读万卷书 行万里路 1 CPU 芯片测试技术 读万卷书 行万里路 2 读万卷书 行万里路 3 目录 第一章 CPU 芯片封装概述 1.1 集成电路的发展4 111 世界集成电路的发展.4 112 我国集成电路的发展.5 113 CPU 芯片的发展6 1.2 CPU 构造原理.10 13 .1 CPU 工作原理.11 132 CPU 的工作流程.12 1.4 CPU 性能指标.12 第二章 测试 2.1 可靠性测试23 读万卷书 行万里路 4 2.2 测试分类.24 2.3 测试过程.24 2.4 电性能测试.25 2.5 电功能测试.26 2.6 测试环境条件26 第三章 CPU 芯片测试设备 3.1 测试设备介绍.28 311 Handler(传送机)介绍.28 312 Tester(测试机)介绍.29 313 Chiller(温控设备)介绍.29 3.2 测试系统.30 321 SUMMIT ATC 2.13 (温度控制系统).30 322 T2000( 测试系统).31 323 其它相关系统.31 第四章 测试实例分析 读万卷书 行万里路 5 4.1 等级测试.32 4.2 实例分析.32 致谢。.42 参考文献.43 摘要 为什么要测试？ 读万卷书 行万里路 6 可以通过测试对产品中的带有缺陷的不合格的产品及时筛选出来。 可以通过测试对产品的性能作出优良等级的评定。 可以通过测试对产品，还在工厂中时，随时监控，及时找出存在的问题，解决问 题。 可以通过测试对产品，及时监控，把最新动态反馈给工程师，从而不断的改进和 完善工艺。 关键字：测试 可靠性 中央处理器 传送机 测试机 Abstract Why should we test ？ Can pass the test product with a defect in the standard filter out of the product in time. Can test the performance of the product to make a good level of assessment. 读万卷书 行万里路 7 Can pass the test product, is still at the factory at any time to monitor, identify problems in a timely manner, to solve the problem. Can pass the test product, timely monitoring, the latest feedback to the engineers, so as to continuously improve and perfect the process Keywords: Test,reliability,CPU(Central Processing Unit),Handler,Tester 读万卷书 行万里路 8 第一章 CPU 芯片封装概述 11 集成电路的发展 111 世界集成电路的发展 世界集成电路产业结构的变化及其发展历程 自 1958 年美国德克萨斯仪器公司(TI)发明集成电路（IC）后，随着硅 平面技术的发展， 二十世纪六十年代先后发明了双极型和 MOS 型两种重要 的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和 质的飞跃，创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴产 业集成电路产业。 回顾集成电路的发展历程，我们可以看到，自发明集成电路至今 40 多 年以来，从电路集成到系统集成这句话是对 IC 产品从小规模集成电路（S SI）到今天特大规模集成电路（ULSI）发展过程的最好总结，即整个集成 电路产品的发展经历了从传统的板上系统（System-on-board）到片上系 统（System-on-a-chip）的过程。在这历史过程中，世界 IC 产业为适应 技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了三次变革。 第一次变革：以加工制造为主导的 IC 产业发展的初级阶段。 70 年代，集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑 电路。这一时期 IC 制造商（IDM）在 IC 市场中充当主要角色，IC 设计只 读万卷书 行万里路 9 作为附属部门而存在。这时的 IC 设计和半导体工艺密切相关。IC 设计主要 以人工为主，CAD 系统仅作为数据处理和图形编程之用。IC 产业仅处在以 生产为导向的初级阶段。 第二次变革：Foundry 公司与 IC 设计公司的崛起。 80 年代，集成电路的主流产品为微处理器（MPU）、微控制器（MC U）及专用 IC（ASIC）。这时，无生产线的 IC 设计公司（Fabless）与标 准工艺加工线（Foundry）相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模 式。 随着微处理器和 PC 机的广泛应用和普及（特别是在通信、工业控制、 消费电子等领域），IC 产业已开始进入以客户为导向的阶段。一方面标准 化功能的 IC 已难以满足整机客户对系统成本、可靠性等要求，同时整机客 户则要求不断增加 IC 的集成度，提高保密性，减小芯片面积使系统的体积 缩小，降低成本，提高产品的性能价格比，从而增强产品的竞争力，得到 更多的市场份额和更丰厚的利润； 另一方面， 由于 IC 微细加工技术的进步， 软件的硬件化已成为可能，为了改善系统的速度和简化程序，故各种硬件 结构的 ASIC 如门阵列、可编程逻辑器件（包括 FPGA）、标准单元、全定 制电路等应运而生，其比例在整个 IC 销售额中 1982 年已占 12；其三 是随着 EDA 工具（电子设计自动化工具）的发展，PCB 设计方法引入 IC 设计之中，如库的概念、工艺模拟参数及其仿真概念等，设计开始进入抽 象化阶段，使设计过程可以独立于生产工艺而存在。有远见的整机厂商和 读万卷书 行万里路 10 创业者包括风险投资基金（VC）看到 ASIC 的市场和发展前景，纷纷开始 成立专业设计公司和 IC 设计部门，一种无生产线的集成电路设计公司（Fa bless）或设计部门纷纷建立起来并得到迅速的发展。同时也带动了标准工 艺加工线（Foundry）的崛起。全球第一个 Foundry 工厂是 1987 年成立 的台湾积体电路公司，它的创始人张忠谋也被誉为晶芯片加工之父。 第三次变革：四业分离的 IC 产业 90 年代，随着 INTERNET 的兴起，IC 产业跨入以竞争为导向的高级阶 段，国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本 竞争。以 DRAM 为中心来扩大设备投资的竞争方式已成为过去。如 1990 年，美国以 Intel 为代表，为抗争日本跃居世界半导体榜首之威胁，主动放 弃 DRAM 市场，大搞 CPU，对半导体工业作了重大结构调整，又重新夺 回了世界半导体霸主地位。这使人们认识到，越来越庞大的集成电路产业 体系并不有利于整个 IC 产业发展，分才能精，整合才成优势。于是，I C 产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了设计业、制造业、 封装业、测试业独立成行的局面，近年来，全球 IC 产业的发展越来越显示 出这种结构的优势。如台湾 IC 业正是由于以中小企业为主，比较好地形成 了高度分工的产业结构，故自 1996 年，受亚洲经济危机的波及，全球半导 体产业出现生产过剩、效益下滑，而 IC 设计业却获得持续的增长。 特别是 96、97、98 年持续三年的 DRAM 的跌价、MPU 的下滑，世 界半导体工业的增长速度已远达不到从前 17的增长值，若再依靠高投入 读万卷书 行万里路 11 提升技术，追求大尺寸硅片、追求微细加工，从大生产中来降低成本，推 动其增长，将难以为继。而 IC 设计企业更接近市场和了解市场，通过创新 开发出高附加值的产品，直接推动着电子系统的更新换代；同时，在创新 中获取利润，在快速、协调发展的基础上积累资本，带动半导体设备的更 新和新的投入；IC 设计业作为集成电路产业的龙头，为整个集成电路产 业的增长注入了新的动力和活力。 112 我国集成电路的发展 图 1.1.2 我国集成电路设计 我国集成电路产业诞生于六十年代，共经历了三个发展阶段： 1965 年-1978 年：以计算机和军工配套为目标，以开发逻辑电路为主 要产 品，初步建立集成电路工业基础及相关设备、仪器、材料的配套条件； 读万卷书 行万里路 12 1978 年-1990 年：主要引进美国二手设备，改善集成电路装备水平， 在“治散治乱”的同时，以消费类整机作为配套重点，较好地解决了彩电 集成电路的国产化； 1990 年-2000 年：以 908 工程、909 工程为重点，以 CAD 为突破口， 抓好科技攻关和北方科研开发基地的建设，为信息产业服务，集成电路行 业取得了新的发展。 近几年，中国集成电路产业取得了飞速发展。中国集成电路产业已经 成为全球半导体产业关注的焦点，即使在全球半导体产业陷入有史以来程 度最严重的低迷阶段时，中国集成电路市场仍保持了两位数的年增长率， 凭借巨大的市场需求、较低的生产成本、丰富的人力资源，以及经济的稳 定发展和宽松的政策环境等众多优势条件，以京津唐地区、长江三角洲地 区和珠江三角洲地区为代表的产业基地迅速发展壮大，制造业、设计业和 封装业等集成电路产业各环节逐步完善。 2006 年中国集成电路市场销售额为 4862.5 亿元，同比增长 27.8%。 其中 IC 设计业年销售额为 186.2 亿元，比 2005 年增长 49.8%。 2007 年中国集成电路产业规模达到 1251.3 亿元，同比增长 24.3%， 集成电路市场销售额为 5623.7 亿元，同比增长 18.6%。而计算机类、消费 类、网络通信类三大领域占集成电路市场的 88.1%。 读万卷书 行万里路 13 目前，中国集成电路产业已经形成了 IC 设计、制造、封装测试三 业及支撑配套业共同发展的较为完善的产业链格局，随着 IC 设计和芯片制 造行业的迅猛发展，国内集成电路价值链格局继续改变，其总体趋势是设 计业和芯片制造业所占比例迅速上升。 113 CPU 芯片的发展 图 113 CPU 实物图 CPU 的溯源可以一直去到 1971 年。在那一年，当时还处在发展阶段 的 INTEL 公司推出了世界上第一台微处理器 4004。 这不但是第一个用于计 算器的 4 位微处理器，也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器！4004 含有 2300 个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢，被当时的蓝色巨人 IBM 以及大部分商业用户不屑一顾，但是它毕竟是划时代的产品，从此以 后，INTEL 便与微处理器结下了不解之缘。可以这么说，CPU 的历史发展 历程其实也就是 INTEL 公司 X86 系列 CPU 的发展历程，我们就通过它来 展开我们的“CPU 历史之旅”。 读万卷书 行万里路 14 1978 年，Intel 公司再次领导潮流，首次生产出 16 位的微处理器，并 命名为 i8086，同时还生产出与之相配合的数学协处理器 i8087，这两种 芯片使用相互兼容的指令集，但在 i8087 指令集中增加了一些专门用于对 数、指数和三角函数等数学计算指令。由于这些指令集应用于 i8086 和 i8 087，