数字集成电路第9章 数字集成电路的测试

1、1 第九章第九章 集成电路的测试集成电路的测试 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：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）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。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）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

2、否在规定的范围以内，并进行分选。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）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。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。）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 第九章第九章 集成电路的测试集成电路的测试 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

3、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进行的测试称为在晶圆测试（中测），这种测试依靠探针台（probe station）分选，将潜在的失效电路标记并分离，再经过）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）。划片和封装进入封装完毕的成品测试（成测）。3 集成电路测试信号连接方法集成电路测试信号连接方法 集成电路测试所要做的工

4、作，一是要将芯片与测试系统的各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芯片与测试系统的连接 分为两种分为两种： 一、芯片在晶圆测试的连接方法一、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集成电路测试信号连接方法 一、一、芯片在晶圆测试的连接方法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

5、连接方法集成电路测试信号连接方法 一、一、芯片在晶圆测试的连接方法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。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、英寸载片台、 8 英寸载片台和英寸载片台和 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英寸载片台。载片台的功能是用具有水平平

6、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。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。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

7、焊盘与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。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。和手动两种操作模式。6 集成电路测试信号连接方法集成电路测试信号连接方法 一、一、芯片在晶圆

8、测试的连接方法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

9、额外的装置以调整探针阵列或三维空间可移动的，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，灵活的选择中，但是在某些实验性的测试中、则可利用单个可调

10、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，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）。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集成电路测试信号连接方法 一

11、、一、芯片在晶圆测试的连接方法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片焊盘坐标来定制专用的探针卡，因此探针阵列和

12、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。图此得到广泛的应用。图 2 为美国为美国 Picoprobe 公司生产的一种公司生产的一种 10 探头的实物照片。图探头的实物照片。图 3 为根据某芯片定制的探针阵列卡实物照片。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：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集成电路测试信号连接方

13、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）。图替代中测时探针台所做的分选工作（自动成测）。图 5 就是测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

14、主要用于一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。图结果，分别将合格与不合格芯片传送至各自

15、的塑料管内。图 6 就是一种机械手（分选机）的照片。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 12一、数字集成电路测试的基本概念一、数字集成电路测试的基本概念13一、数字集成电路测试的基本概念一、数字集成电路测试的基本概念14二、故障模型二、故障模型15二、故障模型二、故障模型 检查电路中或门（检查电路中或门（OR）是否存在固定）是否存在固定0故障。若故障。若OR的输出固定于的输出固定于0，这意味着这意味着

16、OR 的输出将始终保持为的输出将始终保持为0 而与其输人无关。如果而与其输人无关。如果 OR的输出正的输出正常，则当输人为常，则当输人为 01 、 11 、 l0时输出为时输出为 l 。此时，当与门（。此时，当与门（ AND1）的输）的输入为入为 11 时，可以推断时，可以推断OR 输出正常时与门输出正常时与门 ( AND2 ）输出为）输出为 1 ，而故障时，而故障时 AND2 输出为输出为0。由此可以看出。当。由此可以看出。当OR 和和 ANDI 的输人端依次加逻辑电的输人端依次加逻辑电平平 1110 、 1111 或或 1101时通过时通过 AND2 的输出可判断的输出可判断OR门是否存在

17、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称作或门称作或门s a -0故障的测试图形（测试向量）。故障的测试图形（测试向量）。16二、故障模型二、故障模型17二、故障模型二、故障模型 18二、故障模型二、故障模型 19二、故障模型二、故障模型 20二、故障模型二、故障模型 21二、故障模型二、故障模型 22二、故障模型二、故障模型 23三、三、组合电路测试生成的算法组合电路测试生成的算法24三、三、组合电路测试生成的算法组合电路测试生成的算法2

18、5三、三、组合电路测试生成的算法组合电路测试生成的算法26三、三、组合电路测试生成的算法组合电路测试生成的算法27三、三、组合电路测试生成的算法组合电路测试生成的算法28三、三、组合电路测试生成的算法组合电路测试生成的算法29三、三、组合电路测试生成的算法组合电路测试生成的算法30三、三、组合电路测试生成的算法组合电路测试生成的算法31三、三、组合电路测试生成的算法组合电路测试生成的算法32四、数字集成电路的可测性设计四、数字集成电路的可测性设计33四、数字集成电路的可测性设计四、数字集成电路的可测性设计34四、数字集成电路的可测性设计四、数字集成电路的可测性设计35四、数字集成电路的可测性设计四、数字集成电路的可测性设