《The Fundamentals Of Digital Semiconductor Testing》中文版C.docx

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《TheFundamentalsOfDigitalSemiconductorTesting》中文版C

第二章.半导体测试基础

三．测试系统

   测试系统称为ATE，由电子电路和机械硬件组成，是由同一个主控制器指挥下的电源、计量仪器、信号发生器、模式（pattern）生成器和其他硬件项目的集合体，用于模仿被测器件将会在应用中体验到的操作条件，以发现不合格的产品。

   测试系统硬件由运行一组指令（测试程序）的计算机控制，在测试时提供合适的电压、电流、时序和功能状态给DUT并监测DUT的响应，对比每次测试的结果和预先设定的界限，做出pass或fail的判断。

●        测试系统的内脏

        图2-1显示所有数字测试系统都含有的基本模块，虽然很多新的测试系统包含了更多的硬件，但这作为起点，我们还是拿它来介绍。

       “CPU”是系统的控制中心，这里的CPU不同于电脑中的中央处理器，它由控制测试系统的计算机及数据输入输出通道组成。

许多新的测试系统提供一个网络接口用以传输测试数据；计算机硬盘和Memory用来存储本地数据；显示器及键盘提供了测试操作员和系统的接口。

DC子系统包含有DPS（DevicePowerSupplies，器件供电单元）、RVS（ReferenceVoltageSupplies，参考电压源）、PMU（PrecisionMeasurementUnit，精密测量单元）。

DPS为被测器件的电源管脚提供电压和电流；RVS为系统内部管脚测试单元的驱动和比较电路提供逻辑0和逻辑1电平提供参考电压，这些电压设置包括：

VIL、VIH、VOL和VOH。

性能稍逊的或者老一点的测试系统只有有限的RVS，因而同一时间测试程序只能提供少量的输入和输出电平。

这里先提及一个概念，“testerpin”，也叫做“testerchannel”，它是一种探针，和Loadboard背面的Pad接触为被测器件的管脚提供信号。

当测试机的pins共享某一资源，比如RVS，则此资源称为“SharedResource”。

一些测试系统称拥有“perpin”的结构，就是说它们可以为每一个pin独立地设置输入及输出信号的电平和时序。

DC子系统还包含PMU（精密测量单元，PrecisionMeasurementUnit）电路以进行精确的DC参数测试，一些系统的PMU也是perpin结构，安装在测试头（TestHead）中。

（PMU我们将在后面进行单独的讲解）

每个测试系统都有高速的存储器——称为“patternmemory”或“vectormemory”——去存储测试向量（vector或pattern）。

Testpattern（注：

本人驽钝，一直不知道这个pattern的准确翻译，很多译者将其直译为“模式”，我认为有点欠妥，实际上它就是一个二维的真值表；将“testpattern”翻译成“测试向量”吧，那“vector”又如何区别？

呵呵，还想听听大家意见）描绘了器件设计所期望的一系列逻辑功能的输入输出的状态，测试系统从patternmemory中读取输入信号或者叫驱动信号（Drive）的pattern状态，通过testerpin输送给待测器件的相应管脚；再从器件输出管脚读取相应信号的状态，与pattern中相应的输出信号或者叫期望（Expect）信号进行比较。

进行功能测试时，pattern为待测器件提供激励并监测器件的输出，如果器件输入与期望不相符，则一个功能失效产生了。

有两种类型的测试向量——并行向量和扫描向量，大多数测试系统都支持以上两种向量。

Timing分区存储有功能测试需要用到的格式、掩盖（mask）和时序设置等数据和信息，信号格式（波形）和时间沿标识定义了输入信号的格式和对输出信号进行采样的时间点。

Timing分区从patternmemory那里接收激励状态（“0”或者“1”），结合时序及信号格式等信息，生成格式化的数据送给电路的驱动部分，进而输送给待测器件。

SpecialTesterOptions部分包含一些可配置的特殊功能，如向量生成器、存储器测试，或者模拟电路测试所需要的特殊的硬件结构。

TheSystenClocks为测试系统提供同步的时钟信号，这些信号通常运行在比功能测试要高得多的频率范围；这部分还包括许多测试系统都包含的时钟校验电路。

其他的小模块这里不再赘述，大家基本上可以望文生义，呵呵。

四．PMU

       PMU（PrecisionMeasurementUnit，精密测量单元）用于精确的DC参数测量，它能驱动电流进入器件而去量测电压或者为器件加上电压而去量测产生的电流。

PMU的数量跟测试机的等级有关，低端的测试机往往只有一个PMU，同过共享的方式被测试通道（testchannel）逐次使用；中端的则有一组PMU，通常为8个或16个，而一组通道往往也是8个或16个，这样可以整组逐次使用；而高端的测试机则会采用perpin的结构，每个channel配置一个PMU。

                                            图2-2.PMU状态模拟图

●        驱动模式和测量模式（ForceandMeasurementModes）

       在ATE中，术语“驱动（Force）”描述了测试机应用于被测器件的一定数值的电流或电压，它的替代词是Apply，在半导体测试专业术语中，Apply和Force都表述同样的意思。

       在对PMU进行编程时，驱动功能可选择为电压或电流：

如果选择了电流，则测量模式自动被设置成电压；反之，如果选择了电压，则测量模式自动被设置成电流。

一旦选择了驱动功能，则相应的数值必须同时被设置。

●        驱动线路和感知线路（ForceandSenseLines）

       为了提升PMU驱动电压的精确度，常使用4条线路的结构：

两条驱动线路传输电流，另两条感知线路监测我们感兴趣的点（通常是DUT）的电压。

这缘于欧姆定律，大家知道，任何线路都有电阻，当电流流经线路会在其两端产生压降，这样我们给到DUT端的电压往往小于我们在程序中设置的参数。

       设置两根独立的（不输送电流）感知线路去检测DUT端的电压，反馈给电压源，电压源再将其与理想值进行比较，并作相应的补偿和修正，以消除电流流经线路产生的偏差。

驱动线路和感知线路的连接点被称作“开尔文连接点”。

●        量程设置（RangeSettings）

       PMU的驱动和测量范围在编程时必须被选定，合适的量程设定将保证测试结果的准确性。

需要提醒的是，PMU的驱动和测量本身就有就有范围的限制，驱动的范围取决于PMU的最大驱动能力，如果程序中设定PMU输出5V的电压而PMU本身设定为输出4V电压的话，最终只能输出4V的电压。

同理，如果电流测量的量程被设定为1mA，则无论实际电路中电流多大，能测到的读数不会超过1mA。

       值得注意的是，PMU上无论是驱动的范围还是测量的量程，在连接到DUT的时候都不应该再发生变化。

这种范围或量程的变化会引起噪声脉冲（浪涌），是一种信号电压值短时间内的急剧变化产生的瞬间高压，类似于ESD的放电，会对DUT造成损害。

●        边界设置（LimitSettings）

       PMU有上限和下限这两个可编程的测量边界，它们可以单独使用（如某个参数只需要小于或大于某个值）或者一起使用。

实际测量值大于上限或小于下限的器件，均会被系统判为不良品。

●        钳制设置（ClampSettings）

       大多数PMU会被测试程序设置钳制电压和电流，钳制装置是在测试期间控制PMU输出电压与电流的上限以保护测试操作人员、测试硬件及被测器件的电路。

                                                                          图2-2.电流钳制电路模拟图

    当PMU用于输出电压时，测试期间必须设定最大输出电流钳制。

驱动电压时，PMU会给予足够的必须的电流用以支持相应的电压，对DUT的某个管脚，测试机的驱动单元会不断增加电流以驱动它达到程序中设定的电压值。

如果此管脚对地短路（或者对其他源短路），而我们没有设定电流钳制，则通过它的电流会一直加大，直到相关的电路如探针、ProbeCard、相邻DUT甚至测试仪的通道全部烧毁。

   图2-3显示PMU驱动5.0V电压施加到250ohm负载的情况，在实际的测试中，DUT是阻抗性负载，从欧姆定律I=U/R我们知道，其上将会通过20mA的电流。

器件的规格书可能定义可接受的最大电流为25mA，这就意味着我们程序中此电流上限边界将会被设置为25mA，而钳制电流可以设置为30mA。

    如果某一有缺陷的器件的阻抗性负载只有10ohm的话，在没有设定电流钳制的情况下，通过的电流将达到500mA，这么大的电流已经足以对测试系统、硬件接口及器件本身造成损害；而如果电流钳制设定在30mA，则电流会被钳制电路限定在安全的范围内，不会超过30mA。

   电流钳制边界（Clamp）必须大于测试边界（Limit）上限，这样当遇到缺陷器件才能出现fail；否则程序中会提示“边界电流过大”，测试中也不会出现fail了。

                                              图2-4.电压钳制电路模拟图

   当PMU用于输出电流时，测试期间则相应地需要进行电压钳制。

电压钳制和电流钳制在原理上大同小异，这里就不再赘述了。

五、管脚电路

      管脚电路（ThePinElectronics，也叫PinCard、PE、PEC或I/OCard）是测试系统资源部和待测期间之间的接口，它给待测器件提供输入信号并接收待测器件的输出信号。

   每个测试系统都有自己独特的设计但是通常其PE电路都会包括：

●        提供输入信号的驱动电路

●        驱动转换及电流负载的输入输出切换开关电路

●        检验输出电平的电压比较电路

●        与PMU的连接电路（点）

●        可编程的电流负载

 还可能包括：

●        用于高速电流测试的附加电路

●        Perpin的PMU结构

       尽管有着不同的变种，但PE的基本架构还是一脉相承的，图2-5显示了数字测试系统的数字测试通道的典型PE卡的电路结构。

                                                  图2-5.典型的PinElectronics

1.      驱动单元（TheDriver）

    驱动电路从测试系统的其他相应环节获取格式化的信号，称为FDATA，当FDATA通过驱动电路，从参考电压源（RVS）获取的VIL/VIH参考电平被施加到格式化的数据上。

如果FDATA命令驱动单元去驱动逻辑0，则驱动单元会驱动VIL参考电压；VIL（VoltageInLow）指施加到DUT的input管脚仍能被DUT内部电路识别为逻辑0的最高保证电压。

   如果FDATA命令驱动单元去驱动逻辑1，则驱动单元会驱动VIH参考电压；VIH（VoltageInHigh）指施加到DUT的input管脚仍能被DUT内部电路识别为逻辑1的最低保证电压。

   F1场效应管用于隔离驱动电路和待测器件，在进行输入-输出切换时充当快速开关角色。

当测试通道被程序定义为输入（Input），场效应管F1导通，开关（通常是继电器）K1闭合，使信号由驱动单元（Driver）输送至DUT；当测试通道被程序定义为输出（Output）或不关心状态（don’tcare），F1截止，K1断开，则驱动单元上的信号无法传送到DUT上。

F1只可能处于其中的一种状态，这样就保证了驱动单元和待测器件同时向同一个测试通道送出电压信号的I/O冲突状态不会出现。

2.      电流负载单元（CurrentLoad）

   电流负载（也叫动态负载）在功能测试时连接到待测器件的输出端充当负载的角色，由程序控制，提供从测试系统到待测器件的正向电流或从待测器件到测试系统的负向电流。

   电流负载提供IOH（CurrentOutputHigh）和IOL（CurrentOutputLow）。

IOH指当待测器件输出逻辑1时其输出管脚必须提供的电流总和；IOL则相反，指当待测器件输出逻辑0时其输出管脚必须接纳的电流总和。

   当测试程序设定了IOH和IOL，VREF电压就设置了它们的转换点。

转换点决定了IOH起作用还是IOL起作用：

当待测器件的输出电压高于转换点时，IOH提供电流；当待测器件的输出电压低于转换点时，IOL提供电流。

    F2和F1一样，也是一个场效应管，在输入-输出切换时充当高速开关，并隔离电流负载电路和待测器件。

当程序定义测试通道为输出，则F2导通，允许输出正向电流或抽取反向电流；当定义测试通道为输入，则F2截止，将负载电路和待测器件隔离。

   电流负载在三态测试和开短路测试中也会用到。

3.      电压比较单元（VoltageReceiver）

   电压比较器用于功能测试时比较待测器件的输出电压和RVS提供的参考电压。

RVS为有效的逻辑1（VOH）和逻辑0（VOL）提供了参考：

当器件的输出电压等于或小于VOL，则认为它是逻辑0；当器件的输出电压等于或大于VOH，则认为它是逻辑1；当它大于VOL而小于VOH，则认为它是三态电平或无效输出。

4.      PMU连接点（PMUConnection）

    当PMU连接到器件管脚，K1先断开，然后K2闭合，用于将PMU和PinElectrics卡的I/O电路隔离开来。

5.      高速电流比较单元（HighSpeedCurrentComparators）

   相对于为每个测试通道配置PMU，部分测试系统提供了快速测量小电流的另一种方法，这就是可进行快速漏电流（Leakage）测试的电流比较器，开关K3控制它与待测器件的连接与否。

如果测试系统本身就是PerPinPMU结构的，那么这部分就不需要了。

6.      PPPMU（PerPinPMU）

   一些系统提供PerPinPMU的电路结构，以支持对DUT每个管脚同步地进行电压或电流测试。

与PMU一样，PPPMU可以驱动电流测量电压或者驱动电压测量电流，但是标准测试系统的PMU的其它功能PPPMU则可能不具备。

六.测试开发基本规则

      任何工作都有其规则和流程，IC测试也不例外。

我们在实际工作中看到，一些简单的错误和低级的问题经常在一个又一个的程序中再现，如果有一定的标准，相信情况会好很多。

这里我们就来总结一些基本的规则，它们将普遍适用于多数的实例；也许其中的一些在我们看来是显而易见的，但是在测试硬件无误的情况下，很多人还是在不经意间违反。

可能大家会说了，谁这么傻呀？

呵呵，相信大家都不会主动这么做，但是粗心呢？

如果你决定刻意违反其中的某一条或几条的话，请确定你完全知道后果。

^_^

●        永远不要将DUT的输入管脚当作输出管脚进行功能测试。

最常见的是在pattern中，如果一个输入管脚在此测试项不需要去管（既给0或给1不影响此测试结果），我们有人就给它“X”，而“X”是输出测试的mask态，这样测试机就会将此管脚当作输出去处理，连接到比较电路，只是对结果不做比较。

记住，在功能测试中，输入管脚不能直接测试以期得到pass/fail的结果；信号施加到输入管脚，我们需要测试的是输出管脚。

●        永远不要将测试机的驱动单元连接到DUT的输出管脚。

此举会造成测试机和器件本身会在同一时间驱动电压和电流到该管脚，当它们在某一点相遇时，那就是狭路相逢勇者胜了，输的一方会受伤哦！

●        永远不要悬空（float）某个输入管脚，一个有效的逻辑必须施加到输入管脚，0或者1。

对于CMOS工艺的器件，悬空输入管脚会造成浪涌（latch-up）现象，导致大电流对器件造成破坏。

●        永远不要施加大于VDD或小于GND的电压到输入或输出管脚。

否则同样会引起浪涌现象损害器件。

●        驱动电压信号到DUT时，记得设置电流钳制，限制测试机的最大输出电流。

●        驱动电流信号到DUT时，记得设置电压钳制，限制测试机的最大输出电压。

●        永远不要在驱动单元与器件引脚连接时改变驱动信号（电压或电流）的范围，也不要在这个时候改变PMU驱动的信号类型（如将电压驱动改为电流驱动）。

第三章.基于PMU的开短路测试

本章节我们来说说最基本的测试——开短路测试（Open-ShortTest），说说测试的目的和方法。

一．测试目的

    Open-ShortTest也称为ContinuityTest或ContactTest，用以确认在器件测试时所有的信号引脚都与测试系统相应的通道在电性能上完成了连接，并且没有信号引脚与其他信号引脚、电源或地发生短路。

   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。

Open-Short测试能快速检测出DUT是否存在电性物理缺陷，如引脚短路、bondwire缺失、引脚的静电损坏、以及制造缺陷等。

   另外，在测试开始阶段，Open-Short测试能及时告知测试机一些与测试配件有关的问题，如ProbeCard或器件的Socket没有正确的连接。

二．测试方法

   Open-Short测试的条件在器件的规格数或测试计划书里通常不会提及，但是对大多数器件而言，它的测试方法及参数都是标准的，这些标准值会在稍后给出。

   基于PMU的Open-Short测试是一种串行（Serial）静态的DC测试。

首先将器件包括电源和地的所有管脚拉低至“地”（即我们常说的清0），接着连接PMU到单个的DUT管脚，并驱动电流顺着偏置方向经过管脚的保护二极管——一个负向的电流会流经连接到地的二极管（图3-1），一个正向的电流会流经连接到电源的二极管（图3-2），电流的大小在100uA到500uA之间就足够了。

大家知道，当电流流经二极管时，会在其P-N结上引起大约0.65V的压降，我们接下来去检测连接点的电压就可以知道结果了。

   既然程序控制PMU去驱动电流，那么我们必须设置电压钳制，去限制Open管脚引起的电压。

Open-Short测试的钳制电压一般设置为3V——当一个Open的管脚被测试到，它的测试结果将会是3V。

    串行静态Open-Short测试的优点在于它使用的是DC测试，当一个失效（failure）发生时，其准确的电压测量值会被数据记录（datalog）真实地检测并显示出来，不管它是Open引起还是Short导致。

缺点在于，从测试时间上考虑，会要求测试系统对DUT的每个管脚都有相应的独立的DC测试单元。

对于拥有PPPMU结构的测试系统来说，这个缺点就不存在了。

   当然，Open-Short也可以使用功能测试（FunctionalTest）来进行，我会在后面相应的章节提及。

                                                             图3-1.对地二极管的测试

      测试下方连接到地的二极管，用PMU抽取大约-100uA的反向电流；设置电压下限为-1.5V，低于-1.5V（如-3V）为开路；设置电压上限为-0.2V，高于-0.2V（如-0.1V）为短路。

此方法仅限于测试信号管脚（输入、输出及IO口），不能应用于电源管脚如VDD和VSS.

                                                               图3-2.对电源二极管的测试

      测试上方连接到电源的二极管，用PMU驱动大约100uA的正向电流；设置电压上限为1.5V，高于1.5V（如3V）为开路；设置电压下限为0.2V，低于0.2V（如0.1V）为短路。

此方法仅限于测试信号管脚（输入、输出及IO口），不能应用于电源管脚如VDD和VSS.

      电源类管脚结构和信号类管脚不一样，无法照搬上述测试方法。

不过也可以测试其开路情形，如遵循已知的良品的测量值，直接去设置上下限。

                                     图3-3.Open-ShortTestdatalog 

第四章.DC参数测试

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摘要

本章节我们来说说DC参数测试，大致有以下内容，

   ⏹        欧姆定律等基础知识

   ⏹        DC测试的各种方法

   ⏹        各种DC测试的实现

   ⏹        各类测试方法的优缺点

 基本术语

      在大家看DC测试部分之前，有几个术语大家还是应该知道的，如下：

       HotSwitching           热切换，即我们常说的带电操作，在这里和relay（继电器）有

                          关，指在有电流的情况下断开relay或闭合relay的瞬间就有电流

                         流过（如：

闭合前relay两端的电位不等）。

热切换会减少relay

                                             的使用寿命，甚至直接损坏relay，好的程序应避免使用热切换。

        Latch-up                   闩锁效应，由于在信号、电源或地等管脚上施加了错误的电压，

                          在CMOS器件内部引起了大电流，造成局部电路受损甚至烧毁，

                         导致器件寿命缩短或潜在失效等灾难性的后果。

 Binning

      Binning（我很苦恼这玩意汉语怎么说——译者）是一个按照芯片测试结果进行自动分类的过程。

在测试程序中，通常有两种Binning的方式——hardbinning和softbinning.Hardbinning控制物理硬件实体（如机械手）将测试后的芯片放到实际的位置中去，这些位置通常放着包装管或者托盘。

Softbinning控制软件计数器记录良品的种类和不良品的类型，便于测试中确定芯片的失效类别。

Hardbinning的数目受到外部自动设备的制约，而Softbinning的数目原则上没有限制。

下面是一个Binning的例子：

      Bin#                                   类别

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