半导体和测试设备介绍8993.docx

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1、第一章.认识半半导体和和测试设设备(11)本章节包包括以下下内容，l 晶晶圆（WWafeers）、晶晶片（DDicee）和封封装（PPackkagees）l 自自动测试试设备（ATE）的总体认识l 模模拟、数数字和存存储器测测试等系系统的介介绍l 负负载板（Loadboards）、探测机（Probers）、机械手（Handlers）和温度控制单元（Temperature units）一、晶圆圆、晶片片和封装装 119477年，第第一只晶晶体管的的诞生标标志着半半导体工工业的开开始，从从那时起起，半导导体生产产和制造造技术变变得越来来越重要要。以前前许多单单个的晶晶体管现现在可以以互联加加工成一

2、一种复杂杂的集成成的电路路形式，这这就是半半导体工工业目前前正在制制造的称称之为超大规规模（VVLSII，Veery Larrge Scaale Inttegrratiion）的的集成电电路，通通常包含含上百万万甚至上上千万门门晶体管管。 半半导体电电路最初初是以晶晶圆形式式制造出出来的。晶晶圆是一一个圆形形的硅片片，在这这个半导导体的基基础之上上，建立立了许多多独立的的单个的的电路；一片晶晶圆上这这种单个个的电路路被称为为diee（我前前面翻译译成晶晶片，不不一定准准确，大大家还是是称之为为diee好了），它它的复数数形式是是dicce.每每个diie都是是一个完完整的电电路，和和其他的的d

3、icce没有有电路上上的联系系。 当制造造过程完完成，每每个diie都必必须经过过测试。测测试一片片晶圆称称为CCirccuitt prrobiing（即我我们常说说的CPP测试）、Waffer porrbinng或或者DDie sorrt。在在这个过过程中，每每个diie都被被测试以以确保它它能基本本满足器器件的特特征或设设计规格格书（SSpeccifiicattionn），通通常包括括电压、电电流、时时序和功功能的验验证。如如果某个个diee不符合合规格书书，那么么它会被被测试过过程判为为失效（ffaill），通通常会用用墨点将将其标示示出来（当当然现在在也可以以通过MMapiing图图来

4、区分分）。 在所有有的diie都被被探测（PProbbed）之之后，晶晶圆被切切割成独独立的ddicee，这就就是常说说的晶圆圆锯解，所所有被标标示为失失效的ddie都都报废（扔扔掉）。图图2显示示的是一一个从晶晶圆上锯锯解下来来没有被被标黑点点的diie，它它即将被被封装成成我们通通常看到到的芯片片形式。注：本标标题系列列连载内内容及图图片均出出自TThe Funndammenttalss Off Diigittal Semmicoonduuctoor TTesttingg第一章.认识半半导体和和测试设设备(22) 在一一个Diie封装装之后，需需要经过过生产流流程中的的再次测测试。这这次测

5、试试称为“Finnal tesst”（即我我们常说说的FTT测试）或或“Pacckagge ttestt”。在电电路的特特性要求求界限方方面，FFT测试试通常执执行比CCP测试试更为严严格的标标准。芯芯片也许许会在多多组温度度条件下下进行多多次测试试以确保保那些对对温度敏敏感的特特征参数数。商业业用途（民民品）芯芯片通常常会经过过0、25和75条件下下的测试试，而军军事用途途（军品品）芯片片则需要要经过 -555、25和1255。芯片可可以封装装成不同同的封装装形式，图图4显示了了其中的的一些样样例。一一些常用用的封装装形式如如下表：DIP： DDuall Innlinne PPackkage

6、e (dduall inndiccatees tthe pacckagge hhas pinns oon ttwo siddes) 双列列直插式式CerDDIP：Cerramiic DDuall Innlinne PPackkagee 陶瓷瓷PDIPP： Plaastiic DDuall Innlinne PPackkagee 塑料料PGA： Piin GGridd Arrrayy 管脚脚阵列BGA： Baall Griid AArraay 球球栅阵列列SOP： SSmalll OOutllinee Paackaage 小型外外壳TSOPP： Thiin SSmalll OOutllinee

7、Paackaage TSSOOP：Thiin SShriink Smaall Outtlinne PPackkagee (tthiss onne iis rreallly getttinng ssmalll!)SIP： Sinnglee Innlinne PPackkagee 单列列直插SIMMM： Siinglle IInliine Memmoryy Moodulles (liike thee meemorry iinsiide of a ccompputeer) QFP： QQuadd Fllat Pacck (quaad iindiicattes thee paackaage hass

8、piins on fouur ssidees) TQFPP： Thiin vverssionn off thhe QQFP MQFPP： Meetriic QQuadd Fllat Pacck MCM： Mullti Chiip MModuuless (ppackkagees wwithh moore thaan 11 diie (forrmerrly callledd hyybriids)第一章.认识半半导体和和测试设设备(33)二、自动动测试设设备 随着集集成电路路复杂度度的提高高，其测测试的复复杂度也也随之水水涨船高高，一些些器件的的测试成成本甚至至占到了了芯片成成本的大大部分。大大规模

9、集集成电路路会要求求几百次次的电压压、电流流和时序序的测试试，以及及百万次次的功能能测试步步骤以保保证器件件的完全全正确。要要实现如如此复杂杂的测试试，靠手手工是无无法完成成的，因因此要用用到自动动测试设设备（AATE，Auttomaatedd Teest Equuipmmentt）。 ATEE是一种种由高性性能计算算机控制制的测试试仪器的的集合体体，是由由测试仪仪和计算算机组合合而成的的测试系系统，计计算机通通过运行行测试程程序的指指令来控控制测试试硬件。测测试系统统最基本本的要求求是可以以快速且且可靠地地重复一一致的测测试结果果，即速速度、可可靠性和和稳定性性。为保保持正确确性和一一致性，

10、测测试系统统需要进进行定期期校验，用用以保证证信号源源和测量量单元的的精度。 当一个个测试系系统用来来验证一一片晶圆圆上的某某个独立立的Diie的正正确与否否，需要要用PrrobeeCarrd来实实现测试试系统和和Diee之间物物理的和和电气的的连接，而而ProobeCCardd和测试试系统内内部的测测试仪之之间的连连接则通通过一种种叫做“Loaad bboarrd”或“Perrforrmannce boaard”的接口口电路板板来实现现。在CCP测试试中，PPerfformmancce bboarrd和Proobe carrd一起起使用构构成回路路使电信信号得以以在测试试系统和和Diee之间

11、传传输。 当Diee封装出出来后，它它们还要要经过FFT测试试，这种种封装后后的测试试需要手手工将一一个个这这些独立立的电路路放入负负载板（Load board）上的插座（Socket）里，这叫手工测试（hand test）。一种快速进行FT测试的方法是使用自动化的机械手（Handler），机械手上有一种接触装置实现封装引脚到负载板的连接，这可以在测试机和封装内的Die之间提供完整的电路。机械手可以快速的抓起待测的芯片放入测试点（插座），然后拿走测试过的芯片并根据测试pass/fail的结果放入事先定义好的相应的Bin区。 三、半半导体技技术 有一系系列的方方法被用用来生产产和制造造数字半半导

12、体电电路，这这些方法法称为半半导体技技术或工工艺，常常用的技技术或工工艺包括括：TTTL (Traansiistoor-TTrannsisstorr Loogicc a.k.aa. bbipoolarr loogicc), ECLL (EEmittterr Coouplled Loggic), SSOS (Siiliccon on Sappphiire), aand CMOOS (Commpliimenntarry MMetaal-OOxidde SSemiiconnducctorr)。不不管什么么技术或或工艺，出出来的产产品都要要经过测测试，这这里我们们关注数数字TTTL和CMOOS电路路。

13、第一章.认识半半导体和和测试设设备(44)四、数字字和模拟拟电路 过去，在在模拟和和数字电电路设计计之间，有有着显著著的不同同。数字字电路控控制电子子信号，表表现为逻逻辑电平平“0”和“1”，它们们被分别别定义成成一种特特殊的电电压分量量，所有有有效的的数字电电路数据据都用它它们来表表示，每每一个“0”或“1”表示数数据的一一个比特特（biit）位位，任何何数值都都可以由由按照一一定顺序序排列的的“0”“1”比特位位组成的的二进制制数据来来表示，数数值越大大，需要要的比特特位越多多。每88个比特特一组构构成一个个Bytte，数数字电路路中的数数据经常常以Byyte为为单位进进行处理理。 不同于

14、于数字信信号的“0”“1”界限分分明（离离散），模模拟电路路时连续续的在任何何两个信信号电平平之间有有着无穷穷的数值值。模拟拟电路可可以使用用电压或或电流来来表示数数值，我我们常见见的也是是最常用用的模拟拟电路实实例就是是运算放放大器，简简称运放放。 为帮助助理解模模拟和数数字电路路数值的的基本差差别，我我们可以以拿时钟钟来比方方。“模拟”时钟上上的指针针连续地地移动，因因此所有有的任一一时间值值可以被被观察者者直接读读出，但但是所得得数值的的准确度度或者说说精度取取决于观观察者认知的的程度。而在在“数字”时钟上上，只有有最小增增量以上上的值才才能被显显示，而而比最小小增量小小的值则则无法显显

15、示。如如果有更更高的精精度需求求，则需需要增加加数据位位，每个个新增的的数据位位表示最最小的时时间增量量。 有的电电路里既既有数字字部分也也有模拟拟部分，如如AD转换换器（AADC）将将模拟信信号转换换成数字字信号，DA转换器（DAC）则相反，我们称之为“混合信号电路”（Mixed Signal Devices）。另一种描述这种混合电路的方法则基于数字部分和模拟部分占到电路的多少：数字部分占大部分而模拟部分所占比例较少归于数字电路，反之则归于模拟电路。第一章.认识半半导体和和测试设设备(55)五、测试试系统的的种类一般认为为测试系系统都是是通用的的，其实实大部分分测试系系统的设设计都是是面向专

16、专门类型型的集成成电路，这这些专门门的电路路包括：存储器器、数字字电路、模模拟电路路和混合合信号电电路；每每种类型型下还可可以细分分成更多多种类，我我们这里里只考虑虑这四种种类型。5.1存存储器件件类 我们一一般认为为存储器器是数字字的，而而且很多多DC测试试参数对对于存储储类和非非存储类类的数字字器件是是通用的的，虽然然如此，存存储器的的测试还还是用到到了一些些独特的的功能测测试过程程。带内内存的自自动测试试系统使使用一种种算法模模式生成成器（AAPG，alggoriithmmic pattterrn ggeneerattor）去去生成功功能测试试模型，使使得从硬硬件上生生成复杂杂的功能能测

17、试序序列成为为可能，这这样我们们就不用用把它们们当作测测试向量量来保存存。存储储器测试试的一些些典型模模型包括括：棋盘盘法、反反棋盘法法、走00、走1、蝶形形法，等等等 AAPG在在器件的的每次测测试时生生成测试试模型，而而不带内内存的测测试系统统将预先先生成的的模型保保存到向向量存储储区，然然后每次次测试时时从中取取出数据据。存储储器测试试通常需需要很长长的测试试时间去去运行所所要求的的测试模模型，为为了减少少测试成成本，测测试仪通通常同时时并行测测试多颗颗器件。5.2模模拟或线线形器件件类 模拟器器件测试试需要精精确地生生成与测测量电信信号，经经常会要要求生成成和测量量微伏级级的电压压和纳

18、安安级的电电流。相相比于数数字电路路，模拟拟电路对对很小的的信号波波动都很很敏感，DC测试参数的要求也和数字电路不一样，需要更专业的测试仪器设备，通常会按照客户的选择在设计中使用特殊的测试仪器甚至机架。模拟器件需要测试的一些参数或特性包括：增益、输入偏移量的电压和电流、线性度、通用模式、供电、动态响应、频率响应、建立时间、过冲、谐波失真、信噪比、响应时间、窜扰、邻近通道干扰、精度和噪声。5.3混混合信号号器件类类 混合信信号器件件包括数数字电路路和模拟拟电路，因因此需要要测试系系统包含含这两部部分的测测试仪器器或结构构。混合合信号测测试系统统发展为为两个系系列：大大部分数数字电路路测试结结构、

19、少少量模拟拟测试结结构的系系列，被被设计成成用于测测试以数数字电路路为主的的混合信信号器件件，它能能有效地地进行DDC参数数测试和和功能测测试，但但是仅支支持少量量的模拟拟测试；大部分分模拟电电路测试试结构、少少量数字字测试结结构的系系列，相相反，能能够精确确地测试试模拟参参数而在在功能测测试上稍稍逊风骚骚。5.4数数字电路路器件类类 仅含有有数字逻逻辑的电电路器件件可使用用数字电电路测试试系统来来完成测测试，这这些测试试系统之之间在价价格、性性能、尺尺寸、可可选项上上有着明明显的不不同。 低端的的测试机机被用来来测试低低价格或或者低性性能的低低端产品品，通常常是些管管脚少、复复杂度低低的器件

20、件；一般般运行于于低于220MHHz的时时钟频率率，且只只能存储储少量的的测试向向量；用用于小规规模（SSSI）或或中规模模（MSSI）集集成电路路的测试试。高高端的测测试机则则是速度度非常快快（时钟钟频率高高）、测测试通道道非常多多的测试试系统；时钟频频率通常常会达到到4000MHzz，并能能提供110244个测试试通道；拥有高高精度的的时钟源源和百万万bitt位的向向量存储储器。它它们被用用于验证证新的超超大规模模（VLLSI）集集成电路路，但是是昂贵的的成本阻阻碍了他他们用于于生产测测试。而而半导体体测试工工业普遍遍使用的的是中高高端的测测试设备备，它们们拥有较较好的性性价比，在在对测试

21、试成本非非常敏感感的半导导体测试试行业，这这无疑是是非常重重要的。这这类测试试设备多多运行在在50-1000MHzz，提供供2566个测试试通道，通通常带有有一些可可选的配配置。为为了控制制测试成成本，谨谨慎地选选择能满满足器件件测试需需求的测测试设备备是非常常重要的的，选择择功能相相对于我我们器件件的测试试要求过过于强大大的测试试系统会会使得我我们的测测试成本本居高不不下，而而相反的的选择会会造成测测试覆盖盖率不够够；找到到设备功功能和成成本之间间的平衡衡是测试试成本控控制本质质的要求求。第一章.认识半半导体和和测试设设备(66)六测试试负载板板(LooadBBoarrd) 测试负负载板是是

22、一种连连接测试试设备的的测试头头和被测测器件物物理和电电路接口口，被固固定在针针测台（Probe）、机械手（Handler）或者其他测试硬件上，其上的布线连接测试机台内部信号测试卡的探针和被测器件的管脚。 在CP测试试中，负负载板连连接PrrobeeCarrd；在在手工测测试中，我我们将SSockket固固定在负负载板上上；而在在FT的生生产测试试中，我我们将其其连接到到Hanndleer. 因为测测试机在在物理和和电气上上需要与与多种类类型的设设备连接接、锁定定，因而而Loaadbooardd的类型型和款式式也是多多种多样样。 测试高高速或者者大功率率的器件件需要定定制的LLoaddboaa

23、rd，为为保证信信号完整整性，这这种高性性能的定定制电路路板必须须完成阻阻抗匹配配这对对于布局局、布线线及线长长、线宽宽等都有有特殊要要求，因因此通常常需要数数月的时时间设计计制作，并并且价格格非常昂昂贵。 七探针针卡（PProbbeCaard）探探针卡在在CP测试试用于连连接测试试机电路路和Diie上的的Padd，通常常作为LLoaddboaard的的物理接接口，在在某些情情况下PProbbeCaard通通过插座座或者其其它接口口电路附附加到LLoaddboaard上上。测测试机的的信号通通过弹簧簧针（ppogoo piins）连连接到PProbbeCaard底底部的PPad上上，再由由ProobeCCardd上的布布线通往往被测的的Diee上。