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半导体测试基础 - 基本概念

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前言

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。

NI测试设备

从如下图可以看出，一个数字测试业务板卡系统主要由输入、输出和动态负载三部分组成：

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

测试最基础的是测 DC 和 AC 参数。DC 参数用的方法是用PE卡的 Driver 和 PMU ，然后 Force V Measure I (FVIMI) 或 Force I Measure V (FIMV) ；AC 参数用的方法就是 Current Load 和 Voltage Comparator，然后跑 Pattern 来测试。

信号的输入输出

信号是如何生成并输入 DUT 的：

Maximum Power Dissipation

信号是如何从 DUT 读出并测试的：

Maximum Power Dissipation

输入信号的格式：

Maximum Power Dissipation

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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

Maximum Power Dissipation

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

Maximum Power Dissipation

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：

Maximum Power Dissipation

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：

Maximum Power Dissipation

经过测试和墨点标示的晶圆：

Maximum Power Dissipation

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

  1. 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）。

  2. DPS（Device Power Supplies）：为 DUT 直接提供电压与电流的设备。

  3. SMU（Source Measurement Unit）：四象限源测量单元，可以提供电压或电流并同时测量电压和/或电流。

  4. PMU（Precision Measurement Unit）：精密测量单元，用于精确测量器件的直流特性。

  5. PPMU（Per Pin Measurement Unit）：每个引脚上都有 PMU 用于测量。

  6. DIB（Device Interface Board）：设备接口板，也称 LOAD board。

  7. PIB（Probe Interface Board）：探针接口板，用于 Wafer Probe。

  8. PDP（Prober docking plate）：探针台对接板。

  9. PROBE CARD：带探针的 PCB，用于 Wafer Probe。

  10. BINNING：根据测试结果对 DUT 进行筛选。

  11. MANIPULATOR：支撑测试头并允许其向多个方向移动的结构。

  12. 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。

  13. ROBER：探针台，在测试探针下移动晶片的机械单元。

测试中的参数

  1. VCC：对 TTL 器件的供电。

  2. VDD：对 CMOS 器件的供电。

  3. ICC：对 TTL 器件的驱动电流。

  4. IDD：对 CMOS 器件的驱动电流。

  5. VSS：提供电源回流路径。

  6. GND：参考电平，在单电源供电设备上常等价于 VSS。

  7. IDD：从 CMOS 设备中消耗的电流。

  8. ICC：从 TTL 设备中消耗的电流。

  9. VIH：高电平输入时的最低电压限制（不会被识别成 0）。

  10. VIL：低电平输入时的最高电压限制（不会被识别成 1）。

  11. VOH：高电平输出时的最低电压限制（不会被识别成 0）。

  12. VOL：低电平输出时的最高电压限制（不会被识别成 1）。

  13. IIH：输入引脚逻辑为高电平时，允许的最大灌电流。

  14. IIL：输入引脚逻辑为低电平时，允许的最大漏电流。

  15. IOH：输出引脚逻辑为高电平时，驱动 / 拉电流（source）的大小。

  16. IOL：输出引脚逻辑为低电平时，灌电流（sink）的大小。

  17. 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。

  18. 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。

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

  20. Rise Time：从高电平的 10% 上升到 90% 所需的时间。

  21. 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：

Maximum Power Dissipation

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。

Maximum Power Dissipation

基本测试项目：

  1. 接触 / 连续性测试（Contact/Continuity Test）：检查器件引脚中开路 / 短路问题。

  2. 直流特性测试（DC PARAMETRICS TEST）：验证设备 DC 电流和电压参数，包括 IDD。

  3. 数字功能测试（DIGITAL FUNCTIONAL TEST）：测试 DUT 的逻辑功能。

  4. 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。

  5. 混合信号测试（MIXED SIGNAL TEST）：验证 DUT 的模拟和数字电路的逻辑。

  6. 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。

参考文章

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