芯片测试科普第一章

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芯片测试科普第一章

 楼主| 半导体学者 发表于 2020-3-17 08:45  
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以下文章来源于桃芯科技

1测试在芯片产业价值链上的位置
如下面这个图表,一颗芯片最终做到终端产品上,一般需要经过芯片设计、晶圆制造、晶圆测试、封装、成品测试、板级封装等这些环节。
在整个价值链中,芯片公司需要主导的环节主要是芯片设计和测试,其余的环节都可以由相应的partner来主导或者完成。
图(1)
2测试如何体现在设计的过程中
下图表示的是设计公司在进行一个新的项目的时候的一般流程,从市场需求出发,到产品tape out进行制造,包含了系统设计、逻辑设计、电路设计、物理设计,到最后开始投入制造。
最下面一栏标注了各个设计环节中对于测试的相关考虑,从测试架构、测试逻辑设计、测试模式产生、到各种噪声/延迟/失效模式综合、进而产生测试pattern,最后在制造完成后进行测试,对测试数据进行分析,从而分析失效模式,验证研发。
所以,测试本身就是设计,这个是需要在最初就设计好了的,对于设计公司来说,测试至关重要,不亚于电路设计本身。
图(2)
设计公司主要目标是根据市场需求来进行芯片研发,在整个设计过程中,需要一直考虑测试相关的问题,主要有下面几个原因:
1) 随着芯片的复杂度原来越高,芯片内部的模块越来越多,制造工艺也是越来越先进,对应的失效模式越来越多,而如何能完整有效地测试整个芯片,在设计过程中需要被考虑的比重越来越多。
2) 设计、制造、甚至测试本身,都会带来一定的失效,如何保证设计处理的芯片达到设计目标,如何保证制造出来的芯片达到要求的良率,如何确保测试本身的质量和有效,从而提供给客户符合产品规范的、质量合格的产品,这些都要求必须在设计开始的第一时间就要考虑测试方案。
3) 成本的考量。越早发现失效,越能减少无谓的浪费;设计和制造的冗余度越高,越能提供最终产品的良率;同时,如果能得到更多的有意义的测试数据,也能反过来提供给设计和制造端有用的信息,从而使得后者有效地分析失效模式,改善设计和制造良率。3
测试的各种
对于芯片来说,有两种类型的测试,抽样测试和生产全测。
抽样测试,比如设计过程中的验证测试,芯片可靠性测试,芯片特性测试等等,这些都是抽测,主要目的是为了验证芯片是否符合设计目标,比如验证测试就是从功能方面来验证是否符合设计目标,可靠性测试是确认最终芯片的寿命以及是否对环境有一定的鲁棒性,而特性测试测试验证设计的冗余度。
这里我们主要想跟大家分享一下生产全测的测试,这种是需要100%全测的,这种测试就是把缺陷挑出来,分离坏品和好品的过程。这种测试在芯片的价值链中按照不同阶段又分成晶圆测试和最终测试(FT,也叫封装测试或者成品测试),就是上面图(1)中的红色部分。测试相关的各种名词:
ATE-----------Automatic Test Equipment,自动化测试设备,是一个高性能计算机控制的设备的集合,可以实现自动化的测试。Tester---------测试机,是由电子系统组成,这些系统产生信号,建立适当的测试模式,正确地按顺序设置,然后使用它们来驱动芯片本身,并抓取芯片的输出反馈,或者进行记录,或者和测试机中预期的反馈进行比较,从而判断好品和坏品。Test Program---测试程序,测试机通过执行一组称为测试程序的指令来控制测试硬件DUT-----------Device Under Test,等待测试的器件,我们统称已经放在测试系统中,等待测试的器件为DUT。晶圆、单颗die和封装的芯片----如下面图(3)所示
图(3)
Wafer就是晶圆,这个由Fab进行生产,上面规则地放着芯片(die),根据die的具体面积,一张晶圆上可以放数百数千甚至数万颗芯片(die)。
Package Device就是封装好的芯片,根据最终应用的需求,有很多种形式,这个部分由芯片产业价值链中的封装工厂进行完成。测试系统的基本工作机制:
图(4)对测试机进行编写程序,从而使得测试机产生任何类型的信号,多个信号一起组成测试模式或测试向量,在时间轴的某一点上向DUT施加一个测试向量,将DUT产生的输出反馈输入测试机的仪器中测量其参数,把测量结果与存储在测试机中的“编程值”进行比较,如果测量结果在可接受公差范围内匹配测试机中的“编程值”,那么这颗DUT就会被认为是好品,反之则是坏品,按照其失效的种类进行记录。晶圆测试(wafer test,或者CP-chip probering):
就是在图(3)中的晶圆上直接进行测试,下面图中就是一个完整的晶圆测试自动化系统。
Prober--- 与Tester分离的一种机械设备,主要的作用是承载wafer,并且让wafer内的一颗die的每个bond pads都能连接到probe card的探针上,并且在测试后,移开之前的接触,同时移动wafer,换另外的die再一次连接到probe card的探针上,并记录每颗die的测试结果。
图(4)
Probe Card---乃是Tester与wafer上的DUT之间其中一个连接介面,目的在连接Tester Channel 与待测DUT。大部分为钨铜或铍铜,也有钯等其他材质;材质的选择需要高强度、导电性及不易氧化等特性,样子如下面图(5)所示。
图(5)当 probe card 的探针正确接触wafer内一顆 die的每个bond pads后, 送出start信号通过Interface给tester开始测试, tester完成测试送回分类讯号 ( End of test) 给Prober, 量产時必須 tester 与 prober 做连接(docking) 才能测试。最终测试(FT,或者封装测试):
就是在图(3)中的Package Device上进行测试.下图就是一个完整的FT的测试系统。对比wafer test,其中硬件部分,prober换成了handler,其作用是一样的,handler的主要作用是机械手臂,抓取DUT,放在测试区域,由tester对其进行测试,然后handler再根据tester的测试结果,抓取DUT放到相应的区域,比如好品区,比如坏品1类区,坏品2类区等。
图(6)而probe card则换成了load board,其作用是类似的,但是需要注意的是load board上需要加上一个器件—Socket,这个是放置package device用的,每个不同的package种类都需要不同的socket,如下面图(7)所示,load board上的四个白色的器件就是socket。
图(7)
Handler 必须与 tester 相结合(此动作叫 mount 机)及接上interface才能测试, 动作为handler的手臂将DUT放入socket,然后 contact pusher下压, 使 DUT的脚正确与 socket 接触后, 送出start 讯号, 透过 interface 给 tester, 测试完后, tester 送回 binning 及EOT 讯号; handler做分类动作。
4、如何进行一个产品的测试开发
各种规格书:通常有三种规格书,设计规格书、测试规格书、产品规格书。
设计规格书,是一种包含新电路设计的预期功能和性能特性的定义的文档,这个需要在设计项目启动阶段就要完成,通常由市场和设计人员共同完成,最终设计出来的产品的实际功能和性能需要和设计规格书的规定进行比较,以确认本次设计项目的完成度。
测试规格书,其中包含详细的逐步测试程序、条件、方法,以充分测试电路,通常由设计人员和产品验证工程师在设计过程中完成。产品规格书,通常就是叫做datasheet,由设计公司对外发布的,包含了各种详细的规格、电压、电流、时序等信息。测试计划书:就是test plan,需要仔细研究产品规格书,根据产品规格书来书写测试计划书,具体的需要包含下面这些信息:
a)DUT的信息,具体的每个pad或者pin的信息,CP测试需要明确每个bond pads的坐标及类型信息,FT测试需要明确封装类型及每个pin的类型信息。b)测试机要求,测试机的资源需求,比如电源数量需求、程序的编写环境、各种信号资源数量、精度如何这些,还需要了解对应的测试工厂中这种测试机的数量及产能,测试机费用这些。
c)各种硬件信息,比如CP中的probe card, FT中的load board的设计要求,跟测试机的各种信号资源的接口。
d)芯片参数测试规范,具体的测试参数,每个测试项的测试条件及参数规格,这个主要根据datasheet中的规范来确认。类型与下面图(8)这样
图(8)e)测试项目开发计划,规定了具体的细节以及预期完成日期,做到整个项目的可控制性和效率。测试项目流程:桃芯科技目前量产的是BLE的SOC产品,里面包含了eflash、AD/DA、 LDO/BUCK、RF等很多模块,为了提供给客户高品质的产品,我们针对每个模块都有详细的测试,下面图(9)是我们的大概的项目测试流程:
图(9)

Open/Short Test: 检查芯片引脚中是否有开路或短路。
DC TEST: 验证器件直流电流和电压参数
Eflash TEST: 测试内嵌flash的功能及性能,包含读写擦除动作及功耗和速度等各种参数。
Function TEST: 测试芯片的逻辑功能。
AC Test: 验证交流规格,包括交流输出信号的质量和信号时序参数。
Mixed Signal Test: 验证DUT数模混合电路的功能及性能参数。
RF Test: 测试芯片里面RF模块的功能及性能参数。





上面我们给大家介绍了芯片的测试目的,原理,以及方法和流程,接下来我们将比较详细的给大家介绍芯片的错误类型,对应的测试策略,以及跟芯片整体质量相关的一些具体测试方法。
1半导体芯片的defects、Faults
芯片在制造过程中,会出现很多种不同类型的defects,比如栅氧层针孔、扩散工艺造成的各种桥接、各种预期外的高阻态、寄生电容电阻造成的延迟等等,如下面图(1)所示,大概展示了各种基本的defects。
图(1)
这些defects单独、或者组合一起,造成了电路的表现不符预期,这就是造成了Faults.而且各种Faults的表现也是不一样的:
永久的Faults,就是彻底的坏品,各种不同的条件下都会表现出来,易于测试发现。
间或的Faults,时有发生的不符合预期,不是总能发现,需要一定的外部条件刺激。
偶然的Faults,只是偶然的,在特定的外部硬件或者工作模式条件下才表现出来。
可靠性问题的Faults,这种一般不会表现出来,只会在一些极端条件才会表现出来,比如高低温或者偏压情况下。
为了更有效地检测出各种faults、避免浪费更多芯片的资源、节省费用,业界定义了很多种Faults Model,并提供了各种测试方法论。

Stuck At Faults

工艺制造过程中造成的硬件defects,使得某个节点Stuck At 0或者Stuck At 1, 如下面图(2)所示的一个或非门:输入节点x1发生了Stuck At 0的defect; x1和x2输入了00时候,Q1和Q2断开,Q3和Q4导通, z输出为H,正确;x1和x2输入了01时候,Q1和Q3断开,Q2和Q4导通, z输出为L,正确;x1和x2输入了10时候,此时x1被Stuck At 0了,等同于输入00,结果还是Q1和Q2断开,Q3和Q4导通,z输出为H,错误;至此,通过输入00,01,10就发现了这个defect。这种顺序输入00,01,10,而比较z输出的结果与预期的值进行判断的方法,就是所谓的Function测试。
图(2)
那对于一个电路,需要生成多少pattern,能达到多少的测试覆盖率呢?下面图(3)就以一个与门为例,说一下生产测试向量及计算测试覆盖率的基本理念。
图(3)
如上面图示,一个与门,有三个节点a、b、c, 每个节点都有两种fault的情况(Stuck At 0或者1),那么一共就有6种stuck-at faults情况:a0,a1,b0,b1,c0,c1.
那么如上面图中列出的,需要输入(1,0),(0,1),(1,1)可以完全测试出所有的6种可能的Stuck-at Faults的情况,测试覆盖率为:可以发现的faults/所有可能的Faults,上面的输入的测试覆盖率为100%。

Stuck Open(off)/Short(on) Faults

制造过程种造成的晶体管的defects,使得某个晶体管常开或者常闭了,如下面图(4)所示的时一个晶体管发生了Stuck Open(off)的错误了。
图(4)
如上图,这种Stuck open可以用两组Stuck At的向量进行测试,AB输入从10变换到00,可以检测出这种Stuck Open的fault,也就是说大部分的Stuck Open/Short的faults都是可以通过Stuck At model的测试向量覆盖的。
这种通过向量(function)的方式来测试Stuck Open/short,可能需要非常多的测试图形,需要的测试时间和成本都很多。还有一种测量电流的方式,也可以有效的测试一些这种Stuck open/short的faults,但是会节省很多测试时间和测试成本。
如下面图(5)上半部分所示,右边的那个P沟道MOS管发生了Stuck short(on)的faults,图的下半部分展示了输入AB的四种不同的情况,当AB输入为00时,看起来这个晶体管表现的正常;但是当AB输入为11时,地和电源间存在一个直接导通的电路,输出端Z的状态是异常的。
图(5)
此时VDD上的漏电比较大,也可以通过测量VDD上面的电流来判断正误,即IDDQ的测试方法,后面会详细的介绍这种方法。



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