章慧彬，朱 江

（中國電子科技集團公司第 58 研究所，江蘇 無錫 214035）

大規(guī)模集成電路測試程序開發(fā)技術及流程應用

章慧彬，朱 江

（中國電子科技集團公司第 58 研究所，江蘇 無錫 214035）

集成電路測試就是對集成電路進行好壞的判斷，通過測量對集成電路的輸出響應和預期輸出進行比較，以確定或評估集成電路功能和性能的過程。而基于ATE開發(fā)完整、穩(wěn)定、可靠的測試程序，是實現(xiàn)對大規(guī)模集成電路自動化快速在線檢測最通用、最有效的手段，因此集成電路測試程序開發(fā)技術就顯得非常重要。

集成電路測試程序；ATE；參數(shù)測試；功能測試

1 引言

集成電路測試就是對集成電路進行檢測，通過測量集成電路的輸出響應和預期輸出并進行比較以確定或評估集成電路功能和性能的過程。測試作為集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中的一環(huán)，是集成電路產(chǎn)品驗證出廠的關鍵，也是集成電路產(chǎn)業(yè)的核心技術和重點保障。

集成電路測試是半導體行業(yè)唯一貫穿設計、制造、封裝、應用全過程的重要部分，見圖1。

圖1 測試在集成電路全過程中的作用

測試的目的是對設計加工制造出來的產(chǎn)品進行質量評判。測試電路的一般過程如下：

(1)建立描述電路“好”或“壞”的模型；

(2)設計出能檢驗電路“好”或“壞”的測試數(shù)據(jù)；

(3)把設計好的數(shù)據(jù)加在被檢測的電路上；

(4)觀察被檢測電路輸出結果；

(5)分析與理想的結果是否一致。

圖2 測試過程

測試的作用主要有兩個：一是檢測產(chǎn)品是“好”還是“壞”，二是檢測引起產(chǎn)品“壞”的具體原因，即進行故障定位。兩者在測試中是不可分割的。在進行故障定位時首先要檢查測試過程、測試環(huán)境是否正確，然后再考慮加工、設計或其他因素。測試的準確性和有效性在產(chǎn)品質量保證中擔當了重要的角色。測試從質量方面來講就是以最低的成本滿足用戶的要求，一個完善的測試過程能在產(chǎn)品送用戶之前剔除所有壞品。

2 集成電路測試分類

集成電路測試通常有三種分類方式，即按測試目的分類、按測試內容的分類、按器件類型的分類。根據(jù)對集成電路測試所要達到的目的可將集成電路測試分為四類，即驗證測試、生產(chǎn)測試、驗收測試、使用測試。按測試所涉及的內容可分為三類，即參數(shù)測試、功能測試、機構測試。按電路類型分類可分為數(shù)字電路測試、模擬電路測試、數(shù)模混合電路測試、存儲器測試、SoC 測試等。

大規(guī)模集成電路的測試程序開發(fā)技術更多地還是基于測試的目的開展的，因此下面重點介紹驗證測試、生產(chǎn)測試、驗收測試和使用測試的定義與作用。

2.1 驗證測試

驗證測試又稱為實驗室測試或特性測試，在器件進入量產(chǎn)之前驗證 IC 功能和性能的正確性。其目的是驗證設計是否正確，是否滿足規(guī)范中所有的要求。驗證測試的測試項目非常全面，包括產(chǎn)品在高溫、常溫、低溫三溫條件下的功能測試、交流（AC）參數(shù)測試和直流（DC）參數(shù)測試，其作用是對設計進行修正、確定器件工作的確切邊界參數(shù)以制定最終的器件數(shù)據(jù)手冊，為生產(chǎn)測試開發(fā)出合適的測試程序。

驗證測試類似全面體檢，了解產(chǎn)品的全面性能、指標范圍，測試內容包括高低溫極限工作范圍、電源電壓極限工作范圍、頻率極限工作范圍、ESD 指標、關鍵參數(shù)數(shù)據(jù)分布、良率分析等。

2.2 生產(chǎn)測試

生產(chǎn)測試又稱為批量量產(chǎn)測試，主要目的是對器件制造過程中產(chǎn)生的故障進行測試，包括 wafer測試、封裝后成品測試（成品測試和老化測試）。生產(chǎn)測試更關注測試成本，在保證故障覆蓋率的前提下縮短測試時間。其作用是能夠加速暴露器件的潛在失效，如先天缺陷和異常故障。量產(chǎn)測試大都基于 ATE，實現(xiàn)快速自動化測試。

2.3 驗收測試

驗收測試又稱為入廠測試，目的是避免有缺陷的器件流入；在不同情況下測試內容也不同，主要按規(guī)范測試或按用戶特定要求測試。

2.4 使用測試

對器件在使用期間進行測試，包括對器件進行各類可靠性試驗后的評價測試、系統(tǒng)使用過程出現(xiàn)故障時進行故障芯片檢測和定位所進行的測試等。

3 集成電路測試全流程

集成電路測試并不是等到產(chǎn)品研制出來才開始的，測試工作從產(chǎn)品的立項階段實際上就必須開始了。產(chǎn)品立項時必須對產(chǎn)品的可測試性進行評審，一款復雜的大規(guī)模集成電路沒有檢測手段，就無法評價產(chǎn)品是否符合要求。目前立項階段進行測試可實現(xiàn)性的評審越來越被重視了，核高基等重大專項項目都必須提供測試可實現(xiàn)性評估報告；在項目設計階段要考慮可測性設計、故障覆蓋率測試和輸出測試接口文件（見表1）；到了測試階段實際上就是實施對產(chǎn)品的測試。

圖3 集成電路測試基本流程

表1 設計輸出的測試接口文件

4 集成電路測試程序開發(fā)

集成電路測試程序開發(fā)主要包括測試方案論證、測試接口板設計制作、測試程序調試、測試數(shù)據(jù)采集、測試結果的分析驗證等。圖4是完整的測試程序開發(fā)流程。

4.1 測試方案的論證

在項目研制過程中，測試工程師應及時查閱技術協(xié)議書、合同、國外產(chǎn)品使用手冊、用戶提供的產(chǎn)品設計規(guī)范等資料，了解電路功能、參數(shù)技術指標等，對電路測試提出自己的建議，確定測試的實現(xiàn)方式、提交完整的測試方案報告供項目團隊和專家進行評審；測試方案論證報告包括測試系統(tǒng)選型、測試指標的實現(xiàn)方式、是否需要外掛儀器儀表、是否需要自制測量設備、擬采取的測試接口板設計方案、功能測試覆蓋率的評估、測試存在的風險評估、測試程序開發(fā)周期等。

圖4 測試程序開發(fā)流程

4.2 測試接口板的設計

測試接口板是一個特定的測試裝置，是實現(xiàn)被測電路與 ATE 之間的連接橋梁。一臺大規(guī)模數(shù)?；旌霞呻娐窚y試系統(tǒng)（ATE）可支持不同種類電路的測試需求，如 SoC、AD、DA、總線接口、DSP、CPU、FPGA 等，這些電路的封裝形式也各不相同，有 BGA、QFP、LCC、DIP 等，測試所需要的測試系統(tǒng)資源也不同，因此針對每一款電路要設計專用的測試接口板。

測試接口板分支持FT測試用的成品測試接口板和支持 wafer測試的探針卡板。

測試接口板設計的關鍵是確保信號的完整性，采用 的 設 計 軟 件 主 要 有 protel99se 和 Altium designer summer09。

在測試方案論證報告評審通過后，測試工程開始設計測試接口板。測試接口板設計的輸入文件有：

·電路的 PAD 坐標和管腳定義說明（用于探針卡設計制作）；

·電路的封裝形式說明和管腳定義說明文件；

·測試插座的尺寸說明文件；

·電路的測試指標說明文件；

·電路測試要求說明文件和測試原理圖；

·選用的ATE資源分布說明文件。

測試工程師完成測試接口板設計后提交項目團隊和專家組評審，評審通過后發(fā)出加工制作。

圖5 成品測試接口板

圖6 探針測試接口板

4.3 測試程序的調試

測試工程師接收到測試接口板后，首先進行測試接口板的插座、接插件、外圍元器件焊接，檢查無誤后，開始上ATE進行電路的測試程序調試。

程序調試包括接觸測試、功能測試、DC 參數(shù)測試和AC參數(shù)測試。

4.3.1 接觸測試

接觸測試主要用于檢查測試接口板與 ATE 之間是否連接正常，以確保來自 ATE 的測試信號資源能正確引入到被測電路的信號管腳上。

4.3.2 功能測試

功能測試就是驗證電路是否完成了所要實現(xiàn)的邏輯功能。在功能測試過程中，向被測器件輸入管腳輸入規(guī)定的電平、邏輯、格式和時序要求，同時檢測輸出管腳信號電平，與期望輸出電平進行比較，如果與期望輸出一致則判為 PASS，否則為 FAIL。在功能測試前，要設置測試條件，如電源電壓 VDD、信號輸入電平 VIH、VIL，輸出比較電平、測試頻率 f、輸入信號的時序、輸入信號圖形格式、輸出采樣點等。功能測試主要包括 SCAN 測試、BIST 測試、邏輯組合測試、結構測試等。集成電路正朝著高性能的方向發(fā)展，電路的功能越來越復雜，突破內建測試、并發(fā)測試、壓縮測試、互連資源測試、低功耗測試與控制等關鍵技術是功能測試面臨的新挑戰(zhàn)。功能測試中有一個很重要的因數(shù)就是測試向量，是指加載到被測電路的輸入信號和預期輸出的信號。測試向量來源主要有兩個渠道，簡單邏輯電路由測試工程師按被測電路的邏輯功能自主生成，復雜電路主要由設計仿真提取出來。

圖7 為測試向量文件，格式 0、1 表示輸入信號，H、L 表示預期的輸出信號，XX 表示不關心狀態(tài)。

4.3.3 參數(shù)測試

直 流 參 數(shù) 測 試主要 包括 IDD/IA、IIH、IIL、IOZ 、VOH、VOL、VIH、VIL，交 流 參 數(shù)測試主要 包 括 tD、tSU、tH、tW、tR、tH。

(1)電源消耗(IDDQ，IA)

該項測試決定電路的電源消耗規(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。電源消耗測試可分為靜態(tài)電源消耗測試和動態(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)時最大的電源消耗，而動態(tài)電源消耗測試決定器件工作時的最大電源消耗。

圖7 測試向量文件

(2)漏電流測試(IlL，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路的。但實際上它們之間為高電阻狀態(tài)。它們之間的最大電流就稱為漏電流，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，導致電流通過。三態(tài)輸出漏電流 IOZ 是當管腳狀態(tài)為輸出高阻狀態(tài)時，在輸出管腳使用 VCC(VDD)或 GND(VSS)驅動時測量得到的電流。三態(tài)輸出漏電流的測試和輸入漏電流測試類似，不同的是待測器件必須被設置為三態(tài)輸出狀態(tài)。

(3)輸出驅動電流測試(VOL，VOH，IOL，IOH)

輸出驅動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。IOL 和 IOH 規(guī)格用來保證器件在允許的噪聲條件下所能驅動的多個器件輸入管腳的能力。

(4)轉換電平測試(VIL，VIH)

轉換電平測試用來決定器件工作時 VIL 和 VIH的實際值 (VIL 是器件輸入管腳從高變換到低狀態(tài)時所需的最大電壓值，VIH 是輸入管腳從低變換到高時所需的最小電壓值)。這些參數(shù)通常是通過反復運行常用的功能測試，同時升高(VIL)或降低(VIH)輸入電壓值來決定的。那個導致功能測試失效的臨界電壓值就是轉換電平。這一參數(shù)加上保險量就是 VIL 或 VIH 規(guī)格。保險量代表了器件的抗噪聲能力。

(5)交流參數(shù)測試

交流測試是測量器件晶體管轉換狀態(tài)時的時序關系，目的是保證器件在正確的時間內發(fā)生狀態(tài)轉換。輸入端輸入指定的輸入邊沿，特定時間后在輸出端檢測預期的狀態(tài)轉換。

圖8 交流參數(shù)

4.4 測試數(shù)據(jù)的分析

數(shù)據(jù)分析有多個重要的作用，一是用于指導產(chǎn)品手冊中各項參數(shù)規(guī)范的制定，二是用于發(fā)現(xiàn)問題，三是用于產(chǎn)品生產(chǎn)過程中不同階段的測試規(guī)范制定，嚴格控制產(chǎn)品的參數(shù)波動范圍，剔除離散性差并且偏離正態(tài)分布的異常電路。集成電路的設計和生產(chǎn)過程都是復雜的，如何在各種原因和問題中發(fā)現(xiàn)已存在或者潛在的問題，控制風險、確保長期生產(chǎn)的穩(wěn)定性非常重要，采集大量的測試數(shù)據(jù)并快速進行分析可以讓我們迅速找到問題，及時處理問題，減少損失、降低風險。 數(shù)據(jù)會說話，只有知道怎么跟數(shù)據(jù)交流，才能對電路的質量做到心中有數(shù)，讓客戶放心使用。

5 基于ATE的測試程序開發(fā)案例

ATE 是 Automatic TestEquipment的縮寫，即集成電路（IC）自動測試設備，可實現(xiàn)集成電路自動化快速在線測試。目前世界主流的自動測試設備（ATE）有泰瑞 達 (TERADYNE)的 J750（EX）、UltraFlex 和 愛 德 萬(ADVANTEST) 的 V93000 等。下面介紹一款高精度ADC 基于 UltraFlex 的測試程序開發(fā)案例。

5.1 ADC 主要參數(shù)

從測試角度可以將 ADC 器件看作一個黑箱子，它僅有兩種或三種外部的輸入和數(shù)字輸出，如圖9所示。

圖9 ADC接口示意圖

模擬輸入信號：一般采用單端輸入和差分輸入兩種形式，有些器件通過配置同時支持雙端和單端應用。差分輸入的抗干擾能力高于單端輸入，雙端應用的性能指標也優(yōu)于單端應用。

數(shù)字輸出信號：一般有串行輸出和并行輸出兩種接口形式，大部分采用 CMOS 電平，但在數(shù)據(jù)傳輸速率很高時，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，電路會采用并行LVDS差分模式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

控制信號：ADC 器件的控制部分主要包括模式選擇、待機、內外基準選擇等，功能復雜的 ADC 采用 SPI等串行總線配置寄存器對電路進行控制。

ADC的靜態(tài)參數(shù)主要包括電壓基準、工作和待機電流、輸入輸出電平、積分非線性（INL）、微分非線性（DNL）、增益誤差（Gain Error）、偏移誤差(Offset Error)等；ADC 的動態(tài)參數(shù)主要包括輸出數(shù)字信號的總諧波失真度（THD）、有效位數(shù)（ENOB）、信噪聲失真比（SNR）、無失真動態(tài)范圍（SFDR）、互調失真（IMD）等；ADC的時間參數(shù)主要包括通訊接口時序、轉換時序和轉換建立時間等。

5.2 基于 ATE 測試的測試環(huán)境搭建

要實現(xiàn)上述靜態(tài)參數(shù)、動態(tài)參數(shù)和開關參數(shù)的測試，需要用到 UltraFlex 相關的硬件及系統(tǒng)軟件。

硬件部分包括：

(1)UltraPin800——最高頻率能夠工作到 800Mbps，每塊 UltraPin800 的板 子 有 128 個 數(shù) 字 通 道 ，同 時UltraPin800 擁有數(shù)字信號源及抓取模塊（DSSC），能夠向被測 ADC 芯片提供時鐘信號、控制信號，同時能夠抓取并存儲ADC轉換后的實際數(shù)據(jù)。

(2)TurboAC 模塊——能夠產(chǎn)生測試所需的模擬信號，在低頻段有 15 MHz 帶寬的任意波形發(fā)生器，同時還有獨立的連續(xù)波形發(fā)生器（帶寬 150 MHz），輸出均能設置共模直流電壓、差模直流電壓、單端或雙端輸出選擇，能夠根據(jù)要求向被測ADC芯片提供模擬信號。

(3)電源模塊——內部有 HexVS 模塊和 DCVI模塊供電，輸出精度可達到 0.05%，能夠提供的電源電壓最高可到 30 V，最大電流可到 10 A。

(4)DSP 處理專用計算機——能夠將大量的數(shù)據(jù)進行實時處理，再將處理后的數(shù)據(jù)以 1 Gbit/s 的傳輸速率傳回測試主機。

Ultraflex 的軟件系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境集成在微軟的EXCEL 內，其中軟件編程環(huán)境是微軟的 VisualBasic環(huán)境，軟件中可使用的指令完全兼容 VB 指令，當進行測試程序開發(fā)時，系統(tǒng)提供單步調試和硬件狀態(tài)工具（TDE）輔助調試。

圖10 ADC 硬件測試平臺原理圖

5.3 基于 ATE 的參數(shù)實測結果

ADC 測試過程中，ATE 的主要功用就是提供信號源和捕捉數(shù)據(jù)，而這兩者的選擇和考慮一般是結合在一起的。如果輸入信號頻率、周期數(shù)、采樣點數(shù)、采樣頻率選擇得不合適，就會出現(xiàn)頻譜泄漏的現(xiàn)象，具體現(xiàn)象如圖11所示。

圖11 存在能量泄漏的頻譜

如果用這樣的頻譜對待測 ADC電路做頻譜分析就會導致電路的指標非常低，甚至不合格，這樣的評價顯然是不正確的。為防止在測試中所用到的信號發(fā)生頻譜泄漏現(xiàn)象，輸入信號頻率 ft、周期數(shù) M、采樣點數(shù) N、采樣頻率 fs就必須滿足以下公式：

當所選擇的輸入信號頻率、周期數(shù)、采樣點數(shù)和采樣頻率滿足上述關系后，就能夠保證測試機采集的數(shù)據(jù)點數(shù)正好是整數(shù)個信號周期，這樣采集到的數(shù)據(jù)在頻譜上就會表現(xiàn)為信號的能量非常集中，具體的頻譜表現(xiàn)如圖12所示。

圖12 無能量泄漏的頻譜

只有在獲得正確的頻譜后才能對ADC的參數(shù)進行計算，得出的結果才能正確真實地反映待測 ADC電路的性能指標。實際測試的 INL、DNL、SNR 測試曲線如圖13、14、15 所示。

分析圖中數(shù)據(jù)，我們不難看出，這款 12位 ADC電路的 INL 指標在 5～6 LSB，DNL 指標小于 1 LSB，SNR=79.6 dB。

圖13 實際 INL、DNL 測試曲線

圖14 時域測試曲線

圖15 頻域測試曲線

6 總結

在集成電路研制、生產(chǎn)、應用等各個階段都要進行反復多次的檢測，確保產(chǎn)品質量并研制開發(fā)出符合系統(tǒng)要求的電路，尤其對于應用在軍工型號上的集成電路，控制質量、保障裝備的可靠性，集成電路的檢測至關重要。編制一套完整、可靠、穩(wěn)定、滿足電路要求的測試程序是一名測試工程師必須具備的基本素質。

測試技術作為集成電路發(fā)展的重點支撐技術，開展大規(guī)模集成電路測試技術研究，解決大規(guī)模集成電路測試方法，提升軍用大規(guī)模集成電路在線自動化測試能力，推動我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是每一位集成電路測試工作者應盡的責任。

[1]閻石.數(shù)字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]劉寶琴.數(shù)字電路與系統(tǒng)[M].北京：清華大學出版社，1993.

[3]蔣安平，馮建華.超大規(guī)模集成電路測試[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

Development of Test Program for Large Scale Integrated Circuits

ZHANG Huibin,ZHU Jiang
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi214035,China）

IC testing is used to evaluate the quality of ICs by comparing the outputresponse and the expected. Developing a complete,stable and reliable test program based on ATE is the most common and effective method to realize the automatic testing of large scale integrated circuits.Studies on IC test program developmenttechnology are therefore necessary.

integrated circuittestprogram;ATE;parametertesting;function testing

TN407

A

1681-1070 （2017）06-0010-06

2017-3-3

章慧彬（1965—），福建龍巖人，1986 年畢業(yè)于電子科技大學，本科，研究員，現(xiàn)在中國電子科技集團公司第五十八研究所從事集成電路測試工作。