集成電路測試技術(shù)研究

陳昆，劉丹

（重慶西南集成電路設(shè)計有限責任公司，重慶 401332）

0 引言

電子信息技術(shù)的快速發(fā)展在一定程度上推動了集成電路技術(shù)的開發(fā)，電子產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計越來越多樣化和復(fù)雜化。集成電路測試技術(shù)可以為電子產(chǎn)品開發(fā)的各個環(huán)節(jié)的產(chǎn)出效率與質(zhì)量提供保障。一個良好的電子產(chǎn)品必須通過各個環(huán)節(jié)的嚴格測試才能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中的缺陷進而改進缺陷。因此，集成電路測試技術(shù)應(yīng)用研究可以在某種程度上促進行業(yè)的發(fā)展。

1 集成電路測試制造中的相關(guān)概念

1.1 缺陷

集成電路中的缺陷主要是它實現(xiàn)的硬件與預(yù)期期望的差別。集成電路的缺陷主要包括：第一，設(shè)計上的缺陷。第二，材料上的缺陷。第三，封裝上的缺陷。第四，工藝制造上的缺陷。

1.2 故障

故障和缺陷之間的差別需要進行認真細微的區(qū)分，故障和缺陷代表的是功能和硬件上的缺點。集成電路在制造，裝備和使用的各個環(huán)節(jié)、各個階段都有可能發(fā)生故障。例如在存儲環(huán)節(jié)上，因為濕度、溫度或者電路老化等原因而發(fā)生的故障被稱為物理故障。物理故障就會間接的影響電路的邏輯功能，邏輯功能的改變就會出現(xiàn)邏輯故障。但是，一個物理故障也會引起多個邏輯故障[1]。

故障可以分為間歇故障、瞬時故障以及永久故障。間歇故障很多情況下是由于參數(shù)變化、容限變化和老化等一些原因引起的。間接故障和永久故障可以分別被叫作軟故障和硬故障。

1.3 失效

電路因為存在故障而異常工作，叫做失效。集成電路的失效可以分為間歇性失效和永久性失效。間歇性失效主要表現(xiàn)為電路時而正常工作、時而異常工作，或者是在某種特定的條件下異常工作，而永久性失效是指電路在任何時候都表現(xiàn)出異常工作的狀態(tài)。

2 集成電路測試的目的與分類

2.1 集成電路測試的目的

集成電路制造技術(shù)復(fù)雜，在生產(chǎn)過程中就會潛藏一些問題影響電路發(fā)揮其正常作用。在加工中會出現(xiàn)因為設(shè)備，材料使用不當、質(zhì)量不過關(guān)等原因引發(fā)故障。因此，在生產(chǎn)制造電子產(chǎn)品過程中，集成電路測試技術(shù)顯得尤為重要。集成電路測試主要是為了清查電路存在的故障。診斷故障主要從檢測和定位兩個方面出發(fā)，每個芯片出現(xiàn)故障的原因不同，可能是因為前端設(shè)計考慮不足出現(xiàn)的原因，也可能是因為在制造過程中出現(xiàn)的原因。如果只是為了檢驗故障是否存在，那就屬于故障檢測，如果想對故障進行定位，那就屬于故障診斷[2]。

2.2 集成電路測試的分類

2.2.1 集成電路測試按技術(shù)分類主要包括直流測試，交流測試和功能測試

（1）直流測試。直流測試是集成電路最基礎(chǔ)的測試，是為了測試電路直流參數(shù)的穩(wěn)定性。主要測試電路的漏電流、偏置電流、偏置電壓、拉偏電流等幾個參數(shù)。漏電流的測試主要是為了檢測器件是否存在漏電缺陷，剔除參數(shù)正常但存在漏電風(fēng)險的電路。偏置電流測試主要是測試在給定電壓下器件正常工作的電流功耗。拉偏電流的測試主要是為了檢測電路在電壓在一定范圍內(nèi)波動情況下電流的變化情況。直流測試的主要目的在于確定集成電路內(nèi)部晶體管的直流工作點是否正常，電路的直流工作狀態(tài)是否滿足仿真要求，為交流測試奠定基礎(chǔ)。所以在集成電路的測試工作中，直流測試是放在交流測試前面的，當直流測試都出現(xiàn)較大偏差時，交流參數(shù)是肯定會存在問題的[3]。

（2）交流測試。交流測試主要是檢測電路內(nèi)部晶體管處理交流信號的能力，它主要測試電路的頻率、速率、幅度、相位、延時、噪聲系數(shù)、功率等參數(shù)。交流測試的參數(shù)是用來評估電路傳輸、處理交流信號的能力，它主要受設(shè)計能力、晶體管特性、集成電路加工能力等因素的影響。交流參數(shù)的測試需要借助一些專用的儀器設(shè)備，這類儀器的功能是輸出特定要求的交流信號，該信號經(jīng)過被測電路后發(fā)生不同程度的變化，再對信號進行測試分析，得出信號的變化規(guī)律，計算出相應(yīng)的交流參數(shù)。由于絕大多數(shù)集成電路都會應(yīng)用到交流信號的處理中，所以交流參數(shù)的測試在整個集成電路測試中占據(jù)了非常重要的地位，也是集成電路測試關(guān)鍵。

（3）功能測試。功能測試是對集成電路在實際使用環(huán)境中是否達到設(shè)計要求的一種系統(tǒng)性測試。在設(shè)計集成電路之初就會設(shè)定一個預(yù)期的方向，即該電路的作用是什么，能夠到達什么指標，完成什么功能。功能測試主要就是檢測制造出來的集成電路是否能夠達到設(shè)計時要求。該測試一般會在直流和交流測試合格后進行，它是根據(jù)電路應(yīng)用層面的要求，結(jié)合電路本身的特性，模擬實際使用條件對被測件進行測試。該測試主要通過兩種手段來完成：①通過對應(yīng)用環(huán)境的分析，模仿出真實的輸入信號，將信號通過輸入端進入被測件，在規(guī)定的條件下檢測輸出信號是否達到預(yù)期值。②在實際應(yīng)用的系統(tǒng)中將原先同款電路取下，安裝上被測電路，檢測該系統(tǒng)能否正常工作，能否滿足原先的運行條件。以上兩種方式在實際的工程應(yīng)用中經(jīng)常被用到，也成為評價集成電路能否滿足系統(tǒng)需要的常規(guī)手段。

2.2.2 集成電路測試按種類分類主要包括研發(fā)測試、功能測試、驗證測試、生產(chǎn)測試

（1）研發(fā)測試。研發(fā)測試主要是驗證設(shè)計準確性和符合性，這類測試往往對測試的準確性和參數(shù)的覆蓋性提出很高的要求，意在驗證設(shè)計是否到達要求，該測試結(jié)果會指導(dǎo)設(shè)計人員對電路進行優(yōu)化。該測試通常包含直流參數(shù)和交流參數(shù)的測試，相較于生產(chǎn)測試來說該測試更復(fù)雜、更全面、費用也更高。

（2）功能測試。功能測試在驗證設(shè)計過程是非常重要的環(huán)節(jié)，一般會安排研發(fā)測試完成后進行，主要針對的是電路實現(xiàn)的功能進行監(jiān)測，這項測試需要工程師對應(yīng)用條件非常熟悉，需要大量的應(yīng)用測試向量，以便檢測出更多的故障。

（3）驗證測試。驗證測試是在研發(fā)測試完成，產(chǎn)品達到設(shè)計預(yù)期后進行的。該測試的主要目的是進行參數(shù)及可靠性的小批量驗證，考察電路的一致性和可靠性能否達到批量供貨的要求。在實際工程應(yīng)用中通常需要進行3個不連續(xù)的生產(chǎn)批進行驗證，驗證的主要內(nèi)容是電參數(shù)測試及相關(guān)可靠性試驗，其中可靠性試驗的要求是根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境的質(zhì)量等級來確定的，通常的試驗有高溫存貯、溫度循環(huán)（TC）、HAST、UHAST等等，試驗完成后會對產(chǎn)品進行參數(shù)測試，以評估產(chǎn)品的可靠性是否達標。驗證測試對于集成電路的批量供應(yīng)有著極其重要的作用，它可以有效避免產(chǎn)品在批量生產(chǎn)及使用過程中出現(xiàn)大比例失效，是產(chǎn)品工程化、量產(chǎn)化前不可缺少的一部分[4]。

（4）生產(chǎn)測試。一般情況下，集成電路在完成設(shè)計、研發(fā)測試、驗證測試后會投入生產(chǎn)，生產(chǎn)過程就會進行生產(chǎn)測試，生產(chǎn)測試通常包含晶圓探針測試（CP）和成品終測（FT）兩個部分，晶圓測試主要目的是在封裝前剔除不合格的電路，以降低生產(chǎn)成本，同時相對于成品終測來說，晶圓測試更容易實現(xiàn)高低溫測試，能夠有效剔除高低溫失效的產(chǎn)品。成品終測是集成電路生產(chǎn)的最后環(huán)節(jié)，它的主要目的剔除生產(chǎn)過程中的所有不良品，以保證產(chǎn)品的出貨質(zhì)量。一般來說該環(huán)節(jié)測試是以常溫參數(shù)測試為主，在特殊情況下會加入高低溫測試及功能測試，但同時會帶來測試成本的大幅度提高。另外考慮到生產(chǎn)成本、產(chǎn)出效率、量產(chǎn)可實現(xiàn)性等因素，生產(chǎn)測試相對于研發(fā)和驗證測試來說測試參數(shù)會有一定刪減，它的主要目的是完成產(chǎn)品的有效檢出。在實際工程應(yīng)用中通常會對參數(shù)進行評估，找出關(guān)鍵參數(shù)作為判據(jù)，在保證有效性的情況下提高測試效率。

3 集成電路測試流程

集成電路的測試流程一般為：測試需求、測試準備、測試過程、測試結(jié)論。測試需求階段，需要提前確定好產(chǎn)品的測試內(nèi)容，一般情況下包括產(chǎn)品的功能介紹、測試參數(shù)、質(zhì)量等級等。測試準備階段，主要是了解、消化測試需求，制定測試方案，并根據(jù)測試參數(shù)確定測試平臺，搭建測試系統(tǒng)等。測試過程階段，主要是根據(jù)測試方案在選定的測試平臺上開展測試工作，在測試過程中隨著測試的深入、問題的暴露可能會涉及到方案更改、平臺更換等工作。測試結(jié)論階段，主要是根據(jù)測試結(jié)果對被測件進行評估，找出被測件測試結(jié)果與設(shè)計值不符合的原因，診斷出故障點，與設(shè)計人員配合改進。

4 集成電路測試平臺

4.1 分立式儀表測試平臺

集成電路測試中的分立式儀表測試平臺主要是指用臺式分立儀器搭建的測試系統(tǒng)，它主要用于電路的研發(fā)測試和功能測試，其作用是驗證電路的性能指標。它的特點為：（1）高精度及高穩(wěn)定性。高精度的測量能力能夠全面真實的反映出電路性能，高穩(wěn)定性的測量能力能夠?qū)崿F(xiàn)測試結(jié)果的重復(fù)性。（2）測量功能覆蓋面廣。每臺分立式儀器都是根據(jù)某一方面的指標來做測試分析的，它們能夠非常全面的測量某一方面的所有參數(shù)。例如：頻譜儀就是針對電路的頻域參數(shù)進行測試，它的參數(shù)覆蓋性非常好。當幾臺不同功能的設(shè)備搭建成一套完整的測試平臺后，該電路的所有技術(shù)指標都能進行完整的評測。（3）平臺架構(gòu)靈活。正是因為是分立式儀表，這種平臺的搭建非常靈活，任意設(shè)備都可以相互組合，實現(xiàn)不同需求的測試分析。

以上特點主要針對研發(fā)測試，如果作為量產(chǎn)測試，其最大弊端就是測試效率低。在滿足一定高精度的測量要求下，響應(yīng)速度較慢，再加上分立設(shè)備的傳輸協(xié)議屬于異構(gòu)平臺，只能采用較低速率的傳輸協(xié)議，無法滿足高效率批量生產(chǎn)的需要。同時，由于設(shè)備精度高功能覆蓋面廣，售價都非常昂貴，生產(chǎn)成本無法接受。

4.2 ATE測試平臺

集成電路的ATE測試平臺是指專用的自動化測試設(shè)備，它主要用于集成電路的批量化、大規(guī)模生產(chǎn)，其作用是在保證一定測試精度的情況下快速的完成電路的測試，傳統(tǒng)的測試平臺依靠機架堆疊臺式儀器大量的手動測試程序，但對于大批量生產(chǎn)測試來說，使用整套昂貴的測試設(shè)備來完成ATE，其測試效率及測試成本是它最大的缺點。在構(gòu)建測試平臺時，不僅考慮只針對單一產(chǎn)品測試，還需考慮測試平臺覆蓋其他類型的產(chǎn)品，從而構(gòu)建一個通用的、高復(fù)用度的測試平臺。因此最佳的系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)透過通用統(tǒng)一測試平臺，可快速部署到生產(chǎn)的測試系統(tǒng)，同時密切監(jiān)測測試吞吐量和產(chǎn)量，更快的測試速度意味著產(chǎn)量的提高[5]。

測試軟件需要采用一款可立即執(zhí)行的測試管理軟件，更快地開發(fā)自動測試和驗證系統(tǒng)，測試序列可以指定執(zhí)行流、生成測試報告、進行數(shù)據(jù)庫記錄，并可借助易用的操作界面，在生產(chǎn)中部署測試系統(tǒng)。

根據(jù)以上依據(jù)，考慮測量準確性、穩(wěn)定性、效率以及測試成本等多方面，目前業(yè)內(nèi)PXI測試平臺是基于模塊化的硬件平臺，通過軟件來定義硬件的功能，保證系統(tǒng)的擴展性和升級要求，從而保證測試成本的節(jié)約。該平臺包括矢量信號收發(fā)儀VST，基于向量的數(shù)字儀器，高精度SMU源測量單元等高精度儀器等?？筛采w從插入損耗、隔離度到諧波、IP3、開關(guān)時間等多種指標測試，極大提升了測試覆蓋率，同時，提高了測試速度，保證了測試產(chǎn)量。運用LabVIEW軟件對整個系統(tǒng)進行了監(jiān)控和控制，并可根據(jù)批量測試數(shù)據(jù)進行問題分析。此測試平臺構(gòu)建一個通用的、高復(fù)用度的測試平臺，提高了測試設(shè)備的利用率和使用率。

5 結(jié)論

由于現(xiàn)在電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，作為產(chǎn)業(yè)鏈上下游的技術(shù)支持，也會推動集成電路測試技術(shù)的發(fā)展。集成電路主要應(yīng)用在計算機、通信、電力電子、個人身份識別和互聯(lián)網(wǎng)等各個領(lǐng)域。集成電路測試技術(shù)作為一個前端的技術(shù)。對于其他的科技具有影響，能夠推動社會經(jīng)濟的科學(xué)技術(shù)水平的快速發(fā)展。

由于集成電路的設(shè)計更加復(fù)雜，專業(yè)和多樣化，制作工藝也非常的繁瑣復(fù)雜。這就會導(dǎo)致集成電路會存在某些缺陷，從而隨時都有可能出現(xiàn)故障。所以在集成電路的設(shè)計制造階段，應(yīng)該運用集成電路的測試技術(shù)。通過集成電路的測試把那些殘次品淘汰，推動電子產(chǎn)品的高質(zhì)量發(fā)展。