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(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中的IC測試基本原理，內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(yǔ)。

　　2 數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)現設計規格書(shū)所規定的功能及性能指標。用來(lái)完成這一功能的自動(dòng)測試設備是由計算機控制的，因此，測試工程師必須對計算機科學(xué)編程和操作系統有詳細的認識，測試工程師必須清晰了解測試設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，這樣器件被測試的條件類(lèi)似于將來(lái)的應用環(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)間必須達到一個(gè)平衡，以取得最好的成本效率。

　　2.1 不同測試目標的考慮

　　依照器件開(kāi)發(fā)和制造階段的不同，采用的工藝技術(shù)的不同，測試項目種類(lèi)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(lèi)。

　　器件開(kāi)發(fā)階段的測試包括：特征分析：保證設計的正確性，決定器件的性能參數;

　　產(chǎn)品測試：確保器件的規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：保證器件能在規定的年限之內正確工作;

　　來(lái)料檢查：保證在系統生產(chǎn)過(guò)程中所有使用的器件都能滿(mǎn)足它本身規格書(shū)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)序調整和矯正。因而探針卡的阻抗匹配和延時(shí)問(wèn)題必須加以考慮。

　　封裝測試：器件插座和測試頭之間的電線(xiàn)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(mén)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、擴散層電阻，接觸電阻以及FET寄生漏電等參數測試。

　　通常的工藝種類(lèi)包括：

　　TTL、ECL、CMOS、NMOS、Others

　　通常的測試項目種類(lèi)：

　　功能測試：真值表、算法向量生成

　　直流參數測試：開(kāi)路/短路測試，輸出驅動(dòng)電流測試、漏電電源測試、電源電流測試、轉換電平測試等。

　　交流參數測試：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 直流參數測試

　　直流測試是基于歐姆定律的用來(lái)確定器件電參數的穩態(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(guò)，然后測量其該管腳電流的測試，輸出驅動(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(kāi)路)：這項測試保證測試接口與器件正常連接，接觸測試通過(guò)測量輸入輸出管腳上保護二極管的自然壓降來(lái)確定連接性。二極管上如果施加一個(gè)適當的正向偏置電流，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(lái)完成：

　　(1)所有管腳設為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(shuō)明管腳短路，

　　(5)如果電壓大于1.0V，說(shuō)明該管腳開(kāi)路，

　　(6)如果電壓在0.1V到1.0V之間，說(shuō)明該管腳正常連接。

　　漏電(IIL，IIH，IOZ)：理想條件下，可以認為輸入及三態(tài)輸出管腳和地之間是開(kāi)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(chēng)為漏電流?；蚍謩e稱(chēng)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(lèi)似于短路的情形，導致電流通過(guò)。

　　三態(tài)輸出漏電IOZ是當管腳狀態(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(lèi)似，不同的是待測器件必須被設置為三態(tài)輸出狀態(tài)。

　　轉換電平(VIL，VIH)。轉換電平測量用來(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)。這些參數通常是通過(guò)反復運行常用的功能測試，同時(shí)升高(VIL)或降低(VIH)輸入電壓值來(lái)決定的，那個(gè)導致功能測試失效的臨界電壓值就是轉換電平，這一參數加上保險量就是VIL或VIH規格，保險量代表了器件的抗噪聲能力。

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

　　電源消耗(ICC，IDD，IEE)。該項測試決定器件的電源消耗規格，也就是電源管腳在規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 交流參數測試

　　交流參數測試測量器件晶體管轉換狀態(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期的狀態(tài)轉換。

　　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)轉換和導致相應的輸出端的狀態(tài)(邊沿)轉換之間的延遲時(shí)間，該時(shí)間從輸出端的某一特定的電壓開(kāi)始到輸出端的某一特定的電壓結束，一些更嚴格的時(shí)序測試還會(huì )包括以下的這些項目：

　　三態(tài)轉換時(shí)間測試

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

　　TZL，TZH：從傳輸使能開(kāi)始到輸出有效數據的轉換時(shí)間。

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

　　(1)往單元A寫(xiě)入數據0，

　　(2)往單元B寫(xiě)入數據1，

　　(3)保持READ為使能狀態(tài)并讀取單元A的值，

　　(4)地址轉換到單元B，

　　(5)轉換時(shí)間就是從地址轉換開(kāi)始到數據變換之間的時(shí)間。

　　寫(xiě)入恢復時(shí)間--在寫(xiě)操作之后的到能讀取某一內存單元所必須等待的時(shí)間。

　　暫停時(shí)間--內存單元能保持它們狀態(tài)的時(shí)間，本質(zhì)上就是測量?jì)却鏀祿谋３謺r(shí)間。

　　刷新時(shí)間--刷新內存的最大允許時(shí)間。

　　建立時(shí)間--輸入數據轉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)鐘之后輸入數據必須保持的時(shí)間。

　　頻率--通過(guò)反復運行功能測試，同時(shí)改變測試周期，來(lái)測試器件運行的速度，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。頻率測試的目的是找到器件所能運行的最快速度。

　　上面討論了數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(yǔ)，在接下來(lái)的章節里，我們將討論怎么把這些基本原理應用到實(shí)際的IC測試中去。