摩尔精英先进测试开发流程帮助芯片公司实现多快好省目标

2021-12-25 14:00:26 来源: 半导体行业观察

点击

在12月23日于无锡举办的2021中国集成电路设计业年会 (ICCAD 2021)先进封测论坛上，摩尔精英测试服务商务拓展总监蔡丹发表了“一个先进的半导体测试开发流程”的专题演讲，分享了其和摩尔精英产品工程副总裁赵庆博士在芯片测试开发领域的一些经验。

以下根据蔡丹现场演讲整理：

从研发到量产，测试是关键必备环节

在半导体产业链中，一颗芯片的生命周期开始于对市场需求的分析，跟随着产品的定义、设计和制造，组装完成以后，交付到终端消费者手中。从芯片测试的角度来看，芯片的制造环节又可以再进一步分为晶圆制造、晶圆测试、芯片封装、成品测试等几个阶段。在晶圆测试中，我们通过ATE搭配Prober来完成；在成品测试中，则是通过ATE搭配Handler来完成。

因为芯片测试所占芯片总制造成本的比例相对较小，在百分之几的范围，通常会被很多芯片设计公司所忽视。但实际上， 芯片测试是实现从研发到量产的关键环节 。首先，我们通过晶圆测试和成品测试双重环节来保障产品的质量。其次，测试方案的优劣直接影响到良率的高低和测试成本的大小。

芯片测试是一项较为复杂的工作，它涉及到测试设备、测试程序、测试参数、测试条件、测试方法论、新产品量产导入流程和系统、芯片功能及性能的验证、测试数据分析等诸多方面。要开发出一套高质量的测试方案，需要开发者熟悉所测芯片的功能、熟悉所用测试设备的性能，具备完善的半导体测试理论知识，拥有丰富的量产测试开发实践经验。

半导体工业里的工程运行

业界一般把operations分为 engineering operation 和 manufacturing operation 两大部分。

Engineering operation在很多公司又被称为PTE（product and testing engineering）。一颗芯片的测试方案开发工作，由测试工程师和产品工程师在Project manager (或者叫PTE lead)的带领下共同完成。在项目中，测试程序的开发和调试，以及测试治具的设计制作，由测试工程师主导。在少部分公司或者公司发展的特定时期，PTE部门也有归属于研发部门的情况。Engineering Operations的工作范围包括产品工程和测试工程。其中产品工程的工作重点是良率提升、坏品分析（包括客户退料RMA）、分析成本以及思考怎样降低成本。而测试工程的工作重点是测试方案的开发和执行，包括三种主要的ATE测试程序：用于可靠性测试的QUAL程序，用于芯片验证的CHAR的程序，以及用于量产的CP和FT程序。

Manufacturing Operations的运作方式有“自营或外包”，这是区分是IDM和Fabless公司的主要特征。

蔡丹介绍到，在工程运营中，我们的目标非常清晰：

第一, 快速导入市场（time-to-market） 。这一点对于“消费类电子产品”尤为重要。以手机产品为例，手机厂商一般需要提前几个月的时间来完成整机产品的开发和验证，芯片必须在这之前做好样品，完成测试方案开发、芯片验证的绝大部分工作，并且在旺季来临前开始大量备货。错过这个时间节点，这颗芯片可能就会被市场淘汰，因此“快速导入市场”是消费类电子产品赢家的必备武器。

第二， 提升质量。 “质量”是每一家公司做大做强无法绕过的坎。还是以手机市场为例，在过去约15年里，最终在群雄逐鹿中胜出的国内手机大厂对芯片质量的要求一直在提升。“山寨手机”已然是明日黄花。对单品芯片的质量要求，从1000DPPM, 提升到500DPPM, 再进一步提升到200DPPM。与之对比，某国际手机大厂对手机芯片单品的质量要求一直在50DPPM以下，以卓越品质赋能产品价值，其售价和利润都远远领先于同行。从产品层面、公司层面、国际视野三个维度来看，追求卓越品质，是公司在长远发展中的核心竞争力。

第三， 降低成本 。虽然测试只占芯片总成本的百分之几，但是如果测试方案质量做的不好，完全可以把测试成本放大几倍、甚至几十倍，成为运营不能承受之重。另外，对于出货量大的芯片公司来说，1%甚至0.1%的总成本节省，都是一笔巨款。在目前，由于很多国产芯片公司还是在红海中和国际大厂竞争，相当一部分芯片公司的毛利率还比较低。这就需要我们从制造成本的各方面进行管控，包括对测试成本的控制。

从制造好的芯片中，挑选一定数量的样片。这些样片需要通过QUAL和CHAR程序的验证，才能进入到下一阶段。所有的芯片都需要通过量产程序的测试，才能达到客户手中。因此，ATE测试方案的开发工期和质量直接影响产品的验证和量产。

半导体工业里的ATE测试方案

在项目的不同阶段，对ATE测试方案有不同的期望。

首先，可靠性测试 (Reliability Test）对ATE测试方案（QUAL）的期望

1.非常快速锁定检验程序 (Lock test program ASAP)。在芯片可靠性测试的前后，我们需要用同一版本的ATE程序来搜集芯片在关键参数上测试结果的漂移。有些可靠性测试项目的测试时间很长，例如HTOL(High-Temp Operating Life, 高温工作寿命）所要求的运行时间是1000小时（约等于 42天）。我们只有尽早锁定ATE QUAL test program，才能开始进行可靠性的测试，从而尽早知道芯片的可靠性设计是否达到期望。

2.足够的覆盖率 (“Good-enough” test coverage)。没有足够覆盖率的程序，会丧失对芯片某些关键参数的测试结果监测，从而忽视潜在的质量风险。

3.精确性 (accuracy)。我们需要一定精度来追踪关键参数的漂移，测试的精度要能够定量地反映出趋势的变化。

4.稳定性（Gauge R&R – Repeatability &Reproducibility）对同一颗芯片的同一个参数多次测量结果一致吗? 在不同的测试机台上的结果是否一致？在同一个机台，利用不同的测试治具得出的测试结果是否一致? … 这些都是我们需要搜集的信息。

其次，验证测试 (Characterization Test) 对ATE测试方案（CHAR）的期望

1.完整的 覆盖率 （可分期交付）。CHAR test program是一个项目中最庞大、最完整的ATE测试程序。它的作用是对芯片的各个ip、各项参数在不同测试条件下都做最完善的检测。CHAR program在不同process corner、不同电压、不同温度下所得到的测试结果，帮助我们对芯片进行一个“全方位的体检”，即characterization across“PVT”。当然，完整的test coverage需要较长的时间来开发和调试，我们可以根据实际情况分期交付。

2.非常精确。相比QUAL 测试程序，我们对CHAR测试结果的精确度有着更高的期望。由于CHAR program不用于大批量生产，对test time不太敏感，因此为了更准确地分析芯片的性能，我们可以通过设定更精确的量测档位、取更多的采样点做平均、以及预留更多的wait time/settling time来达到ATE instrument力所能及的最精确的结果。

3.稳定性。同QUAL 程序一样，我们也需要稳定的ATE测试结果。

最后，量产测试 (Production Test) 对ATE测试方案（CP/FT）的期望

1.最低成本（Lowest-cost）。在任何大规模生产中，生产成本一定是我们最优先考虑的事。因此，我们需要采用“最合适而不是最昂贵、最高端的ATE测试设备”来开发量产测试方案。

2.非常稳定（High Gauge R&R）。三种ATE测试程序中，“量产测试程序”对稳定度的要求最高。这是因为测试结果的稳定性极大地影响着量产良率，而良率也间接转换成芯片的生产制造成本，同时影响着产品的产能和交付。

3.充足的覆盖率（Sufficient test coverage）。我们用充足的覆盖率，而不是完整的覆盖率，这是出于测试成本的考虑。ATE CHAR program需要几分钟、几十分钟、甚至几个小时的test time是很常见的。很显然，这种program不能用于量产，因为太贵了！一套ATE测试设备每小时的收费大概在10美金到200美金不等。如果一颗芯片测试需要几十分钟，那么它一定要卖出天价才能保本。所以我们不得不在test coverage和test time之间做权衡和取舍。

做一个小结，半导体工业对ATE测试方案的期望： 非常快速锁定检验程序 、 覆盖率& 精确性 、 降低测试成本 。针对这三点，摩尔精英分别提出了方案。

第一点，如果快速锁定检验程序？答案是自动测试程序生成和仿真快速锁定检验程序。

左边是我们常见的传统的测试程序开发方法，大部分公司目前仍然在使用这套流程。

它的做法是在某个现有的测试程序上修修改改，表面上看起来省了时间。但实际上，过多的人工操作和未经验证的register setting，使得后续的调试常常需要牵连更多的人，耗费更多的时间和资源。同时，由于程序频繁改动，无法快速锁定检验程序, 隐性成本很高.

右边是我们推荐的测试开发流程。

以芯片spec作为源头，产生SCM （Spec Compliance Matrix）和test list。一方面，由DV和Simulator team完成芯片top level verification，保证了芯片基本通讯协议、各ip之间互联以及register setting的正确性。另一方面，通过“automation tool”，快速生成项目所需要的各种版本的ATE测试程序、Bench char程序，既提高了工作效率，又避免了人为失误。当然， automation tool的开发需要一些时间和人力，但是“磨刀不误砍柴工”。Tool开发所耗费的努力，肯定会得到加倍的回报。著名芯片IDM公司在十年前完成了基于VLCT的automation tool的开发, 将开发周期和人员投入减少到原来的十分之一。

第二点，如果提升覆盖率和精确性？ATE外挂设备的验证方案是提升测试覆盖率和精确性的最佳替代方案

ATE测试设备的“通用性”和“为量产而生”的设备属性，从根上决定了在硬件功能、规格和性能等方面，ATE是不能和专业、高规格的信号测试测量仪器仪表相比较的。例如业界目前最先进的两款ATE对high-speed IO的characterization 的大部分测试项都无能为力。在这种情况下， ATE外挂设备，是提升测试覆盖率和精确性的最佳替代方案 。

当然外挂设备并不意味着我们需要增加很多手工的动作。ATE的软件接口一般都支持各种标准通讯协议，所以完全可以通过ATE软件平台实现自动测试验证的功能，包括利用ATE程序控制自动测试流程、利用ATE控制自带仪器和外挂仪器自动完成验证测试、利用ATE控制Thermal Streamer自动完成高低温验证测试。

第三点，如果降低测试成本？我们的方案是DFT和VLCT

在降低量产测试成本上，需要从多个方面入手。

首先，要做好DFT/DFM（可靠性/可制造性）。就像非洲谚语所说：“种树最好的时间是在十年前，其次是现在”同样，“做测试方案最好的时刻是在DFT可测性设计，第二好的时间才是ATE测试方案开发的时刻”。高质量的DFT方案可以避免在ATE测试开发阶段为DFT设计缺陷 “填坑”、节省工程资源、节约测试成本、提升测试覆盖率。

其次，量产测试程序采用defect-oriented快速测试方法，而不是采用spec-oriented的方式。

再者，要最大化利用ATE的仪器资源，一个是并行测试，设计高同测数的方案，提高UPH(单位小时内的产能）；另外就是同时测试 (concurrent test)，让尽量多的ip可以实现在同一时间运行和测试，减少测试时间，降低测试成本。

最后，在ATE设备的选择上，我们推荐一款高性能、低成本的测试设备 – VLCT 。这款设备具备数字、模拟、混合信号、射频等测试功能，是一款综合性的ATE。全球前五大IDM前手机芯片BU每片AP、PMIC和RF芯片量产测试都是通过VLCT完成。

该设备源于全球前五大IDM公司，摩尔精英在2020年底收购了其ATE设备研发和测试开发团队，包括美国和法国团队，并拥有了数百台VLCT 设备产能。无锡摩尔精英先进封装中心正在如火如荼的建设中。在无锡摩尔精英封测中心的第一期，我们规划了70多套VLCT，并且有上百台测试设备可以随时调用，以随时满足客户对测试产能的需求。其中第一期的测试生产线将于2022年1月底建设完成，欢迎大家莅临现场、参观指导。