微电子发展趋势及现状

1.1 引言微电子（Microelectronics）技术和集成电路（Integrated Circuit, IC）作为20世纪的产物，它是文明进步的体现和人类智慧的结晶。

随着国际信息社会的发展，微电子技术已经广泛地应用于国民经济、国防建设等各个方面。

尤其是近半个世纪以来，以微电子技术为支柱的微电子行业以每年平均15%的速率增长，成为整个信息产业的基础。

集成电路也依照摩尔（Moore）定律（每隔3年芯片集成度提高4倍，特征尺寸减小30%）不断向着高度集成化、小间距化和高性能化的方向发展，成为了影响世界各国国家安全和经济发展的重要因素；它的掌控程度也已成为衡量一个国家综合实力的标志之一[1]。

电子信息产品的日益广泛应用，使得集成电路的需求也一直呈大幅度上涨的趋势。

据统计，2000年世界集成电路市场总额达到2050亿美元，市场增幅高达37%；到2010年全球市场规模达到2983亿美元，市场增速达31.8%。

虽然近些年来我国的技术水平了有了大幅度地提高，但是与国际的先进水平相比，差距没有得到有效缩小。

而且由于我国国内市场的巨大和对集成电路的需求每年以20%的速度增长，我国集成电路产业自给能力不足，产业规模很小，市场上国内产品的占有率依旧很低。

而且企业不仅规模小且分散，持续创新能力不强，掌握的核心技术少，与国外先进水平相比有较大差距；价值链整合能力较弱，芯片与整机联动机制尚不成熟，国内自主研发的芯片无法进入重点整机应用领域，所以只能大量依靠进口满足国内需求[2-4]。

据海关的统计数据，2010年中国集成电路的进口额就高达1570亿美元。

因此，扩大集成电路产业规模和提高微电子技术水平发展迫在眉睫。

1.2 课题来源本课题来源于国家重大基础研究发展计划项目（973计划）“IC制造装备基础问题研究”的课题3“超薄芯片叠层组合互连中多域能量传递与键合形成”(编号：2009CB724203)。

1.3 IC测试技术的发展与现状集成电路产业是由设计业、制造业、封装业和测试业等四业组成[5]。

测试业作为IC产业的重要一环，其生存和发展与IC产业息息相关。

IC测试服务行业是测试行业的重要组成部分，从1999年开始，适应我国集成电路产业的发展正在逐渐兴起。

集成电路测试是对集成电路或模块进行检测，通过测量将集成电路的输出响应和预期的输出作比较，以确定或评估集成电路元器件功能和性能的过程 [6-8]。

集成电路是利用微电子技术将一些元件和器件在同一材料上紧密互连在一起，形成一个完整的具有独立功能的电路或系统，而集成电路的测试就是使用各种方法，检测出在制造过程中由于物理缺陷而引起的不符合要求的样品[9]。

测试技术对于集成电路很重要，它直接关系到产品的成本和可靠性，但由于实际的制造过程中所带来的缺陷以及材料本身或多或少所含有的缺陷，因此无论怎样完美的工程都会产生不良的个体，因而测试也就成为了集成电路制造中不可或缺的一部分[10]。

图1-1 集成电路制造过程目前根据集成电路的设计过程和制造过程(如图1-1所示)中对IC测试的需求，集成电路测试主要分为4个部分[11]：(1)设计验证测试。

主要通过特征分析包括对门临界电压、金属场临界电压、金属多点接触电阻以及FET寄生漏电等的分析，在器件量产之前，检测设计中的错误和缺陷，保证设计的正确性和器件的性能参数的准确，满足规范要求。

在验证技术、验证流程和验证评估等领域方面，SoC(System on a Chip)验证研究取得了一定程度的进步，但是总体来说仍然落后于IC设计和制造能力[12]。

在整个设计过程中，验证测试是无处不在的，它是一个不断迭代的过程，用来保证每个设计阶段都不会引出新的设计错误。

(2)晶圆测试。

就是对晶圆上每个芯片进行测试，测试每个芯片上凸点的电特性，不合格的芯片会标上记号并淘汰，以确保出产的每个芯片的正常功能和性能，也被称为中间测试（中测），目前应用最为广泛的晶圆测试是使用探针测试台等设备完成测试操作。

(3)封装测试。

就是在封装后把已制造完成的半导体元件进行结构及电器功能的确认，以保证半导体元件符合系统的要求，也被称为成品测试（成测）。

它主要包括功能测试、交流和直流参数测试等，而封装测试中最不稳定的因素就是器件与测试头之间连线所引起的电感。

(4)可靠性保证测试。

在规定的年限之内保证器件的正常工作的同时，要进行环境、机械和电磁试验，以验证其可靠性，另外一般还包括失效分析。

按照集成电路测试所涉及的内容，可以将其分为参数测试、功能测试和结构测试三个部分。

(1)参数测试。

不同的信号电路有各自不同的自定义参数。

一般的参数测试主要分为直流和交流，直流参数测试包括短断路、泄漏和阀值测试等；而交流包括延时、工作频率和访问时间测试等。

(2)功能测试。

它是检验芯片的内部结构是否满足设计规范。

(3)结构测试。

根据电路的内部结构，一故障模型为核心的结构测试算法可以推算出内部的节点状态变化和输出引脚的值变化。

IC测试不仅作为集成电路产业链中的一个环节，而且也是验证产品出厂的关键。

以往的IC测试仅仅是集成电路生产中的一道工序，且被捆绑在集成电路制造业或封装业中。

随着集成电路产业分工的日益明确以及对集成电路的品质的重视，再加上成本和技术等诸多因素，集成电路测试业逐渐成为了一个集成电路产业中不可或缺的专业化独立行业，并作为集成电路设计制造和封装有力的技术支撑，推动着整个集成电路产业的高速发展[13]。

IC测试的水平和能力的提高是保障集成电路性能与质量的关键手段之一，也是IC测试产业兴衰的一个重要标志[14]。

首先，随着集成电路设计技术的不断创新和集成电路工艺的不断进化，集成电路测试技术逐渐有了一个不断发展的新起点，但是必须寻找对策解决如何提升由IC制造工艺不断革新所带来的测试质量和如何降低对由IC设计规模不断扩大所带来的测试成本这两个最主要的问题。

其次，随着集成电路制造技术的进步和消费领域发展对混合信号集成电路的需求，集成电路芯片变得日益复杂而且其性能也得到快速提高，同时芯片的引脚数和测试速度也在不断攀升，因而使得对测试的要求不断地朝着高速数模混合测试方向发展，对高速和高性价比的测试系统的需求会不断上升，因而测试设备与被测芯片的可靠性连接越来越显得重要[15]。

最后，集成电路的发展也驱使着集成电路测试系统的不断发展，而要实现测试设备的速度越来越快，测试能力越来越高，测试精度越来越准，必然会导致测试系统的制造工艺、结构和复杂行提高，而且测试过程中芯片与测试仪器间的稳定性连接技术成为了一个亟待解决的问题。

国内集成电路测试技术能力的现状：目前，国际上IC检测得到了高速发展，也具有相当高的测试水平和能力，但高水平的IC测试系统主要集中在美国和日本两个集成电路生产大国，据TSIA （台湾半导体协会）统计，中国台湾地区集成电路设计公司有263家，芯片制造企业有15家，封装公司有32家，而在1995年前台湾的IC测试业只是合并于制造业或封装业，随着集成电路产业的发展，从而才出现了集成电路测试业，目前测试公司达到37家之多[16]。

我国于20世纪70年代初开始对IC测试技术和测试系统的研发；通过研究国际上集成电路产业发展的成熟经验，为了适应国内集成电路产业的发展需要，国内首先建立起中性的专业集成电路检测公司，逐步形成集成电路测试服务产业。

1999年，北京自动测试技术研究所发起组建了专业从事集成电路测试加工的微电子测试企业——无锡市泰思特测试有限责任公司，它是我国国内第一家集成电路专业测试公司。

公司成立几年来业务进展迅速，2001年经过重新扩充和改造，建成了1000级净化检测厂房；2003年承建了国家集成电路设计产业化无锡基地测试平台；2007年承建了无锡（国家）工业设计园微电子测试中心。

目前已经能够独立完成多类专用芯片和电路的测试，并开发消费类ASIC测试软件等多个品种，每月测试能力超出5000片，公司处于满负荷运转状态[17]。

作为我国国内第一家专业的IC检测公司，它开创了我国集成电路测试产业的先河，带动了我国IC测试产业的发展，同时也是中国建立专业的集成电路检测公司进行有益探索的体现。

随后2001年8月底华岭集成电路技术有限责任公司也正式开业。

作为上海首家集成电路专业测试公司，公司目前以机构拥有4000多平米的测试厂房，1000级净化标准，而且拥有100多台套45nm、12英寸先进测试系统，已经具备有自主技术创新研发和持续发展能力。

通过几年的测试服务，这两家集成电路测试服务公司正在满负荷的运行。

经过四十多年的发展，我国集成电路测试产业实现了从无到有、从小到大，由硬件和软件分离开发到系统集成，由山寨仿制到独立自主开发，而且已经遍布于中央和地方科研机构、专业研究所、测试集团公司和重点院校等广大测试群体中[18]。

目前我国拥有50MHz和100MHz通用测试系统平台，以及集成电路验证测试服务平台，已经能够基本上完全满足模拟集成电路测试、数字集成电路测试、数模混合信号测试以及芯片探针测试等需求[19]。

像由北京自动测试技术研究所、中国华大集成电路设计（集团）有限责任公司及北京中电华大电子设计有限责任公司共同投资设立的北京华大泰思特半导体检测技术有限公司，它拥有多台套高端集成电路测试设备，先后承担过几个国家级项目并取得成果，具有能够为IC设计公司提供各种设计验证服务的实力。

而且公司自主成功开发出全并行测试技术，在智能IC卡芯片的生产测试中得到实际应用，取得良好效果。

除此之外，公司还自主开发成功多个百万门级片上系统（SoC）芯片的测试程序，不仅具有高速、高精度和高可靠的连接技术，而且还大大降低开发成本、缩短IC测试的开发周期。

集成电路测试贯穿于集成电路产业整个过程中，其起到的作用将越来越大，而且我国IC行业也在快速发展，对公共测试的需求越来越大，从而使得近几年来国内封装测试产业涌现出了一批专业芯片测试公司。

像南通富士通、长电科技和广州集成电路测试中心等公司，已经具有一定的规模，在国内IC测试行业中取得了一定成就。

受到国内市场需求的促使，以及集成电路CAD（计算机辅助设计）设计水平的提高，国产的高性能SoC和ASIC芯片将会大量出现，而能够符合测试成品需求和优良技术服务的国产测试设备将会成为主流[20]。

然而，不断提高IC芯片的技术要求和性能使得芯片的测试要求也不断提高。

从目前国内的半导体行业行情来看，IC测试能力与设计、制造和封装相比，是最薄弱的环节。

尤其与IC设计业相比较，我国集成电路测试业的发展比较滞后，不仅远远落后于美国、日本等发达国家，而且也跟不上我国IC产业发展的速度，满足不了我国对测试业的日益大增的需求，反而在一定程度上制约了我国IC产业的发展。

大多测试服务公司或平台本可以为IC设计业提供先进的验证测试服务，也可以为IC制造业提供中测和成测，为创业初期的小型IC设计公司提供强有力的技术支持，但是目前国内能够独立承担专业测试服务的公司很少，不能满足众多集成电路设计公司的产业化测试需求，从而更进一步的制约了我国集成电路产业的发展且逐渐成为了需突破的一个瓶颈[21]。