集成电路测试技术研究

2020-12-11陈昆刘丹

电子元器件与信息技术 2020年8期

陈昆，刘丹

（重庆西南集成电路设计有限责任公司，重庆 401332）

0 引言

电子信息技术的快速发展在一定程度上推动了集成电路技术的开发，电子产品开发与设计越来越多样化和复杂化。集成电路测试技术可以为电子产品开发的各个环节的产出效率与质量提供保障。一个良好的电子产品必须通过各个环节的严格测试才能发现产品中的缺陷进而改进缺陷。因此，集成电路测试技术应用研究可以在某种程度上促进行业的发展。

1 集成电路测试制造中的相关概念

1.1 缺陷

集成电路中的缺陷主要是它实现的硬件与预期期望的差别。集成电路的缺陷主要包括：第一，设计上的缺陷。第二，材料上的缺陷。第三，封装上的缺陷。第四，工艺制造上的缺陷。

1.2 故障

故障和缺陷之间的差别需要进行认真细微的区分，故障和缺陷代表的是功能和硬件上的缺点。集成电路在制造，装备和使用的各个环节、各个阶段都有可能发生故障。例如在存储环节上，因为湿度、温度或者电路老化等原因而发生的故障被称为物理故障。物理故障就会间接的影响电路的逻辑功能，逻辑功能的改变就会出现逻辑故障。但是，一个物理故障也会引起多个逻辑故障[1]。

故障可以分为间歇故障、瞬时故障以及永久故障。间歇故障很多情况下是由于参数变化、容限变化和老化等一些原因引起的。间接故障和永久故障可以分别被叫作软故障和硬故障。

1.3 失效

电路因为存在故障而异常工作，叫做失效。集成电路的失效可以分为间歇性失效和永久性失效。间歇性失效主要表现为电路时而正常工作、时而异常工作，或者是在某种特定的条件下异常工作，而永久性失效是指电路在任何时候都表现出异常工作的状态。

2 集成电路测试的目的与分类

2.1 集成电路测试的目的

集成电路制造技术复杂，在生产过程中就会潜藏一些问题影响电路发挥其正常作用。在加工中会出现因为设备，材料使用不当、质量不过关等原因引发故障。因此，在生产制造电子产品过程中，集成电路测试技术显得尤为重要。集成电路测试主要是为了清查电路存在的故障。诊断故障主要从检测和定位两个方面出发，每个芯片出现故障的原因不同，可能是因为前端设计考虑不足出现的原因，也可能是因为在制造过程中出现的原因。如果只是为了检验故障是否存在，那就属于故障检测，如果想对故障进行定位，那就属于故障诊断[2]。

2.2 集成电路测试的分类

2.2.1 集成电路测试按技术分类主要包括直流测试，交流测试和功能测试

（1）直流测试。直流测试是集成电路最基础的测试，是为了测试电路直流参数的稳定性。主要测试电路的漏电流、偏置电流、偏置电压、拉偏电流等几个参数。漏电流的测试主要是为了检测器件是否存在漏电缺陷，剔除参数正常但存在漏电风险的电路。偏置电流测试主要是测试在给定电压下器件正常工作的电流功耗。拉偏电流的测试主要是为了检测电路在电压在一定范围内波动情况下电流的变化情况。直流测试的主要目的在于确定集成电路内部晶体管的直流工作点是否正常，电路的直流工作状态是否满足仿真要求，为交流测试奠定基础。所以在集成电路的测试工作中，直流测试是放在交流测试前面的，当直流测试都出现较大偏差时，交流参数是肯定会存在问题的[3]。

（2）交流测试。交流测试主要是检测电路内部晶体管处理交流信号的能力，它主要测试电路的频率、速率、幅度、相位、延时、噪声系数、功率等参数。交流测试的参数是用来评估电路传输、处理交流信号的能力，它主要受设计能力、晶体管特性、集成电路加工能力等因素的影响。交流参数的测试需要借助一些专用的仪器设备，这类仪器的功能是输出特定要求的交流信号，该信号经过被测电路后发生不同程度的变化，再对信号进行测试分析，得出信号的变化规律，计算出相应的交流参数。由于绝大多数集成电路都会应用到交流信号的处理中，所以交流参数的测试在整个集成电路测试中占据了非常重要的地位，也是集成电路测试关键。

（3）功能测试。功能测试是对集成电路在实际使用环境中是否达到设计要求的一种系统性测试。在设计集成电路之初就会设定一个预期的方向，即该电路的作用是什么，能够到达什么指标，完成什么功能。功能测试主要就是检测制造出来的集成电路是否能够达到设计时要求。该测试一般会在直流和交流测试合格后进行，它是根据电路应用层面的要求，结合电路本身的特性，模拟实际使用条件对被测件进行测试。该测试主要通过两种手段来完成：①通过对应用环境的分析，模仿出真实的输入信号，将信号通过输入端进入被测件，在规定的条件下检测输出信号是否达到预期值。②在实际应用的系统中将原先同款电路取下，安装上被测电路，检测该系统能否正常工作，能否满足原先的运行条件。以上两种方式在实际的工程应用中经常被用到，也成为评价集成电路能否满足系统需要的常规手段。

2.2.2 集成电路测试按种类分类主要包括研发测试、功能测试、验证测试、生产测试

（1）研发测试。研发测试主要是验证设计准确性和符合性，这类测试往往对测试的准确性和参数的覆盖性提出很高的要求，意在验证设计是否到达要求，该测试结果会指导设计人员对电路进行优化。该测试通常包含直流参数和交流参数的测试，相较于生产测试来说该测试更复杂、更全面、费用也更高。

（2）功能测试。功能测试在验证设计过程是非常重要的环节，一般会安排研发测试完成后进行，主要针对的是电路实现的功能进行监测，这项测试需要工程师对应用条件非常熟悉，需要大量的应用测试向量，以便检测出更多的故障。

（3）验证测试。验证测试是在研发测试完成，产品达到设计预期后进行的。该测试的主要目的是进行参数及可靠性的小批量验证，考察电路的一致性和可靠性能否达到批量供货的要求。在实际工程应用中通常需要进行3个不连续的生产批进行验证，验证的主要内容是电参数测试及相关可靠性试验，其中可靠性试验的要求是根据产品应用环境的质量等级来确定的，通常的试验有高温存贮、温度循环（TC）、HAST、UHAST等等，试验完成后会对产品进行参数测试，以评估产品的可靠性是否达标。验证测试对于集成电路的批量供应有着极其重要的作用，它可以有效避免产品在批量生产及使用过程中出现大比例失效，是产品工程化、量产化前不可缺少的一部分[4]。

（4）生产测试。一般情况下，集成电路在完成设计、研发测试、验证测试后会投入生产，生产过程就会进行生产测试，生产测试通常包含晶圆探针测试（CP）和成品终测（FT）两个部分，晶圆测试主要目的是在封装前剔除不合格的电路，以降低生产成本，同时相对于成品终测来说，晶圆测试更容易实现高低温测试，能够有效剔除高低温失效的产品。成品终测是集成电路生产的最后环节，它的主要目的剔除生产过程中的所有不良品，以保证产品的出货质量。一般来说该环节测试是以常温参数测试为主，在特殊情况下会加入高低温测试及功能测试，但同时会带来测试成本的大幅度提高。另外考虑到生产成本、产出效率、量产可实现性等因素，生产测试相对于研发和验证测试来说测试参数会有一定删减，它的主要目的是完成产品的有效检出。在实际工程应用中通常会对参数进行评估，找出关键参数作为判据，在保证有效性的情况下提高测试效率。

3 集成电路测试流程

集成电路的测试流程一般为：测试需求、测试准备、测试过程、测试结论。测试需求阶段，需要提前确定好产品的测试内容，一般情况下包括产品的功能介绍、测试参数、质量等级等。测试准备阶段，主要是了解、消化测试需求，制定测试方案，并根据测试参数确定测试平台，搭建测试系统等。测试过程阶段，主要是根据测试方案在选定的测试平台上开展测试工作，在测试过程中随着测试的深入、问题的暴露可能会涉及到方案更改、平台更换等工作。测试结论阶段，主要是根据测试结果对被测件进行评估，找出被测件测试结果与设计值不符合的原因，诊断出故障点，与设计人员配合改进。

4 集成电路测试平台

4.1 分立式仪表测试平台

集成电路测试中的分立式仪表测试平台主要是指用台式分立仪器搭建的测试系统，它主要用于电路的研发测试和功能测试，其作用是验证电路的性能指标。它的特点为：（1）高精度及高稳定性。高精度的测量能力能够全面真实的反映出电路性能，高稳定性的测量能力能够实现测试结果的重复性。（2）测量功能覆盖面广。每台分立式仪器都是根据某一方面的指标来做测试分析的，它们能够非常全面的测量某一方面的所有参数。例如：频谱仪就是针对电路的频域参数进行测试，它的参数覆盖性非常好。当几台不同功能的设备搭建成一套完整的测试平台后，该电路的所有技术指标都能进行完整的评测。（3）平台架构灵活。正是因为是分立式仪表，这种平台的搭建非常灵活，任意设备都可以相互组合，实现不同需求的测试分析。

以上特点主要针对研发测试，如果作为量产测试，其最大弊端就是测试效率低。在满足一定高精度的测量要求下，响应速度较慢，再加上分立设备的传输协议属于异构平台，只能采用较低速率的传输协议，无法满足高效率批量生产的需要。同时，由于设备精度高功能覆盖面广，售价都非常昂贵，生产成本无法接受。

4.2 ATE测试平台

集成电路的ATE测试平台是指专用的自动化测试设备，它主要用于集成电路的批量化、大规模生产，其作用是在保证一定测试精度的情况下快速的完成电路的测试，传统的测试平台依靠机架堆叠台式仪器大量的手动测试程序，但对于大批量生产测试来说，使用整套昂贵的测试设备来完成ATE，其测试效率及测试成本是它最大的缺点。在构建测试平台时，不仅考虑只针对单一产品测试，还需考虑测试平台覆盖其他类型的产品，从而构建一个通用的、高复用度的测试平台。因此最佳的系统优化应透过通用统一测试平台，可快速部署到生产的测试系统，同时密切监测测试吞吐量和产量，更快的测试速度意味着产量的提高[5]。

测试软件需要采用一款可立即执行的测试管理软件，更快地开发自动测试和验证系统，测试序列可以指定执行流、生成测试报告、进行数据库记录，并可借助易用的操作界面，在生产中部署测试系统。

根据以上依据，考虑测量准确性、稳定性、效率以及测试成本等多方面，目前业内PXI测试平台是基于模块化的硬件平台，通过软件来定义硬件的功能，保证系统的扩展性和升级要求，从而保证测试成本的节约。该平台包括矢量信号收发仪VST，基于向量的数字仪器，高精度SMU源测量单元等高精度仪器等。可覆盖从插入损耗、隔离度到谐波、IP3、开关时间等多种指标测试，极大提升了测试覆盖率，同时，提高了测试速度，保证了测试产量。运用LabVIEW软件对整个系统进行了监控和控制，并可根据批量测试数据进行问题分析。此测试平台构建一个通用的、高复用度的测试平台，提高了测试设备的利用率和使用率。