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半導體廠商如何做芯片的出廠測試?
來源:知乎 | 作者:溫戈 | 發布時間: 2021-09-24 | 167 次瀏覽 | 分享到:

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本文主要針對2個問題進行展開,介紹半導體廠商如何做芯片的出廠測試,希望對您的學習有所幫助。
本文來自于知乎,作者溫戈。

例如 Intel 的 i7,蘋果的 A6,這樣復雜的 IC 要測的功能恐怕很多。

我想得到的困難有

1、BGA 這樣的封裝,應該不能多次焊接吧,那又如何上電測試呢?

2、那么多的功能,真的要寫軟件一樣一樣測嗎?很費時間吧

先來說一下完整的測試流程,再針對題主的兩個問題回答一下。


一、芯片測試概述

芯片測試分兩個階段,一個是CP(Chip Probing)測試,也就是晶圓(Wafer)測試。另外一個是FT(Final Test)測試,也就是把芯片封裝好再進行的測試。

CP測試的目的就是在封裝前就把壞的芯片篩選出來,以節省封裝的成本。同時可以更直接的知道Wafer 的良率。CP測試可檢查fab廠制造的工藝水平。現在對于一般的wafer成熟工藝,很多公司多把CP給省了,以減少CP測試成本。具體做不做CP測試,就是封裝成本和CP測試成本綜合考量的結果。

一片晶圓越靠近邊緣,die(一個小方格,也就是一個未封裝的芯片)出問題的概率越大。


隨著芯片規模的越來越大,測試也更為復雜。ATE(Automatic Test Equipment)也就應運而生。 目前ATE公司最大的是Teradyne和愛德萬,NI目前也在做這一塊,并且很多小公司都在用NI的儀器。國內的公司知名的有長川科技。

ATE作為集成了眾多高精密的Instruments的設備,價格自然不菲。一臺泰瑞達的高端Ultra Flex可以買上海的幾套房!



二、芯片測試流程

在測試之前,當然要有ATE設備,CP測試需要Probe Card, FT測試需要Load board, Socket等。來一張全家福吧。最下邊左一是Load Board(又叫DUT Board), 左二是Probe Card.

然后由芯片設計公司來提供Design Spec和Test Spec(datasheet)來制定Test Plan,開發測試程序,建立測試項。

Test Plan示意圖:

一般測試通常包含以下測試項:

DC parameters Test

主要包含以下測試,Continuity測試(又稱open/short test)主要是檢查芯片的引腳以及和機臺的連接是否完好。其余的測試都是檢查DC電氣參數是否在一定的范圍內。

Continuity Test

Leakage Test (IIL/IIH)

Power Supply Current Test (IDDQ)

Other Current/Voltage Test (IOZL/IOZH, IOS, VOL/IOL, VOH/IOH)

LDO,DCDC 電源測試。

以下這張圖就是open/short test原理示意圖,DUT(Device Under Test)的引腳都掛有上下兩個保護二極管,根據二極管單向導通以及截至電壓的特性,對其拉/灌電流,然后測試電壓,看起是否在設定的limit范圍內。

整個過程是由ATE里的instruments PE(Pin Electronics)完成的。

Digital Functional Test

這部分的測試主要是跑測試向量(pattern),pattern則是設計公司的DFT工程師用ATPG(auto test pattern generation)工具生成的。

pattern測試基本就是加激勵,然后捕捉輸出,再和期望值進行比較。

與Functional Test相對應的的是Structure Test,包括Scan,Boundary Scan等,Pattern是根據芯片制造過程中產生的的defects和fault 模型來產生的,詳細介紹參見下文。

應用Structure Test能更好的提高覆蓋率。

當然還有Build-in-Self-Test (BIST)主要是針對memory進行的測試。

AC Parameters Test

主要是AC Timing Tests,包含Setup Time, Hold Time, Propagation Delay等時序的檢查。

ADC and DAC Test

主要是數模/模數混合測試,檢查信號經過ADC/DAC后的信號是否符合期望,這個地方涉及到的信號知識比較多。總體來說包含靜態測試和動態測試。

Static Test – Histogram method (INL, DNL)

Dynamic Test – SNR, THD, SINAD

除了以上常規測試項,根據芯片的類型不同可能會進行不同的測試,比如RF測試,SerDes高速測試。Efuse測試等。

一個基本的測試流程圖如下:

所有的測試項都是在ATE上執行的,一般會執行幾秒到幾十秒,因為ATE是根據機時來付費的(很少有海思,蘋果這種土豪公司一次買數十臺),所以縮短測試時間變得尤其重要!另外一般芯片在量產測試的時候,都是百萬顆或者千萬顆,每個芯片節省一秒,總體來說縮短的時間還是很可觀的。

在測試執行完成后,ATE會輸出一個Datalog,以顯示測試結果。對于測試pass或fail測試項的不同,也會對其進行分類(Bin),最后由Handler分揀。

datalog 示意圖:


以上就是芯片的測試完整流程。再放兩張芯片測試的封測廠/實驗室的環境圖:

至于題主的兩個問題:

1、BGA 這樣的封裝,應該不能多次焊接吧,那又如何上電測試呢?

對于封裝好的芯片,通常測試是不需要進行焊接的,它和ATE機臺的連接方式是通過socket和Load board。

socket也就是放芯片的底座,長這樣:

不同大小,不同封裝類型的芯片,socket也不同,有專門的做這個的廠商。

先把芯片放到socket里,再把socket放到load board上,load board再放在機臺上。有的load board很重,對很多女同志來說搬起來是有些辛苦啊!

一個load board上面支持放多個socket,我們稱其為site。示意圖如下,共6個site,可以對6個芯片同時進行測試:

2、那么多的功能,真的要寫軟件一樣一樣測嗎?很費時間吧

在這里先說明一下,芯片的邏輯功能是有IC驗證工程師來完成的,是在流片之前,并不依賴于測試。

而芯片測試里的function test/structure test是跑pattern, 測試的是在制造過程中芯片是否有缺陷,從而影響功能/性能。

所以測試工程師所需要的關心的就是把pattern都跑通,如果跑不通可能會和DFT工程師一起進行diagnosis。

測試工程在寫測試項的時候,也不是要一行一行代碼去寫,通常ATE機臺的嵌入式軟件都有提供測試項的Template, 只需要填寫參數就好。另外針對一些大客戶的成熟測試項,也會開發一些測試模板,留好必要的參數接口,這樣就很方便應用到其他的芯片測試上。


寫在最后:

一個完備的的芯片測試不是靠芯片測試工程師一個人完成的,而是需要設計工程師,DFT工程師的支持,以及由可靠的EDA工具,優秀的硬件支撐等多方因素共同決定的。

芯片測試是極其重要的一環,有缺陷的芯片能發現的越早越好。在芯片領域有個十倍定律,從設計-->制造-->封裝測試-->系統級應用,每晚發現一個環節,芯片公司付出的成本將增加十倍!!!

所以測試是設計公司尤其注重的,如果把有功能缺陷的芯片賣給客戶,損失是極其慘重的,不僅是經濟上的賠償,還有損信譽。因此芯片測試的成本也越來越高!

在 IC 行業,每一個環節都要十分小心,一次流片的費用在數十萬美金,一天的ATE機臺使用幾百美金。而一個芯片的利潤可能只有幾美分。這也是IC行業投資周期長,收益少的原因,基本前幾年都在虧錢。幸運的是國家越來越重視芯片了,期待國內IC發展能越來越好。




源文地址:https://daily.zhihu.com/story/9731271 略有修改

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