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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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