論集成電路生產(chǎn)的測試技術(shù)

【摘 要】測試貫穿在集成電路設(shè)計(jì)、制造、封裝及應(yīng)用的全過程，被認(rèn)為是集成電路產(chǎn)業(yè)的4個(gè)分支（設(shè)計(jì)、制造、封裝與測試）中一個(gè)極為重要的組成部分，它已經(jīng)成為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一個(gè)瓶頸。

【關(guān)鍵詞】集成電路； 生產(chǎn)； 測試； 技術(shù)

集成電路測試貫穿在集成電路設(shè)計(jì)、芯片生產(chǎn)、封裝以及集成電路應(yīng)用的全過程，因此，測試在集成電路生產(chǎn)成本中占有很大比例。而在測試過程中，測試向量的生成又是最主要和最復(fù)雜的部分，且對測試效率的要求也越來越高，這就要求有性能良好的測試系統(tǒng)和高效的測試算法。

一、數(shù)字集成電路測試的基本概念

根據(jù)有關(guān)數(shù)字電路的測試技術(shù)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)取決于數(shù)字邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)字電路的模型，因此測試輸入信號和觀察設(shè)備必須根據(jù)被測試系統(tǒng)來決定。我們將數(shù)字電路的可測性定義如下：對于數(shù)字電路系統(tǒng)，如果每一個(gè)輸出的完備信號都具有邏輯結(jié)構(gòu)唯一的代表性，輸出完備信號集合具有邏輯結(jié)構(gòu)覆蓋性，則說系統(tǒng)具有可測性。

二、數(shù)字集成電路測試的特點(diǎn)

（一）數(shù)字電路測試的可控性 系統(tǒng)的可靠性需要每一個(gè)完備輸入信號，都會(huì)有一個(gè)完備輸出信號相對性。也就是說，只要給定一個(gè)完備信號作為輸入，就可以預(yù)知系統(tǒng)在此信號激勵(lì)下的響應(yīng)。換句話說，對于可控性數(shù)字電路，系統(tǒng)的行為完全可以通過輸入進(jìn)行控制。從數(shù)字邏輯系統(tǒng)的分析理論可以看出，具有可控性的數(shù)字電路，由于輸入與輸出完備信號之間存在一一映射關(guān)系，因此可以根據(jù)完備信號的對應(yīng)關(guān)系得到相應(yīng)的邏輯。

（二）數(shù)字電路測試的可測性 數(shù)字電路的設(shè)計(jì)，是要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)字邏輯系統(tǒng)的邏輯行為功能，為了證明數(shù)字電路的邏輯要求，就必須對數(shù)字電路進(jìn)行相應(yīng)的測試，通過測試結(jié)果來證明設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。如果一個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上屬于優(yōu)秀，從理論上完成了對應(yīng)數(shù)字邏輯系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，但卻無法用實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明證實(shí)，則這個(gè)設(shè)計(jì)是失敗的。因此，測試對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說是十分重要的。從另一個(gè)角度來說，測試就是指數(shù)字系統(tǒng)的狀態(tài)和邏輯行為能否被觀察到，同時(shí)，所有的測試結(jié)果必須能與數(shù)字電路的邏輯結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。也就是說，測試的結(jié)果必須具有邏輯結(jié)構(gòu)代表性和邏輯結(jié)構(gòu)覆蓋性。

三、數(shù)字電路測驗(yàn)的作用

與其它任何產(chǎn)品一樣，數(shù)字電路產(chǎn)出來以后要進(jìn)行測試，以便確認(rèn)數(shù)字電路是否滿足要求。數(shù)字電路測試至少有以下三個(gè)方面的作用：

（一）設(shè)計(jì)驗(yàn)證 今天數(shù)字電路的規(guī)模已經(jīng)很大，無論是從經(jīng)濟(jì)的角度，還是從時(shí)間的角度，都不允許我們在一個(gè)芯片制造出來之后，才用現(xiàn)場試驗(yàn)的方法對這個(gè)“樣機(jī)”進(jìn)行測試，而必須是在計(jì)算機(jī)上用測試的方法對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，這樣既省錢，又省力。

（二）產(chǎn)品檢驗(yàn) 數(shù)字電路生產(chǎn)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，最終導(dǎo)致數(shù)字電路不合格。因此，在數(shù)字電路生產(chǎn)的全過程中均需要測試。產(chǎn)品只有經(jīng)過嚴(yán)格的測試后才能出廠。組裝廠家對于買進(jìn)來的各種數(shù)字電路或其它元件，在它們被裝入系統(tǒng)之前也經(jīng)常進(jìn)行測試。

（三）運(yùn)行維護(hù) 為了保證運(yùn)行中的系統(tǒng)能可靠地工作，必須定期或不定期地進(jìn)行維護(hù)。而維護(hù)之前首先要進(jìn)行測試，看看是否存在故障。如果系統(tǒng)存在故障，則還需要進(jìn)行故障定位，至少需要知道故障出現(xiàn)在那一塊電路板上，以便進(jìn)行維修或更換。

由此可以看出，數(shù)字電路測試貫穿在數(shù)字電路設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用的全過程，被認(rèn)為是數(shù)字電路產(chǎn)業(yè)中一個(gè)重要的組成部分。有人預(yù)計(jì)，到2016年，IC測試所需的費(fèi)用將在設(shè)計(jì)、制造、封裝和測試總費(fèi)用中占80%-90%的比例。

四、數(shù)字電路測試方法概述

（一）驗(yàn)證測試 當(dāng)一款新的芯片第一次被設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出來時(shí)，首先要接受驗(yàn)證測試。在這一階段，將會(huì)進(jìn)行全面的功能測試和交流（AC）及直流（DC）參數(shù)測試。通過驗(yàn)證測試，可以診斷和修改設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，測量出芯片的各種電氣參數(shù)，并開發(fā)出將在生產(chǎn)中使用的測試流程。

（二）生產(chǎn)測試 當(dāng)數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方案通過了驗(yàn)證測試，進(jìn)入量產(chǎn)階段之后，將利用前一階段調(diào)試好的流程進(jìn)行生產(chǎn)測試。生產(chǎn)測試的目的就是要明確地做出被測數(shù)字電路是否通過測試的決定。因?yàn)槊繅K數(shù)字電路都要進(jìn)行生產(chǎn)測試，所以降低測試成本是這一階段的首要問題。因此，生產(chǎn)測試所使用的測試輸入數(shù)（測試集）要盡可能的小，同時(shí)還必須有足夠高的故障覆蓋率。

（三）老化測試 每一塊通過了生產(chǎn)測試的數(shù)字電路并不完全相同，其中有一些可能還有這樣或那樣的問題，只是我們暫時(shí)還沒有發(fā)現(xiàn)，最典型的情況就是同一型號數(shù)字電路的使用壽命大不相同。老化測試為了保證產(chǎn)品的可靠性，通過調(diào)高供電電壓、延長測試時(shí)間、提高運(yùn)行環(huán)境溫度等方式，將不合格的數(shù)字電路篩選出來。

（四）接受測試 當(dāng)數(shù)字電路送到用戶手中后，用戶將進(jìn)行再一次的測試。如系統(tǒng)集成商在組裝系統(tǒng)之前，會(huì)對買回來的數(shù)字電路和其它各個(gè)部件進(jìn)行測試。只有確認(rèn)無誤后，才能把它們裝入系統(tǒng)。

五、數(shù)字電路測試的設(shè)計(jì)

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，檢測一個(gè)故障并排除它，所需要的代價(jià)若以芯片級為1的話，則電路板級為10，系統(tǒng)級為102，使用現(xiàn)場級為103。隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，對集成電路的測試變得越來越困難。雖然對測試?yán)碚摵头椒ǖ难芯恳恢睕]有間斷或停止，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足集成電路發(fā)展的需求。過去先由設(shè)計(jì)人員根據(jù)功能、速度和電性能要求來設(shè)計(jì)電路，然后再由測試人員根據(jù)已設(shè)計(jì)好的電路制定測試方案，這種傳統(tǒng)的做法已經(jīng)不能適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)的需求。

集成電路設(shè)計(jì)不僅要滿足功能、速度和電性能等方面的要求，而且還要使得設(shè)計(jì)出來的集成電路容易測試，即要設(shè)法降低測試的難度。當(dāng)集成電路被封裝后，電路中的節(jié)點(diǎn)都是無法接觸的。這些點(diǎn)上的故障是否可以測試以及測試的難易程度，決定于電路的原始輸入是否可以控制這些點(diǎn)的邏輯值以及這些點(diǎn)的邏輯值能否容易地通過電路內(nèi)部到達(dá)電路原始輸出以便于觀察。

要提高電路的可測試性，首先要有辦法來度量電路的可測試性，即要求對可控制性和可觀察性進(jìn)行量化，而且要求計(jì)算簡單。這樣，在電路的設(shè)計(jì)過程中不斷估計(jì)電路的可測試性，并在必要時(shí)及時(shí)修改電路設(shè)計(jì)，最終使電路變得容易測試。有很多度量和計(jì)算可控制性和可觀察性的方法。DFT技術(shù)可以分為兩個(gè)大類：一類是專項(xiàng)設(shè)計(jì)，它是在按功能要求設(shè)計(jì)好電路之后，再采取一些簡單易行的措施，針對電路中某些具體的節(jié)點(diǎn)，提高它們的可控制性、可觀察性；另一類是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它根據(jù)可測試性設(shè)計(jì)的一般規(guī)則和基本模式來進(jìn)行電路的功能設(shè)計(jì)，在完成功能設(shè)計(jì)的同時(shí)，提高了電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的可控制性和可觀察性。