认识半导体和测试设备

认识半导体和测试设备

本章节包括以下内容，

●晶圆（Wafers）、晶片（Dice）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（Loadboards）、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。

注：本标题系列连载内容及图片均出自《The Fundamentals Of Digital Semiconductor Testing》

第一章.认识半导体和测试设备(2)

在一个Die封装之后，需要经过生产流程中的再次测试。这次测试称为“Final test”（即我们常说的FT测试）或“Package test”。在电路的特性要求界限方面，FT测试通常执行比CP 测试更为严格的标准。芯片也许会在多组温度条件下进行多次测试以确保那些对温度敏感的特征参数。商业用途（民品）芯片通常会经过0℃、25℃和75℃条件下的测试，而军事用途（军品）芯片则需要经过 -55℃、25℃和125℃。

芯片可以封装成不同的封装形式，图4显示了其中的一些样例。一些常用的封装形式如下表：

DIP：Dual Inline Package (dual indicates the package has pins on two sides)

CerDIP：Ceramic Dual Inline Package

PDIP：Plastic Dual Inline Package

PGA：Pin Grid Array

BGA：Ball Grid Array

SOP：Small Outline Package

TSOP：Thin Small Outline Package

TSSOP：Thin Shrink Small Outline Package (this one is really getting small!)

SIP：Single Inline Package

SIMM：Single Inline Memory Modules (like the memory inside of a computer)

QFP：Quad Flat Pack (quad indicates the package has pins on four sides)

TQFP：Thin version of the QFP

MQFP：Metric Quad Flat Pack

MCM：Multi Chip Modules (packages with more than 1 die (formerly called hybrids)

第一章.认识半导体和测试设备(3)

二、自动测试设备

随着集成电路复杂度的提高，其测试的复杂度也随之水涨船高，一些器件的测试成本甚至占到了芯片成本的大部分。大规模集成电路会要求几百次的电压、电流和时序的测试，以及百万次的功能测试步骤以保证器件的完全正确。要实现如此复杂的测试，靠手工是无法完成的，因此要用到自动测试设备（ATE，Automated Test 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ProbeCard来实现测试系统和Die之间物理的和电气的连接，而ProbeCard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。

当Die封装出来后，它们还要经过FT测试，这种封装后的测试需要手工将一个个这些独立的电路放入负载板（Load board）上的插座（Socket）里，这叫手工测试（hand test）。一种快速进行FT测试的方法是使用自动化的机械手（Handler），机械手上有一种接触装置实现封装引脚到负载板的连接，这可以在测试机和封装内的Die之间提供完整的电路。机械手可以快速的抓起待测的芯片放入测试点（插座），然后拿走测试过的芯片并根据测试pass/fail的结果放入事先定义好的相应的Bin区。

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。

第一章.认识半导体和测试设备(4)

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。