电学半导体测试技术实践.doc

半导体测试技术实践总结报告一、实践目的半导体测试技术及仪器集中学习是在课堂结束之后在实习地集中的实践性教学，是各项课间的综合应用，是巩固和深化课堂所学知识的必要环节。学习半导体器件与集成电路性能参数的测试原理、测试方法，掌握现代测试设备的结构原理、操作方法与测试结果的分析方法，并学以致用、理论联系实际，巩固和理解所学的理论知识。同时了解测试技术的发展现状、趋势以及本专业的发展现状，把握科技前进脉搏，拓宽专业知识面，开阔专业视野，从而巩固专业思想，明确努力方向。另外，培养在实际测试过程中发现问题、分析问题、解决问题和独立工作的能力，增强综合实践能力，建立劳动观念、实践观念和创新意识，树立实事求是、严肃认真的科学态度，提高综合素质。二、实践安排（含时间、地点、内容等） 实践地点：西安西谷微电子有限责任公司实践时间：2014年8月5日2014年8月15日实践内容：对分立器件，集成电路等进行性能测试并判定是否失效三、实践过程和具体内容 西安西谷微电子有限责任公司专业从事集成电路测试、筛选、测试软硬件开发及相关技术配套服务，测试筛选使用标准主要为GJB548、GJB528、GJB360等。1、认识半导体及测试设备 在一个器件封装之后，需要经过生产流程中的再次测试。这次测试称为“Final test”（即我们常说的FT测试）或“Package test”。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。 芯片也许会在多组温度条件下进行多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： Dual Inline Package (dual indicates the package has pins on two sides) 双列直插式CerDIP：Ceramic Dual Inline Package 陶瓷PDIP： Plastic Dual Inline Package 塑料PGA： Pin Grid Array 管脚阵列BGA： Ball Grid Array 球栅阵列SOP： Small Outline Package 小型外壳TSOP： Thin Small Outline Package TSSOP：Thin Shrink Small Outline Package (this one is really getting small!)SIP： Single Inline Package 单列直插SIMM： Single Inline Memory Modules (like the memory inside of a computer) QFP： Quad Flat Pack (quad indicates the package has pins on four sides) TQFP： Thin version of the QFP MQFP： Metric Quad Flat Pack MCM： Multi Chip Modules (packages with more than 1 die (formerly called hybrids)1.1 自动测试设备 随着集成电路复杂度的提高，其测试的复杂度也随之水涨船高，一些器件的测试成本甚至占到了芯片成本的大部分。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。要实现如此复杂的测试，靠手工是无法完成的，因此要用到自动测试设备（ATE，Automated Test Equipment）。 ATE是一种由高性能计算机控制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控制测试硬件。测试系统最基本的要求是可以快速且可靠地重复一致的测试结果，即速度、可靠性和稳定性。为保持正确性和一致性，测试系统需要进行定期校验，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晶片的正确与否，需要用ProbeCard来实现测试系统和晶片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“Load board”或“Performance board”的接口电路板来实现。在CP测试中，Performance board和Probe card一起使用构成回路使电信号得以在测试系统和晶片之间传输。 当晶片封装出来后，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（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晶片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。1.2 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。数字电路控制电子信号，表现为逻辑电平“0”和“1”，它们被分别定义成一种特殊的电压分量，所有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，任何数值都可以由按照一定顺序排列的“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，数字电路中的数据经常以Byte为单位进行处理。 不同于数字信号的“0”“1”界限分明（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基本差别，我们可以拿时钟来比方。“模拟”时钟上的指针连续地移动，因此所有的任一时间值可以被观察者直接读出，但是所得数值的准确度或者说精度取决于观察者认知的程度。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。如果有更高的精度需求，则需要增加数据位，每个新增的数据位表示最小的时间增量。 有的电路里既有数字部分也有模拟部分，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”（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。1.3 测试系统的种类 一般认为测试系统都是通用的，其实大部分测试系统的设计都是面向专门类型的集成电路，这些专门的电路包括：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。a 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，algorithmic pattern generator）去生成功能测试模型，使得从硬件上生成复杂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，为了减少测试成本，测试仪通常同时并行测试多颗器件。b 模拟或线形器件类 模拟器件测试需要精确地生成与测量电信号，经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。c 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部分的测试仪器或结构。混合信号测试系统发展为两个系列：大部分数字电路测试结构、少量模拟测试结构的系列，被设计成用于测试以数字电路为主的混合信号器件，它能有效地进行DC参数测试和功能测试，但是仅支持少量的模拟测试；大部分模拟电路测试结构、少量数字测试结构的系列，相反，能够精确地测试模拟参数而在功能测试上稍逊风骚。d 数字电路器件类 仅含有数字逻辑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、复杂度低的器件；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非常快（时钟频率高）、测试通道非常多的测试系统；时钟频率通常会达到400MHz，并能提供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。它们被用于验证新的超大规模（VLSI）集成电路，但是昂贵的成本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，在对测试成本非常敏感的半导体测试行业，这无疑是非常重要的。这类测试设备多运行在50-100MHz，提供256个测试通道，通常带有一些可选的配置。 为了控制测试成本，谨慎地选择能满足器件测试需求的测试设备是非常重要的，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成本居高不下，而相反的选择会造成测试覆盖率不够；找到设备功能和成本之间的平衡是测试成本控制本质的要求。1.4 测试负载板(LoadBoard) 测试负载板是一种连接测试设备的测试头和被测器件物理和电路接口，被固定在针测台（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测试中，负载板连接ProbeCard；在手工测试中，我们将Socket固定在负载板上；而在FT的生产测试中，我们将其连接到Handler. 因为测试机在物理和电气上需要与多种类型的设备连接、锁定，因而Loadboard的类型和款式也是多种多样。 测试高速或者大功率的器件需要定制的Loadboard，为保证信号完整性，这种高性能的定制电路板必须完成阻抗匹配这对于布局、布线及线长、线宽等都有特殊要求，因此通常需要数月的时间设计制作，并且价格非常昂贵。 2 半导体测试基础2.1测试程序 半导体测试程序的目的是控制测试系统硬件以一定的方式保证被测器件达到或超越它的那些被具体定义在器件规格书里的设计指标。测试程序通常分为几个部分，如DC测试、功能测试、AC测试等。DC测试验证电压及电流参数；功能测试验证芯片内部一系列逻辑功能操作的正确性；AC测试用以保证芯片能在特定的时间约束内完成逻辑操作。程序控制测试系统的硬件进行测试，对每个测试项给出pass或fail的结果。Pass指器件达到或者超越了其设计规格；Fail则相反，器件没有达到设计要求，不能用于最终应用。测试程序还会将器件按照它们在测试中表现出的性能进行相应的分类，这个过程叫做“Binning”，也称为“分Bin”. 举个例子，一个微处理器，如果可以在150MHz下正确执行指令，会被归为最好的一类，称之为“Bin 1”；而它的某个兄弟，只能在100MHz下做同样的事情，性能比不上它，但是也不是一无是处应该扔掉，还有可以应用的领域，则也许会被归为“Bin 2”，卖给只要求100MHz的客户。程序还要有控制外围测试设备比如 Handler 和 Probe 的能力；还要搜集和提供摘要性质（或格式）的测试结果或数据，这些结果或数据提供有价值的信息给测试或生产工程师，用于良率(Yield)分析和控制。2.2测试方法的选择 经常有人问道：“怎样正确地创建测试程序？”这个问题不好回答，因为对于什么是正确的或者说最好的测试方式，一直没有一个单一明了的界定，某种情形下正确的方式对另一种情况来说不见得最好。很多因素都在影响着测试行为的构建方式，下面我们就来看一些影响力大的因素。a 测试环节的成本 决定什么需要被测试以及以何种方式的因素之一，测试成本在器件总的制造成本中占了很大的比重，因此许多与测试有关的决定也许仅仅取决于器件的售价与测试成本。例如，某个器件可应用于游戏机，它卖15元；而同样的器件用于人造卫星，则会卖3500元。每种应用有其独特的技术规范，要求两种不同标准的测试程序。3500元的器件能支持昂贵的测试费用，而15元的器件只能支付最低的测试成本。 b 测试开发的理念。 测试理念只一个公司内部测试人员之间关于什么是最优的测试方法的共同的观念，这却决于他们特殊的要求、芯片产品的售价，并受他们以往经验的影响。在测试程序开发项目启动之前，测试工程师必须全面地上面提到的每一个环节以决定最佳的解决方案。开发测试程序不是一件简单的正确或者错误的事情，它是一个在给定的状况下寻找最佳解决方案的过程。 四、实践体会与心得通过这次实践，首先我了解到作为一个公司运作首先是制度化，模块化。一个良好的规范制度约束才能使公司正常的运转下去。每个部门的人各司其职，互相配合，就好像一个个齿轮互相契合共同促使机器的正常运转。在测试实践的过程中测试流程和方法的选择也是非常有讲究的。选择都要考虑其科学性，既不损害芯片又能测试其可靠性。以集成电路LF153J/883，封装为CERDIP-8为例。测试过程如下：1、 外观检查，所用标准为GJB548B-2005方法2009.1该标准为外部目检，使用放大镜对其进行观察，失效判据分为7点。有一般判据，外来或错位的物质，结构缺陷，封装课题或盖帽的镀涂层，引线，有引线器件的封装壳体或盖帽和玻璃密封，对照规定判定是否失效。2、 常温初测按照器件相应规范，测试它的电参数。3、 温度循环在-55-125进行循环测试，循环次数为5次。4、 恒定加速度，所用标准为GJB548B-2001.1试验条件D，Y1方向5、 PIND，所用标准为GJB548B-2020.1条件A6、 常温中测1，按照器件相应规范7、 高温动态老炼在温度T=125下动态老炼48h，所加电压电流不大于额定工作值，该步允许不合格率5%，此批次无不合格产品。8、 常温中测2按照器件相应规范9、 低温测试，T=-55，t=48h10、 高温测试，T=125，t=48h11、 细检漏，所用标准为GJB548B-1014.2 条件A1条件A1为示踪气体氦细检漏，用该条件进行试验所需设备包括合适的压力室，真空室和一台质谱检漏仪。该质谱检漏仪应经过适当的预制和校准，时期灵敏度达到足以读出小于或等于10-4（Pacm3）/s的氦漏率。用于测量漏率的工作室体积应根据实际情况保持尽量小，因为该体积过大对灵敏度极限值会产生不利的影响。应该在每个工作班次期间，至少用经校准的扩散型标准漏孔校准一次检漏仪的指示器。12、 粗检漏，所用标准为GJB548B-1014.2 条件C该条件为碳氟化合物粗检漏，所需设备为：a) 真空/压力室，用于抽真空及随后加压，能使器件收到516KPa的压力作用达10h。b) 能保持指示用的液体温度在125并适于观察的容器以及一套能把尺寸大于1m的例子从液体中除去的过滤系统。c) 1.5倍30倍的放大镜。当把器件浸入指示用的液体中时，能用该放大镜观察到从器件中冒出的气泡。d) 表1所列的检测用1型液体和指示用2型液体。e) 光源：它在空气中能在