集成電路測試原理及方法【精選文檔】

1、集成電路測試原理及方法【精選文檔】Harbin Institute of Technology集成電路測試原理及方法簡介院 系： 電氣工程及自動化學院 姓 名： XXXXXX 學 號： XXXXXXXXX 指導教師： XXXXXX 設計時間： XXXXXXXXXX 摘 要 隨著經(jīng)濟發(fā)展和技術(shù)的進步，集成電路產(chǎn)業(yè)取得了突飛猛進的發(fā)展。集成電路測試是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中的一個重要環(huán)節(jié)，是保證集成電路性能、質(zhì)量的關鍵環(huán)節(jié)之一.集成電路基礎設計是集成電路產(chǎn)業(yè)的一門支撐技術(shù)，而集成電路是實現(xiàn)集成電路測試必不可少的工具。本文首先介紹了集成電路自動測試系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，接著介紹了數(shù)字集成電路的測試技術(shù)，包括

2、邏輯功能測試技術(shù)和直流參數(shù)測試技術(shù)。邏輯功能測試技術(shù)介紹了測試向量的格式化作為輸入激勵和對輸出結(jié)果的采樣,最后討論了集成電路測試面臨的技術(shù)難題。 關鍵詞:集成電路；研究現(xiàn)狀；測試原理；測試方法 目 錄一、引言4二、集成電路測試重要性4三、集成電路測試分類5四、集成電路測試原理和方法64.1.數(shù)字器件的邏輯功能測試64。1.1測試周期及輸入數(shù)據(jù)84.1.2輸出數(shù)據(jù)104。2 集成電路生產(chǎn)測試的流程12五、集成電路自動測試面臨的挑戰(zhàn)13參考文獻14一、引言隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活質(zhì)量的提高，生活中遍布著各類電子消費產(chǎn)品。電腦手機和mp3播放器等電子產(chǎn)品和人們的生活息息相關，這些都為集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)

3、展帶來了巨大的市場空間。2007年世界半導體營業(yè)額高達2.740億美元，2008世界半導體產(chǎn)業(yè)營業(yè)額增至2。850億美元，專家預測今后的幾年隨著消費的增長，對集成電路的需求必然強勁。因此，世界集成電路產(chǎn)業(yè)正在處于高速發(fā)展的階段。集成電路產(chǎn)業(yè)是衡量一個國家綜合實力的重要重要指標。而這個龐大的產(chǎn)業(yè)主要由集成電路的設計、芯片、封裝和測試構(gòu)成。在這個集成電路生產(chǎn)的整個過程中,集成電路測試是惟一一個貫穿集成電路生產(chǎn)和應用全過程的產(chǎn)業(yè)。如:集成電路設計原型的驗證測試、晶圓片測試、封裝成品測試，只有通過了全部測試合格的集成電路才可能作為合格產(chǎn)品出廠，測試是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。集成電路測試是伴隨著集成電路

4、的發(fā)展而發(fā)展的，它為集成電路的進步做出了巨大貢獻。我國的集成電路自動測試系統(tǒng)起步較晚，雖有一定的發(fā)展，但與國外的同類產(chǎn)品相比技術(shù)水平上還有很大的差距，特別是在一些關鍵技術(shù)上難以實現(xiàn)突破。國內(nèi)使用的高端大型自動測試系統(tǒng)，幾乎是被國外產(chǎn)品壟斷.市場上各種型號國產(chǎn)集成電路測試，中小規(guī)模占到80%。大規(guī)模集成電路測試系統(tǒng)由于穩(wěn)定性、實用性、價格等因素導致沒有實用化。大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路測試系統(tǒng)主要依靠進口滿足國內(nèi)的科研、生產(chǎn)與應用測試,我國急需自主創(chuàng)新的大規(guī)模集成電路測試技術(shù),因此，本文對集成電路測試技術(shù)進行了總結(jié)和分析。二、集成電路測試重要性隨著集成電路應用領域擴大，大量用于各種整機系統(tǒng)中.在系

5、統(tǒng)中集成電路往往作為關鍵器件使用，其質(zhì)量和性能的好壞直接影響到了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性.如何檢測故障剔除次品是芯片生產(chǎn)廠商不得不面對的一個問題，良好的測試流程，可以使不良品在投放市場之前就已經(jīng)被淘汰,這對于提高產(chǎn)品質(zhì)量，建立生產(chǎn)銷售的良性循環(huán)，樹立企業(yè)的良好形象都是至關重要的。次品的損失成本可以在合格產(chǎn)品的售價里得到相應的補償，所以應尋求的是質(zhì)量和經(jīng)濟的相互制衡，以最小的成本滿足用戶的需要。作為一種電子產(chǎn)品，所有的芯片不可避免的出現(xiàn)各類故障，可能包括：1。固定型故障；2。跳變故障;3.時延故障；4。開路短路故障；5橋接故障,等等。測試的作用是檢驗芯片是否存在問題，測試工程師進行失效分析，提出修改建

6、議，從工程角度來講，測試包括了驗證測試和生產(chǎn)測試兩個主要的階段。一款新的集成電路芯片被設計并生產(chǎn)出來，首先必須接受驗證測試。在這一階段,將會進行功能測試、以及全面的交流（AC）參數(shù)和直流(DC)參數(shù)的測試等,也可能會探測芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通常會得出一個完整的驗證測試信息，如芯片的工藝特征描述、電氣特征(DC參數(shù)、AC參數(shù)、電容、漏電、溫度等測試條件)、時序關系圖等等。通過驗證測試中的參數(shù)測試、功能性測試、結(jié)構(gòu)性測試，可以診斷和修改系統(tǒng)設計、邏輯設計和物理設計中的設計錯誤，為最終規(guī)范(產(chǎn)品手冊)測量出芯片的各種電氣參數(shù)，并開發(fā)出測試流程。當芯片的設計方案通過了驗證測試，進入生產(chǎn)階段之后，將利用前一

7、階段設計好的測試流程進行生產(chǎn)測試。在這一階段里，測試的目的就是對被測芯片進行“Pass"或“Fail”判斷。由于要每一片芯片進行生產(chǎn)測試，所以測試成本是這一階段的首要問題。出于此種目的,測試的效率很關鍵，生產(chǎn)測試生產(chǎn)沒有驗證測試那么全面,測試通常所采用的測試向量集不會包含過多的測試向量，但是必須有足夠高的模型化故障的覆蓋率以滿足質(zhì)量上的要求.三、集成電路測試分類依照器件開發(fā)和制造階段、采用的工藝技術(shù)、測試項目種類以及待測器件等的不同，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：1。晶圓測試（Wafer Test)：對裸露的、尚未切割的每顆晶圓進行探針測試。測試過程中，要讓測試儀

8、的探針與晶粒上的節(jié)電接觸，測試晶粒的電氣特性不合格的晶粒會被標上記號.探針卡的阻抗匹配和延時問題必須加以考慮，以便于時序調(diào)整和矯正。2.生產(chǎn)測試:晶圓上的芯片經(jīng)過封裝后，對成品進行全面的電性能測試.3。老化測試:通過生產(chǎn)性測試的產(chǎn)品并不是完全一致的,在實際應用當中，有些會很快失效，而有些會能長時間正常工作。老化測試是通過一個長時間的連續(xù)或周期性的測試使不耐用的器件失效，從而確保老化測試后器件的可靠性。老化測試分為靜態(tài)老化測試和動態(tài)老化測試。靜態(tài)老化測試是在給器件提供供電電壓下，提高器件的工作溫度,對其壽命進行測試。動態(tài)老化測試是在靜態(tài)老化測試的基礎上施加激勵.4.質(zhì)量控制測試:為確保生產(chǎn)產(chǎn)品的

9、質(zhì)量，對準備出廠的合格器件進行抽樣測試,確保良品的合格率。目前,集成電路針對不同的應用場合分為民用標準級、工業(yè)標準級和軍用標準級別，不同的級別參數(shù)測試的標準高低不同.圖1為集成電路一般的測試流程：圖1 測試流程四、集成電路測試原理和方法通常的按測試項目種類分主要包括：1邏輯功能測試：根據(jù)被測器件的真值表，設計向量，對器件邏輯功能進行測試.2直流參數(shù)測試：在DUT的引腳上施加電流或電壓,測出具體的參數(shù)數(shù)值.測試項目包括:開路/短路測試，輸出驅(qū)動電流測試，漏電電流測試，電源電流測試，轉(zhuǎn)換電平測試等。4。1.數(shù)字器件的邏輯功能測試結(jié)合體圖2，邏輯功能測試是旨在于檢查被測器件在類似實際使用的環(huán)境下是否

10、能實現(xiàn)其預期邏輯功能的一類測試,也就是我們常說的功能測試。功能測試根據(jù)被測器件的真值表、狀態(tài)方程、測試圖形來測試器件的邏輯功能。功能測試是全集的,測試向量集不會包含多余的測試向量，但必須有足夠高的故障覆蓋率。在電路中傳輸?shù)倪壿嫛?/0”是由帶定時特性和電平特性的波形，與波形形狀、脈沖寬度、脈沖邊緣或斜率以及上升沿和下降沿的位置都有關系.功能測試關注的重點是測試圖形產(chǎn)生的速度、邊沿定時控制的特性、輸入/輸出控制和屏蔽選擇。參照被測器件（DUT）的器件手冊,考慮各個方面的性能,必須仔細檢查下列項的準確值： 被測器件電源電壓最小值/最大值; VOL/VOH（輸出電壓)； VIL/VIH（輸入電壓);

11、 IOL/I OH (輸出負載電流）； 動態(tài)電流負載參考電平VREF; 測試頻率/周期； 輸入信號時序(時鐘/建立時間/保持時間/控制信號）； 輸入信號波形編碼方式； 輸出時序（在周期內(nèi)何時對輸出進行采樣)； 向量序列(向量文件內(nèi)的開始/停止位置)。從以上可以看出，邏輯功能測試中需要配置大量的資源信息，主要由兩大塊組成，一是測試向量文件，另外一塊是包含測試指令的主測試程序.測試向量代表了測試待測器件所需的激勵輸入和期望輸出的邏輯狀態(tài)。主測試程序設定測試速率、引腳部件電平值、輸入通道的編碼格式、波形和時序等所必需的信息。從向量存儲器里輸出的數(shù)據(jù)與時序，編碼格式以及電平數(shù)據(jù)結(jié)合在一起,通過引腳電路

12、施加給被測器件。輸入的測試數(shù)據(jù)就包含測試向量、輸入信號時序、輸入信號格式化編碼、輸入電平組等。執(zhí)行功能測試時，設定必要的初始程序、合理的電平和電流值和定時條件后，測試系統(tǒng)逐個周期的給DUT提供激勵,同時在一個周期內(nèi)對DUT的輸出進行監(jiān)測，輸出信號與測試向量表示的期望值相互比較，如果輸出引腳輸出的邏輯狀態(tài)與期望不相符合，則功能測試失效.對輸出響應的檢測有兩種方法.(1）比較法：輸入激勵同時應用于被測電路和一個稱為金器件（設為無故障)的相同器件,比較兩者輸出響應即可判斷被測電路正確性。這種比較法一般適用于比較簡單的標準中小規(guī)模(SSI、MSI)電路的測試。(2)存儲響應法：結(jié)合圖2，在計算機的控制

13、下，被測器件的測試集存放在測試系統(tǒng)高速緩沖存儲器中.測試時，測試圖形根據(jù)測試主頻逐排讀出,輸入激勵順次施加于被測器件，逐拍與期望響應作為比較。如果比較結(jié)果全部一致，則證明器件功能合格；否則稱器件功能失效。這種方法涉及大量測試數(shù)據(jù)的存儲和讀出操作,但它具有相當?shù)撵`活性,也適用于時序電路的測試。該方法的優(yōu)點是可以根據(jù)測試要求，在確保一定的測試可接受的前提下，將一個很長的測試集進行壓縮，這樣不僅節(jié)省了存儲空間，而且加快了測試速度，因此存儲響應原理為眾多測試系統(tǒng)所采用。測試的順序為測試矢量被測電路與標準響應比較結(jié)果分析。圖2 存儲響應法4。1。1測試周期及輸入數(shù)據(jù)(1）測試周期測試周期是測試器件過程中

14、的工作頻率，為每一條測試向量所持續(xù)的時間。功能測試建立時序的第一步是定義測試周期的時序關系。（2）輸入數(shù)據(jù)激勵給DUT的數(shù)據(jù)是含有時序和電平信息的，一般由以下因數(shù)構(gòu)成： 測試向量; 輸入信號格式化編碼組； 輸入信號電平組; 輸入信號時序組。激勵給DUT的輸入信號是以測試向量數(shù)據(jù)形式存儲的邏輯“1/0”，而代表邏輯“1/0”的電平則由電子引腳中的VIH/VIL參考電平規(guī)定的.輸入信號要求設置為包含唯一格式化編碼方式和設定時序更為復雜的數(shù)據(jù)形式,主程序中會包含這些信息并通過相應的代碼實現(xiàn)設置。（3)輸入信號格式根據(jù)DUT輸入引腳的特性,設定其輸入信號的編碼格式以完成功能測試，使用得當還可以保證規(guī)格

15、書定義的所有交流參數(shù)被測試。信號格式與測試向量、時沿設定及輸入電平組合起來作為DUT的輸入信號波形。圖3給出了一些信號格式的簡單描述。圖3 信號格式化編碼 NRZ（Non Return to Zero，不返回）：代表存儲于向量存儲器的實際數(shù)據(jù)，它不含有時沿信息，只在每個周期的起始點（T0）發(fā)生變化。 DNRZ（Delayed Non Return to Zero，延遲不返回）：顧名思義，它和NRZ一樣代表存儲于向量存儲器的數(shù)據(jù)，只是周期中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變點不在T0.如果當前周期和前一周期的數(shù)據(jù)不同，DNRZ會在預先定義的前延處發(fā)生跳變。 RZ（Return to Zero，歸零碼）:當數(shù)據(jù)為邏輯“1

16、”時提供一個正向脈沖，數(shù)據(jù)為邏輯“0”時則保持為低狀態(tài)。RZ信號含有前（上升)沿和后（下降）沿這兩個時間沿。當相應引腳的所有向量都為邏輯“1"時,用RZ格式則等于提供正向脈沖的時鐘，脈寬是可以調(diào)節(jié)的。一些上升沿有效的信號，如芯片的片選（CS）信號，會要求使用RZ編碼格式。 RO（Return to One,歸一碼)：當數(shù)據(jù)為邏輯“0”時提供一個負向脈沖，數(shù)據(jù)為邏輯“1"時則保持高狀態(tài)。當相應引腳的所有向量都為邏輯“0”時，RO格式提供了負向脈沖的時鐘.一些下降沿有效的信號，如芯片的使能（/OE）信號，會要求使用RO編碼格式. SBC(Surround By Compleme

17、nt，補碼環(huán)繞):當前后周期的數(shù)據(jù)不同時，信號在一個周期內(nèi)將跳變3次，信號更為復雜。首先在T0點處翻轉(zhuǎn)電平，等待預定的延遲時間后,在定義的脈沖寬度內(nèi)表現(xiàn)真實的向量數(shù)據(jù)，最后再次翻轉(zhuǎn)電平并在周期內(nèi)剩下的時間保持。SBC是運行測試向量15時唯一能同時保證信號建立（setup）和保持（hold)時間的信號格式，也被稱為XOR格式.（4）輸入信號時序測試周期確定了，周期內(nèi)各輸入信號的編碼格式及時沿點也就可以確定了。通常來說,輸入信號有兩類：數(shù)據(jù)信號和控制信號。數(shù)據(jù)信號在控制信號設定的時間點處鎖存數(shù)據(jù)到器件內(nèi)部。第一個要確定的是數(shù)據(jù)信號的建立/保持時間和控制信號的有效時沿,這些信息將決定各輸入信號時間沿

18、在周期內(nèi)的位置。接下來確定各輸入信號的編碼格式。時鐘信號通常使用RZ（正脈沖)或RO(負脈沖）編碼格式；上升沿有效的信號如片選（CS）常使用RZ編碼格式;下降沿有效的信號如輸出始能（/OE）常使用RO編碼格式；擁有建立和保持時間要求的數(shù)據(jù)信號常使用SBC編碼格式；其他的輸入信號則可以使用NRZ或DNRZ編碼格式。輸入信號由測試系統(tǒng)里的每一個周期的輸出數(shù)據(jù)組合創(chuàng)建，最后從電子引腳輸出的信號圖形是測試向量、時沿設置、信號格式及VIH/VIL設置共同作用的激勵輸入，如圖4所示：圖4 輸入信號的創(chuàng)建4.1。2輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)部分的測試由以下組合： 測試向量數(shù)據(jù)（期望的輸出邏輯值）； 采樣時序（周期內(nèi)采

19、樣設定); HCOMP/LCOMP（期望的邏輯高低電平）； IOH/IOL（輸出動態(tài)電流負載）.（1）測試輸出功能測試期間，測試程序設定每個輸出引腳在測試周期內(nèi)的輸出采樣時間點。測試周期中，電子引腳中的比較單元會對DUT輸出信號電平和HCOMP/LCOMP參考電平相比較，比較器輸出邏輯數(shù)送入系統(tǒng)中，在這個時間點上測試系統(tǒng)對邏輯值進行采樣，采樣的數(shù)值與期望的邏輯值相比較.每個輸出引腳對應的測試向量含有在該周期中期望的邏輯狀態(tài).如果期望是邏輯“0”，當采樣進行時，DUT的輸出電平必須小于等于LCOMP；如果期望時邏輯“1”，則必須大于等于HCOMP。部分測試系統(tǒng)還擁有測試高阻態(tài)的能力，這主要看電子

20、引腳中的比較器支持高阻輸出與否。(2)測試高阻態(tài)輸出引腳輸出高阻態(tài)也可以進行功能性的測試，在這類測試中，將比較器邏輯翻轉(zhuǎn)以得到非有效的邏輯。高阻狀態(tài)(電平）定義為小于HCOMP和大于LCOM的電壓。DUT的引腳連接到2V參考電壓的電流負載，引腳電壓將輸出到非有效電壓（高阻狀態(tài)），通常使用的參考電壓代表中間級或高阻態(tài)。當器件引腳輸出進入高阻態(tài)時，將不能提供和吸收任何電流。高阻態(tài)輸出將會保持其邏輯狀態(tài)直至器件內(nèi)部因素引起輸出改變，電流負載將提供或吸收電流.圖5表示測試高阻抗輸出時，DUT輸出和HCOMP/LCOMP值之間的Pass/Fail/Pass的關系。圖5 功能測試輸出電平(3）輸出電流負載

21、在功能測試中,DUT輸出引腳可能會用到電流負載。電子引腳上配置有可編程電流負載（也叫動態(tài)電流負載)電路，可以在測試程序中進行設定，但有些中小型的測試系統(tǒng)并不支持這項功能。在執(zhí)行邏輯功能測試時，將在器件的輸出端施加設置的IOL或IOH電流，測試器件輸出引腳的帶負載能力。通過施加指定的IOL/IOH測試VOL/VOH電壓。當輸出為VOL,IOL從電流負載流進器件的輸出端倒地，稱IOL為吸電流（sinking current);當輸出為VOH,IOH從器件的輸出端流進電流負載流進倒地，稱IOH為拉電流（sourcing current);輸出電流和電壓的參數(shù)在功能測試運行過程中得到定性驗證，這比用P

22、MU實施相同的測試快得多。(4)輸出信號時序輸出信號的傳輸是由時鐘和控制信號的時間沿進行控制，確定引起輸出信號發(fā)生變化的時鐘有效沿和控制信號，根據(jù)器件手冊,確定輸出信號達到有效邏輯狀態(tài)時所需要的傳輸延遲，進而確定信號采樣點在周期內(nèi)的位置，采樣點的位置應該在周期內(nèi)定時前沿點和后延點之間。有些測試系統(tǒng)硬件支持邊沿模式或窗口模式兩種采樣形式。邊沿模式只在周期內(nèi)確定的時間點采集并比較一次數(shù)據(jù),而窗口模式則在周期內(nèi)特定的一段時間都對輸出進行采樣和比較.測試時序使輸出的變化和測試系統(tǒng)的檢測發(fā)生在相同的周期內(nèi)，這樣就可以在測試周期內(nèi)準確地測量輸出延遲，保證在測試周期結(jié)束前有足夠的時間輸出準確的結(jié)果，并且采樣

23、后的數(shù)據(jù)還要保存在結(jié)果存儲器中.對于工作頻率低的器件輸出端存在比其他的快速器件需要更長的時間達到它們的最終輸出值,在降低的頻率上測試能發(fā)現(xiàn)傳輸延遲的問題。一些因素影響采樣信號的輸出數(shù)值，包括： 向量數(shù)據(jù)決定期望的邏輯輸出值； HCOMP/LCOMP比較器參考電平?jīng)Q定期望輸出電壓； 輸出采樣時序決定著周期內(nèi)輸出信號的測試點； 輸出比較屏蔽（mask）控制決定了輸出結(jié)果是用以判斷Pass/Fail還是忽略.4.2 集成電路生產(chǎn)測試的流程結(jié)合圖6，測試時間的長短直接影響測試成本的高低，而減少平均測試時間的一個最好方法就是盡可能早地發(fā)現(xiàn)并剔除壞的芯片。所以在集成電路的生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)，首先應該進行開短路測

24、試，這樣能快速檢測出DUT是否存在電性物理缺陷,如引腳短路、引腳的靜電損壞、以及制造缺陷等等，盡早的剔除壞品.接著就要進行功能測試，檢驗DUT功能是否正常，功能測試的速度很快,只有通過了功能測試后面的DC參數(shù)測試才是有意義的。最后進行器件的DC參數(shù)測試，這一階段速度會比較慢，一旦器件通過了這些測試，就可基本保證其性能.圖6為集成電路生產(chǎn)測試的流程：圖6 典型數(shù)字集成電路生產(chǎn)測試流程五、集成電路自動測試面臨的挑戰(zhàn)集成電路從小規(guī)模到中規(guī)模，再到大規(guī)模,超大規(guī)模集成電路,發(fā)展到現(xiàn)在的芯片系統(tǒng)，起碼集成百萬以上的晶體管,堪稱超級超大規(guī)模集成電路了。芯片系統(tǒng)往往是模數(shù)混合電路。隨著集成電路功能實現(xiàn)復雜性，其規(guī)模也不斷提高，使得集成電路測試系統(tǒng)向開放式、模塊化和標準化方向發(fā)展,在集成電路測試技術(shù)面臨更大的挑戰(zhàn)，這就需要我們提出相關的測試策略和實現(xiàn)方法。系統(tǒng)芯片可測試性設計的難題很多。（1)隨著集成電路設計規(guī)模迅速提升,測試向量數(shù)目的急劇增加，迫切需要有效的測試設計，采用什么樣的硬件電路和快速的測試算法以較小的硬件開銷和分析出所有的故障；（2）半導體芯片中的晶體管的特征尺寸每年大約減小10.5,隨著電路設計和工藝的革新，晶體管密度幾乎成平方級增長。先進的0。15um設計工藝使得設計人員能將大量晶體管放置到集成電路上，這使得引入和新的電子和物理效應,不