為什么要進行芯片測試?芯片測試在什么環(huán)節(jié)進行?
2024-11-29 16:05:07 點擊：
為什么要進行芯片測試?
芯片測試是一個比較大的問題，直接貫穿整個芯片設(shè)計與量產(chǎn)的過程中。首先芯片fail可以是下面幾個方面：
功能fail，某個功能點點沒有實現(xiàn)，這往往是設(shè)計上導(dǎo)致的，通常是在設(shè)計階段前仿真來對功能進行驗證來保證，所以通常設(shè)計一塊芯片，仿真驗證會占用大約80%的時間。
性能fail，某個性能指標(biāo)要求沒有過關(guān)，比如2G的cpu只能跑到1.5G，數(shù)模轉(zhuǎn)換器在要求的轉(zhuǎn)換速度和帶寬的條件下有效位數(shù)enob要達到12位，卻只有10位，以及l(fā)na的noise figure指標(biāo)不達標(biāo)等等。這種問題通常是由兩方面的問題導(dǎo)致的，一個是前期在設(shè)計系統(tǒng)時就沒做足余量，一個就是物理實現(xiàn)版圖太爛。這類問題通常是用后仿真來進行驗證的。
生產(chǎn)導(dǎo)致的fail。這個問題出現(xiàn)的原因就要提到單晶硅的生產(chǎn)了。學(xué)過半導(dǎo)體物理的都知道單晶硅是規(guī)整的面心立方結(jié)構(gòu)，它有好幾個晶向，通常我們生長單晶是是按照111晶向進行提拉生長。但是由于各種外界因素，比如溫度，提拉速度，以及量子力學(xué)的各種隨機性，導(dǎo)致生長過程中會出現(xiàn)錯位，這個就稱為缺陷。
缺陷產(chǎn)生還有一個原因就是離子注入導(dǎo)致的，即使退火也未能校正過來的非規(guī)整結(jié)構(gòu)。這些存在于半導(dǎo)體中的問題，會導(dǎo)致器件的失效，進而影響整個芯片。所以為了在生產(chǎn)后能夠揪出失效或者半失效的芯片，就會在設(shè)計時加入專門的測試電路，比如模擬里面的testmux，數(shù)字里面的scan chain（測邏輯），mbist（測存儲），boundry scan（測io及binding），來保證交付到客戶手上的都是ok的芯片。而那些失效或半失效的產(chǎn)品要么廢棄，要么進行閹割后以低端產(chǎn)品賣出。這些芯片fail要被檢測出來，就必須要進行芯片測試了。
芯片測試在什么環(huán)節(jié)進行?
DFT簡而言之，DFT就是通過某種方法間接觀察內(nèi)部信號的情況，例如scan chain之類。然后通過特定的測試儀器來測試——這種儀器不是簡單的示波器，它要能產(chǎn)生各種測試波形并檢測輸出，所以一套平臺大概要上百萬。而且這些DFT比較適合于小芯片，大芯片像CPU之類的還會使用內(nèi)建自測試（built-in self test），讓芯片自己在上電后可以執(zhí)行測試，這樣就大大減小了測試人員的工作量。DFT測試通過之后，就到正式的芯片測試環(huán)節(jié)了。 一般是從測試的對象上分為WAT、CP、FT三個階段，簡單的說, 因為封裝也是有cost的, 為了盡可能的節(jié)約成本, 可能會在芯片封裝前, 先進行一部分的測試, 以排除掉一些壞掉的芯片. 而為了保證出廠的芯片都是沒問題的, final test也即FT測試是最后的一道攔截, 也是必須的環(huán)節(jié)。 WAT: Wafer Acceptance Test，是晶圓出廠前對testkey的測試。采用標(biāo)準(zhǔn)制程制作的晶圓，在芯片之間的劃片道上會放上預(yù)先一些特殊的用于專門測試的圖形叫testkey。這跟芯片本身的功能是沒有關(guān)系的，它的作用是Fab檢測其工藝上有無波動。因為代工廠只負責(zé)他自己的工作是無誤的，芯片本身性能如何那是設(shè)計公司的事兒。只要晶圓的WAT測試是滿足規(guī)格的，晶圓廠基本上就沒有責(zé)任。如果有失效，那就是制造過程出現(xiàn)了問題。 WAT的測試結(jié)果多用這樣的圖表示:
CP:Circuit Probe，是封裝前晶圓級別對芯片測試。這里就涉及到測試芯片的基本功能了。不同項目的失效，會分別以不同顏色表示出來。失效的項目反映的是芯片設(shè)計的問題。 通過了這兩項后, 晶圓會被切割. 切割后的芯片按照之前的結(jié)果分類. 只有好的芯片會被送去封裝廠封裝. 封裝的地點一般就在晶圓廠附近, 這是因為未封裝的芯片無法長距離運輸. 封裝的類型看客戶的需要, 有的需要球形BGA, 有的需要針腳, 總之這一步很簡單, 故障也較少. 由于封裝的成功率遠大于芯片的生產(chǎn)良品率, 因此封裝后不會測試. FT:Final test，封裝完成后的測試，也是最接近實際使用情況的測試，會測到比CP更多的項目，處理器的不同頻率也是在這里分出來的。這里的失效反應(yīng)封裝工藝上產(chǎn)生的問題，比如芯片打線不好導(dǎo)致的開短路。 FT是工廠的重點，需要大量的機械和自動化設(shè)備。它的目的是把芯片嚴(yán)格分類。以Intel的處理器來舉例，在FinalTest中可能出現(xiàn)這些現(xiàn)象：
雖然通過了WAT，但是芯片仍然是壞的。
封裝損壞。
芯片部分損壞。比如CPU有2個核心損壞，或者GPU損壞，或者顯示接口損壞等。
芯片是好的，沒有故障。
那這里的FinalTest該怎樣做?
以處理器舉例，F(xiàn)inalTest可以分成兩個步驟：
自動測試設(shè)備(ATE)
系統(tǒng)級別測試(SLT)
ATE負責(zé)的項目非常之多，而且有很強的邏輯關(guān)聯(lián)性。測試必須按順序進行，針對前列的測試結(jié)果，后列的測試項目可能會被跳過。這些項目的內(nèi)容屬于公司機密，比如電源檢測，管腳DC檢測，測試邏輯(一般是JTAG)檢測，burn-in，物理連接PHY檢測，IP內(nèi)部檢測(包括Scan，BIST，F(xiàn)unction等)，IP的IO檢測(比如DDR，SATA，PLL，PCIE，Display等)，輔助功能檢測(比如熱力學(xué)特性，熔斷等)。SLT在邏輯上則簡單一些，把芯片安裝到主板上，配置好內(nèi)存，外設(shè)，啟動一個操作系統(tǒng)，然后用軟件烤機測試，記錄結(jié)果并比較。另外還要檢測BIOS相關(guān)項等。
WAT與FT比較
WAT需要標(biāo)注出測試未通過的裸片（die），只需要封裝測試通過的die。
FT是測試已經(jīng)封裝好的芯片（chip），不合格品檢出。WAT和FT很多項目是重復(fù)的，F(xiàn)T多一些功能性測試。WAT需要探針接觸測試點（pad）。測試的項目大體有：
開短路測試（Continuity Test）
漏電流測試（Stress Current Test）
數(shù)字引腳測試（輸入電流電壓、輸出電流電壓）
交流測試（scan test）功能性測試
具體芯片測試項目流程如下
接到客戶的芯片資料，通常是正在開發(fā)的芯片，資料嚴(yán)格保密，有時候芯片還在design階段就會開始聯(lián)系合作的測試公司開始準(zhǔn)備測試項目，以縮短整個開發(fā)周期；根據(jù)芯片資料設(shè)計測試方案（test plan），這個過程經(jīng)常會有芯片功能或者邏輯不明確的地方，所以需要與設(shè)計工程師反復(fù)溝通review。根據(jù)測試方案需要設(shè)計硬件接口電路板（DIB：Device Interface Board）。根據(jù)測試方案開發(fā)軟件程序，如果項目巨大會分成多個module由多名工程師合作完成。3和4一般會同步進行。第3和4步準(zhǔn)備好后，就開始在tester上進行調(diào)試，一般是在測試公司的demo room進行。Bin1后release到工廠開始產(chǎn)線調(diào)試。以上各步驟偶爾會出現(xiàn)錯誤，就需要不斷調(diào)整返回到出現(xiàn)錯誤的地方更正。
芯片測試是一個比較大的問題，直接貫穿整個芯片設(shè)計與量產(chǎn)的過程中。首先芯片fail可以是下面幾個方面：
功能fail，某個功能點點沒有實現(xiàn)，這往往是設(shè)計上導(dǎo)致的，通常是在設(shè)計階段前仿真來對功能進行驗證來保證，所以通常設(shè)計一塊芯片，仿真驗證會占用大約80%的時間。
性能fail，某個性能指標(biāo)要求沒有過關(guān)，比如2G的cpu只能跑到1.5G，數(shù)模轉(zhuǎn)換器在要求的轉(zhuǎn)換速度和帶寬的條件下有效位數(shù)enob要達到12位，卻只有10位，以及l(fā)na的noise figure指標(biāo)不達標(biāo)等等。這種問題通常是由兩方面的問題導(dǎo)致的，一個是前期在設(shè)計系統(tǒng)時就沒做足余量，一個就是物理實現(xiàn)版圖太爛。這類問題通常是用后仿真來進行驗證的。
生產(chǎn)導(dǎo)致的fail。這個問題出現(xiàn)的原因就要提到單晶硅的生產(chǎn)了。學(xué)過半導(dǎo)體物理的都知道單晶硅是規(guī)整的面心立方結(jié)構(gòu)，它有好幾個晶向，通常我們生長單晶是是按照111晶向進行提拉生長。但是由于各種外界因素，比如溫度，提拉速度，以及量子力學(xué)的各種隨機性，導(dǎo)致生長過程中會出現(xiàn)錯位，這個就稱為缺陷。
缺陷產(chǎn)生還有一個原因就是離子注入導(dǎo)致的，即使退火也未能校正過來的非規(guī)整結(jié)構(gòu)。這些存在于半導(dǎo)體中的問題，會導(dǎo)致器件的失效，進而影響整個芯片。所以為了在生產(chǎn)后能夠揪出失效或者半失效的芯片，就會在設(shè)計時加入專門的測試電路，比如模擬里面的testmux，數(shù)字里面的scan chain（測邏輯），mbist（測存儲），boundry scan（測io及binding），來保證交付到客戶手上的都是ok的芯片。而那些失效或半失效的產(chǎn)品要么廢棄，要么進行閹割后以低端產(chǎn)品賣出。這些芯片fail要被檢測出來，就必須要進行芯片測試了。
芯片測試在什么環(huán)節(jié)進行?
DFT簡而言之，DFT就是通過某種方法間接觀察內(nèi)部信號的情況，例如scan chain之類。然后通過特定的測試儀器來測試——這種儀器不是簡單的示波器，它要能產(chǎn)生各種測試波形并檢測輸出，所以一套平臺大概要上百萬。而且這些DFT比較適合于小芯片，大芯片像CPU之類的還會使用內(nèi)建自測試（built-in self test），讓芯片自己在上電后可以執(zhí)行測試，這樣就大大減小了測試人員的工作量。DFT測試通過之后，就到正式的芯片測試環(huán)節(jié)了。 一般是從測試的對象上分為WAT、CP、FT三個階段，簡單的說, 因為封裝也是有cost的, 為了盡可能的節(jié)約成本, 可能會在芯片封裝前, 先進行一部分的測試, 以排除掉一些壞掉的芯片. 而為了保證出廠的芯片都是沒問題的, final test也即FT測試是最后的一道攔截, 也是必須的環(huán)節(jié)。 WAT: Wafer Acceptance Test，是晶圓出廠前對testkey的測試。采用標(biāo)準(zhǔn)制程制作的晶圓，在芯片之間的劃片道上會放上預(yù)先一些特殊的用于專門測試的圖形叫testkey。這跟芯片本身的功能是沒有關(guān)系的，它的作用是Fab檢測其工藝上有無波動。因為代工廠只負責(zé)他自己的工作是無誤的，芯片本身性能如何那是設(shè)計公司的事兒。只要晶圓的WAT測試是滿足規(guī)格的，晶圓廠基本上就沒有責(zé)任。如果有失效，那就是制造過程出現(xiàn)了問題。 WAT的測試結(jié)果多用這樣的圖表示:
CP:Circuit Probe，是封裝前晶圓級別對芯片測試。這里就涉及到測試芯片的基本功能了。不同項目的失效，會分別以不同顏色表示出來。失效的項目反映的是芯片設(shè)計的問題。 通過了這兩項后, 晶圓會被切割. 切割后的芯片按照之前的結(jié)果分類. 只有好的芯片會被送去封裝廠封裝. 封裝的地點一般就在晶圓廠附近, 這是因為未封裝的芯片無法長距離運輸. 封裝的類型看客戶的需要, 有的需要球形BGA, 有的需要針腳, 總之這一步很簡單, 故障也較少. 由于封裝的成功率遠大于芯片的生產(chǎn)良品率, 因此封裝后不會測試. FT:Final test，封裝完成后的測試，也是最接近實際使用情況的測試，會測到比CP更多的項目，處理器的不同頻率也是在這里分出來的。這里的失效反應(yīng)封裝工藝上產(chǎn)生的問題，比如芯片打線不好導(dǎo)致的開短路。 FT是工廠的重點，需要大量的機械和自動化設(shè)備。它的目的是把芯片嚴(yán)格分類。以Intel的處理器來舉例，在FinalTest中可能出現(xiàn)這些現(xiàn)象：
雖然通過了WAT，但是芯片仍然是壞的。
封裝損壞。
芯片部分損壞。比如CPU有2個核心損壞，或者GPU損壞，或者顯示接口損壞等。
芯片是好的，沒有故障。
那這里的FinalTest該怎樣做?
以處理器舉例，F(xiàn)inalTest可以分成兩個步驟：
自動測試設(shè)備(ATE)
系統(tǒng)級別測試(SLT)
ATE負責(zé)的項目非常之多，而且有很強的邏輯關(guān)聯(lián)性。測試必須按順序進行，針對前列的測試結(jié)果，后列的測試項目可能會被跳過。這些項目的內(nèi)容屬于公司機密，比如電源檢測，管腳DC檢測，測試邏輯(一般是JTAG)檢測，burn-in，物理連接PHY檢測，IP內(nèi)部檢測(包括Scan，BIST，F(xiàn)unction等)，IP的IO檢測(比如DDR，SATA，PLL，PCIE，Display等)，輔助功能檢測(比如熱力學(xué)特性，熔斷等)。SLT在邏輯上則簡單一些，把芯片安裝到主板上，配置好內(nèi)存，外設(shè)，啟動一個操作系統(tǒng)，然后用軟件烤機測試，記錄結(jié)果并比較。另外還要檢測BIOS相關(guān)項等。
WAT與FT比較
WAT需要標(biāo)注出測試未通過的裸片（die），只需要封裝測試通過的die。
FT是測試已經(jīng)封裝好的芯片（chip），不合格品檢出。WAT和FT很多項目是重復(fù)的，F(xiàn)T多一些功能性測試。WAT需要探針接觸測試點（pad）。測試的項目大體有：
開短路測試（Continuity Test）
漏電流測試（Stress Current Test）
數(shù)字引腳測試（輸入電流電壓、輸出電流電壓）
交流測試（scan test）功能性測試
具體芯片測試項目流程如下
接到客戶的芯片資料，通常是正在開發(fā)的芯片，資料嚴(yán)格保密，有時候芯片還在design階段就會開始聯(lián)系合作的測試公司開始準(zhǔn)備測試項目，以縮短整個開發(fā)周期；根據(jù)芯片資料設(shè)計測試方案（test plan），這個過程經(jīng)常會有芯片功能或者邏輯不明確的地方，所以需要與設(shè)計工程師反復(fù)溝通review。根據(jù)測試方案需要設(shè)計硬件接口電路板（DIB：Device Interface Board）。根據(jù)測試方案開發(fā)軟件程序，如果項目巨大會分成多個module由多名工程師合作完成。3和4一般會同步進行。第3和4步準(zhǔn)備好后，就開始在tester上進行調(diào)試，一般是在測試公司的demo room進行。Bin1后release到工廠開始產(chǎn)線調(diào)試。以上各步驟偶爾會出現(xiàn)錯誤，就需要不斷調(diào)整返回到出現(xiàn)錯誤的地方更正。
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