ic半导体测试基础中文版.docx

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ic半导体测试基础中文版

ic半导体测试基础（中文版）

本章节我们来说说最基本的测试——开短路测试（Open-ShortTest），说说测试的目的和方法。

一．测试目的

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Open-ShortTest也称为ContinuityTest或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。

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测试时间的长短直接影响测试成本的高低，而减少平均测试时间的一个最好方法就是尽可能早地发现并剔除坏的芯片。

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。

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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

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Open-Short测试的条件在器件的规格数或测试计划书里通常不会提及，但是对大多数器件而言，它的测试方法及参数都是标准的，这些标准值会在稍后给出。

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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。

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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。

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串行静态Open-Short测试的优点在于它使用的是DC测试，当一个失效（failure）发生时，其准确的电压测量值会被数据记录（datalog）真实地检测并显示出来，不管它是Open引起还是Short导致。

缺点在于，从测试时间上考虑，会要求测试系统对DUT的每个管脚都有相应的独立的DC测试单元。

对于拥有PPPMU结构的测试系统来说，这个缺点就不存在了。

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当然，Open-Short也可以使用功能测试（FunctionalTest）来进行，我会在后面相应的章节提及。

图3-1.对地二极管的测试

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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，低于（如-3V）为开路；设置电压上限为，高于（如）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.

图3-2.对电源二极管的测试

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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，高于（如3V）为开路；设置电压下限为，低于（如）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.

电源类管脚结构和信号类管脚不一样，无法照搬上述测试方法。

不过也可以测试其开路情形，如遵循已知的良品的测量值，直接去设置上下限。

第四章.DC参数测试

（1）

摘要

本章节我们来说说DC参数测试，大致有以下内容，

欧姆定律等基础知识

DC测试的各种方法

各种DC测试的实现

各类测试方法的优缺点

基本术语

在大家看DC测试部分之前，有几个术语大家还是应该知道的，如下：

HotSwitching?

热切换，即我们常说的带电操作，在这里和relay（继电器）有关，指在有电流的情况下断开relay或闭合relay的瞬间就有电流流过（如：

闭合前relay两端的电位不等）。

热切换会减少relay的使用寿命，甚至直接损坏relay，好的程序应避免使用热切换。

Latch-up?

闩锁效应，由于在信号、电源或地等管脚上施加了错误的电压，在CMOS器件内部引起了大电流，造成局部电路受损甚至烧毁，导致器件寿命缩短或潜在失效等灾难性的后果。

Binning

Binning（我很苦恼这玩意汉语怎么说——译者）是一个按照芯片测试结果进行自动分类的过程。

在测试程序中，通常有两种Binning的方式——hardbinning和softbinning.Hardbinning控制物理硬件实体（如机械手）将测试后的芯片放到实际的位置中去，这些位置通常放着包装管或者托盘。

Softbinning控制软件计数器记录良品的种类和不良品的类型，便于测试中确定芯片的失效类别。

Hardbinning的数目受到外部自动设备的制约，而Softbinning的数目原则上没有限制。

下面是一个Binning的例子：

Bin#类别

01?

100MHz下良品

02?

75MHz下良品

10?

Open-Short测试不良品

11?

整体IDD测试不良品

12?

整体功能测试不良品

13?

75MHz功能测试不良品

14?

功能测试VIL/VIH不良品

15?

DC测试VOL/VOH不良品

16?

动态/静态IDD测试不良品

17?

IIL/IIH漏电流测试不良品

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从上面简单的例子中我们可以看到，Hardbin0，Softbin01-02是良品，是我们常说的GoodBin；而Hardbin1,Softbin10-17是不良品，也就是我们常说的FailedBin。

测试程序必须通过硬件接口提供必要的Binning信息给handler，当handler接收到一个器件的测试结果，它会去判读其Binning的信息，根据信息将器件放置到相应位置的托盘或管带中。

第四章.DC参数测试

（2）

ProgramFlow

测试程序流程中的各个测试项之间的关系对DC测试来说是重要的，很多DC测试要求前提条件，如器件的逻辑必须达到规定的逻辑状态要求，因此，在DC测试实施之前，通常功能测试需要被验证无误。

如果器件的功能不正确，则后面的DC测试结果是没有意义的。

图4-1的测试流程图图解了一个典型的测试流程，我们可以看到GrossFunctionalTest在DCTest之前实施了，这将保证所有的器件功能都已经完全实现，并且DC测试所有的前提条件都是满足要求的。

我们在制定测试程序中的测试流程时要考虑的因素不少，最重要的是测试流程对生产测试效率的影响。

一个好的流程会将基本的测试放在前面，尽可能早的发现可能出现的失效，以提升测试效率，缩短测试时间。

其它需要考虑的因素可能有：

测试中的信息收集、良品等级区分等，确保你的测试流程满足所有的要求。

图4-1.测试流程

生产测试进行一段时间后，测试工程师应该去看看测试记录，决定是否需要对测试流程进行优化——出现不良品频率较高的测试项应该放到流程的前面去。

TestSummary

测试概要提供了表明测试结果的统计信息，它是为良率分析提供依据的，因此需要尽可能多地包含相关的信息，最少应该包含总测试量、总的良品数、总的不良品数以及相应的每个子分类的不良品数等。

在生产测试进行的时候，经常地去看一下TestSummary可以实时地去监控测试状态。

图4-2显示的是一个Summary的实例。

第四章.DC参数测试（3）

DC测试与隐藏电阻

许多DC测试或验证都是通过驱动电流测量电压或者驱动电压测量电流实现的，其实质是测量电路中硅介质产生的电阻值。

当测试模式为驱动电流时，测量到的电压为这部分电阻上产生的电压；与之相似，驱动电压时，测量到的电流为这部分电阻消耗的电流。

我们按照器件规格书来设计半导体电路，基本上每条半导体通路的导通电压、电路电阻等详细的参数都已规定；整体传导率也可能随着器件不同的功能状态而改变，而处于全导通、半导通和不导通的状态。

在DC参数测试中欧姆定律用于计算所测试的电阻值，验证或调试DC测试时，我们可以将待测的电路看作电阻来排除可能存在的缺陷，通过驱动和测量得到的电压和电流值可以计算出这个假设电阻的阻抗。

Parameter

Description

TestConditions

Min

Max

Unit

VOL

OutputLowVoltage

VDD=Min,IOL=

V

我们可以用VOL这个参数来举例说明：

VOL=，IOL=，这个参数陈述了输出门电路驱动逻辑0时在输出8mA电流情况下其上的电压不能高于这样一个规则。

了解了这个信息，我们可以通过欧姆定律去计算器件管脚上拥有的输出电阻，看它是否满足设计要求。

通过定律公式R=V/I我们可以知道，器件设计时，其输出电阻不能高于50ohm，但是我们在规格书上看不到“输出电阻”字样，取而代之的是VOL和IOL这些信息。

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注：

很多情况下我们可以用电阻代替待测器件去验证整个测试相关环节的正确性，它能排除DUT以外的错误，如程序的错误或负载板的问题，是非常有效的调试手段。

第四章.DC参数测试（4）-VOH/IOH

VOH/IOH

VOH指器件输出逻辑1时输出管脚上需要保证的最低电压（输出电平的最小值）；IOH指器件输出逻辑1时输出管脚上的负载电流（为拉电流）。

下表是256x4静态RAM的VOH/IOH参数说明：

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Parameter

Description

TestConditions

Min

Max

Unit

VOH

OutputHighVoltage

VDD=,IOH=

V

测试目的

VOH/IOH测试实际上测量的是输出管脚在输出逻辑1时的电阻，此测试确保输出阻抗满足设计要求，并保证在严格的VOH条件下提供所定义的IOH电流。

测试方法

VOH/IOH测试可以通过静态或动态方式实现，这里我们先说说静态方法。

如图4-3，静态测试时，器件的所有输出管脚被预置到输出逻辑1状态，测试机的PMU单元通过内部继电器的切换连接到待测的输出管脚，接着驱动（拉出）IOH电流，测量此时管脚上的电压值并与定义的VOH相比较，如果测量值低于VOH，则判不合格。

对于单个PMU的测试机来说，这个过程不断地被重复直到所有的输出管脚都经过测试，而PPPMU结构的测试机则可以一次完成。

注：

1）使用VDDmin作为此测试最差情形；

2）IOH是拉出的电流，对测试机来说它是负电流；

3）测试时需要设置电压钳制。

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图测试

阻抗计算

VOH测试检验了器件当输出逻辑1时输出管脚输送电流的能力，另一种检验这种能力的途径则是测量逻辑1状态时输出端口的阻抗。

如图4-4，施加在等效电路中电阻上的压降为E=，I=，则R=E/I=452ohm，那么此输出端口的阻抗低于452ohm时，器件合格。

在调试、分析过程中将管脚电路合理替换为等效电路可以帮助我们简化思路，是个不错的方法。

图4-4.等效电路

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故障寻找

开始TroubleShooting前，打开dataloger纪录测量结果，如果待测器件有自己的标准，测试并纪录测量结果后，所得结果不外乎以下三种情况：

1．

VOH电压正常，测试通过；

2．

在正确输出逻辑1条件下，VOH电压测量值低于最小限定，测试不通过；

3．

在错误的输出条件下，如逻辑0，VOH电压测量值远低于最小限定，测试不通过。

这种情况下，测试机依然试图驱动反向电流到输出管脚，而管脚因为状态不对会表现出很高的阻抗，这样会在PMU上引起一个负压，这时保护二极管会起作用，将电压限制在左右。

当故障（failure）发生时，我们需要观察datalog中的电压测量值以确定故障类型，是上述的第2种情况还是第3种

?

Datalogof:

VOH/IOH

Serial/StatictestusingthePMU

PinForce/rngMeas/rngMinMaxResult

PIN110mA8VVPASS

PIN210mA8VVFAIL

PIN310mA8VVPASS

PIN410mA8VVPASS

PIN510mA8VVPASS

PIN610mA8VVFAIL

如果只是测量值低于最小限定，则很可能是器件自身的缺陷，如上面datalog中pin2的失效，从中我们可以看到测试发生时预处理成功实现，器件处于正确的逻辑状态，而输出端的阻抗很大。

这有可能是测试硬件上的阻抗附加到了其中，因此对测试机及测试配件的校验工作就显得很重要了。

故障也可能是因为器件没有正确地进行预处理而导致逻辑状态不对引起的，上面datalog中pin6的失效就是这种情况。

在进行DC测试之前，应该保证进行预处理的向量正确无误，这就要将预处理工作当作一项功能测试来进行。

在测试流程中，代表预处理功能的测试项应该放到相应的DC测试项之前。

只有它通过了保证了预处理已经正确实施，我们才去做DC测量；否则我们就要花时间去解决预处理功能的测试问题。

只有输出被设定为正确地状态，VOH/IOH测试才有意义。

VOL/IOL

VOL指器件输出逻辑0时输出管脚上需要压制的最高电压（输出电平的最大值）；IOL指器件输出逻辑0时输出管脚上的负载电流（为灌电流）。

下表是256x4静态RAM的VOL/IOL参数说明：

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Parameter

Description

TestConditions

Min

Max

Unit

VOL

OutputLowVoltage

VDD=,IOL=

V

测试目的

VOL/IOL测试实际上测量的是输出管脚在输出逻辑0时的电阻，此测试确保输出阻抗满足设计要求，并保证在严格的VOL条件下吸收所定义的IOL电流。

换句话说，器件的输出管脚必须吃进规格书定义的最小电流而保持正确的逻辑状态。

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测试方法

与VOH/IOH一样，VOL/IOL测试也可以通过静态或动态方式实现，这里我们还是先说说静态方法。

如图4-5，静态测试时，器件的所有输出管脚被预置到输出逻辑0状态，测试机的PMU单元通过内部继电器的切换连接到待测的输出管脚，接着驱动（灌入）IOL电流，测量此时管脚上的电压值并与定义的VOL相比较，如果测量值高于VOL，则判不合格。

对于单个PMU的测试机来说，这个过程不断地被重复直到所有的输出管脚都经过测试，而PPPMU结构的测试机则可以一次完成。

注：

1）使用VDDmin作为此测试最差情形；

2）IOL是灌入的电流，对测试机来说它是正电流；

3）测试时需要设置电压钳制。

图测

试

阻抗计算

VOL测试检验了器件当输出逻辑0时输出管脚吸收电流的能力，另一种检验这种能力的途径则是测量逻辑0状态时输出端口的阻抗。

如图4-6，施加在等效电路中电阻上的压降为E=VOL-VSS=，I=8mA，则R=E/I=50ohm，那么此输出端口的阻抗低于50ohm时，器件合格。

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图4-6.等效电路

故障寻找

开始TroubleShooting前，打开dataloger纪录测量结果，如果待测器件有自己的标准，测试并纪录测量结果后，所得结果不外乎以下三种情况：

1.VOL电压正常，测试通过；

2.

在正确输出逻辑0条件下，VOL电压测量值高于最大限定，测试不通过；

3.

在错误的输出条件下，如逻辑1，VOL电压测量值远高于最大限定，测试不通过。

这种情况下，datalog中将显示程序中设定的钳制电压值。

当故障（failure）发生时，我们需要观察datalog中的电压测量值以确定故障类型，是上述的第2种情况还是第3种

Datalogof:

VOL/IOL

Serial/StatictestusingthePMU

PinForce/rngMeas/rngMinMaxResult

PIN120mA130mV/8V400mVPASS

PIN220mA421mV/8V400mVFAIL

PIN310mA125mV/8V400mVPASS

PIN410mA90mV/8V400mVPASS

PIN510mA205mV/8V400mVPASS

PIN610mA8V400mVFAIL

?

如果只是测量值高于最大限定，则很可能是器件自身的缺陷，如上面datalog中pin2的失效，从中我们可以看到测试发生时预处理成功实现，器件处于正确的逻辑状态，而输出端的阻抗稍大。

这有可能是测试硬件上的阻抗附加到了其中，因此对测试机及测试配件的校验工作就显得很重要了。

故障也可能是因为器件没有正确地进行预处理而导致逻辑状态不对引起的，上面datalog中pin6的失效就是这种情况。

在进行DC测试之前，应该保证进行预处理的向量正确无误，这就要将预处理工作当作一项功能测试来进行。

在测试流程中，代表预处理功能的测试项应该放到相应的DC测试项之前。

只有它通过了保证了预处理已经正确实施，我们才去做DC测量；否则我们就要花时间去解决预处理功能的测试问题。

同样，只有输出被设定为正确地状态，VOL/IOL测试才有意。

第四章.DC参数测试（7）-StaticIDD

静态指器件处于非活动状态，IDD静态电流就是指器件静态时Drain到GND消耗的漏电流。

静态电流的测试目的是确保器件低功耗状态下的电流消耗在规格书定义的范围内，对于依靠电池供电的便携式产品的器件来说，此项测试格外重要。

下表是一个静态电流参数的例子：

Parameter

Description

TestConditions

Min

Max

Units

IDDStatic

PowerSupplyCurrent

VDD=Input=VDDIout=0

+22

uA

测试方法

静态IDD也是测量流入VDD管脚的总电流，与GrossIDD不同的是，它是在运行一定的测试向量将器件预处理为已知的状态后进行，典型的测试条件是器件进入低功耗状态。

测试时，器件保持在低功耗装态下，去测量流入VDD的电流，再将测量值与规格书中定义的参数对比，判断测试通过与否。

VIL、VIH、VDD、向量序列和输出负载等条件会影响测试结果，这些参数必须严格按照规格书的定义去设置。

设计人员应该准备准确的向量序列以完成对器件的预处理，将器件带入低功耗模式，如果向量的效果不理想，则需要进一步完善，精准的预处理序列是进行静态IDD测试的关键。

测试硬件外围电路的旁路电容会影响测试结果，如果我们期望的IDD电流非常小，比如微安级，在测量电流前增加一点延迟时间也许会很有帮助。

在一些特殊情况中，甚至需要使用Relay在测量电流前将旁路电容断开以确保测量结果的精确。

图4-10.静态电流测试

阻抗计算

静态电流测试实际上测量的也是器件VDD和GND之间的阻抗，当VDD电压定义在、IDD上限定义在22uA，根据欧姆定律我们能得到可接受的最小阻抗，如图4-11，最小的阻抗应该是欧姆。

图4-11.等效电路

故障寻找

静态电流测试的故障寻找和GrossIDD大同小异，datalog中的测试结果也无非三种：

1.

电流在正常范围，测试通过；

2.

电流高于上限，测试不通过；

3.

电流低于下限，测试不通过。

Datalogof:

StaticIDDCurrentusingthePMUPin?

Force/rng?

Meas/rng?

Min?

Max?

Result

VDD1?

10V?

25uA?

-1uA?

+22uA?

PASS

同样，当测试不通过的情况发生，我们要就要找找非器件的原因了：

将器件从socket上拿走，运行测试程序空跑一次，测试结果应该为0电流；如果不是，则表明有器件之外的地方消耗了电流，我们就得一步步找出测试硬件上的问题所在并解决它，比如移走Loadboard再运行程序，这样就可以判断测试机是否有问题。

我们也可以用精确点的电阻代替器件去验证测试机的结果的精确度。

在单颗DUT上重复测试时，静态电流测试的结果应该保持一致性，且将DUT拿开再放回重测的结果也应该是一致和稳定的。

?

IDDStaticCurrent

静态指器件处于非活动状态，IDD静态电流就是指器件静态时Drain到GND消耗的漏电流。

静态电流的测试目的是确保器件低功耗状态下的电流消耗在规格书定义的范围内，对于依靠电池供电的便携式产品的器件来说，此项测试格外重要。

下表是一个静态电流参数的例子：

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Parameter

Description

TestConditions

Min

Max

Units

IDDStatic

PowerSupplyCurrent

VDD=Input=VDDIout=0

+22

uA

测试方法

静态IDD也是测量流入VDD管脚的总电流，与GrossIDD不同的是，它是在运行一定的测试向量将器件预处理为已知的状态后进行，典型的测试条件是器件进入低功耗状态。

测试时，器件保持在低功耗装态下，去测量流入VDD的电流，再将测量值与规格书中定义的参数对比，判断测试通过与否。

VIL、VIH、VDD、向量序列和输出负载等条件会影响测试结果，这些参数必须严格按照规格书的定义去设置。

设计人员应该准备准确的向量序列以完成对器件的预处理，将器件带入低功耗模式，如果向量的效果不理想，则需要进一步完善，精准的预处理序列是进行静态IDD测试的关键。

测试硬件外围电路的旁路电容会影响测试结果，如果我们期望的IDD电流非常小，比如微安级，在测量电流前增加一点延迟时间也许会很有帮助。

在一些特殊情况中，甚至需要使用Relay在测量电流前将旁路电容断开以确保测量结果的精确。

图4-10.静态电流测试

阻抗计算

静态电流测试实际上测量的也是器件VDD和GND之间的阻抗，当VDD电压定义在、IDD上限定义在22uA，根据欧姆定律我们能得到可接受的最小阻抗，如图4-11，最小的阻抗应该是欧姆。

?

图4-11.等效电路

故障寻找

静态电流测试的故障寻找和GrossIDD大同小异，datalog中的测试结果也无非三种：

1.

电流在正常范围，测试通过；

2.

电流高于上限，测试不通过；

3.

电流低于下限，测试不通过。

Datalogof:

StaticIDDCurrentusingthePMUPinForce/rngMeas/rngMinMaxResult

VDD110V25uA-1uA+22uAPASS

同样，当测试不通过的情况发生，我们要就要找找非器件的原因了：

将器件从socket上拿走，运行测试程序空跑一次，测试结果应该为0电流；如果不是，则表明有器件之外的地方消耗了电流，我们就得一步步找出测试硬件上的问题所在并解决它，比如移走Loadboard再运行程序，这样就可以判断测试机是否有问题。

我们也可以用精确点的电阻代替器件去验证测试机的结果的精确度。

在单颗DUT上重复测试时，静态电流测试的结果应该保持一致性，且将DUT拿开再放回重测的结果也应该是一致和稳定的。

第四章.DC参数测试（8）-IDDQ&DynamicIDD

IDDQ

IDDQ是指当CMOS集成电路中的所有管子都处于静止状态时的电源总电流。

IDDQ测试目的是测量逻辑状态验证时的静止（稳定不变）的电流，并与标准静态电流相比较以提升测试覆盖率。

IDDQ测试运行一组静态IDD测试的功能序列，在功能序列内部的各个独立的断点，进行6-12次独立的电流测量。

测试序列的目标是，在每个断点验证验证总的IDD电流时，尽可能多地将内部逻辑门进行开-关的切换。

ID