半导体和测试设备介绍

第一章.认识半导体和测试设备(1)本章节包括以下内容，晶圆（Wafers）、晶片（Dice）和封装（Packages）自动测试设备（ATE）的总体认识模拟、数字和存储器测试等系统的介绍负载板（Loadboards）、探测机（Probers）、机械手（Handlers）和温度控制单元（Temperatureunits）一、晶圆、晶片和封装1947年，第一只晶体管的诞生标志着半导体工业的开始，从那时起，半导体生产和制造技术变得越来越重要。以前许多单个的晶体管现在可以互联加工成一种复杂的集成的电路形式，这就是半导体工业目前正在制造的称之为超大规模（VLSI，VeryLargeScaleIntegration）的集成电路，通常包含上百万甚至上千万门晶体管。半导体电路最初是以晶圆形式制造出来的。晶圆是一个圆形的硅片，在这个半导体的基础之上，建立了许多独立的单个的电路；一片晶圆上这种单个的电路被称为die（我前面翻译成晶片，不一定准确，大家还是称之为die好了），它的复数形式是dice.每个die都是一个完整的电路，和其他的dice没有电路上的联系。当制造过程完成，每个die都必须经过测试。测试一片晶圆称为Circuitprobing（即我们常说的CP测试）、Waferporbing或者Diesort。在这个过程中，每个die都被测试以确保它能基本满足器件的特征或设计规格书（Specification），通常包括电压、电流、时序和功能的验证。如果某个die不符合规格书，那么它会被测试过程判为失效（fail），通常会用墨点将其标示出来（当然现在也可以通过Maping图来区分）。在所有的die都被探测（Probed）之后，晶圆被切割成独立的dice，这就是常说的晶圆锯解，所有被标示为失效的die都报废（扔掉）。图2显示的是一个从晶圆上锯解下来没有被标黑点的die，它即将被封装成我们通常看到的芯片形式。注：本标题系列连载内容及图片均出自《TheFundamentalsOfDigitalSemiconductorTesting》第一章.认识半导体和测试设备(2)在一个Die封装之后，需要经过生产流程中的再次测试。这次测试称为“Finaltest”（即我们常说的FT测试）或“Packagetest”。在电路的特性要求界限方面，FT测试通常执行比CP测试更为严格的标准。芯片也许会在多组温度条件下进行多次测试以确保那些对温度敏感的特征参数。商业用途（民品）芯片通常会经过0℃、25℃和75℃条件下的测试，而军事用途（军品）芯片则需要经过-55℃、25℃和125℃。芯片可以封装成不同的封装形式，图4显示了其中的一些样例。一些常用的封装形式如下表：DIP：DualInlinePackage(dualindicatesthepackagehaspinsontwosides)双列直插式CerDIP：CeramicDualInlinePackage陶瓷PDIP：PlasticDualInlinePackage塑料PGA：PinGridArray管脚阵列BGA：BallGridArray球栅阵列SOP：SmallOutlinePackage小型外壳TSOP：ThinSmallOutlinePackageTSSOP：ThinShrinkSmallOutlinePackage(thisoneisreallygettingsmall!)SIP：SingleInlinePackage单列直插SIMM：SingleInlineMemoryModules(likethememoryinsideofacomputer)QFP：QuadFlatPack(quadindicatesthepackagehaspinsonfoursides)TQFP：ThinversionoftheQFPMQFP：MetricQuadFlatPackMCM：MultiChipModules(packageswithmorethan1die(formerlycalledhybrids)第一章.认识半导体和测试设备(3)二、自动测试设备随着集成电路复杂度的提高，其测试的复杂度也随之水涨船高，一些器件的测试成本甚至占到了芯片成本的大部分。大规模集成电路会要求几百次的电压、电流和时序的测试，以及百万次的功能测试步骤以保证器件的完全正确。要实现如此复杂的测试，靠手工是无法完成的，因此要用到自动测试设备（ATE，AutomatedTestEquipment）。ATE是一种由高性能计算机控制的测试仪器的集合体，是由测试仪和计算机组合而成的测试系统，计算机通过运行测试程序的指令来控制测试硬件。测试系统最基本的要求是可以快速且可靠地重复一致的测试结果，即速度、可靠性和稳定性。为保持正确性和一致性，测试系统需要进行定期校验，用以保证信号源和测量单元的精度。当一个测试系统用来验证一片晶圆上的某个独立的Die的正确与否，需要用ProbeCard来实现测试系统和Die之间物理的和电气的连接，而ProbeCard和测试系统内部的测试仪之间的连接则通过一种叫做“Loadboard”或“Performanceboard”的接口电路板来实现。在CP测试中，Performanceboard和Probecard一起使用构成回路使电信号得以在测试系统和Die之间传输。当Die封装出来后，它们还要经过FT测试，这种封装后的测试需要手工将一个个这些独立的电路放入负载板（Loadboard）上的插座（Socket）里，这叫手工测试（handtest）。一种快速进行FT测试的方法是使用自动化的机械手（Handler），机械手上有一种接触装置实现封装引脚到负载板的连接，这可以在测试机和封装内的Die之间提供完整的电路。机械手可以快速的抓起待测的芯片放入测试点（插座），然后拿走测试过的芯片并根据测试pass/fail的结果放入事先定义好的相应的Bin区。三、半导体技术有一系列的方法被用来生产和制造数字半导体电路，这些方法称为半导体技术或工艺，常用的技术或工艺包括：TTL(Transistor-TransistorLogica.k.a.bipolarlogic),ECL(EmitterCoupledLogic),SOS(SilicononSapphire),andCMOS(ComplimentaryMetal-OxideSemiconductor)。不管什么技术或工艺，出来的产品都要经过测试，这里我们关注数字TTL和CMOS电路。第一章.认识半导体和测试设备(4)四、数字和模拟电路过去，在模拟和数字电路设计之间，有着显著的不同。数字电路控制电子信号，表现为逻辑电平“0”和“1”，它们被分别定义成一种特殊的电压分量，所有有效的数字电路数据都用它们来表示，每一个“0”或“1”表示数据的一个比特（bit）位，任何数值都可以由按照一定顺序排列的“0”“1”比特位组成的二进制数据来表示，数值越大，需要的比特位越多。每8个比特一组构成一个Byte，数字电路中的数据经常以Byte为单位进行处理。不同于数字信号的“0”“1”界限分明（离散），模拟电路时连续的——在任何两个信号电平之间有着无穷的数值。模拟电路可以使用电压或电流来表示数值，我们常见的也是最常用的模拟电路实例就是运算放大器，简称运放。为帮助理解模拟和数字电路数值的基本差别，我们可以拿时钟来比方。“模拟”时钟上的指针连续地移动，因此所有的任一时间值可以被观察者直接读出，但是所得数值的准确度或者说精度取决于观察者认知的程度。而在“数字”时钟上，只有最小增量以上的值才能被显示，而比最小增量小的值则无法显示。如果有更高的精度需求，则需要增加数据位，每个新增的数据位表示最小的时间增量。有的电路里既有数字部分也有模拟部分，如AD转换器（ADC）将模拟信号转换成数字信号，DA转换器（DAC）则相反，我们称之为“混合信号电路”（MixedSignalDevices）。另一种描述这种混合电路的方法则基于数字部分和模拟部分占到电路的多少：数字部分占大部分而模拟部分所占比例较少归于数字电路，反之则归于模拟电路。第一章.认识半导体和测试设备(5)五、测试系统的种类一般认为测试系统都是通用的，其实大部分测试系统的设计都是面向专门类型的集成电路，这些专门的电路包括：存储器、数字电路、模拟电路和混合信号电路；每种类型下还可以细分成更多种类，我们这里只考虑这四种类型。5.1存储器件类我们一般认为存储器是数字的，而且很多DC测试参数对于存储类和非存储类的数字器件是通用的，虽然如此，存储器的测试还是用到了一些独特的功能测试过程。带内存的自动测试系统使用一种算法模式生成器（APG，algorithmicpatterngenerator）去生成功能测试模型，使得从硬件上生成复杂的功能测试序列成为可能，这样我们就不用把它们当作测试向量来保存。存储器测试的一些典型模型包括：棋盘法、反棋盘法、走0、走1、蝶形法，等等……APG在器件的每次测试时生成测试模型，而不带内存的测试系统将预先生成的模型保存到向量存储区，然后每次测试时从中取出数据。存储器测试通常需要很长的测试时间去运行所要求的测试模型，为了减少测试成本，测试仪通常同时并行测试多颗器件。5.2模拟或线形器件类模拟器件测试需要精确地生成与测量电信号，经常会要求生成和测量微伏级的电压和纳安级的电流。相比于数字电路，模拟电路对很小的信号波动都很敏感，DC测试参数的要求也和数字电路不一样，需要更专业的测试仪器设备，通常会按照客户的选择在设计中使用特殊的测试仪器甚至机架。模拟器件需要测试的一些参数或特性包括：增益、输入偏移量的电压和电流、线性度、通用模式、供电、动态响应、频率响应、建立时间、过冲、谐波失真、信噪比、响应时间、窜扰、邻近通道干扰、精度和噪声。5.3混合信号器件类混合信号器件包括数字电路和模拟电路，因此需要测试系统包含这两部分的测试仪器或结构。混合信号测试系统发展为两个系列：大部分数字电路测试结构、少量模拟测试结构的系列，被设计成用于测试以数字电路为主的混合信号器件，它能有效地进行DC参数测试和功能测试，但是仅支持少量的模拟测试；大部分模拟电路测试结构、少量数字测试结构的系列，相反，能够精确地测试模拟参数而在功能测试上稍逊风骚。5.4数字电路器件类仅含有数字逻辑的电路器件可使用数字电路测试系统来完成测试，这些测试系统之间在价格、性能、尺寸、可选项上有着明显的不同。低端的测试机被用来测试低价格或者低性能的低端产品，通常是些管脚少、复杂度低的器件；一般运行于低于20MHz的时钟频率，且只能存储少量的测试向量；用于小规模（SSI）或中规模（MSI）集成电路的测试。高端的测试机则是速度非常快（时钟频率高）、测试通道非常多的测试系统；时钟频率通常会达到400MHz，并能提供1024个测试通道；拥有高精度的时钟源和百万bit位的向量存储器。它们被用于验证新的超大规模（VLSI）集成电路，但是昂贵的成本阻碍了他们用于生产测试。而半导体测试工业普遍使用的是中高端的测试设备，它们拥有较好的性价比，在对测试成本非常敏感的半导体测试行业，这无疑是非常重要的。这类测试设备多运行在50-100MHz，提供256个测试通道，通常带有一些可选的配置。为了控制测试成本，谨慎地选择能满足器件测试需求的测试设备是非常重要的，选择功能相对于我们器件的测试要求过于强大的测试系统会使得我们的测试成本居高不下，而相反的选择会造成测试覆盖率不够；找到设备功能和成本之间的平衡是测试成本控制本质的要求。第一章.认识半导体和测试设备(6)六．测试负载板(LoadBoard)测试负载板是一种连接测试设备的测试头和被测器件物理和电路接口，被固定在针测台（Probe）、机械手（Handler）或者其他测试硬件上，其上的布线连接测试机台内部信号测试卡的探针和被测器件的管脚。在CP测试中，负载板连接ProbeCard；在手工测试中，我们将Socket固定在负载板上；而在FT的生产测试中，我们将其连接到Handler.因为测试机在物理和