the_fundamentals_of_digital_semiconductor_testing_chinese(编辑修改稿)

the_fundamentals_of_digital_semiconductor_testing_chinese(编辑修改稿)内容摘要：

供电的器件，我们称 VSS 为 GND。 2． 测试程序 半导体测试程序的目的是控制测试系统硬件以一定的方式保证被测器件达到或超越它的那些被具体定义在器件规格书里的设计指标。 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的正确性； AC 测试用以保证芯片能在特定的时间约束内完成逻辑操作。 程序控制测试系统的硬件进行测试，对每个测试项给出 pass 或 fail的结果。 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的性能进行相应的分类，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，会被归为最好的一类，称之为“ Bin 1”；而它的某个兄弟，只能在 100MHz 下做同样的事情，性能比不上它，但是也不是一无是处应该扔掉，还有可以应用的领域，则也许会被归为“ Bin 2”，卖给只要求 100MHz 的客户。 程序还要有控制外围测试设备比如 Handler 和 Probe 的能力；还要搜集和提供摘要性质（或格式）的测试结果或数据，这些结果或数据提供有价值的信息给测试或生产工程师，用于良率 (Yield)分析和控制。 二、正确的测试方法 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，因为对于什么是正确的或者说最好的测试方式，一直没有一个单一明了的界定，某种情形下正确的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的构建方式，下面我们就来看一些影响力大的因素。  测试程序的用途。 下面的清单例举了测试程序的常用之处，每一项都有其特殊要求也就需要相应的测试程序：  Wafer Test —— 测试晶圆（ wafer）每一个独立的电路单元（ Die），这是半导体后段区分良品与不良品的第一道工序，也被称为“ Wafer Sort”、 CP 测试等 .  Package Test —— 晶圆被切割成独立的电路单元，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的正确性并保证器件仍然能达到它的设计指标，也称为 “ Final Test”、 FT 测试、成品测试等。  Quality Assurance Test —— 质量保证测试，以抽样检测方式确保 Package Test执行的正确性，即确保 pass的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的极限值。  Pre/Post BurnIn —— 在器件“ Burnin”之前和之后进行的测试，用于验证老化过程有没有引起一些参数的漂移。 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）的芯片。  Miliary Test —— 军品测试，执行更为严格的老化测试标准，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的芯片质量在应用之前进行的检查或 测试。  Assembly Verification —— 封装验证，用于检验芯片经过了封装过程是否仍然完好并验证封装过程本身的正确性。 这一过程通常在 FT测试时一并实施。  Failure Analysis —— 失效分析，分析失效芯片的故障以确定失效原因，找到影响良率的关键因素，并提高芯片的可靠性。  测试系统的性能。 测试程序要充分利用测试系统的性能以获得良好的测试覆盖率，一些测试方法会受到测试系统硬件或软件性能的限制。 高端测试 机：  高度精确的时序 —— 精确的高速测试  大的向量存储器 —— 不需要去重新加载测试向量  复合 PMU（ Parametric Measurement Unit） —— 可进行并行测试，以减少测试时间  可编程的电流加载 —— 简化硬件电路，增加灵活性  PerPin 的时序和电平 —— 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  小的向量存储器 —— 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和测试时间  测试环节的成本。 这也许是决定什么需要被测试以及以何种方式满足这些测试的唯一的最重要的因素，测试成本在器件总的制造 成本中占了很大的比重，因此许多与测试有关的决定也许仅仅取决于器件的售价与测试成本。 例如，某个器件可应用于游戏机，它卖 15 元；而同样的器件用于人造卫星，则会卖 3500 元。 每种应用有其独特的技术规范，要求两种不同标准的测试程序。 3500 元的器件能支持昂贵的测试费用，而 15 元的器件只能支付最低的测试成本。  测试开发的理念。 测试理念只一个公司内部测试人员之间关于什么是最优的测试方法的共同的观念，这却决于他们特殊的要求、芯片产品的售价，并受他们以往经验的影响。 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的每一个环节以决定最佳的解决方案。 开发测试程序不是一件简单的正确或者错误的事情，它是一个在给定的状况下寻找最佳解决方案的过程。 三 、 测试系统 测试系统称为 ATE，由电子电路和机械硬件组成，是由同一个主控制器指挥下的电源、计量仪器、信号发生器、模式（ pattern）生成器和其他硬件项目的集合体，用于模仿被测器件将会在应用中体验到的操作条件，以发现不合格的产品。 测试系统硬件由运行一组指令（测试程序）的计算机控制，在测试时提供合适的电压、电流、时序和功能状态 给 DUT 并监测 DUT 的响应，对比每次测试的结果和预先设定的界限，做出 pass 或 fail的判断。  测试系统的内脏 图 21 显示所有数字测试系统都含有的基本模块，虽然很多新的测试系统包含了更多的硬件，但这作为起点，我们还是拿它来介绍。 “CPU”是系统的控制中心，这里的 CPU 不同于电脑中的中央处理器，它由控制测试系统的计算机及数据输入输出通道组成。 许多新的测试系统提供一个网络接口用以传输测试数据；计算机硬盘和 Memory用来存储本地数据；显示 器及键盘提供了测试操作员和系统的接口。 图 DC 子系统包含有 DPS（ Device Power Supplies，器件供电单元）、 RVS（ Reference Voltage Supplies，参考电压源）、 PMU（ Precision Measurement Unit，精密测量 单元）。 DPS 为被测器件的电源管脚提供电压和电流； RVS 为系统内部管脚测试单元的驱动和比较电路提供逻辑 0 和逻辑 1 电平提供参考电压，这些电压设置包括： VIL、 VIH、 VOL和 VOH。 性能稍逊的或者老一点的测试系统只有有限的 RVS，因而同一时间测试程序只能提供少量的输入和输出电平。 这里先提及一个概念，“ tester pin”，也叫做“ tester channel”，它是一种探针，和 Loadboard背面的 Pad 接触为被测器件的管脚提供信号。 当测试机的 pins 共享某一资源，比如 RVS，则此资源称为“ Shared Resource”。 一些测试系统称拥有“ per pin”的结构，就是说它们可以为每一个 pin 独立地设置输入及输出信号的电平和时序。 DC 子系统还包含 PMU（精密测量单元， Precision Measurement Unit）电路以进行精确的 DC 参数测试，一些系统的 PMU 也是 per pin 结构，安装在测试头（ Test Head）中。 （ PMU 我们将在后面进行单独的讲解） 每个测试系统都有高速的存储器 —— 称为“ pattern memory”或“ vector memory”—— 去存储测试向量（ vector 或 pattern）。 Test pattern（注：本人驽钝，一直不知道这个 pattern 的准确翻译，很多译者将其直译为“模式”，我认为有点欠妥，实际上它就是一个二维的真值表；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的一系列逻辑功能的输入输出的状态，测试系统从 pattern memory 中读取输入信号或者叫驱动信号（ Drive）的 pattern状态，通过 tester pin 输送给待测器件的相应管脚；再从器件输出管脚读取相应信号的状态， 与 pattern 中相应的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的输出，如果器件输入与期望不相符，则一个功能失效产生了。 有两种类型的测试向量 —— 并行向量和扫描向量，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的格式、掩盖（ mask）和时序设置等数据和信息，信号格式（波形）和时间沿标识定义了输入信号的格式和对输出信号进行采样的时间点。 Timing分区从 pattern memory 那里接收激励状态（“ 0”或者“ 1”） ，结合时序及信号格式等信息，生成格式化的数据送给电路的驱动部分，进而输送给待测器件。 Special Tester Options 部分包含一些可配置的特殊功能，如向量生成器、存储器测试，或者模拟电路测试所需要的特殊的硬件结构。 The Systen Clocks 为测试系统提供同步的时钟信号，这些信号通常运行在比功能测试要高得多的频率范围；这部分还包括许多测试系统都包含的时钟校验电路。 其他的小模块这里不再赘述，大家基本上可以望文生义，呵呵。 四 、 PMU PMU（ Precision Measurement Unit，精密测量单元）用于精确的 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的电流。 PMU 的数量跟测试机的等级有关，低端的测试机往往只有一个 PMU，同过共享的方式被测试通道（ test channel）逐次使用；中端的则有一组 PMU，通常为 8 个或 16 个，而一组通道往往也是 8个或 16 个，这样可以整组逐次使用；而高端的测试机则会采用 per pin 的结构，每个 channel配置一个 PMU。 图 22. PMU 状态模拟图  驱动模式和测量模式（ Force and Measurement Modes） 在 ATE 中，术语“驱动（ Force）”描述了测试机应用于被测器件的一定数值的电流或电压，它的替代词是 Apply，在半导体测试专业术语中， Apply 和 Force都表述同样的意思。 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，则相应的数值必须同时被设置。  驱动线路和感知线路（ Force and Sense Lines） 为了提升 PMU 驱动电压的精确度，常使用 4 条线路的结构：两条驱动线路传输电流，另两条感知线路监测我们感兴趣的点（通常是 DUT）的电压。 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 端的电压往往小于我们在程序中设置 的参数。 设置两根独立的（不输送电流）感知线路去检测 DUT 端的电压，反馈给电压源，电压源再将其与理想值进行比较，并作相应的补偿和修正，以消除电流流经线路产生的偏差。 驱动线路和感知线路的连接点被称作“开尔文连接点”。  量程设置（ Range Settings） PMU 的驱动和测量范围在编程时必须被选定，合适的量程设定将保证测试结果的准确性。 需要提醒的是， PMU 的驱动和测量本身就有就有范围的限制，驱动的范围取决于 PMU 的最大驱动能力，如果程序中设定 PMU 输出 5V的电压而 PMU本身设定为输出 4V电压的话，最终只能输出 4V的电压。 同理，如果电流测量的量程被设定为 1mA，则无论实际电路中电流多大，能测到的读数不会超过 1mA。 值得注意的是， PMU 上无论是驱动的范围还是测量的量程，在连。