芯片測試：系統(tǒng)級測試（SLT）詳解

在IC封測中我們常常會聽到：SLT、EVB、ATE這幾個名詞。它們之間的區(qū)別簡要如下：

?ATE(Auto Test Equipment) 在測試工廠完成. 大致是給芯片的輸入管道施加所需的激勵信號，同時(shí)監(jiān)測芯片的輸出管腳，看其輸出信號是否是預(yù)期的值。有特定的測試平臺。?SLT(System Level Test) 也是在測試工廠完成，與ATE一起稱之為Final Test. SLT位于ATE后面，執(zhí)行系統(tǒng)軟件程序，測試芯片各個模塊的功能是否正常。?EVB(Evaluation Board) 開發(fā)板：軟件/驅(qū)動開發(fā)人員使用EVB開發(fā)板驗(yàn)證芯片的正確性，進(jìn)行軟件應(yīng)用開發(fā)。

最近去產(chǎn)線見識了一下機(jī)臺，今天先一同來學(xué)習(xí)一下SLT。

在半導(dǎo)體晶體管尺寸越來越小、芯片功能日益復(fù)雜的趨勢下，系統(tǒng)級測試（簡稱SLT）變得至關(guān)重要。那什么是SLT？

SLT是如何幫助提高產(chǎn)品質(zhì)量并縮短上市時(shí)間的？

系統(tǒng)級測試（SLT）是指在仿真的終端使用場景中對待測芯片（DUT）進(jìn)行測試，純粹通過運(yùn)行和使用來完成測試，無需像傳統(tǒng)自動測試設(shè)備（ATE）那樣創(chuàng)建測試向量，但是仍需要編寫測試，只是編寫方式不同。測試流程如下：

?? 執(zhí)行特定操作。該操作可能是系統(tǒng)使用過程中固有的，如啟動操作系統(tǒng)；也可能是運(yùn)行某些功能模塊編寫的特定程序， 如性能評估程序。?? 判斷該操作是否成功，是依據(jù)測量的結(jié)果或該操作的成功/失敗來進(jìn)行衡量。例如，在驗(yàn)證某個內(nèi)部進(jìn)程是否成功執(zhí)行時(shí)， 判斷的依據(jù)可以是操作系統(tǒng)是否成功啟動；或檢查某個測量值（性能測試結(jié)果與閥值的比較）

大多數(shù)情況下，SLT中的系統(tǒng)會配備一些板載處理器來執(zhí)行測試流程。由于片上系統(tǒng)（SoC）和系統(tǒng)級封裝（SIP）芯片是SLT的主要測試對象，因此測試用處理器通常就是待測芯片的一部分。如果不是此種情況，待測芯片的外圍測試系統(tǒng)通常會配備 一個合適的處理器。

SLT的測試時(shí)間比傳統(tǒng)ATE的測試時(shí)間長很多，因?yàn)镾LT是模擬真實(shí)終端使用場景的功能測試，而不是ATE中的結(jié)構(gòu)測試。SLT的測試時(shí)間一般都超過一分鐘，甚至可能長達(dá)數(shù)十分鐘，典型的測試時(shí)間為10分鐘左右。

由于測試時(shí)間較長，與傳統(tǒng)ATE測試相比，SLT測試設(shè)備必須具有更高的工位密度和更低的工位成本。

在生產(chǎn)環(huán)境中執(zhí)行SLT需要構(gòu)建一個系統(tǒng)。SLT中的系統(tǒng)是在測試板上實(shí)現(xiàn)的，該測試板與最終使用該芯片的產(chǎn)品的電路板非常相似。測試板可能包括以下功能和特性：

?01、與待測芯片相匹配的引腳底座?02、可放在測試板上的所有待測芯片外設(shè)，包括：?PMIC?RAM?存儲（如NVMe、eMMC）?SD卡?USB閃存?PCIe外設(shè)（如NVMe）?03、仿真電路和回環(huán)，用于無法放在測試板上的外設(shè)，例如人機(jī)接口設(shè)備（HID）和HDMI，在下圖中用Maock I/O模塊表示?04、測試用處理器（待測芯片不是測試用處理器的情況下）?05、測試設(shè)備和測試用處理器之間的通信方式?06、終端應(yīng)用中使用的系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)級測試中非常關(guān)鍵的一點(diǎn)是，它將軟件看成是系統(tǒng)的一部分。這有助于：

?盡可能重現(xiàn)終端使用環(huán)境?測試硬件和軟件的交互方式

連接到測試板時(shí)，測試設(shè)備至少需要提供以下功能和特性：

?測試板和待測芯片的電源?與測試用處理器交互的方式

更為先進(jìn)的SLT測試設(shè)備還具有以下功能和特性：

?01、連接到嵌入式處理器控制臺的UART接口，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的通信?02、JTAG，用于直接訪問待測芯片?03、串行外設(shè)接口SPI，用于訪問測試板上的功能?04、高速串行接口，如PCIe、以太網(wǎng)或USB?05、自動溫度控制?06、具有相當(dāng)?shù)目臻g以容納客戶設(shè)計(jì)的測試板卡及模塊?07、測試板上閃存設(shè)備的自動更新

除了具備以上所說的硬件功能以外，測試設(shè)備還必須提供一個計(jì)算機(jī)平臺（測試用PC）和相應(yīng)的API，以便測試程序訪問這些功能和特性。

創(chuàng)建SLT測試有多種不同的方法，所選的SLT測試設(shè)備應(yīng)該能夠靈活適應(yīng)不同方法。以下示例就展示了這種靈活性。

測試程序是多個單獨(dú)測試組成的集合或序列，通常在作為測試設(shè)備一部分的測試用PC上運(yùn)行。各個單獨(dú)的測試通常實(shí)現(xiàn)為代碼，在以下位置運(yùn)行：

?01、測試用PC?02、測試用處理器，可能是測試設(shè)備或測試板的一部分?03、處理器，待測芯片的一部分

在所有三種情況下，測試都可通過測試設(shè)備API或測試板上實(shí)現(xiàn)的接口來操作測試板和待測芯片。在最后一種情況下，測試可在待測芯片中運(yùn)行。

1）在測試用PC或測試用處理器上執(zhí)行測試 執(zhí)行測試用PC或測試用處理器上的測試的流程如下。在此示例中，測試旨在驗(yàn)證嵌入式處理器是否啟動。假設(shè)待測芯片有 一個連接到測試設(shè)備UART控制臺的UART端口，則此測試最簡單的形式是：

?2）在具有測試用處理器的待測芯片中執(zhí)行從測試用PC部署的測試 另一種類型的測試是從測試用PC部署到待測芯片本身的測試用處理器。在這種情況下，假設(shè)待測芯片有某種高速接口，可以通過該接口下載和執(zhí)行測試程序。這種測試的通用形式一般是：

?3）執(zhí)行直接存儲在測試板上的測試 另一種測試方式是將測試序列存儲在測試板上的非易失性存儲器中，從而節(jié)省下載時(shí)間。采用將測試下載至測試板的方式時(shí)， 更容易更改測試。

當(dāng)然，在真實(shí)環(huán)境中，測試會更加復(fù)雜，需要驗(yàn)證許多事件。借助SLT測試設(shè)備的靈活性和測試板上待測芯片周圍的真實(shí)硬件，能夠更輕松地創(chuàng)建非常復(fù)雜的場景，這點(diǎn)對于傳統(tǒng)ATE來說很難或者根本無法實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)級測試也被稱為功能測試。有段時(shí)間，大多數(shù)測試都是功能測試，但后來證明由于結(jié)構(gòu)測試能夠自動化，可以更有效地 滿足故障覆蓋率要求。因此，自動測試程序生成（ATPG）成為測試向量的主要來源。

ATPG等結(jié)構(gòu)技術(shù)需要掃描鏈等人工結(jié)構(gòu)，以便訪問整個電路，這使得大多數(shù)測試都是在測試模式下完成。雖然這對測試大有裨益，但可測試性設(shè)計(jì)（DFT）和ATPG也有缺點(diǎn)，包括：

?01、測試模式掩蓋了僅在功能模式下可見的故障?02、ATPG 測試向量不會覆蓋電路所有部分，如IP塊之間的接口?03、待測芯片在結(jié)構(gòu)測試期間不會經(jīng)歷真實(shí)運(yùn)行，無法發(fā)現(xiàn)一些邊緣故障和滯后性的故障，包括以下差異：?電源和時(shí)鐘分配電路中的噪聲?測試向量導(dǎo)致待測芯片發(fā)熱?04、ATPG沒有覆蓋復(fù)雜的真實(shí)場景，手動編寫這樣的測試向量可能非常困難甚至不可能?05、測試中不包括系統(tǒng)軟件

相較而言，使用SLT時(shí)，測試工程師可以像在真實(shí)環(huán)境中一樣使用待測芯片，從而發(fā)現(xiàn)以前無法發(fā)現(xiàn)的故障。下期我們將探討SLT逐漸普遍的原因、SLT的實(shí)踐應(yīng)用、SLT面臨的挑戰(zhàn)。

過去十年里，我們生活的世界變得更加依賴電子設(shè)備。這點(diǎn)在汽車中尤為明顯：半自動駕駛汽車已經(jīng)推出，電子設(shè)備或軟件能夠感知事件并通過自動轉(zhuǎn)向或制動來對事件做出反應(yīng)。

世界各地的人也都高度依賴手機(jī)，而這需要強(qiáng)大可靠的設(shè)備作為基礎(chǔ)。對設(shè)備質(zhì)量的高要求推動制造商對其芯片和系統(tǒng)進(jìn)行全面測試，以減少終端用戶購買后遇到問題的可能性。

在當(dāng)今競爭激烈的市場中，元器件供應(yīng)商不斷推向技術(shù)極限，以提高性能、電池續(xù)航和良率。這意味著，供應(yīng)商需要：

?盡早在新的工藝節(jié)點(diǎn)上發(fā)貨，而工藝的缺陷率可能仍然比較高?盡可能以低電壓運(yùn)行，以延長電池續(xù)航?微調(diào)PLL設(shè)置以最大化良率?轉(zhuǎn)為使用更前沿的封裝技術(shù)來提高密度和性能

鑒于上述需求，必須進(jìn)行大量測試，確保成品中使用的是優(yōu)質(zhì)元器件。因此，隨著不斷推向技術(shù)極限，使用SLT可防止故障漏檢，確保成品元器件達(dá)到所需的高質(zhì)量水準(zhǔn)。

鑒于進(jìn)入測試時(shí)的初始缺陷率升高，而退出測試時(shí)允許的缺陷率顯著降低，元器件制造商比以往任何時(shí)候都更加依賴測試。

目前的技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過每個芯片10億個晶體管的大關(guān)，99.5%的故障覆蓋率雖然仍可以接受，但如果以10億件來計(jì)算，0.5%還是很多。

電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）行業(yè)在實(shí)現(xiàn)故障覆蓋率與密度同步提高方面付出了巨大努力，但由于以下原因，故障覆蓋率的提升有所滯后。

每當(dāng)在集成電路制造中引入新的創(chuàng)新技術(shù)，也意味著引入了新的故障模式。但檢測這些故障模式所需的新測試技術(shù)卻開發(fā)緩慢，總是難以跟上步伐。而通過SLT，制造商可以實(shí)施功能測試，以引發(fā)和捕獲由新故障模式導(dǎo)致的真實(shí)故障。

除了具備以上所說的硬件功能以外，測試設(shè)備還必須提供一個計(jì)算機(jī)平臺（測試用PC）和相應(yīng)的API，以便測試程序訪問這些功能和特性。

ATPG專注于測試IP塊并為這些IP塊實(shí)現(xiàn)非常高的故障覆蓋率。然而，隨著SoC變得越來越復(fù)雜，加入更多IP塊，這些IP塊之間的接口成為芯片中更重要的組成部分，導(dǎo)致整體故障覆蓋率下降。

IP塊接口的另一個挑戰(zhàn)是它們通常是異步的，這就導(dǎo)致測試更加困難。除了測試異步接口的復(fù)雜度，掃描所有可能的時(shí)序組合也非常耗時(shí)。

EDA行業(yè)提供了推動SoC系統(tǒng)驗(yàn)證的工具，但尚不清楚這些仿真將如何移植到ATE，甚至能否移植到ATE。

SLT支持對接口進(jìn)行測試，因?yàn)榇郎y芯片將在真實(shí)環(huán)境中使用，以便發(fā)現(xiàn)ATE中可能沒有出現(xiàn)的故障。

如今的系統(tǒng)非常復(fù)雜，因此缺陷很難避免。設(shè)計(jì)驗(yàn)證環(huán)節(jié)應(yīng)該在零件或系統(tǒng)投入生產(chǎn)之前發(fā)現(xiàn)這些缺陷，但是，其中一些設(shè)計(jì)缺陷很難察覺，這就導(dǎo)致許多系統(tǒng)需要運(yùn)行很長時(shí)間才能出現(xiàn)這種系統(tǒng)故障形式的缺陷。

更多時(shí)候，發(fā)現(xiàn)這些缺陷所需的硬件實(shí)例數(shù)量大得不切實(shí)際。

作為替代方案，在預(yù)生產(chǎn)和早期生產(chǎn)中運(yùn)行SLT可以提供引發(fā)這些罕見故障所需的大量待測芯片，以便在產(chǎn)品交付給終端客戶之前修復(fù)硬件或軟件中的缺陷。

邊緣故障通常是裕度設(shè)計(jì)不佳造成的結(jié)果，因此SLT發(fā)現(xiàn)邊緣故障的能力有助于在流程早期階段解決這些裕度設(shè)計(jì)問題。

裕度設(shè)計(jì)是指為了保證結(jié)構(gòu)的安全可靠性，在設(shè)計(jì)中引入一個大于1的安全系數(shù)，試圖來保障機(jī)械零件不發(fā)生故障。安全系數(shù)是通過綜合考慮荷載、材料性能數(shù)據(jù)的可靠性、所計(jì)算方法的合理性、加工裝配精度以及所設(shè)計(jì)的零件的重要性、失效后果等因素來確定。

在裕度設(shè)計(jì)中，對于配合尺寸和非配合尺寸，安全裕度的數(shù)值有所不同。一般而言，對于配合尺寸，安全裕度A的數(shù)值取工件公差的1/10；對于非配合尺寸或工藝能力很高時(shí)，A值可取為零。同時(shí)，A值的大小是人為給定的，A值越大對計(jì)量器具要求越低；A值越小，生產(chǎn)公差越大，但對計(jì)量器具的要求越高。因此應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況靈活處理。

裕度設(shè)計(jì)通常也稱為安全系數(shù)法，是一種廣泛用于機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)方法。

用SLT有多種不同策略。之前提到了SLT能夠提高復(fù)雜待測芯片的故障覆蓋率，此外還有其他優(yōu)勢，包括：

?為制造和測試提供早期反饋。此類反饋用于減少缺陷和提高故障覆蓋率。?快速提高故障覆蓋率以避免漏檢。?實(shí)現(xiàn)難以在ATE上實(shí)現(xiàn)的測試。

完整SLT與局部SLT對比 本白皮書主要介紹使用完整SLT以實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量，但也存在其他使用可能性：

?1) SLT抽樣測試 對于過往記錄良好、基于成熟工藝、在ATE上具有良好故障覆蓋率的待測芯片，SLT可能并不是必需的。但是，使用SLT對部件進(jìn)行抽樣測試有利于驗(yàn)證是否達(dá)到每百萬缺陷數(shù)（DPPM）要求。?2) 初始斜波期間或降低缺陷率時(shí)使用完整SLT?用于發(fā)現(xiàn)ATE未檢出的故障，找出SLT所發(fā)現(xiàn)故障的根本原因*，然后創(chuàng)建ATE測試進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，來自SLT的反饋可用于降低工藝的缺陷率。如此一來，測試覆蓋率和缺陷率都有了改進(jìn)，最后只需抽樣檢查即可。?3) 全面生產(chǎn)SLT 當(dāng)使用傳統(tǒng)ATE無法實(shí)現(xiàn)必要的覆蓋率，或由于高工藝缺陷率而導(dǎo)致漏檢率過高時(shí)，可使用此方法。?4) 快速提高故障覆蓋率以避免漏檢 理想情況下，遇到系統(tǒng)故障時(shí)，應(yīng)找出故障的根本原因，修復(fù)故障并添加測試來捕獲其他故障，但這個過程需要時(shí)間，而更理想的方法是立即停止漏檢。SLT非常適合這一用途，它可以用來捕獲ATE的漏檢故障，然后可以將測試快速添加到SLT，以檢測出影響終端用戶的漏檢。SLT提供的測試方法，對于標(biāo)準(zhǔn)ATE來說非常困難甚至不可能，因此，對于某些現(xiàn)場故障，SLT是少數(shù)幾種達(dá)到故障覆蓋率要求的方法之一。

由于沒有可用的工具能夠衡量SLT對傳統(tǒng)故障模式的故障覆蓋率，因此很難知道所作的測試是否足夠。

有一些手動方法可幫助了解SLT測試的全面性，包括根據(jù)定義系統(tǒng)場景、列出所有要測試的場景，然后驗(yàn)證針對這些場景的測試是否足夠。

EDA供應(yīng)商已經(jīng)開始為基于場景的SLT生產(chǎn)合適的工具。

傳統(tǒng)ATE測試設(shè)備具有高精度板卡，可以測量部件的規(guī)格，例如邊緣器件排布、電壓、電流、頻率和DAC/ADC線性度。

SLT則有所不同：功能測試可以告訴我們給定的待測芯片是否正常工作，但它不能告訴我們待測芯片是處于故障邊緣，還是有充足的裕度，可以繼續(xù)正常工作。

與裕度問題相關(guān)的是，用于構(gòu)建測試板的元器件本身具有不同程度的裕度，這意味著待測芯片的測試結(jié)果可能取決于所采用的測試板的規(guī)格。

如果大量測試板不符合規(guī)范，并且是由于測試板設(shè)計(jì)缺陷而導(dǎo)致待測芯片失敗，這將是一場災(zāi)難。但是，如果測試板都符合規(guī)范，那么測試板的差異性反而有利于測試，因?yàn)檫@意味著待測芯片的測試更接近真實(shí)場景。

SoC和SIP的復(fù)雜度日益提高，加上終端用戶日益嚴(yán)格的質(zhì)量要求，在此趨勢的推動下，SLT得到了更廣泛的采用，成為待測芯片測試策略中的關(guān)鍵組成部分。

通過使用SLT在仿真的終端環(huán)境中對待測芯片進(jìn)行功能測試，設(shè)備制造商可以預(yù)防使用傳統(tǒng)晶圓和封裝測試技術(shù)難以檢測到的漏檢故障。

此外，在測試流程中添加SLT環(huán)節(jié)后，不僅可以捕獲漏檢故障，而且可以在平臺之間移動測試，包括在測試流程的早期階段運(yùn)行低良率測試，后期階段在SLT測試設(shè)備中運(yùn)行高良率測試，這將有助于客戶達(dá)到理想的測試成本/質(zhì)量比。

我們看到，市場對SLT的需求不斷增長，并且很多企業(yè)都希望通過實(shí)現(xiàn)SLT來改進(jìn)質(zhì)量成本。