大规模集成电路测试程序开发技术及流程应用

2017-06-27章慧彬

电子与封装 2017年6期

关键词：程序开发功能测试管脚

章慧彬，朱江

（中国电子科技集团公司第 58 研究所，江苏无锡 214035）

大规模集成电路测试程序开发技术及流程应用

章慧彬，朱江

（中国电子科技集团公司第 58 研究所，江苏无锡 214035）

集成电路测试就是对集成电路进行好坏的判断，通过测量对集成电路的输出响应和预期输出进行比较，以确定或评估集成电路功能和性能的过程。而基于ATE开发完整、稳定、可靠的测试程序，是实现对大规模集成电路自动化快速在线检测最通用、最有效的手段，因此集成电路测试程序开发技术就显得非常重要。

集成电路测试程序；ATE；参数测试；功能测试

1 引言

集成电路测试就是对集成电路进行检测，通过测量集成电路的输出响应和预期输出并进行比较以确定或评估集成电路功能和性能的过程。测试作为集成电路产业链中的一环，是集成电路产品验证出厂的关键，也是集成电路产业的核心技术和重点保障。

集成电路测试是半导体行业唯一贯穿设计、制造、封装、应用全过程的重要部分，见图1。

图1 测试在集成电路全过程中的作用

测试的目的是对设计加工制造出来的产品进行质量评判。测试电路的一般过程如下：

(1)建立描述电路“好”或“坏”的模型；

(2)设计出能检验电路“好”或“坏”的测试数据；

(3)把设计好的数据加在被检测的电路上；

(4)观察被检测电路输出结果；

(5)分析与理想的结果是否一致。

图2 测试过程

测试的作用主要有两个：一是检测产品是“好”还是“坏”，二是检测引起产品“坏”的具体原因，即进行故障定位。两者在测试中是不可分割的。在进行故障定位时首先要检查测试过程、测试环境是否正确，然后再考虑加工、设计或其他因素。测试的准确性和有效性在产品质量保证中担当了重要的角色。测试从质量方面来讲就是以最低的成本满足用户的要求，一个完善的测试过程能在产品送用户之前剔除所有坏品。

2 集成电路测试分类

集成电路测试通常有三种分类方式，即按测试目的分类、按测试内容的分类、按器件类型的分类。根据对集成电路测试所要达到的目的可将集成电路测试分为四类，即验证测试、生产测试、验收测试、使用测试。按测试所涉及的内容可分为三类，即参数测试、功能测试、机构测试。按电路类型分类可分为数字电路测试、模拟电路测试、数模混合电路测试、存储器测试、SoC 测试等。

大规模集成电路的测试程序开发技术更多地还是基于测试的目的开展的，因此下面重点介绍验证测试、生产测试、验收测试和使用测试的定义与作用。

2.1 验证测试

验证测试又称为实验室测试或特性测试，在器件进入量产之前验证 IC 功能和性能的正确性。其目的是验证设计是否正确，是否满足规范中所有的要求。验证测试的测试项目非常全面，包括产品在高温、常温、低温三温条件下的功能测试、交流（AC）参数测试和直流（DC）参数测试，其作用是对设计进行修正、确定器件工作的确切边界参数以制定最终的器件数据手册，为生产测试开发出合适的测试程序。

验证测试类似全面体检，了解产品的全面性能、指标范围，测试内容包括高低温极限工作范围、电源电压极限工作范围、频率极限工作范围、ESD 指标、关键参数数据分布、良率分析等。

2.2 生产测试

生产测试又称为批量量产测试，主要目的是对器件制造过程中产生的故障进行测试，包括 wafer测试、封装后成品测试（成品测试和老化测试）。生产测试更关注测试成本，在保证故障覆盖率的前提下缩短测试时间。其作用是能够加速暴露器件的潜在失效，如先天缺陷和异常故障。量产测试大都基于 ATE，实现快速自动化测试。

2.3 验收测试

验收测试又称为入厂测试，目的是避免有缺陷的器件流入；在不同情况下测试内容也不同，主要按规范测试或按用户特定要求测试。

2.4 使用测试

对器件在使用期间进行测试，包括对器件进行各类可靠性试验后的评价测试、系统使用过程出现故障时进行故障芯片检测和定位所进行的测试等。

3 集成电路测试全流程

集成电路测试并不是等到产品研制出来才开始的，测试工作从产品的立项阶段实际上就必须开始了。产品立项时必须对产品的可测试性进行评审，一款复杂的大规模集成电路没有检测手段，就无法评价产品是否符合要求。目前立项阶段进行测试可实现性的评审越来越被重视了，核高基等重大专项项目都必须提供测试可实现性评估报告；在项目设计阶段要考虑可测性设计、故障覆盖率测试和输出测试接口文件（见表1）；到了测试阶段实际上就是实施对产品的测试。

图3 集成电路测试基本流程

表1 设计输出的测试接口文件

4 集成电路测试程序开发

集成电路测试程序开发主要包括测试方案论证、测试接口板设计制作、测试程序调试、测试数据采集、测试结果的分析验证等。图4是完整的测试程序开发流程。

4.1 测试方案的论证

在项目研制过程中，测试工程师应及时查阅技术协议书、合同、国外产品使用手册、用户提供的产品设计规范等资料，了解电路功能、参数技术指标等，对电路测试提出自己的建议，确定测试的实现方式、提交完整的测试方案报告供项目团队和专家进行评审；测试方案论证报告包括测试系统选型、测试指标的实现方式、是否需要外挂仪器仪表、是否需要自制测量设备、拟采取的测试接口板设计方案、功能测试覆盖率的评估、测试存在的风险评估、测试程序开发周期等。

图4 测试程序开发流程

4.2 测试接口板的设计

测试接口板是一个特定的测试装置，是实现被测电路与 ATE 之间的连接桥梁。一台大规模数模混合集成电路测试系统（ATE）可支持不同种类电路的测试需求，如 SoC、AD、DA、总线接口、DSP、CPU、FPGA 等，这些电路的封装形式也各不相同，有 BGA、QFP、LCC、DIP 等，测试所需要的测试系统资源也不同，因此针对每一款电路要设计专用的测试接口板。

测试接口板分支持FT测试用的成品测试接口板和支持 wafer测试的探针卡板。

测试接口板设计的关键是确保信号的完整性，采用的设计软件主要有 protel99se 和 Altium designer summer09。

在测试方案论证报告评审通过后，测试工程开始设计测试接口板。测试接口板设计的输入文件有：

·电路的 PAD 坐标和管脚定义说明（用于探针卡设计制作）；

·电路的封装形式说明和管脚定义说明文件；

·测试插座的尺寸说明文件；

·电路的测试指标说明文件；

·电路测试要求说明文件和测试原理图；

·选用的ATE资源分布说明文件。

测试工程师完成测试接口板设计后提交项目团队和专家组评审，评审通过后发出加工制作。

图5 成品测试接口板

图6 探针测试接口板

4.3 测试程序的调试

测试工程师接收到测试接口板后，首先进行测试接口板的插座、接插件、外围元器件焊接，检查无误后，开始上ATE进行电路的测试程序调试。

程序调试包括接触测试、功能测试、DC 参数测试和AC参数测试。

4.3.1 接触测试

接触测试主要用于检查测试接口板与 ATE 之间是否连接正常，以确保来自 ATE 的测试信号资源能正确引入到被测电路的信号管脚上。

4.3.2 功能测试

功能测试就是验证电路是否完成了所要实现的逻辑功能。在功能测试过程中，向被测器件输入管脚输入规定的电平、逻辑、格式和时序要求，同时检测输出管脚信号电平，与期望输出电平进行比较，如果与期望输出一致则判为 PASS，否则为 FAIL。在功能测试前，要设置测试条件，如电源电压 VDD、信号输入电平 VIH、VIL，输出比较电平、测试频率 f、输入信号的时序、输入信号图形格式、输出采样点等。功能测试主要包括 SCAN 测试、BIST 测试、逻辑组合测试、结构测试等。集成电路正朝着高性能的方向发展，电路的功能越来越复杂，突破内建测试、并发测试、压缩测试、互连资源测试、低功耗测试与控制等关键技术是功能测试面临的新挑战。功能测试中有一个很重要的因数就是测试向量，是指加载到被测电路的输入信号和预期输出的信号。测试向量来源主要有两个渠道，简单逻辑电路由测试工程师按被测电路的逻辑功能自主生成，复杂电路主要由设计仿真提取出来。

图7 为测试向量文件，格式 0、1 表示输入信号，H、L 表示预期的输出信号，XX 表示不关心状态。

4.3.3 参数测试

直流参数测试主要包括 IDD/IA、IIH、IIL、IOZ 、VOH、VOL、VIH、VIL，交流参数测试主要包括 tD、tSU、tH、tW、tR、tH。

(1)电源消耗(IDDQ，IA)

该项测试决定电路的电源消耗规格，也就是电源管脚在规定的电压条件下的最大电流消耗。电源消耗测试可分为静态电源消耗测试和动态电源消耗测试。静态电源消耗测试决定器件在空闲状态时最大的电源消耗，而动态电源消耗测试决定器件工作时的最大电源消耗。

图7 测试向量文件

(2)漏电流测试(IlL，IIH，IOZ)

理想条件下可以认为输入及三态输出管脚和地之间是开路的。但实际上它们之间为高电阻状态。它们之间的最大电流就称为漏电流，或分别称为输入漏电流和输出三态漏电流。漏电流一般是由于器件内部和输入管脚之间的绝缘氧化膜在生产过程中太薄引起的，形成一种类似于短路的情形，导致电流通过。三态输出漏电流 IOZ 是当管脚状态为输出高阻状态时，在输出管脚使用 VCC(VDD)或 GND(VSS)驱动时测量得到的电流。三态输出漏电流的测试和输入漏电流测试类似，不同的是待测器件必须被设置为三态输出状态。

(3)输出驱动电流测试(VOL，VOH，IOL，IOH)

输出驱动电流测试保证器件能在一定的电流负载下保持预定的输出电平。IOL 和 IOH 规格用来保证器件在允许的噪声条件下所能驱动的多个器件输入管脚的能力。

(4)转换电平测试(VIL，VIH)

转换电平测试用来决定器件工作时 VIL 和 VIH的实际值 (VIL 是器件输入管脚从高变换到低状态时所需的最大电压值，VIH 是输入管脚从低变换到高时所需的最小电压值)。这些参数通常是通过反复运行常用的功能测试，同时升高(VIL)或降低(VIH)输入电压值来决定的。那个导致功能测试失效的临界电压值就是转换电平。这一参数加上保险量就是 VIL 或 VIH 规格。保险量代表了器件的抗噪声能力。

(5)交流参数测试

交流测试是测量器件晶体管转换状态时的时序关系，目的是保证器件在正确的时间内发生状态转换。输入端输入指定的输入边沿，特定时间后在输出端检测预期的状态转换。

图8 交流参数

4.4 测试数据的分析

数据分析有多个重要的作用，一是用于指导产品手册中各项参数规范的制定，二是用于发现问题，三是用于产品生产过程中不同阶段的测试规范制定，严格控制产品的参数波动范围，剔除离散性差并且偏离正态分布的异常电路。集成电路的设计和生产过程都是复杂的，如何在各种原因和问题中发现已存在或者潜在的问题，控制风险、确保长期生产的稳定性非常重要，采集大量的测试数据并快速进行分析可以让我们迅速找到问题，及时处理问题，减少损失、降低风险。数据会说话，只有知道怎么跟数据交流，才能对电路的质量做到心中有数，让客户放心使用。

5 基于ATE的测试程序开发案例

ATE 是 Automatic TestEquipment的缩写，即集成电路（IC）自动测试设备，可实现集成电路自动化快速在线测试。目前世界主流的自动测试设备（ATE）有泰瑞达 (TERADYNE)的 J750（EX）、UltraFlex 和爱德万(ADVANTEST) 的 V93000 等。下面介绍一款高精度ADC 基于 UltraFlex 的测试程序开发案例。

5.1 ADC 主要参数

从测试角度可以将 ADC 器件看作一个黑箱子，它仅有两种或三种外部的输入和数字输出，如图9所示。

图9 ADC接口示意图

模拟输入信号：一般采用单端输入和差分输入两种形式，有些器件通过配置同时支持双端和单端应用。差分输入的抗干扰能力高于单端输入，双端应用的性能指标也优于单端应用。

数字输出信号：一般有串行输出和并行输出两种接口形式，大部分采用 CMOS 电平，但在数据传输速率很高时，为保证数据传输的可靠性，电路会采用并行LVDS差分模式来实现数据传输。

控制信号：ADC 器件的控制部分主要包括模式选择、待机、内外基准选择等，功能复杂的 ADC 采用 SPI等串行总线配置寄存器对电路进行控制。

ADC的静态参数主要包括电压基准、工作和待机电流、输入输出电平、积分非线性（INL）、微分非线性（DNL）、增益误差（Gain Error）、偏移误差(Offset Error)等；ADC 的动态参数主要包括输出数字信号的总谐波失真度（THD）、有效位数（ENOB）、信噪声失真比（SNR）、无失真动态范围（SFDR）、互调失真（IMD）等；ADC的时间参数主要包括通讯接口时序、转换时序和转换建立时间等。

5.2 基于 ATE 测试的测试环境搭建

要实现上述静态参数、动态参数和开关参数的测试，需要用到 UltraFlex 相关的硬件及系统软件。

硬件部分包括：

(1)UltraPin800——最高频率能够工作到 800Mbps，每块 UltraPin800 的板子有 128 个数字通道，同时UltraPin800 拥有数字信号源及抓取模块（DSSC），能够向被测 ADC 芯片提供时钟信号、控制信号，同时能够抓取并存储ADC转换后的实际数据。

(2)TurboAC 模块——能够产生测试所需的模拟信号，在低频段有 15 MHz 带宽的任意波形发生器，同时还有独立的连续波形发生器（带宽 150 MHz），输出均能设置共模直流电压、差模直流电压、单端或双端输出选择，能够根据要求向被测ADC芯片提供模拟信号。

(3)电源模块——内部有 HexVS 模块和 DCVI模块供电，输出精度可达到 0.05%，能够提供的电源电压最高可到 30 V，最大电流可到 10 A。

(4)DSP 处理专用计算机——能够将大量的数据进行实时处理，再将处理后的数据以 1 Gbit/s 的传输速率传回测试主机。

Ultraflex 的软件系统和开发环境集成在微软的EXCEL 内，其中软件编程环境是微软的 VisualBasic环境，软件中可使用的指令完全兼容 VB 指令，当进行测试程序开发时，系统提供单步调试和硬件状态工具（TDE）辅助调试。

图10 ADC 硬件测试平台原理图

5.3 基于 ATE 的参数实测结果

ADC 测试过程中，ATE 的主要功用就是提供信号源和捕捉数据，而这两者的选择和考虑一般是结合在一起的。如果输入信号频率、周期数、采样点数、采样频率选择得不合适，就会出现频谱泄漏的现象，具体现象如图11所示。

图11 存在能量泄漏的频谱

如果用这样的频谱对待测 ADC电路做频谱分析就会导致电路的指标非常低，甚至不合格，这样的评价显然是不正确的。为防止在测试中所用到的信号发生频谱泄漏现象，输入信号频率 ft、周期数 M、采样点数 N、采样频率 fs就必须满足以下公式：

当所选择的输入信号频率、周期数、采样点数和采样频率满足上述关系后，就能够保证测试机采集的数据点数正好是整数个信号周期，这样采集到的数据在频谱上就会表现为信号的能量非常集中，具体的频谱表现如图12所示。

图12 无能量泄漏的频谱

只有在获得正确的频谱后才能对ADC的参数进行计算，得出的结果才能正确真实地反映待测 ADC电路的性能指标。实际测试的 INL、DNL、SNR 测试曲线如图13、14、15 所示。

分析图中数据，我们不难看出，这款 12位 ADC电路的 INL 指标在 5～6 LSB，DNL 指标小于 1 LSB，SNR=79.6 dB。

图13 实际 INL、DNL 测试曲线

图14 时域测试曲线

图15 频域测试曲线

6 总结

在集成电路研制、生产、应用等各个阶段都要进行反复多次的检测，确保产品质量并研制开发出符合系统要求的电路，尤其对于应用在军工型号上的集成电路，控制质量、保障装备的可靠性，集成电路的检测至关重要。编制一套完整、可靠、稳定、满足电路要求的测试程序是一名测试工程师必须具备的基本素质。

测试技术作为集成电路发展的重点支撑技术，开展大规模集成电路测试技术研究，解决大规模集成电路测试方法，提升军用大规模集成电路在线自动化测试能力，推动我国集成电路产业发展，是每一位集成电路测试工作者应尽的责任。

[1]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]刘宝琴.数字电路与系统[M].北京：清华大学出版社，1993.

[3]蒋安平，冯建华.超大规模集成电路测试[M].北京：电子工业出版社，2005.

Development of Test Program for Large Scale Integrated Circuits

ZHANG Huibin,ZHU Jiang
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi214035,China）

IC testing is used to evaluate the quality of ICs by comparing the outputresponse and the expected. Developing a complete,stable and reliable test program based on ATE is the most common and effective method to realize the automatic testing of large scale integrated circuits.Studies on IC test program developmenttechnology are therefore necessary.

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