1、集成电路自动测试技术综述陈华成 0812002193 电 087摘要：随着经济发展和技术的进步，集成 电路(Integrated Circuit，IC)产业取得了突飞猛进的发展。集成电路测试是集成 电路产业链中的一个重要 环节，是保 证集成电路性能、质量的关键环节之一。集成电路测试 是集成电路产业的一门支撑技 术，而集成 电路自动测试设备(Automatic Test Equipment，ATE)是实现集成电路测试必不可少的工具。本文首先介绍了集成电路自动测试系统的国内外研究现状，接着介绍了数字集成电路的测试技术，包括逻辑功能测试 技术和直流参数测试技术 。逻辑功能测试技术介绍了测试向量的格式
2、化作为输入激励和对输出结果的采样，最后 讨论 了集成电路测试面临的技术难题。关键词：集成电路；测试技术；IC1 引言随着经济的发展，人们生活质量的提高，生活中遍布着各类电子消费产品。电脑手机和 mp3 播放器等电子产品和人们的生活息息相关，这些都为集成电路产业的发展带来了巨大的市场空间。2007 年世界半导体营业额高达 2.740 亿美元，2008 世界半导体产业营业额增至 2.850 亿美元，专家预测今后的几年随着消费的增长，对集成电路的需求必然强劲。因此，世界集成电路产业正在处于高速发展的阶段。集成电路产业是衡量一个国家综合实力的重要重要指标。而这个庞大的产业主要由集成电路的设计、芯片、封
3、装和测试构成。在这个集成电路生产的整个过程中，集成电路测试是惟一一个贯穿集成电路生产和应用全过程的产业。如：集成电路设计原型的验证测试、晶圆片测试、封装成品测试，只有通过了全部测试合格的集成电路才可能作为合格产品出厂，测试是保证产品质量的重要环节。集成电路测试是伴随着集成电路的发展而发展的，它为集成电路的进步做出了巨大贡献。我国的集成电路自动测试系统起步较晚，虽有一定的发展，但与国外的同类产品相比技术水平上还有很大的差距，特别是在一些关键技术上难以实现突破。国内使用的高端大型自动测试系统，几乎是被国外产品垄断。市场上各种型号国产集成电路测试，中小规模占到 80%。大规模集成电路测试系统由于稳定
4、性、实用性、价格等因素导致没有实用化。大规模/超大规模集成电路测试系统主要依靠进口满足国内的科研、生产与应用测试，我国急需自主创新的大规模集成电路测试技术，因此，本文对集成电路测试技术进行了总结和分析。2 集成电路测试的必要性随着集成电路应用领域扩大，大量用于各种整机系统中。在系统中集成电路往往作为关键器件使用，其质量和性能的好坏直接影响到了系统稳定性和可靠性。如何检测故障剔除次品是芯片生产厂商不得不面对的一个问题，良好的测试流程，可以使不良品在投放市场之前就已经被淘汰，这对于提高产品质量，建立生产销售的良性循环，树立企业的良好形象都是至关重要的。次品的损失成本可以在合格产品的售价里得到相应的
5、补偿，所以应寻求的是质量和经济的相互制衡，以最小的成本满足用户的需要。作为一种电子产品，所有的芯片不可避免的出现各类故障，可能包括：1.固定型故障；2.跳变故障；3.时延故障；4.开路短路故障；5 桥接故障，等等。测试的作用是检验芯片是否存在问题，测试工程师进行失效分析，提出修改建议，从工程角度来讲，测试包括了验证测试和生产测试两个主要的阶段。一款新的集成电路芯片被设计并生产出来，首先必须接受验证测试。在这一阶段，将会进行功能测试、以及全面的交流（AC）参数和直流(DC) 参数的测试等，也可能会探测芯片的内部结构。通常会得出一个完整的验证测试信息，如芯片的工艺特征描述、电气特征（DC 参数、A
6、C 参数、电容、漏电、温度等测试条件） 、时序关系图等等。通过验证测试中的参数测试、功能性测试、结构性测试，可以诊断和修改系统设计、逻辑设计和物理设计中的设计错误，为最终规范( 产品手册) 测量出芯片的各种电气参数，并开发出测试流程。当芯片的设计方案通过了验证测试，进入生产阶段之后，将利用前一阶段设计好的测试流程进行生产测试。在这一阶段里，测试的目的就是对被测芯片进行“Pass”或“Fail ”判断。由于要每一片芯片进行生产测试，所以测试成本是这一阶段的首要问题。出于此种目的，测试的效率很关键，生产测试生产没有验证测试那么全面，测试通常所采用的测试向量集不会包含过多的测试向量，但是必须有足够高
7、的模型化故障的覆盖率以满足质量上的要求。3 集成电路测试的分类依照器件开发和制造阶段、采用的工艺技术、测试项目种类以及待测器件等的不同，测试技术可以分为很多种类。器件开发阶段的测试包括：1.晶圆测试（Wafer Test）：对裸露的、尚未切割的每颗晶圆进行探针测试。测试过程中，要让测试仪的探针与晶粒上的节电接触，测试晶粒的电气特性不合格的晶粒会被标上记号。探针卡的阻抗匹配和延时问题必须加以考虑，以便于时序调整和矫正。2.生产测试：晶圆上的芯片经过封装后，对成品进行全面的电性能测试。3.老化测试：通过生产性测试的产品并不是完全一致的，在实际应用当中，有些会很快失效，而有些会能长时间正常工作。老化
8、测试是通过一个长时间的连续或周期性的测试使不耐用的器件失效，从而确保老化测试后器件的可靠性。老化测试分为静态老化测试和动态老化测试。静态老化测试是在给器件提供供电电压下，提高器件的工作温度，对其寿命进行测试。动态老化测试是在静态老化测试的基础上施加激励。4.质量控制测试：为确保生产产品的质量，对准备出厂的合格器件进行抽样测试，确保良品的合格率。目前，集成电路针对不同的应用场合分为民用标准级、工业标准级和军用标准级别，不同的级别参数测试的标准高低不同。图 1 为集成电路一般的测试流程：图 1 测试流程4 集成电路测试的原理与方法通常的按测试项目种类分主要包括：1逻辑功能测试：根据被测器件的真值表
9、，设计向量，对器件逻辑功能进行测试。2直流参数测试：在 DUT 的引脚上施加电流或电压，测出具体的参数数值。测试项目包括：开路/短路测试，输出驱动电流测试，漏电电流测试，电源电流测试，转换电平测试等。4.1 数字器件的逻辑功能测试结合体图 2，逻辑功能测试是旨在于检查被测器件在类似实际使用的环境下是否能实现其预期逻辑功能的一类测试，也就是我们常说的功能测试。功能测试根据被测器件的真值表、状态方程、测试图形来测试器件的逻辑功能。功能测试是全集的，测试向量集不会包含多余的测试向量，但必须有足够高的故障覆盖率。在电路中传输的逻辑“1/0”是由带定时特性和电平特性的波形，与波形形状、脉冲宽度、脉冲边缘
10、或斜率以及上升沿和下降沿的位置都有关系。功能测试关注的重点是测试图形产生的速度、边沿定时控制的特性、输入/ 输出控制和屏蔽选择。参照被测器件（DUT）的器件手册，考虑各个方面的性能，必须仔细检查下列项的准确值： 被测器件电源电压最小值/最大值； V OL/VOH(输出电压 )； V IL/VIH(输入电压)； I OL/I OH (输出负载电流)； 动态电流负载参考电平 VREF； 测试频率/周期； 输入信号时序(时钟/建立时间/ 保持时间/控制信号)； 输入信号波形编码方式； 输出时序(在周期内何时对输出进行采样 )； 向量序列(向量文件内的开始 /停止位置)。从以上可以看出，逻辑功能测试中
11、需要配置大量的资源信息，主要由两大块组成，一是测试向量文件，另外一块是包含测试指令的主测试程序。测试向量代表了测试待测器件所需的激励输入和期望输出的逻辑状态。主测试程序设定测试速率、引脚部件电平值、输入通道的编码格式、波形和时序等所必需的信息。从向量存储器里输出的数据与时序，编码格式以及电平数据结合在一起，通过引脚电路施加给被测器件。输入的测试数据就包含测试向量、输入信号时序、输入信号格式化编码、输入电平组等。执行功能测试时，设定必要的初始程序、合理的电平和电流值和定时条件后，测试系统逐个周期的给 DUT 提供激励，同时在一个周期内对 DUT 的输出进行监测，输出信号与测试向量表示的期望值相互
12、比较，如果输出引脚输出的逻辑状态与期望不相符合，则功能测试失效。图 2 集成电路逻辑功能测试原理图对输出响应的检测有两种方法。(1)比较法：输入激励同时应用于被测电路和一个称为金器件(设为无故障) 的相同器件，比较两者输出响应即可判断被测电路正确性。这种比较法一般适用于比较简单的标准中小规模(SSI、MSI) 电路的测试。(2)存储响应法：结合图 3，在计算机的控制下，被测器件的测试集存放在测试系统高速缓冲存储器中。测试时，测试图形根据测试主频逐排读出，输入激励顺次施加于被测器件，逐拍与期望响应作为比较。如果比较结果全部一致，则证明器件功能合格；否则称器件功能失效。这种方法涉及大量测试数据的存
13、储和读出操作，但它具有相当的灵活性，也适用于时序电路的测试。该方法的优点是可以根据测试要求，在确保一定的测试可接受的前提下，将一个很长的测试集进行压缩，这样不仅节省了存储空间，而且加快了测试速度，因此存储响应原理为众多测试系统所采用。测试的顺序为测试矢量被测电路与标准响应比较结果分析。图 3 存储响应法4.1.1 测试周期及输入数据(1)测试周期测试周期是测试器件过程中的工作频率，为每一条测试向量所持续的时间。功能测试建立时序的第一步是定义测试周期的时序关系。(2)输入数据激励给 DUT 的数据是含有时序和电平信息的，一般由以下因数构成： 测试向量； 输入信号格式化编码组； 输入信号电平组；
14、输入信号时序组。激励给 DUT 的输入信号是以测试向量数据形式存储的逻辑“1/0” ，而代表逻辑“1/0”的电平则由电子引脚中的 VIH/VIL 参考电平规定的。输入信号要求设置为包含唯一格式化编码方式和设定时序更为复杂的数据形式，主程序中会包含这些信息并通过相应的代码实现设置。(3)输入信号格式根据 DUT 输入引脚的特性，设定其输入信号的编码格式以完成功能测试，使用得当还可以保证规格书定义的所有交流参数被测试。信号格式与测试向量、时沿设定及输入电平组合起来作为 DUT 的输入信号波形。图 4 给出了一些信号格式的简单描述。图 4 信号格式化编码 NRZ(Non Return to Zero
15、，不返回 )：代表存储于向量存储器的实际数据，它不含有时沿信息，只在每个周期的起始点（T0）发生变化。 DNRZ（Delayed Non Return to Zero，延迟不返回）：顾名思义，它和 NRZ 一样代表存储于向量存储器的数据，只是周期中数据的转变点不在 T0。如果当前周期和前一周期的数据不同，DNRZ 会在预先定义的前延处发生跳变。 RZ（Return to Zero，归零码）：当数据为逻辑“1”时提供一个正向脉冲，数据为逻辑“0”时则保持为低状态。RZ 信号含有前（上升）沿和后（下降）沿这两个时间沿。当相应引脚的所有向量都为逻辑“1”时，用 RZ 格式则等于提供正向脉冲的时钟，脉
16、宽是可以调节的。一些上升沿有效的信号，如芯片的片选（CS）信号，会要求使用 RZ 编码格式。 RO（Return to One ，归一码）：当数据为逻辑“0”时提供一个负向脉冲，数据为逻辑“1”时则保持高状态。当相应引脚的所有向量都为逻辑“0”时，RO 格式提供了负向脉冲的时钟。一些下降沿有效的信号，如芯片的使能（/OE）信号，会要求使用 RO 编码格式。 SBC（Surround By Complement，补码环绕）：当前后周期的数据不同时，信号在一个周期内将跳变 3 次，信号更为复杂。首先在 T0点处翻转电平，等待预定的延迟时间后，在定义的脉冲宽度内表现真实的向量数据，最后再次翻转电平并
17、在周期内剩下的时间保持。SBC 是运行测试向量 15 时唯一能同时保证信号建立（setup）和保持（hold）时间的信号格式，也被称为 XOR 格式。(4)输入信号时序测试周期确定了，周期内各输入信号的编码格式及时沿点也就可以确定了。通常来说，输入信号有两类：数据信号和控制信号。数据信号在控制信号设定的时间点处锁存数据到器件内部。第一个要确定的是数据信号的建立/保持时间和控制信号的有效时沿，这些信息将决定各输入信号时间沿在周期内的位置。接下来确定各输入信号的编码格式。时钟信号通常使用 RZ（正脉冲）或 RO（负脉冲）编码格式；上升沿有效的信号如片选（CS ）常使用 RZ 编码格式；下降沿有效的
18、信号如输出始能（ /OE）常使用 RO 编码格式；拥有建立和保持时间要求的数据信号常使用 SBC 编码格式；其他的输入信号则可以使用 NRZ 或DNRZ 编码格式。输入信号由测试系统里的每一个周期的输出数据组合创建，最后从电子引脚输出的信号图形是测试向量、时沿设置、信号格式及 VIH/VIL 设置共同作用的激励输入，如图 5 所示：图 5 输入信号的创建4.1.2 输出数据输出数据部分的测试由以下组合： 测试向量数据（期望的输出逻辑值） ； 采样时序（周期内采样设定） ； HCOMP/LCOMP（期望的逻辑高低电平） ； I OH/IOL（输出动态电流负载） 。(1)测试输出功能测试期间，测试
19、程序设定每个输出引脚在测试周期内的输出采样时间点。测试周期中，电子引脚中的比较单元会对 DUT 输出信号电平和 HCOMP/LCOMP 参考电平相比较，比较器输出逻辑数送入系统中，在这个时间点上测试系统对逻辑值进行采样，采样的数值与期望的逻辑值相比较。每个输出引脚对应的测试向量含有在该周期中期望的逻辑状态。如果期望是逻辑“0” ，当采样进行时，DUT 的输出电平必须小于等于 LCOMP；如果期望时逻辑“1” ，则必须大于等于 HCOMP。部分测试系统还拥有测试高阻态的能力，这主要看电子引脚中的比较器支持高阻输出与否。(2)测试高阻态输出引脚输出高阻态也可以进行功能性的测试，在这类测试中，将比较
20、器逻辑翻转以得到非有效的逻辑。高阻状态（电平）定义为小于 HCOMP 和大于 LCOM 的电压。DUT 的引脚连接到 2V 参考电压的电流负载，引脚电压将输出到非有效电压（高阻状态） ，通常使用的参考电压代表中间级或高阻态。当器件引脚输出进入高阻态时，将不能提供和吸收任何电流。高阻态输出将会保持其逻辑状态直至器件内部因素引起输出改变，电流负载将提供或吸收电流。图 6 表示测试高阻抗输出时，DUT 输出和 HCOMP/LCOMP 值之间的Pass/Fail/Pass 的关系。图 6 功能测试输出电平(3)输出电流负载在功能测试中，DUT 输出引脚可能会用到电流负载。电子引脚上配置有可编程电流负载
21、（也叫动态电流负载）电路，可以在测试程序中进行设定，但有些中小型的测试系统并不支持这项功能。在执行逻辑功能测试时，将在器件的输出端施加设置的 IOL 或 IOH 电流，测试器件输出引脚的带负载能力。通过施加指定的 IOL/IOH 测试 VOL/VOH 电压。当输出为 VOL，I OL 从电流负载流进器件的输出端倒地，称 IOL 为吸电流（sinking current） ；当输出为 VOH，I OH 从器件的输出端流进电流负载流进倒地，称 IOH 为拉电流（sourcing current） ；输出电流和电压的参数在功能测试运行过程中得到定性验证，这比用 PMU 实施相同的测试快得多。(4)输
22、出信号时序输出信号的传输是由时钟和控制信号的时间沿进行控制，确定引起输出信号发生变化的时钟有效沿和控制信号，根据器件手册，确定输出信号达到有效逻辑状态时所需要的传输延迟，进而确定信号采样点在周期内的位置，采样点的位置应该在周期内定时前沿点和后延点之间。有些测试系统硬件支持边沿模式或窗口模式两种采样形式。边沿模式只在周期内确定的时间点采集并比较一次数据，而窗口模式则在周期内特定的一段时间都对输出进行采样和比较。测试时序使输出的变化和测试系统的检测发生在相同的周期内，这样就可以在测试周期内准确地测量输出延迟，保证在测试周期结束前有足够的时间输出准确的结果，并且采样后的数据还要保存在结果存储器中。对
23、于工作频率低的器件输出端存在比其他的快速器件需要更长的时间达到它们的最终输出值，在降低的频率上测试能发现传输延迟的问题。如图 7 所示，一些因素影响采样信号的输出数值，包括： 向量数据决定期望的逻辑输出值； HCOMP/LCOMP 比较器参考电平决定期望输出电压； 输出采样时序决定着周期内输出信号的测试点； 输出比较屏蔽（ mask）控制决定了输出结果是用以判断 Pass/Fail 还是忽略。图 7 功能测试输出4.2 集成电路生产测试的流程结合图 8，测试时间的长短直接影响测试成本的高低，而减少平均测试时间的一个最好方法就是尽可能早地发现并剔除坏的芯片。所以在集成电路的生产测试环节，首先应该
24、进行开短路测试，这样能快速检测出 DUT 是否存在电性物理缺陷，如引脚短路、引脚的静电损坏、以及制造缺陷等等，尽早的剔除坏品。接着就要进行功能测试，检验 DUT 功能是否正常，功能测试的速度很快，只有通过了功能测试后面的 DC 参数测试才是有意义的。最后进行器件的 DC 参数测试，这一阶段速度会比较慢，一旦器件通过了这些测试，就可基本保证其性能。图 8 为集成电路生产测试的流程：图 8 典型数字集成电路生产测试流程5 集成电路自动测试面临的挑战集成电路从小规模到中规模，再到大规模，超大规模集成电路，发展到现在的芯片系统，起码集成百万以上的晶体管，堪称超级超大规模集成电路了。芯片系统往往是模数混
25、合电路。随着集成电路功能实现复杂性，其规模也不断提高，使得集成电路测试系统向开放式、模块化和标准化方向发展，在集成电路测试技术面临更大的挑战，这就需要我们提出相关的测试策略和实现方法。系统芯片可测试性设计的难题很多。（1）随着集成电路设计规模迅速提升，测试向量数目的急剧增加，迫切需要有效的测试设计，采用什么样的硬件电路和快速的测试算法以较小的硬件开销和分析出所有的故障；（2）半导体芯片中的晶体管的特征尺寸每年大约减小 10.5%，随着电路设计和工艺的革新，晶体管密度几乎成平方级增长。先进的 0.15um 设计工艺使得设计人员能将大量晶体管放置到集成电路上，这使得引入和新的电子和物理效应，不断涌
26、现出新的失效故障模型，串扰、电迁移和信号完整性问题更为突出；（3）芯片的工作速度不断提升，数字信号在高速的数字通道上表现出复杂的模拟特性，噪声随之引入，因而对测试系统提出了更高的设计要求。导致高速自动测试系统售价昂贵，一台测试频率为 1GHz 的自动测试系统每增加一个引脚的费用大约为 3000 美元。（4）模数混合自动测试系统往往需要采用一套复杂的数字信号处理系统来实现。基于数字信号处理器测试是以数字化仪器和任意波形发生器代替纯模拟仪器完成模拟信号的参数测试。（5）随着集成电路工艺技术进步和设计方法的提高，可以把中央处理器、数字信号处理器、内存等模块设计在一块芯片上，这就是 SOC。SOC 采
27、用 IP 核设计，供测试的端口少，且 IP 核提供商为了保护知识产权往往不愿意过多的透漏 IP 核的具体实现细节，在这种情况下，内部 IP 核测试需要构建复杂的数学模型导致难以测试。参考文献1杨烨成，胡泳芬.电路测试基础.第 2 版.北京:中国铁道出版社，2002.2朱定华.电子电路测试与实验.第 1 版.北京:清华大学出版社，2004.04.3蒲涛.中国集成电路产业发展战略： 博士学位论文，北京：北京邮电大学博士论文,2009，1-54罗和平.数字 IC 自动测试设备关键技术研究： 硕士学位论文，成都：电子科技大学硕士论文，2008，1-25刘鸿琴.ATE 产业发展的新动向.国外电子测量技术,2004,6:3-46俞建风，陈翔，杨雪瑛.我国集成电路测试技术现状及发展策略 .中国测试,2009,3(35):4-57高成，张栋，王香芬等.最新集成电路测试技术.北京:国防工业出版社,2008,9-108半导体集成电路总规范.国家标准局.GJB597A 一 1996.9微电子器件试验方法和程序.国家标准局.GJB548A 一 9610刘光祜，饶妮妮.模拟电路基础.成都：电子科技大学出版社 ,2000,10-11
