数字集成电路第9章 数字集成电路的测试

1第九章集成电路的测试集成电路的测试是集成电路设计和生产过程中非常重要的一个环节。根据测试的目的，通常集成电路测试可以分成四种：1）验证测试：是一种研究型测试。在大批量投产之前，首先要确定它的功能和性能都达到了设计的要求。测试全面。2）生产测试：对于大批生产的芯片，测试它的功能是否正确以及性能指标是否在规定的范围以内，并进行分选。3）老化测试：通过一个长时间的连续或周期性的测试来发现是否存在失效的芯片。4）成品检测：在集成到系统之前，系统制造商一般要进行成品检测。2第九章集成电路的测试实际的测试取决于被测电路所处的加工阶段（正在加工、加工完成、封装完成）。通常的测试都会按照正在加工晶圆和封装后的步骤来进行，虽然在晶圆加工阶段会针对器件参数做一些测试，但绝大部分的测试是在晶圆加工完成以后进行的。在对晶圆进行的测试称为在晶圆测试（中测），这种测试依靠探针台（probestation）分选，将潜在的失效电路标记并分离，再经过划片和封装进入封装完毕的成品测试（成测）。3第一节集成电路测试信号连接方法集成电路测试所要做的工作，一是要将芯片与测试系统的各种联接线正确连接；二是要对芯片施加各种信号，通过分析芯片的输出信号，来得到芯片的功能和性能指标。芯片与测试系统的连接分为两种：一、芯片在晶圆测试的连接方法二、芯片成品测试的连接方法4集成电路测试信号连接方法一、芯片在晶圆测试的连接方法BX2001探针台5集成电路测试信号连接方法一、芯片在晶圆测试的连接方法芯片在晶圆测试需要在探针台（测试台）上进行。基本的探针台主要由四部分组成：载片部分、接触和调整部分、显微镜部分和控制部分。1.载片部分根据晶圆的尺寸大小来设计，目前主流的载片台有6英寸载片台、8英寸载片台和12英寸载片台。载片台的功能是用具有水平平面且可以旋转的圆柱体金属平面装载晶圆或芯片，并利用真空吸盘将它固定。2.接触和调整部分用来装配和调整探针、探针阵列或探头，通过装配部分来固定探针卡．再利用调整部分来手动粗调以保持探针分布与晶圆上的芯片焊盘分布一致。3.显微镜也包括一个位置调整装置，以便对待测芯片进行聚焦，操作人员利用显微镜来细微的调整晶圆上芯片焊盘与探针的相对位置，以便能使焊盘与探针接触。4.控制部分用来控制载片台的移动、升降和旋转，并可通过一些按键实现其他一些功能，如激活标记不合格芯片的标记笔（打点器），记录晶圆上被测芯片数和合格与不合格芯片数及各自的坐标等信息。许多控制系统都有自动和手动两种操作模式。6集成电路测试信号连接方法一、芯片在晶圆测试的连接方法为了能测试晶圆上的芯片，就必须给晶圆上的芯片提供测试矢量和测试电流、电压，同时还需要从被测芯片上采集输出信号这就意味着必须与芯片上的焊盘相接触。在一般的制造工艺中．焊盘的面积总是比较小的，为了将焊盘上的引脚引出来，就必须用到探针、探针阵列或探头。单个探针必须是在三维空间可移动的，而探针阵列或探头还需要额外的装置以调整探针阵列或探头平面与芯片的夹角，以保证所有的针尖都能与焊盘均匀的相接触。探针和探针阵列由于其阻抗比较高，抗干扰能力差，一般只用来测试低速芯片或高速芯片的直流参数。通常的探针都是以阵列或成组的形式应用在晶圆测试中，但是在某些实验性的测试中、则可利用单个可调节的探针，灵活的选择接触位置。单个可调节的探针除了能接触芯片边缘的焊盘外，还可用于接触芯片中间的小面积金属如电阻、互连线等，从而获得有关实验电路的更多信息。当然，在对一些复杂电路进行复杂的测试时，单个探针往往是不够的，因此在实际的测试中，更多的是采用探针阵列（低速）和探头（高速）。7集成电路测试信号连接方法一、芯片在晶圆测试的连接方法对于一个已经设计完成的芯片来说，其电路四周焊盘的个数和分布位置是确定的，探针阵列就是根据这些确定的焊盘分布来确定探针的个数和分布位置。由于芯片的类型不同，其焊盘数和分布位置往往都是不一样的。一般来说，对于每个芯片都要根据芯片焊盘坐标来定制专用的探针卡，因此探针阵列和芯片之间是一一对应的。整个探针阵列是一个统一的三维可调的机械装置，所有的探针同时进行整体调节。这样的探针阵列制作比较简单，因此得到广泛的应用。图2为美国Picoprobe公司生产的一种10探头的实物照片。图3为根据某芯片定制的探针阵列卡实物照片。8一种10探针头的实物照片两种芯片在晶圆测试用探针：9集成电路测试信号连接方法对于已经封装好的芯片，还需要再次进行测试，以便发现中测时遗漏的失效芯片以及在封装过程中失效的芯片。对于封装后的成品测试，既可以直接设计电路板通过电缆与测试机连接来测试（手动成测），也可以将测试系统与机械手相连，用机械手来替代中测时探针台所做的分选工作（自动成测）。图5就是测试机与被测电路板直接相连接的照片，这种手动成测主要用于一些芯片的设计公司和研究机构。在大规模的生产过程中测试系统通常是用同轴电缆与芯片测试机械手通讯，机械手将装在塑料管内的被测芯片依次传送到测试工位，测试触头便马上卡住芯片的各个引脚，把芯片引脚与测试系统相连接测试完毕后．根据测试结果，分别将合格与不合格芯片传送至各自的塑料管内。图6就是一种机械手（分选机）的照片。二、芯片成品测试的连接方法10集成电路测试信号连接方法二、芯片成品测试的连接方法测试机与被测电路板的连接照片MT9308分选机11一、数字集成电路测试的基本概念数字集成电路测试的意义在于可以直观地检查设计的具体电路是否能像设计者要求的那样正确地工作。被测试的电路称为被测器件(DUT：DeviceUnderTest)，产生被测电路测试向量的过程称为测试生成(TestGeneration)，产生的测试向量又称为测试图形(TestPattern)。整个测试过程是通过自动测试设备(AutomaticTestEquipment)对DUT施加测试图形并捕获和分析DUT的响应来实现的。第二节数字集成电路测试方法概述12集成电路芯片的测试分为功能测试和参数测试，其中功能测试又分为两种基本形式：完全测试和功能测试。完全测试就是对芯片进行全部状态和功能的测试，要考虑集成电路所有的可能状态和功能，即使在实际应用中某些状态并不会出现。功能测试就是只对在集成电路设计之初所要求的运算功能或逻辑功能是否正确进行测试。显然，完全测试是完备测试，功能测试是局部测试。测试的最终目的，是为了发现电路中由于设计或制造所带来的错误。错误在不同的层次具有不同的含义：如设计阶段技术规范不完全一致，设计规则违例：制造阶段使用了错误的元件，不正确的开路等；在电路生存周期中元件的老化和损耗等。从测试的结果来看，所有的错误都表现为电路有故障。通常设计错误称为设计故障，制造错误、物理失效合称为物理故障。一、数字集成电路测试的基本概念13在测试时，所有的故障都是通过逻辑值来确定的，因此要对物理故障建立相应的逻辑故障。将物理故障转化为逻辑故障有利于抽象地理解系统的故障。同时有些物理故障可以转化为同一个逻辑故障。简化了故障的复杂度。根据系统在某一时刻出现故障的个数，故障类型可以分为单故障和多故障，频繁测试策略证明，但故障出现的概率远高于多故障，且能检测单故障的测试图形对多故障也有较高的覆盖率。要对一个系统进行测试，就必须建立一个故障模型，一般来说，在门级故障模型中通常认为元器件无故障，只有器件之间的互联可能有问题。故障覆盖率：用测试向量集可以测出的故障与电路中所有可能存在的故障之比，称为故障覆盖率。一、数字集成电路测试的基本概念14单固定故障主要反映电路中某根线上的信号不可控，即永远运行在某一个固定值上。在电路中，如果该线固定在高电平上，称之为固定l故障（stuck-at-1)；反之则称为固定0故障（stuck-at-0）。如图给出了一个单固定故障示例。图中．若与非门的输人端A固定接地．则输人端A的逻辑值始终表现为0．用s-a–0（stuck-at–0）表示，记为A/0。若或门的输出Y固定接电源，则输出端Y的逻辑值始终表现为1，用s-a-1（stuck-at-1）表示。记为Y/1。一个单固定故障包含了三个特征：1）故障线永远固定于某一个逻辑值。2）故障可以是一个门的输人也可以是一个门的输出。3）在某一时刻只能有一个故障二、故障模型l）单固定故障15二、故障模型l）单固定故障检查电路中或门（OR）是否存在固定0故障。若OR的输出固定于0，这意味着OR的输出将始终保持为0而与其输人无关。如果OR的输出正常，则当输人为01、11、l0时输出为l。此时，当与门（AND1）的输入为11时，可以推断OR输出正常时与门(AND2）输出为1，而故障时AND2输出为0。由此可以看出。当OR和ANDI的输人端依次加逻辑电平1110、1111或1101时通过AND2的输出可判断OR门是否存在s-a-0这个故障。由于这些矢量的无故障响应和有故障响应是不一样的，因此1110、1111、1101称作或门s–a-0故障的测试图形（测试向量）。16如果电路中在某一时刻同时存在两根或两根以上的信号线固定于某一逻辑值．则这样的故障称为多固定故障。随着VISI的发展，单个芯片上门电路的规模不断增大，芯片上出现多固定故障的概率也随之不断提高。有趣的是，通过一些学者的研究发现，对于单固定故障覆盖率达到100％的测试，可以期望检测大部分的多固定故障。但是并非所有的多固定故障都能被单固定故障测试图形检测到。二、故障模型2）多固定故障17如图是一个多固定故障的例子这个多固定故障是由两个单固定故障组合而成，并且当与门（AND1）不存在故障，或门（OR）的固定于0故障是可以被检测到的；反之当OR门不存在故障，ANDI的固定于l故障也是可以被检测到的。但是在这个多固定故障中，由于OR的输出固定于0，因此AND1的输出固定于l这个故障无法被检测到，这称为故障屏蔽。并非所有由单固定故障组成的多固定故障都能被检测到。二、故障模型2）多固定故障18电路中信号短接在一起的故障称为桥接故障。常见的桥接故障有两种：一是输人端之间的桥接故障，二是元件输入端和输出端之间的反馈式桥接故障。单固定故障的测试集也可用来检测桥接故障，对一些特殊的电路还会有100％的故障检测率。二、故障模型3）桥界故障19在实际的电路中，并非所有的故障都会对电路产生影响，有一些故障并不修改电路的功能，因此称这种故障为冗余故障。冗余故障是一种典型的不可测故障。如图所示，图（a）中ANDI存在一个冗余故障s-a–1，其输出函数为AB。假设该冗余故障不存在．则该电路的输出函数也是AB．由此可以看出该故障s-a-1对电路功能并没有产生影响，电路可化简为图(b)。二、故障模型4）冗余故障20在单固定故障中，一个故障能被多个测试图形所检测。其实一个测试图形通常也能检测到多个故障。设有一个n位输人的电路，其输出函数为f(x)，x为n位的输人向量。假设电路存在两个单固定故障，其输出函数分别为f0(x)和f1(x)，故障0的测试图形为a，故障1的测试图形为b，则显然f0(a)≠f1(a)、f0(b)≠f1(b)。如果存在一个测试图形：c（c可以为a或者b)，满足f0(c)≡f1(c)≠f(c)，那么就可以说故障0和故障1是等价故障。等价故障是不可区分的。二、故障模型5）等价故障21如图（a）所示，A/0、B/0、C/1是等价故障，在图（b）中，X/1、Y/1、Z/0则是等价故障。采用等价故障可降低故障集合的规模。例如．在图(a）中故障A/1的测试为01，同时01也为故障C/0的测试。二、故障模型5）等价故障22定义：对于两故障f、g，若f的任意测试均可检测g，则称g控制故障f。例如，在图(a)中，C/0控制A/1和B/1；在图（b）中，Z/1控制X/0和Y/0。这种情况下，在生成测试图形的过程中，只需要找到故障f的测试图形就能检测故障g。因此，故障精简时将所有的等价故障集只用一个故障来表示，并且若g支配f．则只保留f。二、故障模型5）等价故障231.通路敏化法故障检测就是对输人端施加信号，观察输出信号，然后比较该输出响应和无故障时理想的输出响应．如果二者不同，则说明检测到电路故障，所施加