大規(guī)模集成電路測試程序質(zhì)量控制方法研究

孫宇，唐銳，王小強

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

集成電路測試技術(shù)伴隨著集成電路的飛速發(fā)展而發(fā)展，對促進集成電路的進步和廣泛應(yīng)用作出了巨大的貢獻。集成電路測試是對集成電路或模塊進行檢測，通過測量對于集成電路的輸出響應(yīng)和預(yù)期輸出比較，以確定或評估集成電路元器件功能和性能的過程，是驗證設(shè)計、監(jiān)控生產(chǎn)、保證質(zhì)量和分析失效，以及指導(dǎo)應(yīng)用的重要手段。集成電路測試技術(shù)是對集成電路進行設(shè)計驗證和批產(chǎn)把關(guān)的重要環(huán)節(jié)。對集成電路進行測試不僅能夠判斷被測產(chǎn)品是否合格，而且還能夠發(fā)現(xiàn)有關(guān)制造過程的有用信息及設(shè)計過程中的薄弱環(huán)節(jié)，對于優(yōu)化設(shè)計過程，提高產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要的意義。隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，集成電路測試將扮演著越來越重要的角色。然而，由于集成電路測試程序的測試結(jié)果容易受到多環(huán)節(jié)、多方面不確定的因素的影響，因而，對集成電路測試程序自身的質(zhì)量控制方法進行研究就顯得尤為重要。

為了保證開發(fā)的大規(guī)模集成電路測試程序的測試質(zhì)量，電子五所在其內(nèi)部開展了對大規(guī)模集成電路測試程序的評審工作。并在編程任務(wù)完成之后，將開發(fā)的評審程序應(yīng)用到了實踐中，對8款不同的集成電路的測試程序進行了評審，從而保證了測試程序的質(zhì)量，提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 大規(guī)模集成電路測試開發(fā)的過程

a）測試計劃制定階段

根據(jù)產(chǎn)品的特點，選取自動化測試設(shè)備（ATE： Automatic Test Equipment）， 并根據(jù)被測設(shè)備 （DUT：Device Under Test）的類型、頻率、功耗和引腳數(shù)等信息，合理地配置數(shù)字通道、模擬選件，以及射頻 （RF）能力等測試設(shè)備資源，制定詳細(xì)的測試計劃。

b）設(shè)計階段

根據(jù)DUT的封裝形式，選購或定制測試座（socket或contactor），并設(shè)計DUT到 ATE的硬件接口，實現(xiàn)測試信號的連通。

c）測試程序開發(fā)階段

城南污水廠工程是一種水廠＋管網(wǎng)同步施工、開放式的團隊作業(yè)項目，交叉作業(yè)環(huán)節(jié)多，地下、地上、高空環(huán)境復(fù)雜、隱患多，人、機、環(huán)境三者高度統(tǒng)一，才能保證安全生產(chǎn)。

在加工測試接口板或測試探卡的同時，開發(fā)測試程序，包括生成測試信道配置 （pin）文件、編寫信號電平 （level）文件、優(yōu)化和轉(zhuǎn)換測試向量（timing&vector）、模擬信號測試編程，以及離線（offline） 調(diào)試等。

d）技術(shù)支持階段

由芯片設(shè)計人員配合，進行測試程序的在線（online）調(diào)試，并根據(jù)實際測試的結(jié)果提出產(chǎn)品的改進意見。

圖1 大規(guī)模集成電路測試開發(fā)過程

e）生產(chǎn)轉(zhuǎn)換階段

主要進行量產(chǎn)測試程序的優(yōu)化和自動送料器（handler）的配置，盡量地提高測試效率，縮短芯片的測試時間。

集成電路測試開發(fā)的復(fù)雜性導(dǎo)致了其測試開發(fā)的結(jié)果極易受多環(huán)節(jié)、多方面不確定的因素的影響，從而影響到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性；另一方面，一旦測試程序固化，則其測試過程將具有可復(fù)制性。

2 測試程序質(zhì)量控制方法

2.1 測試程序設(shè)計過程中常見的問題

在電子設(shè)計自動化 （EDA：Electronic Design Automation）軟件工具和半導(dǎo)體制造工藝飛速發(fā)展的推動下，集成電路的功能變得更加復(fù)雜了，對集成電路進行測試的難度也愈來愈大了，因而，其對測試軟硬件的要求也變得越來越高了。業(yè)界人員研究表明，集成電路測試開發(fā)過程中的問題主要體現(xiàn)在以下4個方面。

a） 系統(tǒng)級芯片 （SoC：System on a Chip） 的測試程序編程錯誤，例如：測試條件設(shè)置不正確和計算方法錯誤等，這些都是致命性的錯誤，將直接影響到對芯片質(zhì)量的判定。對相關(guān)器件特性的了解程度以及對相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)的理解能力都會影響到集成電路測試程序的質(zhì)量，因為兩者最終都將以測試代碼的表現(xiàn)形式在測試程序中體現(xiàn)并在測試結(jié)果中表征出來。

b）SoC測試向量所測試的功能不全或者測試系統(tǒng)的魯棒性不夠好，從而使得芯片被置于競爭狀態(tài)，或者沒有完全被初始化。

c）測試機硬件出現(xiàn)故障，比如：測試機校準(zhǔn)不到位和測試硬件存在缺陷，測試硬件選擇錯誤及測試硬件的測試精度指標(biāo)達不到測試的要求等。

d）測試夾具設(shè)計存在缺陷，例如：測試夾具對溫度敏感 （將造成電流變化）、測試夾具的阻抗不匹配 （將會導(dǎo)致信號過沖），以及在測試夾具中大量地使用了飛線（將會導(dǎo)致測試信號不穩(wěn)定）等。

2.2 影響測試程序質(zhì)量的因素

大規(guī)模集成電路的測試程序的開發(fā)是基于相應(yīng)硬件機臺的測試軟件的二次開發(fā)過程，其質(zhì)量受測試硬件及測試軟件的適用性的影響，其中包括：測試機臺選取的適用性、測試板設(shè)計的合理性、測試代碼的正確性和功能向量的完備性[3-4]。

a）測試機臺選取的適用性

大規(guī)模集成電路的測試系統(tǒng)雖然具有一定的通用性，但受限于成本和性能的需求差異，并不存在能夠適用于對所有的集成電路進行測試的機臺。由于大規(guī)模集成電路的測試系統(tǒng)軟硬件具有可重配性，因此，即便是相同型號、相同架構(gòu)的測試系統(tǒng)在最高測試速率、數(shù)字通道數(shù)和電源通道數(shù)等方面的性能也不相同。以泰瑞達J 750機臺為例，其經(jīng)濟型價構(gòu)的配置主要用于對最高數(shù)據(jù)傳輸速率為400 Mbps、最高管腳數(shù)為512個的消費類集成電路進行測試。而針對傳輸速率高達1.65 Gbps的視頻編解碼芯片，很顯然，泰瑞達J 750機臺并不能滿足其測試需求。因此，選擇精度和性能都適合的測試機臺對芯片測試結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

b）測試板設(shè)計的合理性

測試板設(shè)計的好壞及使用的測試插座的質(zhì)量將直接影響到芯片的測試結(jié)果。信號完整性在低頻測試時并不會表現(xiàn)出其重要性，但其潛在的影響會在高速信號測試時突顯出來，并直接影響到器件的性能測試的結(jié)果，最嚴(yán)重時則可能會導(dǎo)致器件測試結(jié)果的誤判，從而影響到鑒定檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

c） 測 試 代 碼的正確性

大規(guī)模集成電路測試程序的編寫主要是依據(jù)測試機臺所提供的集成開發(fā)環(huán)境進行的二次代碼編寫。它可以將測試條件、測試方法和測試判據(jù)以代碼的形式體現(xiàn)出來，通過軟件編譯控制硬件量測，從而完成對芯片的測試。因此，代碼的正確性將直接影響到芯片的測試質(zhì)量。

集成電路測試程序的主體通常是以可視化的流程圖的形式體現(xiàn)出來的。每一個參數(shù)測試項以一個測試子集的形式存在，而若干個測試子集則構(gòu)成了芯片測試流程圖。圖2是基于93000測試系統(tǒng)開發(fā)的某款芯片的測試流程圖。當(dāng)選中了某個測試子集時，在其右邊區(qū)域會對應(yīng)地顯示出當(dāng)前測試參數(shù)所選擇的交直流約束條件、向量激勵文件。對應(yīng)的黃窗口則定義了進行測試管腳數(shù)的設(shè)定、直流設(shè)置條件，參數(shù)測量方式及判據(jù)[4]。

因此，在對測試代碼進行評審的過程中，將主要根據(jù)測試子集中規(guī)定的約束條件及判據(jù)來制定評審方法，而其詳細(xì)規(guī)范所規(guī)定的測試條件、判據(jù)和相關(guān)測試方法則是評審的重要依據(jù)。

d）測試向量的完備性

圖2 集成電路測試程序主體

如何確保芯片聲稱的功能模塊都能在實際測試中被覆蓋到，這是集成電路設(shè)計人員和測試開發(fā)人員所共同致力的方向，也是用戶在使用整機時所關(guān)心的問題。對于簡單的互補全高氧化物半導(dǎo)體（CMOS： Complementary Metal-Oxide-Semicanductor Transistor）器件，其測試向量可以通過手工編寫的方式生成。而對于大規(guī)模集成電路，其測試向量的生成則必須依賴于設(shè)計所提供的仿真文件。在實際執(zhí)行的時候發(fā)現(xiàn)，功能測試向量的生成有時存在隨意性，僅僅是為了滿足測試標(biāo)準(zhǔn)中對交直流參數(shù)的規(guī)定，然而，至于其完備性如何卻無法證明。大規(guī)模集成電路的功能驗證非常復(fù)雜，對測試向量的完備性進行評價，可以通過對基于不同故障測試類型的向量類型進行細(xì)化研究的方式來進行。集成電路故障測試的類型主要包括4種，即：內(nèi)建自測試（MBIST： Memory Built In Serf Test）、 邊界掃描測試 （BST：Boundary Scan Test）、 掃描鏈測試（Scan-chain Test） 和功能測試 （FCT：Functional Test）。不同的故障類型將采用不同的測試方法，例如：測試片上靜態(tài)隨機存儲器 （SRAM：Static Random Access Memory）的故障時，主要采用MBIST；測試系統(tǒng)PAD的故障時，主要采用BST；測試隨機邏輯的故障時，采用掃描鏈測試；測試特殊IP的故障時，則會采用基于總線的功能測試方法。而不同的測試方法中所用到的測試向量也會不同，由于上述4種測試方法中的測試向量均需設(shè)計方提供，因此，在研究中除了需要考慮無失真向量的轉(zhuǎn)換外，還需要從器件的功能模塊、詳細(xì)規(guī)范中聲稱的器件所具有的性能來評價設(shè)計方提供的向量的完備性。

2.3 測試程序評審

根據(jù)上述影響大規(guī)模集成電路測試程序的質(zhì)量的因素和可采用的保證大規(guī)模集成電路測試程序的質(zhì)量的有效措施，從中析取出大規(guī)模集成電路測試程序評審要素，從大規(guī)模集成電路的測試設(shè)備、測試電路板的適用性、測試向量對芯片功能的覆蓋性、大規(guī)模集成電路交直流參數(shù)測試條件與輸出判據(jù)的符合性等方面對大規(guī)模集成電路的測試程度進行評審。測試程序評審流程如圖3所示，主要過程如下所述。

a）首先，對相關(guān)文件進行評審，在進行測試前，準(zhǔn)備單位應(yīng)向檢測機構(gòu)提供的相關(guān)材料，并交由檢測機構(gòu)進行審核。

b）在文件通過了審核后，組織專家按評審準(zhǔn)則及技術(shù)規(guī)范對測試程序軟件進行現(xiàn)場評審，評審的內(nèi)容可包括：功能向量測試、靜態(tài)參數(shù)測試、動態(tài)參數(shù)測試和交流參數(shù)測試等。

圖3 測試程序評審流程

c）對標(biāo)準(zhǔn)器件即標(biāo)準(zhǔn)集成電路樣品進行現(xiàn)場測試。

d）輸出測試程序的評審報告。通過評審報告即可評定集成電路的測試程序是否通過了審核。

最終，在編程任務(wù)完成之后，筆者所在的測試開發(fā)項目組還將整套評審程序運用到了實際中，對8款不同類型的集成電路的測試程序進行了評審，從而保證了測試程序的質(zhì)量，使得最終的測試結(jié)果能夠真實地反映出被測電路的性能。

3 結(jié)束語

本文提出了一套適用于在自動測試設(shè)備上開發(fā)的集成電路自動測試程序的質(zhì)量控制方法，以確保測試程序的測試結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并且能夠真實地反映被測器件的性能。本文的大規(guī)模集成電路測試程序質(zhì)量控制方法包括文件審核、現(xiàn)場審核，以及標(biāo)準(zhǔn)器件測試等主要步驟，最終在單位研制的集成電路測試過程中開展應(yīng)用，收到了良好的效果。

[1]韓銀和，李曉維，羅飛茵，等.芯片的驗證分析及測試流程優(yōu)化技術(shù) [J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2005， 17 （10）： 2227-2231.

[2]王曄.SoC芯片并行測試中幾個值得關(guān)注的問題 [J].半導(dǎo)體技術(shù)，2010，12（35）：1199-1203.

[3]PATERAS S.Achieving at-speed structural test[J].IEEE Design&Test of Computers， 2003， 20 （5）： 26-33.

[4]ALFRED L.Crouch.AC scan needed for nanoscale device testing[Z/OL]. （2001-06-21） .http://www.eedesign.com/article/showArticle.jhtml?articleId=22100354.[5]TUMIN K， VARGAS C， PATTERSON R， et al.Scan vs.functional testing-a comparative effectiveness study on Motorola’s MMC2107TM[C]//IEEE International Test Conference， 2001： 443-450.