通常分为几个部分，如DC测试、功能测试、AC测试等。DC测试验证电压及电流参数；功能测试验证芯片内部一系列逻辑功能操作的正确性；AC测试用以保证芯片能在特定的时间约束内完成逻辑操作。程序控制测试系统的硬件进行测试，对每个测试项给出pass或fail的结果。Pass指器件达到或者超越了其设计规格；Fail则相反，器件没有达到设计要求，不能用于最终应用。测试程序还会将器件按照它们在测试中表现出的性能进行相应的分类，称为“分Bin”.举个例子，一个微处理器，如果可以在150MHz下正确执行指令，会被归为最好的一类，称之为“Bin1”；而它的某个兄弟，只能在100MHz下做同样的事情，性能比不上它，但是也不是一无是处应该扔掉，还有可以应用的领域，则也许会被归为“Bin2”，卖给只要求100MHz的客户。程序还要有控制外围测试设备比如Handler和Probe的能力；还要搜集和提供摘要性质（或格式）的测试结果或数据，这些结果或数据提供有价值的信息给测试或設備工程师，用于良率(Yield)分析和控制。3.測試程序用途WaferTest——测试晶圆PackageTest——FT测试QualityAssuranceTest——质量保证测试4.測試系統1.DC子系统包含有DPS（DevicePowerSupplies，器件供电单元）DPS为被测器件的电源管脚提供电压和电流；2.RVS为系统内部管脚测试单元的驱动和比较电路提供逻辑0和逻辑1电平提供参考电压，这些电压设置包括：VIL、VIH、VOL和VOH。3.这里先提及一个概念，“testerpin”，也叫做“testerchannel”，它是一种探针，和Loadboard背面的Pad接触为被测器件的管脚提供信号。当测试机的pins共享某一资源，比如RVS，则此资源称为“SharedResource”。PMU（精密测量单元，PrecisionMeasurementUnit）电路以进行精确的DC参数测试，一些系统的PMU也是perpin结构，安装在测试头（TestHead）中。4.高速的存储器称为“patternmemory”—去存储测试向量（pattern）。Testpattern实际上它就是一个二维的真值表稱测试向量”描绘了器件设计所期望的一系列逻辑功能的输入输出的状态，测试系统从patternmemory中读取输入信号或者叫驱动信号（Drive）的pattern状态，通过testerpin输送给待测器件的相应管脚；再从器件输出管脚读取相应信号的状态，与pattern中相应的输出信号或者叫期望（Expect）信号进行比较。5.Timing分区存储有功能测试需要用到的格式、掩盖（mask）和时序设置等数据和信息，信号格式（波形）和时间沿标识定义了输入信号的格式和对输出信号进行采样的时间点。Timing分区从patternmemory那里接收激励状态（“0”或者“1”），结合时序及信号格式等信息，生成格式化的数据送给电路的驱动部分，进而输送给待测器件。6.SpecialTesterOptions部分包含一些可配置的特殊功能，如向量生成器、存储器测试，或者模拟电路测试所需要的特殊的硬件结构7.TheSystemClocks为测试系统提供同步的时钟信号，这些信号通常运行在比功能测试要高得多的频率范围.特別分析功能性PMU（PrecisionMeasurementUnit，精密测量单元）用于精确的DC参数测量，它能驱动电流进入器件而去量测电压或者为器件加上电压而去量测产生的电流。驱动模式和测量模式（ForceandMeasurementModes）在对PMU进行编程时，驱动功能可选择为电压或电流：如果选择了电流，则测量模式自动被设置成电压；反之，如果选择了电压，则测量模式自动被设置成电流。一旦选择了驱动功能，则相应的数值必须同时被设置。驱动线路和感知线路（ForceandSenseLines）为了提升PMU驱动电压的精确度，常使用4条线路的结构：两条驱动线路传输电流，另两条感知线路监测（DUT）的电压。这缘于欧姆定律，大家知道，任何线路都有电阻，当电流流经线路会在其两端产生压降，这样我们给到DUT端的电压往往小于我们在程序中设置的参数。量程设置（RangeSettings）边界设置（LimitSettings）钳制设置（ClampSettings）图显示PMU驱动5.0V电压施加到250ohm负载的情况，在实际的测试中，DUT是阻抗性负载，从欧姆定律I=V/R我们知道，其上将会通过20mA的电流。器件的规格书可能定义可接受的最大电流为25mA，这就意味着我们程序中此电流上限边界将会被设置为25mA，而钳制电流可以设置为30mA五、管脚电路管脚电路（叫PinCard、PECard）是测试系统资源部和待测期间之间的接口，它给DUT提供输入信号并接收待测器件的输出信号。提供输入信号的驱动电路驱动转换及电流负载的输入输出切换开关电路检验输出电平的电压比较电路与PMU的连接电路（点）可编程的电流负载用于高速电流测试的附加电路Perpin的PMU结构1.驱动单元（TheDriver）2.电流负载单元（CurrentLoad）3.电压比较单元（VoltageReceiver）4.PMU连接点（PMUConnection）5.高速电流比较单元（HighSpeedCurrentComparators）6.测试开发基本规则第三章PMU開路短路測試开短路测试（Open-ShortTest），测试的目的和方法一.测试目的Open-ShortTest也称为ContactTest，用以确认在器件测试时所有的信号引脚都与测试系统相应的通道在电性能上完成了连接，并且没有信号引脚与其他信号引脚、电源或地发生短路。Open-Short测试能快速检测出DUT是否存在电性物理缺陷，如引脚短路、bondwire缺失、引脚的静电损坏、以及制造缺陷等。另外，在测试开始阶段，Open-Short测试能及时告知测试机一些与测试配件有关的问题，如ProbeCard或器件的Socket没有正确的连接。二．测试方法基于PMU的Open-Short测试是一种串行（Serial）静态的DC测试。首先将器件包括电源和地的所有管脚拉低至“地”（即我们常说的清0），接着连接PMU到单个的DUT管脚，并驱动电流顺着偏置方向经过管脚的保护二极管——一个负向的电流会流经连接到地的二极管（图3-1），一个正向的电流会流经连接到电源的二极管（图3-2），电流的大小在100uA到500uA之间就足够了。大家知道，当电流流经二极管时，会在其P-N结上引起大约0.65V的压降，我们接下来去检测连接点的电压就可以知道结果了。既然程序控制PMU去驱动电流，那么我们必须设置电压钳制，去限制Open管脚引起的电压。Open-Short测试的钳制电压一般设置为3V——当一个Open的管脚被测试到，它的测试结果将会是3V。当然，Open-Short也可以使用功能测试（FunctionalTest）来进行。poweron(bs)stbm(2MS);ifvm(100UA,c3);limit(0.2V,1.5V,r2);clp(4V);mpin(1-811-18);mtest(1,fbin2);ifvm(-100UA,c3);limit(-1.5V,-0.2V,r2);mpin(1-811-18);mtest(1,fbin2);测试下方连接到地的二极管，用PMU抽取大约-100uA的反向电流；设置电压下限为-1.5V，低于-1.5V（如-3V）为开路；设置电压上限为-0.2V，高于-0.2V（如-0.1V）为短路。此方法仅限于测试信号管脚（输入、输出及IO口），不能应用于电源管脚如VDD和VSS.测试上方连接到电源的二极管，用PMU驱动大约100uA的正向电流；设置电压上限为1.5V，高于1.5V（如3V）为开路；设置电压下限为0.2V，低于0.2V（如0.1V）为短路。此方法仅限于测试信号管脚（输入、输出及IO口），不能应用于电源管脚如VDD和VSS.第四章DC測試參數的方式DC参数测试n欧姆定律等基础知识nDC测试的各种方法n各种DC测试的实现n各类测试方法的优缺点基本术语HotSwitching热