集成電路_IC測(cè)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(cè)試基本原理，內(nèi)容覆蓋了基本的測(cè)試原理，影響測(cè)試決策的基本因素以及IC測(cè)試中的常用術(shù)語。

　　2 數(shù)字集成電路測(cè)試的基本原理

　　器件測(cè)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(cè)試設(shè)備是由計(jì)算機(jī)控制的，因此，測(cè)試工程師必須對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)編程和操作系統(tǒng)有詳細(xì)的認(rèn)識(shí)，測(cè)試工程師必須清晰了解測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試成本有時(shí)能占到器件總體成本的40%左右，良品率和測(cè)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(cè)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(cè)試項(xiàng)目種類的不同以及待測(cè)器件的不同，測(cè)試技術(shù)可以分為很多種類。

　　器件開發(fā)階段的測(cè)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(cè)試：確保器件的規(guī)格和功能正確的前提下減少測(cè)試時(shí)間提高成本效率; 可靠性測(cè)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(cè)試包括：

　　圓片測(cè)試：在圓片測(cè)試中，要讓測(cè)試衣管腳與器件盡可能地靠近，保證電纜，測(cè)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(cè)試：器件插座和測(cè)試頭之間的電線引起的電感是芯片載體及封裝測(cè)試的一個(gè)首要的考慮因素。

　　特征分析測(cè)試，包括門臨界電壓、多域臨界電壓、旁路電容、金屬場(chǎng)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(cè)試。

　　通常的工藝種類包括：

　　TTL、ECL、CMOS、NMOS、Others

　　通常的測(cè)試項(xiàng)目種類：

　　功能測(cè)試：真值表、算法向量生成

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

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

　　2.2 直流參數(shù)測(cè)試

　　直流測(cè)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(cè)試方法。比如，漏電流測(cè)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(cè)量其該管腳電流的測(cè)試，輸出驅(qū)動(dòng)電流測(cè)試就是在輸出管腳上施加一定電流，然后測(cè)量該管腳與地或電源之間的電壓差。

　　通常的DC測(cè)試包括：

　　接觸測(cè)試(短路-開路)：這項(xiàng)測(cè)試保證測(cè)試接口與器件正常連接，接觸測(cè)試通過測(cè)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(cè)試就可以由以下步驟來完成：

　　(1)所有管腳設(shè)為0V，

　　(2)待測(cè)管腳上施加正向偏置電流"I"，

　　(3)測(cè)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?；蚍謩e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(cè)量得到的電流，三態(tài)輸出漏電流的測(cè)試和輸入漏電測(cè)試類似，不同的是待測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試可分為靜態(tài)電源消耗測(cè)試和動(dòng)態(tài)電源消耗測(cè)試，靜態(tài)電源消耗測(cè)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(cè)試決定器件工作時(shí)的最大電源消耗。

　　2.3 交流參數(shù)測(cè)試

　　交流參數(shù)測(cè)試測(cè)量器件晶體管轉(zhuǎn)換狀態(tài)時(shí)的時(shí)序關(guān)系。交流測(cè)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(cè)預(yù)期的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

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

　　傳輸延遲測(cè)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(cè)試還會(huì)包括以下的這些項(xiàng)目：

　　三態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間測(cè)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(chǔ)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(cè)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(cè)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(cè)試，同時(shí)改變測(cè)試周期，來測(cè)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(cè)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(cè)試的一些基本目的和原理，同時(shí)也定義了測(cè)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(cè)試中去。