半导体和测试设备介绍.docx

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本章节包括以下内容,
晶圆〔Wafers〕、晶片〔Dice〕和封装〔Packages〕
自动测试设备〔ATE〕的总体生疏
模拟、数字和存储器测试等系统的介绍
负载板〔Loadboards〕、探测机〔Probers〕、机械手〔Handlers〕和温度把握单元〔Temperatureunits〕
一、晶圆、晶片和封装
1947年,第一只晶体管的诞生标志着半导体工业的开头,从那时起,半导体生产和制造技术变得越来越重要。以前很多单个的晶体管现在可以互联加工成一种简洁的集成的电路形式,这就是半导体工业目前正在制造的称之为“超大规模“〔VLSI,VeryLargeScaleIntegration〕的集成电路,通常包含上百万甚至上千万门晶体管。
半导体电路最初是以晶圆形式制造出来的。晶圆是一个圆形的硅片,在这个半导体的根底之上,建立了很多独立的单个的电路;一片晶圆上这种单个的电路被称为die〔我前面翻译成“晶片“,不愿定准确,大家还是称之为die好了〕,,和其他的dice没有电路上的联系。
当制造过程完成,每个die都必需经过测试。测试一片晶圆称为“Circuitprobing“〔即我们常说的CP测试〕、“Waferporbing“或者“Diesort“。在这个过程中,每个die都被测试以确保它能根本满足器件的特征或设计规格书〔Specification〕,通常包括电压、电流、时序和功能的验证。假设某个die不符合规格书,那么它会被测试过程判为失效〔fail〕,通常会用墨点将其标示出来〔固然现在也可以通过Maping图来区分〕。
在全部的die都被探测〔Probed〕之后,晶圆被切割成独立的dice,这就是常说的晶圆锯解,全部被标示为失效的die都报废〔扔掉〕。图2显示的是一个从晶圆上锯解下来没有被标黑点的die,它马上被封装成我们通常看到的芯片形式。
注:本标题系列连载内容及图片均出自《TheFundamentalsOfDigitalSemiconductorTesting》
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在一个Die封装之后,需要经过生产流程中的再次测试。这次测试称为“Finaltest”〔即我们常说的FT测试〕或“Packagetest”。在电路的特性要求界限方面,FT测试通常执行比CP测试更为严格的标准。芯片或许会在多组温度条件下进展屡次测试以确保那些对温度敏感的特征参数。商业用途〔民品〕芯片通常会经过0℃、25℃和75℃条件下的测试,而军事用途〔军品〕芯片则需要经过-55℃、25℃和125℃。
芯片可以封装成不同的封装形式,图4显示了其中的一些样例。一些常用的封装形式如下表:
DIP: DualInlinePackage(dualindicatesthepackagehaspinsontwosides)双列直插式
CerDIP:CeramicDualInlinePackage陶瓷PDIP:PlasticDualInlinePackage塑料PGA: PinGridArray管脚阵列BGA: BallGridArray球栅阵列SOP: SmallOutlinePackage小型外壳TSOP:ThinSmallOutlinePackage
TSSOP:ThinShrinkSmallOutlinePackage(thisoneisreallygettingsmall!)SIP: SingleInlinePackage单列直插
SIMM:SingleInlineMemoryModules(likethememoryinsideofacomputer)
QFP: QuadFlatPack(quadindicatesthepackagehaspinsonfoursides)TQFP:ThinversionoftheQFP
MQFP:MetricQuadFlatPack
MCM:MultiChipModules(packageswithmorethan1die(formerlycalledhybrids)
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二、自动测试设备
随着集成电路简洁度的提高,其测试的简洁度也随之水涨船高,一些器件的测试本钱甚至占到了芯片本钱的大局部。大规模集成电路会要求几百次的电压、电流和时序的测试,以及百万次的功能测试步骤以保证器件的完全正确。要实现如此简洁的测试,靠手工是无法完成的,因此要用到自动测试设备〔ATE,AutomatedTestEquipment〕。
ATE是一种由高性能计算机把握的测试仪器的集合体,是由测试仪和计算机组合而成的测试系统,计算机通过运行测试程序的指令来把握测试硬件。测试系统最根本的要求是可以快速且牢靠地重复全都的测试结果,即速度、牢靠性和稳定性。为保持正确性和全都性,测试系统需要进展定期校验,用以保证信号源和测量单元的精度。
当一个测试系统用来验证一片晶圆上的某个独立的Die的正确与否,需要用ProbeCard来实现测试系统和Die之间物理的和电气的连接,而ProbeCard和测试系统内部的测试仪之间的连接则通过一种叫做“Loadboard”或“Performanceboard”的接口电路板来实现。在CP测试中,Performanceboard和Probecard一起使用构成回路使电信号得以在测试系统和Die之间传输。
当Die封装出来后,它们还要经过FT测试,这种封装后的测试需要手工将一个个这些独立的电路放入负载板〔Loadboard〕上的插座〔Socket〕里,这叫手工测试〔handtest〕。一种快速进展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之间供给完整的电路。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依据测试pass/fail的结果放入事先定义好的相应的Bin区。
三、半导体技术
有一系列的方法被用来生产和制造数字半导体电路,这些方法称为半导体技术或工艺,常用的技术或工艺包括:TTL(Transistor-),ECL(EmitterCoupledLogic),SOS(SilicononSapphire),andCMOS(ComplimentaryMetal-OxideSemiconductor)。不管什么技术或工艺,出来的产品都要经过测试,这里我们关注数字TTL和CMOS电路。
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四、数字和模拟电路
过去,在模拟和数字电路设计之间,有着显著的不同。数字电路把握电子信号,表现为规律电平“0”和“1”,它们被分别定义成一种特别的电压重量,全部有效的数字电路数据都用它们来表示,每一个“0”或“1”表示数据的一个比特〔bit〕位,任何数值都可以由依据确定挨次排列的“0”“1”比特位组成的二进制数据来表示,数值越大,需要的比特位越多。每8个比特一组构成一个Byte,数字电路中的数据常常以Byte为单位进展处理。
不同于数字信号的“0”“1”界限清楚〔离散〕,模拟电路时连续的——在任何两个信号电平之间有着无穷的数值。模拟电路可以使用电压或电流来表示数值,我们常见的也是最常用的模拟电路实例就是运算放大器,简称运放。
为帮助理解模拟和数字电路数值的根本差异,我们可以拿时钟来比方。“模拟”时钟上的指针连续地移动,因此全部的任一时间值可以被观看者直接读出,但是所得数值的准确度或者说精度取决于观看者认知的程度。
而在“数字”时钟上,只有最小增量以上的值才能被显示,而比最小增量小的值则无法显示。假设有更高的精度需求,则需要增加数据位,每个增的数据位表示最小的时间增量。
有的电路里既有数字局部也有模拟局部,如AD转换器〔ADC〕将模拟信号转换成数字信号,DA转换器〔DAC〕则相反,我们称之为“混合信号电路”〔MixedSignalDevices〕。另一种描述这种混合电路的方法则基于数字局部和模拟局部占到电路的多少:数字局部占大局部而模拟局部所占比例较少归于数字电路,反之则归于模拟电路。
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五、测试系统的种类
一般认为测试系统都是通用的,其实大局部测试系统的设计都是面对特地类型的集成电路,这些特地的电路包括:存储器、数字电路、模拟电路和混合信号电路;每种类型下还可以细分成更多种类,我们这里只考虑这四种类型。
存储器件类
我们一般认为存储器是数字的,而且很多DC测试参数对于存储类和非存储类的数字器件是通用的,虽然如此,存储器的测试还是用到了一些独特的功能测试过程。带内存的自动测试系统使用一种算法模式生成器〔APG,algorithmicpatterngenerator〕去生成功能测试模型,使
得从硬件上生成简洁的功能测试序列成为可能,这样我们就不用把它们当作测试向量来保存。存储器测试的一些典型模型包括:棋盘法、反棋盘法、走0、走1、蝶形法,等等……APG在器件的每次测试时生成测试模型,而不带内存的测试系统将预先生成的模型保存到向量存储区,然后每次测试时从中取出数据。存储器测试通常需要很长的测试时间去运行所要求的测试模型,为了削减测试本钱,测试仪通常同时并行测试多颗器件。
模拟或线形器件类
模拟器件测试需要准确地生成与测量电信号,常常会要求生成和测量微伏级的电压和纳安级的电流。相比于数字电路,模拟电路对很小的信号波动都很敏感,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,通常会依据客户的选择在设计中使用特别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。
混合信号器件类
混合信号器件包括数字电路和模拟电路,因此需要测试系统包含这两局部的测试仪器或构造。混合信号测试系统进展为两个系列:大局部数字电路测试构造、少量模拟测试构造的系列,被设计成用于测试以数字电路为主的混合信号器件,它能有效地进展DC参数测试和功能测试,但是仅支持少量的模拟测试;大局部模拟电路测试构造、少量数字测试构造的系列,相反,能够准确地测试模拟参数而在功能测试上稍逊风骚。
数字电路器件类
仅含有数字规律的电路器件可使用数字电路测试系统来完成测试,这些测试系统之间在价格、性能、尺寸、可选项上有着明显的不同。
低端的测试机被用来测试低价格或者低性能的低端产品,通常是些管脚少、简洁度低的器件;一般运行于低于20MHz的时钟频率,且只能存储少量的测试向量;用于小规模〔SSI〕或中规模〔MSI〕集成电路的测试。
高端的测试机则是速度格外快〔时钟频率高〕、测试通道格外多的测试系统;时钟频率通常会到达400MHz,并能供给1024个测试通道;拥有高精度的时钟源和百万bit位的向量存储器。它们被用于验证的超大规模〔VLSI〕集成电路,但是昂贵的本钱阻碍了他们用于生产测试。
而半导体测试工业普遍使用的是中高端的测试设备,它们拥有较好的性价比,在对测试本钱格外敏感的半导体测试行业,这无疑是格外重要的。这类测试设备多运行在50-100MHz,供给256个测试通道,通常带有一些可选的配置。
为了把握测试本钱,慎重地选择能满足器件测试需求的测试设备是格外重要的,选择功能相对于我们器件的测试要求过于强大的测试系统会使得我们的测试本钱居高不下,而相反的选择会造成测试掩盖率不够;找到设备功能和本钱之间的平衡是测试本钱把握本质的要求。
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