基于數(shù)據(jù)分析科學(xué)降低芯片測試成本*

王 彬，劉 偉，周 成

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著5G 技術(shù)、人工智能（Artificial Intelligence,AI）技術(shù)、自動駕駛技術(shù)等快速發(fā)展[1-3]，高性能、高可靠性的集成電路與芯片受到越來越多的重視，高集成度、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、低功耗的芯片成為當(dāng)下的熱門研究領(lǐng)域[4-5]。當(dāng)下32 位單片機(jī)市場競爭日趨激烈，其在工業(yè)領(lǐng)域的使用范圍也日漸增加，越來越多的智能設(shè)備需要性能良好的芯片來保證其有效持續(xù)穩(wěn)定的工作。然而，隨著晶圓產(chǎn)能的愈發(fā)吃緊，生產(chǎn)和測試芯片的成本也隨之越來越高，產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性問題受到越來越多的重視。

長期以來，高性能芯片的制造技術(shù)被國外壟斷，這也讓越來越多的企業(yè)意識到核心技術(shù)的重要性。近些年，隨著國家大力扶持集成電路和芯片等核心領(lǐng)域技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新以增加核心技術(shù)領(lǐng)域的國產(chǎn)化，在國家與企業(yè)的共同努力下，經(jīng)過長時間的發(fā)展，國產(chǎn)芯片的性能也逐漸提高，擁有自主化知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品也越來越多。這也導(dǎo)致了國內(nèi)的芯片市場競爭愈發(fā)激烈，如何有效保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品的供給速度、降低產(chǎn)品的成本具有重要意義。

為進(jìn)一步提高產(chǎn)品的良品率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少芯片測試過程所需時間、降低成本等，本文從數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析[6-8]的角度出發(fā)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，就如何降低芯片測試的時間和成本進(jìn)行了研究，并通過實際的測試數(shù)據(jù)對該方法進(jìn)行了驗證。

2 中測測試參數(shù)失效率情況

要了解產(chǎn)品的中測失效情況，需要對每批次產(chǎn)品的失效情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，排查失效原因，提出改進(jìn)方法，進(jìn)而實現(xiàn)失效率的降低，提高產(chǎn)品的良品率，具體可按以下兩個步驟進(jìn)行。

步驟1：對產(chǎn)品的各類測試參數(shù)進(jìn)行失效統(tǒng)計分析。此步驟的主要目的是統(tǒng)計出相應(yīng)測試參數(shù)失效比率的分布情況，找出失效比率較大的測試參數(shù)和失效比率較低或無失效的測試參數(shù)，為下一步分析做好準(zhǔn)備。

步驟2：在確定了失效比率較高的測試參數(shù)后，需對失效參數(shù)做進(jìn)一步分析，首先要明確該測試參數(shù)所表示的意義及測試該參數(shù)的目的，同時探究導(dǎo)致該失效發(fā)生的各種原因，從而尋求解決方法，做出相應(yīng)改進(jìn)措施，以降低后續(xù)產(chǎn)品相同測試參數(shù)的失效率，提高整個產(chǎn)品的良品率。

下面以某系列的中測相關(guān)測試參數(shù)為例，匯總了10 個批次中測測試參數(shù)項的失效比率情況, 失效統(tǒng)計表和失效比率統(tǒng)計圖分別如表1 和圖1 所示。

表1 和圖1 主要展示了不同測試參數(shù)的測試時間、總的失效百分比以及失效累計百分比，該系列產(chǎn)品測試參數(shù)失效比率較高的參數(shù)項如表2 所示。

表1 測試參數(shù)項失效統(tǒng)計表

表2 主要給出了在所有測試參數(shù)項中，失效比率較高的前五項，其中最高的失效比率達(dá)到24.09%。通過圖1 可知，上述五類測試參數(shù)的失效累計百分比達(dá)到了83.8%。因此，若想降低整體的失效率，后續(xù)可主要對上述五類失效作進(jìn)一步分析研究，尋找失效原因。除這五類失效比率較高的測試參數(shù)外，另外還有一些測試參數(shù)的失效比率為0，如表3 所示。

圖1 失效比率統(tǒng)計圖

對于表2 給出的主要失效參數(shù)項，首先應(yīng)盡可能從不同角度分析造成失效的原因，然后從中尋找出改善的方法以降低該測試參數(shù)的失效率，從而降低整個產(chǎn)品的失效率，提高產(chǎn)品良品率。同時在后續(xù)的測試過程當(dāng)中，可考慮優(yōu)先安排測試上述參數(shù)項。

表2 失效前五項統(tǒng)計表

而對于表3 所示的測試參數(shù)項而言，它們的失效比率為0，后續(xù)測試可以考慮減少一些測試項以節(jié)省時間成本，從而降低整個產(chǎn)品的測試成本。

表3 失效比率為0 的測試參數(shù)項統(tǒng)計表

3 測試參數(shù)項順序調(diào)整

當(dāng)測試參數(shù)項較多時，測試參數(shù)的測試順序也會影響到時間成本，譬如有些測試項的失效率低，測試順序比較靠前，而失效率高的參數(shù)的測試則比較靠后，因此，需要將所有參數(shù)測完才能確定整體的失效情況，所需的時間也會較多。所以，若能適當(dāng)調(diào)整測試參數(shù)項的測試順序，則有利于更快地掌握產(chǎn)品整體失效情況。

目前關(guān)于這些測試參數(shù)的測試順序是按照表1 所示的BIN2 到BIN28 的順序來執(zhí)行的，但從圖1 所示失效比率統(tǒng)計圖的分析可知，BIN5、BIN6、BIN23 所表示的測試參數(shù)的失效率高于BIN4 所表示的測試參數(shù)，BIN3 所表示的測試參數(shù)的失效率高于BIN2 所表示的測試參數(shù)。

因此，在后續(xù)的測試中，若想要更快地了解產(chǎn)品整體參數(shù)的失效比率情況，可以考慮將BIN5、BIN6、BIN23 所表示的測試參數(shù)的測試順序提前到BIN4 所表示的測試參數(shù)之前，將BIN3 所表示的測試參數(shù)的測試順序提前到BIN2 所表示的測試參數(shù)之前。經(jīng)調(diào)整后各參數(shù)的測試順序如表4 所示。

表4 調(diào)整后各參數(shù)測試順序

通過調(diào)整，在測試中掌握產(chǎn)品整體失效情況所需時間將會降低約80%。

4 刪減測試項

現(xiàn)階段，以某系列產(chǎn)品為例，測試單顆電路所有測試參數(shù)項所需要的時間大約為2.957 s/顆，測試單片晶圓時間為8 h/片，測試時間越長，所需的成本也就越高。因此，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，如何有效地減少單顆電路的測試時間、降低總的時間成本也是一個值得思考的問題。

在上述所有測試參數(shù)項中，對于一些測試失效率為零或失效率一直保持很低的測試參數(shù)項，以圖2 介紹的測試參數(shù)項BIN8 為例，該測試的主要目的是檢驗室溫下溫度傳感器的輸出電壓是否處于規(guī)范內(nèi)。根據(jù)該參數(shù)的測試數(shù)據(jù)可得到圖2 所示直方圖。

圖2 BIN8 測試參數(shù)的直方圖

由其測試數(shù)據(jù)的直方圖可以看出，測試數(shù)據(jù)分布比較集中，且經(jīng)檢驗數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，說明此測試項的數(shù)據(jù)正常，符合要求。類似的失效比率較低的測試參數(shù)還有諸如表3 所示相關(guān)測試參數(shù)，它們的失效率為0。若從時間成本的角度考慮，此類參數(shù)在后續(xù)的測試流程中可考慮不測試以減少總的測試項，進(jìn)而減少測試時間，降低時間成本，提高測試效率。刪減失效比率為0 的測試項后，單顆測試時間為2.68 s，時間成本降低10%。再結(jié)合測試項順序調(diào)整，單片晶圓測試時間為6.45 h，較之前測試時間減少19.27%。

5 數(shù)據(jù)分析其他用途：數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

內(nèi)置溫度傳感器可以用來測量器件周圍的溫度。溫度傳感器在內(nèi)部和ADC1_IN16 輸入通道相連接，此通道把傳感器輸出的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)值。溫度傳感器模擬輸入推薦采樣時間是17.1 μs，利用式（1）得出溫度T。

V25為VSENSE在25 ℃時的電壓值，Avg_Slope表示斜率平均值。

V25設(shè)計仿真值為1.43 V，根據(jù)仿真值按照式（1）計算，計算值與實際值相差較大。根據(jù)10 個批次測試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從圖2 中可以看出V25均值為1.618 V，中心值為1.619 V。修訂后V25典型值為1.619 V。

根據(jù)修訂值再進(jìn)行計算，全溫度范圍內(nèi)溫度誤差不大于±2 ℃。

6 結(jié)論

將數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法科學(xué)應(yīng)用于降低芯片測試成本方面，使原本的芯片測試時間和成本大幅降低；另外，數(shù)據(jù)分析還可以對數(shù)據(jù)手冊參數(shù)進(jìn)行修訂，使得數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。