CP测试实例

本期我们理论联系实际，把芯片CP测试真正的动手操作起来。基本概念介绍

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什么是CP测试

CP（Chip Probing）指的是晶圆测试。CP测试在整个芯片制作流程中处于晶圆制造和封装之间。晶圆（Wafer）制作完成之后，成千上万的裸DIE（未封装的芯片）规则的分布满整个Wafer。由于尚未进行划片封装，芯片的管脚全部裸露在外，这些极微小的管脚需要通过更细的探针（Probe）来与测试机台（Tester）连接。

在未进行划片封装的整片Wafer上，通过探针将裸露的芯片与测试机连接，从而进行的芯片测试就是CP测试。

图 1 CP Test在芯片产业价值链上的位置

图 2 Wafer上规则的排列着DIE（来源于网络）

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为什么要做CP测试

Wafer制作完成之后，由于工艺原因引入的各种制造缺陷，分布在Wafer上的裸DIE中会有一定量的残次品。CP测试的目的就是在封装前将这些残次品找出来（Wafer Sort），从而提高出厂的良品率，缩减后续封测的成本。

而且通常在芯片封装时，有些管脚会被封装在内部，导致有些功能无法在封装后进行测试，只能在CP中测试。

另外，有些公司还会根据CP测试的结果，根据性能将芯片分为多个级别，将这些产品投放入不同的市场。

CP测试内容和测试方法

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SCAN

SCAN用于检测芯片逻辑功能是否正确。DFT设计时，先使用DesignCompiler插入ScanChain，再利用ATPG（Automatic Test Pattern Generation）自动生成SCAN测试向量。SCAN测试时，先进入Scan Shift模式，ATE将pattern加载到寄存器上，再通过Scan Capture模式，将结果捕捉。再进入下次Shift模式时，将结果输出到ATE进行比较。

图 3 Scan Chain示意图（来源于网络）

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Boundary SCAN

Boundary SCAN用于检测芯片管脚功能是否正确。与SCAN类似，Boundary SCAN通过在IO管脚间插入边界寄存器（Boundary Register），使用JTAG接口来控制，监测管脚的输入输入出状态。

图 4 Boundary Scan原理图（来源于网络）

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存储器

芯片往往集成着各种类型的存储器（例如ROM/RAM/Flash），为了测试存储器读写和存储功能，通常在设计时提前加入BIST（Built-In SelfTest）逻辑，用于存储器自测。芯片通过特殊的管脚配置进入各类BIST功能，完成自测试后BIST模块将测试结果反馈给Tester。

ROM（Read-Only Memory）通过读取数据进行CRC校验来检测存储内容是否正确。

RAM（Random-Access Memory）通过除检测读写和存储功能外，有些测试还覆盖DeepSleep的Retention功能和Margin Write/Read等等。

Embedded Flash除了正常读写和存储功能外，还要测试擦除功能。Wafer还需要经过Baking烘烤和Stress加压来检测Flash的Retention是否正常。还有Margin Write/Read、Punch Through测试等等。

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DC/AC Test

DC测试包括芯片Signal PIN的Open/Short测试，电源PIN的PowerShort测试，以及检测芯片直流电流和电压参数是否符合设计规格。

AC测试检测芯片交流信号质量和时序参数是否符合设计规格。

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RF Test

对于无线通信芯片，RF的功能和性能至关重要。CP中对RF测试来检测RF模块逻辑功能是否正确。FT时还要对RF进行更进一步的性能测试。

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其他Function Test

芯片其他功能测试，用于检测芯片其他重要的功能和性能是否符合设计规格。

以上各项展开均有更复杂更细化的内容，此处不展开讨论，仅作粗略介绍。

CP测试流程

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可测试性设计

DFT(Design For Test)，可测试性设计。如第二节CP测试内容和测试方法所述，芯片测试中用到的很多逻辑功能都需要在前期设计时就准备好，这一部分硬件逻辑就是DFT。

DFT逻辑通常包含SCAN、Boundary SCAN、各类BIST、各类Function Test Mode以及一些Debug Mode。

测试人员需要在芯片设计之初就准备好TestPlan，根据各自芯片的规格参数规划好测试内容和测试方法。

芯片通常会准备若干种TestMode功能，通过配置管脚使芯片进入指定的测试状态，从而完成各个类型的测试。

对于SCAN和Boundary SCAN，需要插入ScanChain，根据芯片规模、Timing、SCAN覆盖率等参数，DFT工程师需要决定插入ScanChain的长短和数目。然后使用ATPG自动生成SCAN测试向量，覆盖率决定了测试向量的长短。为了节约成本还要对ScanChain进行压缩。然后再进行功能仿真和SDF仿真，保证功能和Timing满足要求。ATPG可输出WGL或STIL格式文件供Tester使用。细节还有很多，这里不再展开叙述了。

BIST（Built-In SelfTest）逻辑。这些自测逻辑完成对ROM/RAM/Flash等功能的测试。

Function Test Mode。一些专门的功能测试需要增加硬件逻辑，例如ADC/DAC/时钟等

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选测试厂，测试机

测试厂和测试机的选择要考虑芯片类型、测试内容、测试规格和成本等因素。

一套芯片测试设备称为ATE（Automatic Test Equipment），由机台（Tester）、Loadboard、Probe Card、Handler和测试软件等部分组成。CP测试ATE不需要Loadboard和Handler。

图5，ATE机器

按照侧重的芯片类型和测试内容分，测试机台有很多品牌和产品系列：

例如存储器芯片Advantest T55xx 系列等、数字混合信号或SoC芯片Teradyne J750 系列等，RF射频芯片Credence ASL-3000 系列等。

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制作ProbeCard以及Test Program

选择好测试机后，硬件方面需要制作ProbeCard，软件方面需要制作Test Program。

ProbeCard是探针卡。

ProbeCard包括探针和芯片外围电路。裸DIE规则的布满整个Wafer，无论哪片Wafer，每颗DIE都有固定的位置，芯片管脚的位置也就固定。这些位置坐标和间距都信息在芯片投产前已经确定，制作针卡需要这些参数。探针有钨铜、铍铜或钯等材料，这些探针在强度、导电性、寿命、成本等方面各有特点。

针卡还需要确定同测数（Site）。增加同测数可以节约测试机时成本，但是受限于测试机台资源，同测数有上限，例如32/16/8/4。

图6，ProbeCard照片

Test Program是测试程序。

测试程序控制整个机台的测试过程。

不同的测试机有不同的测试软件系统，对应的测试程序也有不同的格式。通常工程师提供WGL/STIL/VCD等格式的文件，再转换成测试机需要的文件格式，并增加其他测试程序。

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调试以及结果分析

Wafer由Foundry出厂转运至测试厂，ATE软硬件就绪后就可以开始进行调试了。

根据TestPlan，Pattern（测试向量）被分作不同的BIN，从而定位测试错误的位置。调试时还可以在系统上直接看到一个Pattern中错误的Cycle位置，工程师根据这些错误信息进行debug，修改Pattern和测试程序，逐个清理，直到所有BIN都PASS。

同测的多Site全部PASS，Loop多轮后，便可以在整片Wafer上Try Run。此时工程师还要调试探针力度、清理探针周期等参数，确保整片Wafer上每一次Touchdown都可以测试稳定。

整片Wafer的测试结果通常生成一个WaferMap文件，数据生成一个datalog，例如STD文件。WaferMap主要包含良率、测试时间、各BIN的错误数和DIE位置，datalog则是具体的测试结果。工程师通过分析这些数据，决定是否进入量产。

图7，WaferMap截图

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量产

进入量产阶段后，根据大量测试的统计数据，可以进行一些调整以进一步优化测试流程。

根据结果将错误率较高的BIN尽量排在靠前的位置，测试进行到第一个出错的BIN后就不在继续向下进行，以节省测试时间，并且防止已发现的错误导致后续测量损坏针卡。

将错误率较低的BIN排在靠后的位置，当错误率极低时，甚至删除该测试，以节省测试时间。

决定是否对出错的DIE进行复测。由于各种原因，对于出错的DIE，再重新测试一次可能会PASS。通常复测可以纠正一定比例的错误，但是要多用一部分测试时间，所以要综合考虑决定是否复测。

通常处于Wafer边缘位置的DIE出错的概率较高，综合考虑，有时可以直接将边缘DIE剔除，不进行测试就标为坏品，以节省测试时间。

还需要关注良率是否稳定，当连续出现良率较低的情况时，需要停止测试，进行数据分析，检查设备或与Foundry沟通。

量产CP测试的结果需要交给后续封装厂使用。通常是一个含有分BIN信息的Map文件，封装厂根据Map文件挑选好品封装，剔除坏品，还可以保留客户选择的特殊BIN别。

成本控制

CP测试成本由前期一次性投入的固定成本和后期量产的可变成本组成。

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固定成本

固定成本包含DFT开发以及面积和功耗、ProbeCard制作和养护，Test Program制作和调试。

DFT开发以及面积和功耗

DFT有开发成本。并且DFT硬件逻辑将占用一部分芯片面积（虽然很小），DFT要提高效率，减小面积和功耗。

ProbeCard制作

ProbeCard有公板和专板两种。顾名思义，公板是公用板，专板是专用板。公板是在已有的板子上通过飞线等方式组成芯片外围电路，制作成本低，制作周期短，适用于对测试规格要求不高的CP测试。专板是为自家芯片专门制作的板子，适用于对外围电路要求高，测试规格精密的芯片，设计和制作成本高，周期长。

ProbeCard上的探针材料和探针数也影响成本。各种材料的探针各有特点，价钱也不同，这里不再展开。减少探针数量也能降低成本。

在资源允许的条件下要尽可能的增加同测数，多Site同测可以减少测试时间成本。

Test Program制作和调试

Test Program有开发成本。调试时需要机台，有调试机时成本。还需要一片调试Wafer，调试过程中反复Touchdown会导致该片Wafer上的若干DIE无法再进行封装。

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可变成本

可变成本主要就是量产测试时间。量产测试时间是整个CP测试成本中的最重要组成。而且测试前期投入固定成本后，今后量产的全部成本几乎都在测试时间成本上。直接影响测试时间的内容主要有：DFT效率、同测数、Test Program效率和一些量产策略。

DFT效率

DFT测试执行的高效直接影响单个DIE的测试时间。因此在芯片设计之初，DFT就要考虑到测试效率。减少测试时间，提高覆盖率，这对节约成本至关重要。

提高测试时钟；Scan使用压缩模式；缩减TestMode上电时间；检查测试计划，缩减不必要的测试项；检查测试策略是否合理，优化测试方案等等。一切DFT设计以提高效率为根本原则，既要高覆盖率，又要缩减时间。有时这两者之间的矛盾则需要相互权衡。

同测数

在资源允许的条件下要尽可能的增加同测数，多Site同测可以减少测试时间成本。

Test Program效率

和DFT效率相比，测试程序效率作用不大，但是合理安排测试程序还是可以缩减测试时间。例如在程序中减少不必要的等待时间；多个测试项并行进行等。

一些量产策略

如关于量产一节所述，一些量产的策略可以节约测试时间。

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