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低级芯片真的就是高级芯片的残次品吗?

winningman,半导体行业从业者

芯片制造厂芯片以晶圆为单位进行流水化的工艺,完成所有的工艺步骤之后,晶圆就要进入良率测试环节。同一片晶圆中有的芯片是合格的,有的芯片是不合格的。测试目的就是选出合格的芯片,淘汰不合格的芯片。这个过程就像是征兵工作中的体检,多项体检指标合格的面试者才是可用之才。

每片晶圆由成百上千个方形的芯片组成

如何进行芯片的测试呢?这时就要用到芯片测试机。

某型号芯片测试机外观图

芯片测试:判定芯片的“生”与“死”的分水岭

芯片测试机中,一个重要的组成部分就是芯片测试卡。芯片测试卡中有很多微针结构。在测试的时候,这些微针结构与芯片上固定的位点(所谓的 bondpad)接触,依靠这种接触完成电信号的输入与读取。测试完成一个芯片,再测试另外一个芯片。依次完成一片晶圆中所有芯片的测试。

含有微针结构的测试卡
芯片测试卡在工作时不能同时接触所有芯片,只能依次接触单个芯片

上面的动图中,虽然探针卡与芯片只接触了不到一秒,但是就在那不到一秒钟中,它可以完成成百到上万种电信号的测试。比如 A 回路的电流,B 回路的电压,C 回路的电容,晶体管的输入输出延迟等等,就跟体检中需要完成视力,听力,血压等多种测试一样。当然,具体测试什么内容,是要根据芯片的功能与目标来决定的。

需要注意的是,只有当所有的电学信号满足要求,才认为它通过了电路测试,这种芯片我们称之为“活芯片”。只要有一种电学信号不满足要求,则认为它没有通过电路测试,这种芯片我们称之为“死芯片”。良率就是活芯片占所有芯片的百分比。

测试完成后,你就会得到这样一张花花绿绿的测试结果图,不过它代表的结果并不是五彩斑斓般的美好,因为——一些色彩代表死芯片。

晶圆测试 probe map 示意图

假定上图中绿色的代表活性片,其他颜色的代表死芯片,不同的颜色代表不同的“死法”,比如红色代表某回路漏电流过大,蓝色代表某回路击穿电压过小。系统会自动记录这些信息。当晶圆运送到封装厂进行切割与封装时,系统自动剔除死芯片将其报废,而只加工活芯片。

芯片中的“优等生”与“中等生”

活芯片中都是一等一的好货吗?并不是。

因为芯片通过测试环节,只代表它可以按照设计要求完成基本的功能。但是,依旧可以按照重点关注的部分电参数分出个三六九等。

就比如体检中,大多数人都可以拿到结论为健康的体检报告,如果按照重点关注的心率和体脂指标,健康人群中依旧可以分为极其健康和一般健康两类人群。

所以,测试通过的芯片要按照部分电性指标进一步进行等级分类。

对于面向多种市场的芯片,通常的分类做法是:最”健康”的芯片分类为一等货,作为服务器芯片流向企业级市场;中等“健康”的芯片分类为二等货,作为消费级芯片流向电脑、手机等高端消费市场;还算健康但已经离亚健康不远的芯片等级再次之,流向 U 盘、电子玩具等低端消费市场。

芯片的分级通过封装厂的分拣动作来完成

对于面向单一市场的芯片(比如华为请台积电代工的麒麟 980 芯片,就只有华为的手机在用),良率测试后,由设计方决定是否按照重要电参数进一步分类。

芯片分类背后的资源分配逻辑

有的人可能会问,芯片商为什么将芯片做如此详尽的分类?显而易见,利益最大化。在利益最大化的同时,也照顾了资源的分配,避免了浪费。比如步步高点读机的存储芯片不需要和服务器存储芯片一样快。

产品的性能能满足其使用场景。杀鸡不需要用牛刀。这就是芯片分类背后的基本逻辑。

回到题主的问题:消费市场的芯片型号区别是否是芯片“完美”程度的差别,是有这种可能,但是不能一概而论。不同的厂商有着不同的型号分类方式,有的可能是设计时候就存在一定的参数差别,有的可能是在封装环节存在差别。