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半导体测试

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The Fundamentals Of Digital Semiconductor Testing

数字半导体测试基础原理

第一章.认识半导体和测试设备

概述、本章节包括以下内容

● 晶圆（Wafers）、晶粒（Die）和封装（Packages）

● 自动测试设备（ATE）的总体认识

● 模拟、数字和存储器测试等系统的介绍

● 负载板（Load boards)、探测机（Probers）、机械手（Handlers）和温度控制单元（Temperature units）

一、晶圆、晶片和封装

1947 年，第一只晶体管的诞生标志着半导体工业的开始，从那时起，半导体生产和制造技术变得越来越重

要。以前许多单个的晶体管现在可以互联加工成一种复杂的集成的电路形式，这就是半导体工业目前正在制造

的称之为"超大规模"（VLSI，Very Large Scale Integration）的集成电路，通常包含上百万甚至上千万门晶

体管。

半导体电路最初是以晶圆形式制造出来的。晶圆是一个圆形的硅片，在这个半导体的基础之上，建立了许

多独立的单个的电路；一片晶圆上这种单个的电路被称为 die（我前面翻译成"晶片"，不一定准确，大家还是称

之为 die 好了），它的复数形式是 dice.每个 die 都是一个完整的电路，和其他的 dice 没有电路上的联系。当

制造过程完成，每个 die 都必须经过测试。测试一片晶圆称为"Circuit probing"（即我们常说的 CP 测试）、

"Wafer porbing"或者"Die sort"。在这个过程中，每个 die 都被测试以确保它能基本满足器件的特征或设计规

格书（Specification），通常包括电压、电流、时序和功能的验证。如果某个 die 不符合规格书，那么它会被

测试过程判为失效（fail），通常会用墨点将其标示出来（当然现在也可以通过 Maping 图来区分）。在所有的

die 都被探测（Probed）之后，晶圆被切割成独立的 dice，这就是常说的晶圆锯解，所有被标示为失效的 die

都报废（扔掉）。图 2 显示的是一个从晶圆上锯解下来没有被标黑点的 die，它即将被封装成我们通常看到的芯

片形式。

Equipment）。

ATE 是一种由高性能计算机控制的测试仪器的集合体，是由测试仪和计算机组合而成的测试系统，计算机通

过运行测试程序的指令来控制测试硬件。测试系统最基本的要求是可以快速且可靠地重复一致的测试结果，即

速度、可靠性和稳定性。为保持正确性和一致性，测试系统需要进行定期校验，用以保证信号源和测量单元的

精度。

当一个测试系统用来验证一片晶圆上的某个独立的 Die 的正确与否，需要用 Probe Card 来实现测试系统和

Die 之间物理的和电气的连接，而 Probe Card 和测试系统内部的测试仪之间的连接则通过一种叫做“Load board”

或“Performance board”的接口电路板来实现。在 CP 测试中，Performance board 和 Probe card 一起使用构

成回路使电信号得以在测试系统和 Die 之间传输。

三、半导体技术

有一系列的方法被用来生产和制造数字半导体电路，这些方法称为半导体技术或工艺，常用的技术或工艺

包括：TTL (Transistor-Transistor Logic a.k.a. bipolar logic), ECL (Emitter Coupled Logic), SOS (Silicon

on Sapphire), and CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor)。不管什么技术或工艺，出来的产品

都要经过测试，这里我们关注数字 TTL 和 CMOS 电路。

四、数字和模拟电路

过去，在模拟和数字电路设计之间，有着显著的不同。数字电路控制电子信号，表现为逻辑电平“0”和“1”，

它们被分别定义成一种特殊的电压分量，所有有效的数字电路数据都用它们来表示，每一个“0”或“1”表示

数据的一个比特（bit）位，任何数值都可以由按照一定顺序排列的“0”“1”比特位组成的二进制数据来表示，

数值越大，需要的比特位越多。每 8 个比特一组构成一个 Byte，数字电路中的数据经常以 Byte 为单位进行处理。

不同于数字信号的“0”“1”界限分明（离散），模拟电路时连续的——在任何两个信号电平之间有着无穷的

数值。模拟电路可以使用电压或电流来表示数值，我们常见的也是最常用的模拟电路实例就是运算放大器，简

称运放。为帮助理解模拟和数字电路数值的基本差别，我们可以拿时钟来比方。“模拟”时钟上的指针连续地

移动，因此所有的任一时间值可以被观察者直接读出，但是所得数值的准确度或者说精度取决于观察着认知的

程度。而在“数字”时钟上，只有最小增量以上的值才能被显示，而比最小增量小的值则无法显示。如果有更

高的精度需求，则需要增加数据位，每个新增的数据位表示最小的时间增量。有的电路里既有数字部分也有模

拟部分，如 AD 转换器（ADC）将模拟信号转换成数字信号，DA 转换器（DAC）则相反，我们称之为“混合信号电

路”（Mixed Signal Devices）。另一种描述这种混合电路的方法则基于数字部分和模拟部分占到电路的多少：

数字部分占大部分而模拟部分所占比例较少归于数字电路，反之则归于模拟电路。

五、测试系统的种类

一般认为测试系统都是通用的，其实大部分测试系统的设计都是面向专门类型的集成电路，这些专门的电

路包括：存储器、数字电路、模拟电路和混合信号电路；每种类型下还可以细分成更多种类，我们这里只考虑

这四种类型

5.1

存储器件类

我们一般认为存储器是数字的，而且很多

测试参数对于存储类和非存储类的数字器件是通用的，

虽然如此，存储器的测试还是用到了一些独特的功能测试过程。带内存的自动测试系统使用一种算法模式

生成器（

APG

，

algorithmic pattern generator

）去生成功能测试模型，使得从硬件上生成复杂的功能测试序

列成为可能，这样我们就不用把它们当作测试向量来保存。存储器测试的一些典型模型包括：棋盘法、反

棋盘法、走

、走

、蝶形法，等等……

APG

在器件的每次测试时生成测试模型，而不带内存的测试系统

将预先生成的模型保存到向量存储区，然后每次测试时从中取出数据。存储器测试通常需要很长的测试时

间去运行所要求的测试模型，为了减少测试成本，测试仪通常同时并行测试多颗器件。

5.2 模拟或线形器件类

模拟器件测试需要精确地生成与测量电信号，经常会要求生成和测量微伏级的电压和纳安级的电流。

相比于数字电路，模拟电路对很小的信号波动都很敏感，DC 测试参数的要求也和数字电路不一样，需要

更专业的测试仪器设备，通常会按照客户的选择在设计中使用特殊的测试仪器甚至机架。模拟器件需要测

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光与火花

2023-07-26

这本文件很详细地解释了数字半导体测试的基本原理，对于想要深入了解该领域的人来说是不可多得的资源。

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