集成電路_IC測試工作原理

1 引言

　　本系列一共四章，下面是第一部分，主要討論芯片開發(fā)和生產(chǎn)過程中的IC測試基本原理，內(nèi)容覆蓋了基本的測試原理，影響測試決策的基本因素以及IC測試中的常用術(shù)語。

　　2 數(shù)字集成電路測試的基本原理

　　器件測試的主要目的是保證器件在惡劣的環(huán)境條件下能完全實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)格書所規(guī)定的功能及性能指標(biāo)。用來完成這一功能的自動(dòng)測試設(shè)備是由計(jì)算機(jī)控制的，因此，測試工程師必須對計(jì)算機(jī)科學(xué)編程和操作系統(tǒng)有詳細(xì)的認(rèn)識，測試工程師必須清晰了解測試設(shè)備與器件之間的接口，懂得怎樣模擬器件將來的電操作環(huán)境，這樣器件被測試的條件類似于將來的應(yīng)用環(huán)境。

　　首先有一點(diǎn)必須明顯的是，測試成本是一個(gè)很重要的因素，關(guān)鍵目的之一就是幫助降低器件的生產(chǎn)成本，甚至在優(yōu)化的條件下，測試成本有時(shí)能占到器件總體成本的40%左右，良品率和測試時(shí)間必須達(dá)到一個(gè)平衡，以取得最好的成本效率。

　　2.1 不同測試目標(biāo)的考慮

　　依照器件開發(fā)和制造階段的不同，采用的工藝技術(shù)的不同，測試項(xiàng)目種類的不同以及待測器件的不同，測試技術(shù)可以分為很多種類。

　　器件開發(fā)階段的測試包括：特征分析：保證設(shè)計(jì)的正確性，決定器件的性能參數(shù);

　　產(chǎn)品測試：確保器件的規(guī)格和功能正確的前提下減少測試時(shí)間提高成本效率; 可靠性測試：保證器件能在規(guī)定的年限之內(nèi)正確工作;

　　來料檢查：保證在系統(tǒng)生產(chǎn)過程中所有使用的器件都能滿足它本身規(guī)格書要求，并能正確工作。

　　制造階段的測試包括：

　　圓片測試：在圓片測試中，要讓測試衣管腳與器件盡可能地靠近，保證電纜，測試衣和器件之間的阻抗匹配，以便于時(shí)序調(diào)整和矯正。因而探針卡的阻抗匹配和延時(shí)問題必須加以考慮。

　　封裝測試：器件插座和測試頭之間的電線引起的電感是芯片載體及封裝測試的一個(gè)首要的考慮因素。

　　特征分析測試，包括門臨界電壓、多域臨界電壓、旁路電容、金屬場臨界電壓、多層間電阻，金屬多點(diǎn)接觸電阻、擴(kuò)散層電阻，接觸電阻以及FET寄生漏電等參數(shù)測試。

　　通常的工藝種類包括：

　　TTL、ECL、CMOS、NMOS、Others

　　通常的測試項(xiàng)目種類：

　　功能測試：真值表、算法向量生成

　　直流參數(shù)測試：開路/短路測試，輸出驅(qū)動(dòng)電流測試、漏電電源測試、電源電流測試、轉(zhuǎn)換電平測試等。

　　交流參數(shù)測試：傳輸延遲測試，建立保持時(shí)間測試、功能速度測試、存取時(shí)間測試、刷新/等待時(shí)間測試，上升/下降時(shí)間測試。

　　2.2 直流參數(shù)測試

　　直流測試是基于歐姆定律的用來確定器件電參數(shù)的穩(wěn)態(tài)測試方法。比如，漏電流測試就是在輸入管腳施加電壓，這使輸入管腳與電源或地之間的電阻上有電流通過，然后測量其該管腳電流的測試，輸出驅(qū)動(dòng)電流測試就是在輸出管腳上施加一定電流，然后測量該管腳與地或電源之間的電壓差。

　　通常的DC測試包括：

　　接觸測試(短路-開路)：這項(xiàng)測試保證測試接口與器件正常連接，接觸測試通過測量輸入輸出管腳上保護(hù)二極管的自然壓降來確定連接性。二極管上如果施加一個(gè)適當(dāng)?shù)恼蚱秒娏?，二極管的壓降將是0.7V左右，因此接觸測試就可以由以下步驟來完成：

　　(1)所有管腳設(shè)為0V，

　　(2)待測管腳上施加正向偏置電流I，

　　(3)測量I引起的電壓，

　　(4)如果該電壓小于0.1V，說明管腳短路，

　　(5)如果電壓大于1.0V，說明該管腳開路，

　　(6)如果電壓在0.1V到1.0V之間，說明該管腳正常連接。

　　漏電(IIL，IIH，IOZ)：理想條件下，可以認(rèn)為輸入及三態(tài)輸出管腳和地之間是開路的，但實(shí)際情況，它們之間為高電阻狀態(tài)，它們之間的最大的電流就稱為漏電流。或分別稱為輸入漏電流和輸出三態(tài)漏電流，漏電流一般是由于器件內(nèi)部和輸入管腳之間的絕緣氧化膜在生產(chǎn)過程中太薄引起的，形成一種類似于短路的情形，導(dǎo)致電流通過。

　　三態(tài)輸出漏電IOZ是當(dāng)管腳狀態(tài)為輸出高阻狀態(tài)時(shí)，在輸出管腳使用VCC(VDD)或GND(VSS)驅(qū)動(dòng)時(shí)測量得到的電流，三態(tài)輸出漏電流的測試和輸入漏電測試類似，不同的是待測器件必須被設(shè)置為三態(tài)輸出狀態(tài)。

　　轉(zhuǎn)換電平(VIL，VIH)。轉(zhuǎn)換電平測量用來決定器件工作時(shí)VIL和VIH的實(shí)際值。(VIL是器件輸入管腳從高變換到低狀態(tài)時(shí)所需的最大電壓值，相反，VIH是輸入管腳從低變換到高的時(shí)候所需的最小電壓值)。這些參數(shù)通常是通過反復(fù)運(yùn)行常用的功能測試，同時(shí)升高(VIL)或降低(VIH)輸入電壓值來決定的，那個(gè)導(dǎo)致功能測試失效的臨界電壓值就是轉(zhuǎn)換電平，這一參數(shù)加上保險(xiǎn)量就是VIL或VIH規(guī)格，保險(xiǎn)量代表了器件的抗噪聲能力。

　　輸出驅(qū)動(dòng)電流(VOL，VOH，IOL，IOH)。輸出驅(qū)動(dòng)電流測試保證器件能在一定的電流負(fù)載下保持預(yù)定的輸出電平，VOL和VOH規(guī)格用來保證器件在器件允許的噪聲條件下所能驅(qū)動(dòng)的多個(gè)器件輸入管腳的能力。

　　電源消耗(ICC，IDD，IEE)。該項(xiàng)測試決定器件的電源消耗規(guī)格，也就是電源管腳在規(guī)定的電壓條件下的最大電流消耗，電源消耗測試可分為靜態(tài)電源消耗測試和動(dòng)態(tài)電源消耗測試，靜態(tài)電源消耗測試決定器件在空閑狀態(tài)下時(shí)最大的電源消耗，而動(dòng)態(tài)電源消耗測試決定器件工作時(shí)的最大電源消耗。

　　2.3 交流參數(shù)測試

　　交流參數(shù)測試測量器件晶體管轉(zhuǎn)換狀態(tài)時(shí)的時(shí)序關(guān)系。交流測試的目的是保證器件在正確的時(shí)間發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換，輸入端輸入指定的輸入邊沿，特定的時(shí)間后在輸出端檢測預(yù)期的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

　　常用的交流測試有傳輸延遲測試，建立和保持時(shí)間測試，以及頻率測試等。

　　傳輸延遲測試是指在輸入端產(chǎn)生一個(gè)狀態(tài)(邊沿)轉(zhuǎn)換和導(dǎo)致相應(yīng)的輸出端的狀態(tài)(邊沿)轉(zhuǎn)換之間的延遲時(shí)間，該時(shí)間從輸出端的某一特定的電壓開始到輸出端的某一特定的電壓結(jié)束，一些更嚴(yán)格的時(shí)序測試還會包括以下的這些項(xiàng)目：

　　三態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間測試

　　TLZ，THZ：從輸出使能關(guān)閉到輸出三態(tài)完成的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

　　TZL，TZH：從傳輸使能開始到輸出有效數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

　　存儲器讀取時(shí)間--從內(nèi)存單元讀取數(shù)據(jù)所需的時(shí)間，測試讀取時(shí)間的步驟一般如下所示

　　(1)往單元A寫入數(shù)據(jù)0，

　　(2)往單元B寫入數(shù)據(jù)1，

　　(3)保持READ為使能狀態(tài)并讀取單元A的值，

　　(4)地址轉(zhuǎn)換到單元B，

　　(5)轉(zhuǎn)換時(shí)間就是從地址轉(zhuǎn)換開始到數(shù)據(jù)變換之間的時(shí)間。

　　寫入恢復(fù)時(shí)間--在寫操作之后的到能讀取某一內(nèi)存單元所必須等待的時(shí)間。

　　暫停時(shí)間--內(nèi)存單元能保持它們狀態(tài)的時(shí)間，本質(zhì)上就是測量內(nèi)存數(shù)據(jù)的保持時(shí)間。

　　刷新時(shí)間--刷新內(nèi)存的最大允許時(shí)間。

　　建立時(shí)間--輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換必須提前鎖定輸入時(shí)鐘的時(shí)間。

　　保持時(shí)間--在鎖定輸入時(shí)鐘之后輸入數(shù)據(jù)必須保持的時(shí)間。

　　頻率--通過反復(fù)運(yùn)行功能測試，同時(shí)改變測試周期，來測試器件運(yùn)行的速度，周期和頻率通常通過二進(jìn)制搜索的辦法來進(jìn)行變化。頻率測試的目的是找到器件所能運(yùn)行的最快速度。

　　上面討論了數(shù)字集成電路測試的一些基本目的和原理，同時(shí)也定義了測試上的一些關(guān)鍵術(shù)語，在接下來的章節(jié)里，我們將討論怎么把這些基本原理應(yīng)用到實(shí)際的IC測試中去。