IC測(cè)試原理解析(第一部分)

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(guò)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(yǔ)。

第一章 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(lái)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)試工程師必須清楚了解測(cè)試設(shè)備與器件之間的接口，懂得怎樣模擬器件將來(lái)的電操作環(huán)境，這樣器件被測(cè)試的條件類似于將來(lái)應(yīng)用的環(huán)境。

首先有一點(diǎn)必須明確的是，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。

第一節(jié) 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)能正確工作;

來(lái)料檢查：保證在系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)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)試儀管腳與器件盡可能地靠近，保證電纜，測(cè)試儀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 。

第二節(jié) 直流參數(shù)測(cè)試

直流測(cè)試是基于歐姆定律的用來(lái)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(guò)，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(guò)測(cè)量輸入輸出管腳上保護(hù)二極管的自然壓降來(lái)確定連接性。二級(jí)管上如果施加一個(gè)適當(dāng)?shù)恼蚱秒娏?，二?jí)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(lái)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)量由”I”引起的電壓，

4.如果該電壓小于0.1V，說(shuō)明管腳短路，

5.如果電壓大于1.0V，說(shuō)明該管腳開路，

6.如果電壓在0.1V和1.0V之間，說(shuō)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(guò)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(guò)。 

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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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。

第三節(jié) 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)間從輸入端的某一特定電壓開始到輸出端的某一特定電壓結(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: 從輸出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)存單元所能保持它們狀態(tài)的時(shí)間，本質(zhì)上就是測(cè)量?jī)?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(guò)反復(fù)運(yùn)行功能測(cè)試，同時(shí)改變測(cè)試周期，來(lái)測(cè)試器件運(yùn)行的速度。周期和頻率通常通過(guò)二進(jìn)制搜索的辦法來(lái)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(yǔ)，在接下來(lái)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。

參考文獻(xiàn)：

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