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半导体测试基础
第1章半导体测试基础
第1节基础术语
描述半导体测试得专业术语很多,这里只例举部分基础得:
1. DUT
需要被实施测试得半导体器件通常叫做DUT(DeviceUnderTest,我们常简称“被测器件”),或者叫UUT(UnitUnderTest)。
首先我们来瞧瞧关于器件引脚得常识,数字电路期间得引脚分为“信号”、“电源”与“地”三部分。
信号脚,包括输入、输出、三态与双向四类,
输入:
在外部信号与器件内部逻辑之间起缓冲作用得信号输入通道;输入管脚感应其上得电压并将它转化为内部逻辑识别得“0"与“1”电平.
输出:
在芯片内部逻辑与外部环境之间起缓冲作用得信号输出通道;输出管脚提供正确得逻辑“0”或“1"得电压,并提供合适得驱动能力(电流)。
三态:
输出得一类,它有关闭得能力(达到高电阻值得状态).
双向:
拥有输入、输出功能并能达到高阻态得管脚。
电源脚,“电源”与“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得电路结构。
VCC:
TTL器件得供电输入引脚.
VDD:
CMOS器件得供电输入引脚。
VSS:
为VCC或VDD提供电流回路得引脚。
GND:
地,连接到测试系统得参考电位节点或VSS,为信号引脚或其她电路节点提供参考0电位;对于单一供电得器件,我们称VSS为GND.
2. 测试程序
半导体测试程序得目得就是控制测试系统硬件以一定得方式保证被测器件达到或超越它得那些被具体定义在器件规格书里得设计指标。
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得正确性;AC测试用以保证芯片能在特定得时间约束内完成逻辑操作。
程序控制测试系统得硬件进行测试,对每个测试项给出pass或fail得结果。
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得性能进行相应得分类,这个过程叫做“Binning”,也称为“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,会被归为最好得一类,称之为“Bin 1";而它得某个兄弟,只能在100MHz下做同样得事情,性能比不上它,但就是也不就是一无就是处应该扔掉,还有可以应用得领域,则也许会被归为“Bin 2",卖给只要求100MHz得客户。
程序还要有控制外围测试设备比如Handler与Probe得能力;还要搜集与提供摘要性质(或格式)得测试结果或数据,这些结果或数据提供有价值得信息给测试或生产工程师,用于良率(Yield)分析与控制。
第2节正确得测试方法
经常有人问道:
“怎样正确地创建测试程序?
”这个问题不好回答,因为对于什么就是正确得或者说最好得测试方式,一直没有一个单一明了得界定,某种情形下正确得方式对另一种情况来说不见得最好。
很多因素都在影响着测试行为得构建方式,下面我们就来瞧一些影响力大得因素.
Ø 测试程序得用途。
下面得清单例举了测试程序得常用之处,每一项都有其特殊要求也就需要相应得测试程序:
● Wafer Test ——测试晶圆(wafer)每一个独立得电路单
元(Die),这就是半导体后段区分良品与不良品得第一道
工序,也被称为“WaferSort”、CP测试等、
∙∙∙● Package Test—-晶圆被切割成独立得电路单元,且每
个单元都被封装出来后,需要经历此测试以验证封装过程
得正确性并保证器件仍然能达到它得设计指标,也称为
“FinalTest”、FT测试、成品测试等.
● QualityAssuranceTest——质量保证测试,以抽样检测
方式确保PackageTest执行得正确性,即确保pass得产品
中没有不合格品。
● Device Characterization —-器件特性描述,决定器件
工作参数范围得极限值。
● Pre/PostBurn—In-—在器件“Burn-in”之前与之后进
行得测试,用于验证老化过程有没有引起一些参数得漂
移。
这一过程有助于清除含有潜在失效(会在使用一段时
间后暴露出来)得芯片.
● MiliaryTest ——军品测试,执行更为严格得老化测试标
准,如扩大温度范围,并对测试结果进行归档。
● Ining Inspection-— 收货检验,终端客户为保证购买
得芯片质量在应用之前进行得检查或测试。
● AssemblyVerification—-封装验证,用于检验芯片经过
了封装过程就是否仍然完好并验证封装过程本身得正确性.
这一过程通常在FT测试时一并实施.
● FailureAnalysis——失效分析,分析失效芯片得故障以
确定失效原因,找到影响良率得关键因素,并提高芯片得
可靠性。
Ø 测试系统得性能。
测试程序要充分利用测试系统得性能以获得良好得测试覆盖率,一些测试方法会受到测试系统硬件或软件性能得限制。
高端测试机:
● 高度精确得时序-—精确得高速测试
● 大得向量存储器 -—不需要去重新加载测试向量
● 复合PMU(ParametricMeasurementUnit)—— 可进行并
行测试,以减少测试时间
● 可编程得电流加载 —-简化硬件电路,增加灵活性
● PerPin得时序与电平—— 简化测试开发,减少测试时间
低端测试机:
● 低速、低精度——也许不能充分满足测试需求
● 小得向量存储器——也许需要重新加载向量,增加测试
时间
● 单个PMU——只能串行地进行DC测试,增加测试时间
● 均分资源(时序/电平)——增加测试程序复杂度与测
试时间
Ø 测试环节得成本.
这也许就是决定什么需要被测试以及以何种方式满足这些测试得唯一得最重要得因素,测试成本在器件总得制造成本中占了很大得比重,因此许多与测试有关得决定也许仅仅取决于器件得售价与测试成本。
例如,某个器件可应用于游戏机,它卖15元;而同样得器件用于人造卫星,则会卖3500元.每种应用有其独特得技术规范,要求两种不同标准得测试程序。
3500元得器件能支持昂贵得测试费用,而15元得器件只能支付最低得测试成本。
Ø 测试开发得理念.
测试理念只一个公司内部测试人员之间关于什么就是最优得测试方法得共同得观念,这却决于她们特殊得要求、芯片产品得售价,并受她们以往经验得影响。
在测试程序开发项目启动之前,测试工程师必须全面地上面提到得每一个环节以决定最佳得解决方案。
开发测试程序不就是一件简单得正确或者错误得事情,它就是一个在给定得状况下寻找最佳解决方案得过程。
第3节测试系统
测试系统称为ATE,由电子电路与机械硬件组成,就是由同一个主控制器指挥下得电源、计量仪器、信号发生器、模式(pattern)生成器与其她硬件项目得集合体,用于模仿被测器件将会在应用中体验到得操作条件,以发现不合格得产品。
测试系统硬件由运行一组指令(测试程序)得计算机控制,在测试时提供合适得电压、电流、时序与功能状态给DUT并监测DUT得响应,对比每次测试得结果与预先设定得界限,做出pass或fail得判断.
● 测试系统得内脏
图2-1显示所有数字测试系统都含有得基本模块,虽然很多新得测试系统包含了更多得硬件,但这作为起点,我们还就是拿它来介绍。
“CPU"就是系统得控制中心,这里得CPU不同于电脑中得中央处理器,它由控制测试系统得计算机及数据输入输出通道组成。
许多新得测试系统提供一个网络接口用以传输测试数据;计算机硬盘与Memory用来存储本地数据;显示器及键盘提供了测试操作员与系统得接口。
图2-1、通用测试系统内部结构
DC子系统包含有DPS(DevicePowerSupplies,器件供电单元)、RVS(ReferenceVoltageSupplies,参考电压源)、PMU(PrecisionMeasurementUnit,精密测量单元).DPS为被测器件得电源管脚提供电压与电流;RVS为系统内部管脚测试单元得驱动与比较电路提供逻辑0与逻辑1电平提供参考电压,这些电压设置包括:
VIL、VIH、VOL与VOH。
性能稍逊得或者老一点得测试系统只有有限得RVS,因而同一时间测试程序只能提供少量得输入与输出电平。
这里先提及一个概念,“testerpin”,也叫做“testerchannel",它就是一种探针,与Loadboard背面得Pad接触为被测器件得管脚提供信号。
当测试机得pins共享某一资源,比如RVS,则此资源称为“SharedResource"。
一些测试系统称拥有“perpin”得结构,就就是说它们可以为每一个pin独立地设置输入及输出信号得电平与时序.
DC子系统还包含PMU(精密测量单元,PrecisionMeasurementUnit)电路以进行精确得DC参数测试,一些系统得PMU也就是per pin结构,安装在测试头(TestHead)中。
(PMU我们将在后面进行单独得讲解)
每个测试系统都有高速得存储器—-称为“patternmemory”或“vectormemory"——去存储测试向量(vector或pattern).Testpattern(注:
本人驽钝,一直不知道这个pattern得准确翻译,很多译者将其直译为“模式”,我认为有点欠妥,实际上它就就是一个二维得真值表;将“test pattern”翻译成“测试向量”吧,那“vector”又如何区别?
呵呵,还想听听大家意见)描绘了器件设计所期望得一系列逻辑功能得输入输出得状态,测试系统从patternmemory中读取输入信号或者叫驱动信号(Drive)得pattern状态,通过tester pin输送给待测器件得相应管脚;再从器件输出管脚读取相应信号得状态,与pattern中相应得输出信号或者叫期望(Expect)信号进行比较。
进行功能测试时,pattern为待测器件提供激励并监测器件得输出,如果器件输入与期望不相符,则一个功能失效产生了。
有两种类型得测试向量——并行向量与扫描向量,大多数测试系统都支持以上两种向量。
Timing分区存储有功能测试需要用到得格式、掩盖(mask)与时序设置等数据与信息,信号格式(波形)与时间沿标识定义了输入信号得格式与对输出信号进行采样得时间点。
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,生成格式化得数据送给电路得驱动部分,进而输送给待测器件.
SpecialTesterOptions部分包含一些可配置得特殊功能,如向量生成器、存储器测试,或者模拟电路测试所需要得特殊得硬件结构。
The Systen Clocks为测试系统提供同步得时钟信号,这些信号通常运行在比功能测试要高得多得频率范围;这部分还包括许多测试系统都包含得时钟校验电路。
第4节PMU
PMU(PrecisionMeasurementUnit,精密测量单元)用于精确得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得电流。
PMU得数量跟测试机得等级有关,低端得测试机往往只有一个PMU,同过共享得方式被测试通道(testchannel)逐次使用;中端得则有一组PMU,通常为8个或16个,而一组通道往往也就是8个或16个,这样可以整组逐次使用;而高端得测试机则会采用perpin得结构,每个channel配置一个PMU.
图2—2、 PMU状态模拟图
● 驱动模式与测量模式(ForceandMeasurementModes)
在ATE中,术语“驱动(Force)”描述了测试机应用于被测器件得一定数值得电流或电压,它得替代词就是Apply,在半导体测试专业术语中,Apply与Force都表述同样得意思.
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,则相应得数值必须同时被设置。
● 驱动线路与感知线路(Forceand SenseLines)
为了提升PMU驱动电压得精确度,常使用4条线路得结构:
两条驱动线路传输电流,另两条感知线路监测我们感兴趣得点(通常就是DUT)得电压。
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端得电压往往小于我们在程序中设置得参数。
设置两根独立得(不输送电流)感知线路去检测DUT端得电压,反馈给电压源,电压源再将其与理想值进行比较,并作相应得补偿与修正,以消除电流流经线路产生得偏差。
驱动线路与感知线路得连接点被称作“开尔文连接点”.
● 量程设置(RangeSettings)
PMU得驱动与测量范围在编程时必须被选定,合适得量程设定将保证测试结果得准确性。
需要提醒得就是,PMU得驱动与测量本身就有就有范围得限制,驱动得范围取决于PMU得最大驱动能力,如果程序中设定PMU输出5V得电压而PMU本身设定为输出4V电压得话,最终只能输出4V得电压.同理,如果电流测量得量程被设定为1mA,则无论实际电路中电流多大,能测到得读数不会超过1mA。
值得注意得就是,PMU上无论就是驱动得范围还就是测量得量程,在连接到DUT得时候都不应该再发生变化。
这种范围或量程得变化会引起噪声脉冲(浪涌),就是一种信号电压值短时间内得急剧变化产生得瞬间高压,类似于ESD得放电,会对DUT造成损害。
● 边界设置(LimitSettings)
PMU有上限与下限这两个可编程得测量边界,它们可以单独使用(如某个参数只需要小于或大于某个值)或者一起使用。
实际测量值大于上限或小于下限得器件,均会被系统判为不良品.
● 钳制设置(ClampSettings)
大多数PMU会被测试程序设置钳制电压与电流,钳制装置就是在测试期间控制PMU输出电压与电流得上限以保护测试操作人员、测试硬件及被测器件得电路。
图2—2、电流钳制电路模拟图
当PMU用于输出电压时,测试期间必须设定最大输出电流钳制。
驱动电压时,PMU会给予足够得必须得电流用以支持相应得电压,对DUT得某个管脚,测试机得驱动单元会不断增加电流以驱动它达到程序中设定得电压值。
如果此管脚对地短路(或者对其她源短路),而我们没有设定电流钳制,则通过它得电流会一直加大,直到相关得电路如探针、ProbeCard、相邻DUT甚至测试仪得通道全部烧毁。
图2—3显示PMU驱动5、0V电压施加到250ohm负载得情况,在实际得测试中,DUT就是阻抗性负载,从欧姆定律I=U/R我们知道,其上将会通过20mA得电流.器件得规格书可能定义可接受得最大电流为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。
如果某一有缺陷得器件得阻抗性负载只有10ohm得话,在没有设定电流钳制得情况下,通过得电流将达到500mA,这么大得电流已经足以对测试系统、硬件接口及器件本身造成损害;而如果电流钳制设定在30mA,则电流会被钳制电路限定在安全得范围内,不会超过30mA。
电流钳制边界(Clamp)必须大于测试边界(Limit)上限,这样当遇到缺陷器件才能出现fail;否则程序中会提示“边界电流过大”,测试中也不会出现fail了.
图2—4、电压钳制电路模拟图
当PMU用于输出电流时,测试期间则相应地需要进行电压钳制。
电压钳制与电流钳制在原理上大同小异,这里就不再赘述了。
第5节管脚电路
管脚电路(ThePinElectronics,也叫PinCard、PE、PEC或I/OCard)就是测试系统资源部与待测器件之间得接口,它给待测器件提供输入信号并接收待测器件得输出信号。
每个测试系统都有自己独特得设计但就是通常其PE电路都会包括:
● 提供输入信号得驱动电路
● 驱动转换及电流负载得输入输出切换开关电路
● 检验输出电平得电压比较电路
● 与PMU得连接电路(点)
● 可编程得电流负载
还可能包括:
● 用于高速电流测试得附加电路
● Perpin得PMU结构
尽管有着不同得变种,但PE得基本架构还就是一脉相承得,图2—5显示了数字测试系统得数字测试通道得典型PE卡得电路结构。
图2—5、典型得PinElectronics
1、 驱动单元(The Driver)
驱动电路从测试系统得其她相应环节获取格式化得信号,称为FDATA,当FDATA通过驱动电路,从参考电压源(RVS)获取得VIL/VIH参考电平被施加到格式化得数据上。
如果FDATA命令驱动单元去驱动逻辑0,则驱动单元会驱动VIL参考电压;VIL(Voltage InLow)指施加到DUT得input管脚仍能被DUT内部电路识别为逻辑0得最高保证电压.
如果FDATA命令驱动单元去驱动逻辑1,则驱动单元会驱动VIH参考电压;VIH(VoltageInHigh)指施加到DUT得input管脚仍能被DUT内部电路识别为逻辑1得最低保证电压.
F1场效应管用于隔离驱动电路与待测器件,在进行输入—输出切换时充当快速开关角色。
当测试通道被程序定义为输入(Input),场效应管F1导通,开关(通常就是继电器)K1闭合,使信号由驱动单元(Driver)输送至DUT;当测试通道被程序定义为输出(Output)或不关心状态(don’tcare),F1截止,K1断开,则驱动单元上得信号无法传送到DUT上。
F1只可能处于其中得一种状态,这样就保证了驱动单元与待测器件同时向同一个测试通道送出电压信号得I/O冲突状态不会出现。
2、 电流负载单元(CurrentLoad)
电流负载(也叫动态负载)在功能测试时连接到待测器件得输出端充当负载得角色,由程序控制,提供从测试系统到待测器件得正向电流或从待测器件到测试系统得负向电流。
电流负载提供IOH(Current OutputHigh)与IOL(CurrentOutputLow).IOH指当待测器件输出逻辑1时其输出管脚必须提供得电流总与;IOL则相反,指当待测器件输出逻辑0时其输出管脚必须接纳得电流总与。
当测试程序设定了IOH与IOL,VREF电压就设置了它们得转换点。
转换点决定了IOH起作用还就是IOL起作用:
当待测器件得输出电压高于转换点时,IOH提供电流;当待测器件得输出电压低于转换点时,IOL提供电流。
F2与F1一样,也就是一个场效应管,在输入-输出切换时充当高速开关,并隔离电流负载电路与待测器件。
当程序定义测试通道为输出,则F2导通,允许输出正向电流或抽取反向电流;当定义测试通道为输入,则F2截止,将负载电路与待测器件隔离.
电流负载在三态测试与开短路测试中也会用到。
3、 电压比较单元(VoltageReceiver)
电压比较器用于功能测试时比较待测器件得输出电压与RVS提供得参考电压。
RVS为有效得逻辑1(VOH)与逻辑0(VOL)提供了参考:
当器件得输出电压等于或小于VOL,则认为它就是逻辑0;当器件得输出电压等于或大于VOH,则认为它就是逻辑1;当它大于VOL而小于VOH,则认为它就是三态电平或无效输出。
4、 PMU连接点(PMUConnection)
当PMU连接到器件管脚,K1先断开,然后K2闭合,用于将PMU与PinElectrics卡得I/O电路隔离开来。
5、 高速电流比较单元(HighSpeedCurrentparators)
相对于为每个测试通道配置PMU,部分测试系统提供了快速测量小电流得另一种方法,这就就是可进行快速漏电流(Leakage)测试得电流比较器,开关K3控制它与待测器件得连接与否。
如果测试系统本身就就是PerPinPMU结构得,那么这部分就不需要了。
6、 PPPMU(Per PinPMU)
一些系统提供PerPinPMU得电路结构,以支持对DUT每个管脚同步地进行电压或电流测试.与PMU一样,PPPMU可以驱动电流测量电压或者驱动电压测量电流,但就是标准测试系统得PMU得其它功能PPPMU则可能不具备.
第6节测试开发基本规则
任何工作都有其规则与流程,IC测试也不例外.我们在实际工作中瞧到,一些简单得错误与低级得问题经常在一个又一个得程序中再现,如果有一定得标准,相信情况会好很多。
这里我们就来总结一 些基本得规则,它们将普遍适用于多数得实例;也许其中得一些在我们瞧来就是显而易见得,但就是在测试硬件无误得情况下,很多人还就是在不经意间违反。
可能大家会说了,谁这么傻呀?
呵呵,相信大家都不会主动这么做,但就是粗心呢?
如果您决定刻意违反其中得某一条或几条得话,请确定您完全知道后果。
^_^
● 永远不要将DUT得输入管脚当作输出管脚进行功能测试.最常见得就是在pattern中,如果一个输入管脚在此测试项不需要去管(既给0或给1不影响此测试结果),我们有人就给它“X”,而“X"就是输出测试得mask态,这样测试机就
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