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半導(dǎo)體廠商如何做芯片的出廠測試？
來源:知乎
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作者:溫戈
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發(fā)布時間: 2021-09-24
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本文主要針對2個問題進(jìn)行展開，介紹半導(dǎo)體廠商如何做芯片的出廠測試，希望對您的學(xué)習(xí)有所幫助。 |
例如 Intel 的 i7，蘋果的 A6，這樣復(fù)雜的 IC 要測的功能恐怕很多。
我想得到的困難有
1、BGA 這樣的封裝，應(yīng)該不能多次焊接吧，那又如何上電測試呢?
2、那么多的功能，真的要寫軟件一樣一樣測嗎？很費時間吧
先來說一下完整的測試流程，再針對題主的兩個問題回答一下。
一、芯片測試概述
芯片測試分兩個階段，一個是CP（Chip Probing）測試，也就是晶圓（Wafer）測試。另外一個是FT（Final Test）測試，也就是把芯片封裝好再進(jìn)行的測試。
CP測試的目的就是在封裝前就把壞的芯片篩選出來，以節(jié)省封裝的成本。同時可以更直接的知道Wafer 的良率。CP測試可檢查fab廠制造的工藝水平。現(xiàn)在對于一般的wafer成熟工藝，很多公司多把CP給省了，以減少CP測試成本。具體做不做CP測試，就是封裝成本和CP測試成本綜合考量的結(jié)果。
一片晶圓越靠近邊緣，die（一個小方格，也就是一個未封裝的芯片）出問題的概率越大。
隨著芯片規(guī)模的越來越大，測試也更為復(fù)雜。ATE（Automatic Test Equipment）也就應(yīng)運而生。 目前ATE公司最大的是Teradyne和愛德萬，NI目前也在做這一塊，并且很多小公司都在用NI的儀器。國內(nèi)的公司知名的有長川科技。
ATE作為集成了眾多高精密的Instruments的設(shè)備，價格自然不菲。一臺泰瑞達(dá)的高端Ultra Flex可以買上海的幾套房！
二、芯片測試流程
在測試之前，當(dāng)然要有ATE設(shè)備，CP測試需要Probe Card, FT測試需要Load board, Socket等。來一張全家福吧。最下邊左一是Load Board(又叫DUT Board), 左二是Probe Card.
然后由芯片設(shè)計公司來提供Design Spec和Test Spec(datasheet)來制定Test Plan,開發(fā)測試程序，建立測試項。
Test Plan示意圖：
一般測試通常包含以下測試項：
DC parameters Test
主要包含以下測試，Continuity測試(又稱open/short test)主要是檢查芯片的引腳以及和機(jī)臺的連接是否完好。其余的測試都是檢查DC電氣參數(shù)是否在一定的范圍內(nèi)。
Continuity Test
Leakage Test (IIL/IIH)
Power Supply Current Test (IDDQ)
Other Current/Voltage Test (IOZL/IOZH, IOS, VOL/IOL, VOH/IOH)
LDO，DCDC 電源測試。
以下這張圖就是open/short test原理示意圖，DUT（Device Under Test）的引腳都掛有上下兩個保護(hù)二極管，根據(jù)二極管單向?qū)ㄒ约敖刂岭妷旱奶匦?，對其?灌電流，然后測試電壓，看起是否在設(shè)定的limit范圍內(nèi)。
整個過程是由ATE里的instruments PE(Pin Electronics)完成的。
Digital Functional Test
這部分的測試主要是跑測試向量（pattern），pattern則是設(shè)計公司的DFT工程師用ATPG（auto test pattern generation）工具生成的。
pattern測試基本就是加激勵，然后捕捉輸出，再和期望值進(jìn)行比較。
與Functional Test相對應(yīng)的的是Structure Test，包括Scan，Boundary Scan等，Pattern是根據(jù)芯片制造過程中產(chǎn)生的的defects和fault 模型來產(chǎn)生的，詳細(xì)介紹參見下文。
應(yīng)用Structure Test能更好的提高覆蓋率。
當(dāng)然還有Build-in-Self-Test (BIST）主要是針對memory進(jìn)行的測試。
AC Parameters Test
主要是AC Timing Tests，包含Setup Time, Hold Time, Propagation Delay等時序的檢查。
ADC and DAC Test
主要是數(shù)模/模數(shù)混合測試，檢查信號經(jīng)過ADC/DAC后的信號是否符合期望，這個地方涉及到的信號知識比較多?？傮w來說包含靜態(tài)測試和動態(tài)測試。
Static Test – Histogram method (INL, DNL)
Dynamic Test – SNR, THD, SINAD
除了以上常規(guī)測試項，根據(jù)芯片的類型不同可能會進(jìn)行不同的測試，比如RF測試，SerDes高速測試。Efuse測試等。
一個基本的測試流程圖如下：
所有的測試項都是在ATE上執(zhí)行的，一般會執(zhí)行幾秒到幾十秒，因為ATE是根據(jù)機(jī)時來付費的（很少有海思，蘋果這種土豪公司一次買數(shù)十臺），所以縮短測試時間變得尤其重要！另外一般芯片在量產(chǎn)測試的時候，都是百萬顆或者千萬顆，每個芯片節(jié)省一秒，總體來說縮短的時間還是很可觀的。
在測試執(zhí)行完成后，ATE會輸出一個Datalog，以顯示測試結(jié)果。對于測試pass或fail測試項的不同，也會對其進(jìn)行分類(Bin)，最后由Handler分揀。
datalog 示意圖：
以上就是芯片的測試完整流程。再放兩張芯片測試的封測廠/實驗室的環(huán)境圖：
至于題主的兩個問題：
1、BGA 這樣的封裝，應(yīng)該不能多次焊接吧，那又如何上電測試呢？
對于封裝好的芯片，通常測試是不需要進(jìn)行焊接的，它和ATE機(jī)臺的連接方式是通過socket和Load board。
socket也就是放芯片的底座，長這樣：
不同大小，不同封裝類型的芯片，socket也不同，有專門的做這個的廠商。
先把芯片放到socket里，再把socket放到load board上，load board再放在機(jī)臺上。有的load board很重，對很多女同志來說搬起來是有些辛苦啊！
一個load board上面支持放多個socket，我們稱其為site。示意圖如下，共6個site，可以對6個芯片同時進(jìn)行測試：
2、那么多的功能，真的要寫軟件一樣一樣測嗎？很費時間吧
在這里先說明一下，芯片的邏輯功能是有IC驗證工程師來完成的，是在流片之前，并不依賴于測試。
而芯片測試?yán)锏膄unction test/structure test是跑pattern， 測試的是在制造過程中芯片是否有缺陷，從而影響功能/性能。
所以測試工程師所需要的關(guān)心的就是把pattern都跑通，如果跑不通可能會和DFT工程師一起進(jìn)行diagnosis。
測試工程在寫測試項的時候，也不是要一行一行代碼去寫，通常ATE機(jī)臺的嵌入式軟件都有提供測試項的Template, 只需要填寫參數(shù)就好。另外針對一些大客戶的成熟測試項，也會開發(fā)一些測試模板，留好必要的參數(shù)接口，這樣就很方便應(yīng)用到其他的芯片測試上。
寫在最后：
一個完備的的芯片測試不是靠芯片測試工程師一個人完成的，而是需要設(shè)計工程師，DFT工程師的支持，以及由可靠的EDA工具，優(yōu)秀的硬件支撐等多方因素共同決定的。
芯片測試是極其重要的一環(huán)，有缺陷的芯片能發(fā)現(xiàn)的越早越好。在芯片領(lǐng)域有個十倍定律，從設(shè)計-->制造-->封裝測試-->系統(tǒng)級應(yīng)用，每晚發(fā)現(xiàn)一個環(huán)節(jié)，芯片公司付出的成本將增加十倍?。?！
所以測試是設(shè)計公司尤其注重的，如果把有功能缺陷的芯片賣給客戶，損失是極其慘重的，不僅是經(jīng)濟(jì)上的賠償，還有損信譽。因此芯片測試的成本也越來越高！
在 IC 行業(yè)，每一個環(huán)節(jié)都要十分小心，一次流片的費用在數(shù)十萬美金，一天的ATE機(jī)臺使用幾百美金。而一個芯片的利潤可能只有幾美分。這也是IC行業(yè)投資周期長，收益少的原因，基本前幾年都在虧錢。幸運的是國家越來越重視芯片了，期待國內(nèi)IC發(fā)展能越來越好。
源文地址：https://daily.zhihu.com/story/9731271 略有修改
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