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半导体测试基础 - 基本概念

随着芯片集成度越来越高,手动测试已无法满足需求,因此要用到自动化测试设备(ATE,Automated Test Equipment)。因为现在的芯片原来越复杂,普通的 Bench 测试没法满足需求。ATE 可检测集成电路功能之完整性,是集成电路生产制造最终的流程,确保产品质量。芯片测试算是半导体产业链上游里面最末端的一个组成部分。受测试的器件主要分几类:储器、数字电路、模拟电路和混合信号电路。

ATE 内部有很多子系统,包括提供高低电平的驱动电路、可编程的电流负载、检测输出电压的比较器、PMU 连接电路、高速电流比较器、高速开关等。

从上图可以看出,测试系统主要由输入、输出和动态负载三部分组成:

  • 输入部分:给 DUT 提供 VIL/VIH 电压。
  • 输出部分:将 DUT 的输出电压与 VOL/VOH 作比较。
  • 动态负载
  • 通过加载 IOL/IOH 电流,得到输出电压,与 VOL/VOH 作比较。
  • 直接将输出电流与 ILow/IHigh 作比较(一般高端机台才有)。

测试最基础的是测 DC 和 AC 参数。DC 参数用的方法可以是 Static,就是用 PE 卡的 Driver 和 PMU,然后 Force V Measure I 或 Force I Measure V ;也可以用 Functional 的方法,就是 Current Load 和 Voltage Comparator,然后跑 Pattern 来测试。

信号的输入与输出

信号是如何生成并输入 DUT 的:

信号是如何从 DUT 读出并测试的:

输入信号的格式

  • RZ(Return to Zero):归零码,在一个周期内用二进制传输数据位,当数据位脉冲结束后,需要维持低电平。这种编码能同时传输时钟与数据信号,但因为一部分带宽被归零占用,所以传输效率相对不高。上升下降沿的位置可受 Edge Timing 控制。
  • RO(Return to One):归一码,与 RZ 相反,需要维持在高电平。上升下降沿的位置可受 Edge Timing 控制。
  • NRZ(Non Return to Zero):不归零码与 RZ 的区别是它不必归零,所以一个周期可以全部用来传输数据,带宽利用率 100%。如果传输低速异步数据,可以不加时钟线,但要约定通信波特率(如 UART);传输高速同步数据,需要另外配时钟线。NRZ 不受 Edge Timing 的控制。
  • DNRZ(Delayed Non Return to Zero):延时不归零码是 NRZ 加了时间延迟的波形。延时的时间受 Edge Timing 控制
  • SBC(Surrounded By Complement ):补码环绕相当于 RZ 和 RO 的叠加。它每个周期内最多可以有 3 个边沿,在 T0 时反转数据,延迟一定时间后表现为预设的值,维持一定时间后又反转回去。SBC 多用于建立 / 保持信号的控制。
  • ZD(Impedance Drive):阻抗驱动用于控制引脚开启或关断(高阻态)。

时钟信号通常使用 RZ/RO 格式,上升沿有效的信号(如片选 CS 或读 READ)常使用 RZ 格式;下降沿有效的信号(如输出始能 OE 常使用 RO 格式;拥有建立和保持时间要求的数据信号常使用 SBC 格式;其他的输入信号则可以使用 NRZ 或 DNRZ 格式。

输出信号格式

高低电平输出

引脚输出高低电平逻辑时,高电平必须至少要比 VOH 高,低电平至少比 VOL 低。

高阻态输出

DUT 引脚由外部负载将电压拉到 VOL 与 VOH 之间,不能输出电压电流。

负载电流输出

DUT 有些引脚可以输出负载电流。如果测试系统有可编程电流负载就可以直接测试,如果没有就可能要外加电阻测试。负载电流输出需要在 VOL/VOH 达标的情况下输出指定的 IOL/IOH 电流。

常用术语解释

晶圆、晶粒与封装

芯片设计制造的流程:

晶圆(Wafer),晶粒(Die,复数 Dice,也称裸片)与封装后的芯片(Package Device)的关系如下:

经过测试和墨点标示的晶圆:

CP 测试与 FT 测试

CP(Chip Probe)测试是芯片还在 Wafer 阶段时,就通过探针卡扎到芯片管脚上对芯片进行性能及功能测试。FT(Final Test)是芯片在封装完成以后进行的最终测试。

测试设备术语

  • DUT(Device Under Test):待测设备,外部信号通过 DUT 的引脚对其进行测试。也称为 UUT(Device Under Test)。
  • DPS(Device Power Supplies):为 DUT 直接提供电压与电流的设备。
  • PMU(Precision Measurement Unit):精密测量单元,用于精确测量器件的直流特性。
  • PPMU(Per Pin Measurement Unit):每个引脚上都有 PMU 用于测量。
  • DIB(Device Interface Board):设备接口板,也称 LOAD board。
  • PIB(Probe Interface Board):探针接口板,用于 Wafer Probe。
  • PDP(Prober docking plate):探针台对接板。
  • PROBE CARD:带探针的 PCB,用于 Wafer Probe。
  • BINNING:根据测试结果对 DUT 进行筛选。
  • MANIPULATOR:支撑测试头并允许其向多个方向移动的结构。
  • HANDLER:全称 IC pick up and place handler,自动分选机,用于将 DUT 放置在测试头插座中的机械。
  • PROBER:探针台,在测试探针下移动晶片的机械单元。

测试中的参数

  • VCC:对 TTL 器件的供电。
  • VDD:对 CMOS 器件的供电。
  • ICC:对 TTL 器件的驱动电流。
  • IDD:对 CMOS 器件的驱动电流。
  • VSS:提供电源回流路径。
  • GND:参考电平,在单电源供电设备上常等价于 VSS。
  • IDD:从 CMOS 设备中消耗的电流。
  • ICC:从 TTL 设备中消耗的电流。
  • VIH:高电平输入时的最低电压限制(不会被识别成 0)。
  • VIL:低电平输入时的最高电压限制(不会被识别成 1)。
  • VOH:高电平输出时的最低电压限制(不会被识别成 0)。
  • VOL:低电平输出时的最高电压限制(不会被识别成 1)。
  • IIH:输入引脚逻辑为高电平时,允许的最大灌电流。
  • IIL:输入引脚逻辑为低电平时,允许的最大漏电流。
  • IOH:输出引脚逻辑为高电平时,驱动 / 拉电流(source)的大小。
  • IOL:输出引脚逻辑为低电平时,灌电流(sink)的大小。
  • IOZH:输出引脚逻辑为高电平且处于高阻状态时,允许通过的最大电流。
  • IOZL:输出引脚逻辑为低电平且处于高阻状态时,允许通过的最大电流。

  • Propagation Delay:从信号输入到输出信号发生改变的时间间隔。

  • Rise Time:从高电平的 10% 上升到 90% 所需的时间。
  • Fall Time:与上面相反。

热切换(Hot Switching)

热切换也称带电流切换,指的是继电器在 电流在流动时 进行开关切换(可以有电压,两边电压保持一致即可)。这样可能会使继电器的寿命变短,或损坏继电器,需要通过编程来避免这样的情况。

闩锁效应(Latch-up)

当对某个引脚施加过高的电压时,导致 CMOS 器件中出现大电流,造成局部电路受损甚至烧毁。

固定型故障(Stuck-At Fault)

固定型故障(SAF)指的是信号引脚由于制造缺陷(defect),被固定在了 0/1/Z 电平的状态,从而造成了故障。

Binning

Binning 是根据测试结果对 DUT 进行筛选分组,举个例子:

Hard Binning 指的是使用 Handler 一类的机器分类为两堆;Soft Binning 指的是在软件内记录区分不良品,不在物理上分类。

Binning 的过程至少需要有两个 bin,以区分某个测试结果通过或者不通过。

测试流程(Program Flow)

测试流程的设计对整个测试而言十分重要。比如说某些 DC 测试需要预处理(设定特定的设备逻辑,例如功能测试),少了预处理将导致后续步骤的结果毫无意义。

测试流程的设计需要考虑很多因素:测试量的大小、需要测试哪些参数、怎么去进行 Binning 等待。通常会使用流程图来呈现,确保测试流程满足需求。

基本测试项目:

  • 接触 / 连续性测试(Contact/Continuity Test):检查器件引脚中开路 / 短路问题。
  • 直流特性测试(DC PARAMETRICS TEST):验证设备 DC 电流和电压参数,包括 IDD。
  • 数字功能测试(DIGITAL FUNCTIONAL TEST):测试 DUT 的逻辑功能。
  • 交流时序测试(AC TIMING TEST):验证 AC 规格,包括输出信号质量和信号时序参数。
  • 混合信号测试(MIXED SIGNAL TEST):验证 DUT 的模拟和数字电路的逻辑。
  • 其他的测试项:射频器件(RF Devices)、汽车器件(Automotive Devices)、存储器件(Memory Devices)、电源管理器件(Power Management Devices)、RFID 器件、高速数字器件(High Speed Digital devices)等的测试。

参考与致谢

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