半導(dǎo)體廠商如何做芯片的出廠測試

半導(dǎo)體廠商如何做芯片的出廠測試呢，這對芯片來說，是流片后或者上市前的必須環(huán)節(jié)。

　　大公司的每日流水的芯片就有幾萬片，測試的壓力是非常大。當(dāng)芯片被晶圓廠制作出來后，就會進(jìn)入WaferTest的階段。這個階段的測試可能在晶圓廠內(nèi)進(jìn)行，也可能送往附近的測試廠商代理執(zhí)行。生產(chǎn)工程師會使用自動測試儀器(ATE)運(yùn)行芯片設(shè)計(jì)方給出的程序，粗暴的把芯片分成好的/壞的這兩部分，壞的會直接被舍棄，如果這個階段壞片過多，基本會認(rèn)為是晶圓廠自身的良品率低下。如果良品率低到某一個數(shù)值之下，晶圓廠需要賠錢。

　　WT的測試結(jié)果多用這樣的圖表示：

　　通過了WaferTest后，晶圓會被切割。切割后的芯片按照之前的結(jié)果分類。只有好的芯片會被送去封裝廠封裝。封裝的地點(diǎn)一般就在晶圓廠附近，這是因?yàn)槲捶庋b的芯片無法長距離運(yùn)輸。封裝的類型看客戶的需要，有的需要球形BGA，有的需要針腳，總之這一步很簡單，故障也較少。由于封裝的成功率遠(yuǎn)大于芯片的生產(chǎn)良品率，因此封裝后不會測試。

　　封裝之后，芯片會被送往各大公司的測試工廠，也叫生產(chǎn)工廠。并且進(jìn)行FinalTest。生產(chǎn)工廠內(nèi)實(shí)際上有十幾個流程，F(xiàn)inalTest只是第一步。在FinalTest后，還需要分類，刻字，檢查封裝，包裝等步驟。然后就可以出貨到市場。

　　FinalTest是工廠的重點(diǎn)，需要大量的機(jī)械和自動化設(shè)備。它的目的是把芯片嚴(yán)格分類。以Intel的處理器來舉例，在FinalTest中可能出現(xiàn)這些現(xiàn)象：

　　1.雖然通過了WaferTest，但是芯片仍然是壞的。

　　2.封裝損壞。

　　3.芯片部分損壞。比如CPU有2個核心損壞，或者GPU損壞，或者顯示接口損壞等

　　4.芯片是好的，沒有故障

　　這時，工程師需要和市場部一起決定，該如何將這些芯片分類。打比方說，GPU壞了的，可以當(dāng)做無顯示核心的“賽揚(yáng)”系列處理器。如果CPU壞了2個的，可以當(dāng)“酷睿i3”系列處理器。芯片工作正常，但是工作頻率不高的，可以當(dāng)“酷睿i5”系列處理器。一點(diǎn)問題都沒有的，可以當(dāng)“酷睿i7”處理器。

　　(上面這段僅是簡化說明“芯片測試的結(jié)果影響著產(chǎn)品最終的標(biāo)簽”這個過程，并不是說Intel的芯片量產(chǎn)流水線是上文描述的這樣。實(shí)際上Intel同時維持著多個產(chǎn)品流水線，i3和i7的芯片并非同一流水線上產(chǎn)品。)

　　那這里的FinalTest該怎樣做？

　　以處理器舉例，F(xiàn)inalTest可以分成兩個步驟：1。自動測試設(shè)備(ATE)。2。系統(tǒng)級別測試(SLT)。2號是必要項(xiàng)。1號一般小公司用不起。

　　ATE的測試一般需要幾秒，而SLT需要幾個小時。ATE的存在大大的減少了芯片測試時間。

　　ATE負(fù)責(zé)的項(xiàng)目非常之多，而且有很強(qiáng)的邏輯關(guān)聯(lián)性。測試必須按順序進(jìn)行，針對前列的測試結(jié)果，后列的測試項(xiàng)目可能會被跳過。這些項(xiàng)目的內(nèi)容屬于公司機(jī)密，我僅列幾個：比如電源檢測，管腳DC檢測，測試邏輯(一般是JTAG)檢測，burn-in，物理連接PHY檢測，IP內(nèi)部檢測(包括Scan，BIST，F(xiàn)unction等)，IP的IO檢測(比如DDR，SATA，PLL，PCIE，Display等)，輔助功能檢測(比如熱力學(xué)特性，熔斷等)。

　　這些測試項(xiàng)都會給出Pass/Fail，根據(jù)這些Pass/Fail來分析芯片的體質(zhì)，是測試工程師的工作。

　　SLT在邏輯上則簡單一些，把芯片安裝到主板上，配置好內(nèi)存，外設(shè)，啟動一個操作系統(tǒng)，然后用軟件烤機(jī)測試，記錄結(jié)果并比較。另外還要檢測BIOS相關(guān)項(xiàng)等。

　　圖為測試廠房的布置

　　而所有的這些工作，都需要芯片設(shè)計(jì)工程師在流片之前都設(shè)計(jì)好。測試工作在芯片內(nèi)是由專屬電路負(fù)責(zé)的，這部分電路的搭建由DFT工程師來做，在流片后，DFT工程師還要生成配套輸入矢量，一般會生成幾萬個。這些矢量是否能夠正常的檢測芯片的功能，需要產(chǎn)品開發(fā)工程師來保證。此外還需要測試工程師，產(chǎn)品工程師，和助手來一同保證每天能夠完成幾萬片芯片的生產(chǎn)任務(wù)不會因?yàn)闇y試邏輯bug而延遲。

　　考慮到每一次測試版本迭代都是幾十萬行的代碼，保證代碼不能出錯。需要涉及上百人的測試工程師協(xié)同工作，這還不算流水線技工，因此測試是費(fèi)時費(fèi)力的工作。實(shí)際上，很多大公司芯片的測試成本已經(jīng)接近研發(fā)成本。

1、為什么要進(jìn)行芯片測試？

　　芯片復(fù)雜度越來越高，為了保證出廠的芯片沒有問題，需要在出廠前進(jìn)行測試以確保功能完整性等。而芯片作為一個大規(guī)模生產(chǎn)的東西，大規(guī)模自動化測試是唯一的解決辦法，靠人工或者說benchtest是沒法完成這樣的任務(wù)的。

2、芯片測試在什么環(huán)節(jié)進(jìn)行？

　　芯片測試實(shí)際上是一個比較大的范疇，一般是從測試的對象上分為wafertest和finaltest，對象分別是尚未進(jìn)行封裝的芯片，和已經(jīng)封裝好的芯片。為啥要分兩段？簡單的說，因?yàn)榉庋b也是有cost的，為了盡可能的節(jié)約成本，可能會在芯片封裝前，先進(jìn)行一部分的測試，以排除掉一些壞掉的芯片。而為了保證出廠的芯片都是沒問題的，finaltest也即FT測試是最后的一道攔截，也是必須的環(huán)節(jié)。

3、怎么樣進(jìn)行芯片測試？

　　這需要專業(yè)的ATE也即automatictestequipment。以finaltest為例，首先根據(jù)芯片的類型，比如automotive，MixedSignal，memory等不同類型，選擇適合的ATE機(jī)臺。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)芯片的測試需求，(可能有專門的testspecification的文檔，或者干脆讓測試工程師根據(jù)datasheet來設(shè)計(jì)testspec)，做一個完整的testplan。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個外圍電路loadboard，一般我們稱之為DIBorPIBorHIB，以連接ATE機(jī)臺的instrument和芯片本身。同時，需要進(jìn)行test程序開發(fā)，根據(jù)每一個測試項(xiàng)，進(jìn)行編程，操控instrument連接到芯片的引腳，給予特定的激勵條件，然后去捕捉芯片引腳的反應(yīng)，例如給一個電信號，可以是特定的電流，電壓，或者是一個電壓波形，然后捕捉其反應(yīng)。根據(jù)結(jié)果，判定這一個測試項(xiàng)是pass或者fail。在一系列的測試項(xiàng)結(jié)束以后，芯片是好還是不好，就有結(jié)果了。好的芯片會放到特定的地方，不好的根據(jù)fail的測試類型分別放到不同的地方。

所以樓主的問題里，對于各種功能的測試，確實(shí)可能需要一行一行寫代碼來做測試開發(fā)，這也是我日常工作的一大部分。

芯片fail可以是下面幾個方面：

1.功能fail，某個功能點(diǎn)點(diǎn)沒有實(shí)現(xiàn)，這往往是設(shè)計(jì)上導(dǎo)致的，通常是在設(shè)計(jì)階段前仿真來對功能進(jìn)行驗(yàn)證來保證，所以通常設(shè)計(jì)一塊芯片，仿真驗(yàn)證會占用大約80%的時間
2.性能fail，某個性能指標(biāo)要求沒有過關(guān)，比如2G的cpu只能跑到1.5G，數(shù)模轉(zhuǎn)換器在要求的轉(zhuǎn)換速度和帶寬的條件下有效位數(shù)enob要達(dá)到12位，卻只有10位，以及l(fā)na的noise figure指標(biāo)不達(dá)標(biāo)等等。這種問題通常是由兩方面的問題導(dǎo)致的，一個是前期在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時就沒做足余量，一個就是物理實(shí)現(xiàn)版圖太爛。這類問題通常是用后仿真來進(jìn)行驗(yàn)證的。
3.生產(chǎn)導(dǎo)致的fail。這個問題出現(xiàn)的原因就要提到單晶硅的生產(chǎn)了。學(xué)過半導(dǎo)體物理的都知道單晶硅是規(guī)整的面心立方結(jié)構(gòu)，它有好幾個晶向，通常我們生長單晶是是按照111晶向進(jìn)行提拉生長。但是由于各種外界因素，比如溫度，提拉速度，以及量子力學(xué)的各種隨機(jī)性，導(dǎo)致生長過程中會出現(xiàn)錯位，這個就稱為缺陷。缺陷產(chǎn)生還有一個原因就是離子注入導(dǎo)致的，即使退火也未能校正過來的非規(guī)整結(jié)構(gòu)。這些存在于半導(dǎo)體中的問題，會導(dǎo)致器件的失效，進(jìn)而影響整個芯片。所以為了在生產(chǎn)后能夠揪出失效或者半失效的芯片，就會在設(shè)計(jì)時加入專門的測試電路，比如模擬里面的testmux，數(shù)字里面的scan chain（測邏輯），mbist（測存儲），boundry scan（測io及binding），來保證交付到客戶手上的都是ok的芯片。而那些失效或半失效的產(chǎn)品要么廢棄，要么進(jìn)行閹割后以低端產(chǎn)品賣出。這個就叫做dft測試。通常dft測試會按照需求在封裝前或封裝后進(jìn)行測試，工廠里有專門的ate測試機(jī)臺，用探針來連接測試的io進(jìn)行dft測試。通常dft測試不會測試功能，因?yàn)檫@貨是按時間收錢的..測試用例越簡潔有效越好。而且用例太復(fù)雜，會影響出貨速度，比如出100w的貨，一塊芯片測試一秒，單dft測試24小時不停就要11天多。

4、一般的芯片測試都包含哪些測試類型？

　　一般來說，包括引腳連通性測試，漏電流測試，一些DC(directcurrent)測試，功能測試(functionaltest)，Trimtest，根據(jù)芯片類型還會有一些其他的測試，例如AD/DA會有專門的一些測試類型。

　　芯片測試的目的是在找出沒問題的芯片的同時盡量節(jié)約成本，所以，容易檢測或者比較普遍的缺陷類型會先檢測。一般來講，首先會做的是連通性測試，我們稱之為continuitytest。這是檢查每個引腳的連通性是否正常。