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半導(dǎo)體集成電路“晶圓測(cè)試(CP)技術(shù)”的詳解;

愛在七夕時(shí) ? 來源:愛在七夕時(shí) ? 作者:愛在七夕時(shí) ? 2025-12-27 11:00 ? 次閱讀
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【博主簡(jiǎn)介】本人“愛在七夕時(shí)”,系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者,旨在業(yè)余時(shí)間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的:產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)。常言:真知不問出處,所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處,還請(qǐng)大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)!

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半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)的朋友都知道:要實(shí)現(xiàn)整個(gè)集成電路芯片測(cè)試過程,必須要采用不同的手段和方法。這其中包括扳機(jī)測(cè)試方法,晶圓測(cè)試手段,還有最后成品之后的封裝測(cè)試,LT測(cè)試,各個(gè)方面的質(zhì)量可靠性測(cè)試,只有每個(gè)步驟都合理安排下來,才可以讓整個(gè)的芯片測(cè)試達(dá)到一個(gè)完美的效果。

而晶圓測(cè)試是在性能測(cè)試當(dāng)中一個(gè)重要的步驟,要想看到芯片在使用過程中是否會(huì)出現(xiàn)故障,會(huì)出現(xiàn)哪些故障,出現(xiàn)故障是否可以自我修復(fù)。這就需要涉及到其中的故障芯片的問題了。晶圓測(cè)試其實(shí)就是把信號(hào)輸入到相應(yīng)的信號(hào)當(dāng)中,對(duì)芯片做出響應(yīng)和抓取,我們可以測(cè)試儀器儀表的針臺(tái),也可以制作相關(guān)的探視性的針頭。那具體來說什么是“晶圓測(cè)試”、測(cè)試的主要參數(shù)有哪些、會(huì)用到哪些設(shè)備等等,這就是本章節(jié)要跟大家分享的主題。

一、晶圓測(cè)試的定義

晶圓測(cè)試,又稱作:晶圓針測(cè),英文全稱:Chip Probing,簡(jiǎn)稱:CP,它是對(duì)晶片上的每個(gè)晶粒進(jìn)行針測(cè),在檢測(cè)頭裝上以金線制成細(xì)如毛發(fā)之探針(probe),與晶粒上的接點(diǎn)(pad)接觸,測(cè)試其電氣特性,不合格的晶粒會(huì)被標(biāo)上記號(hào),而后當(dāng)晶片依晶粒為單位切割成獨(dú)立的晶粒時(shí),標(biāo)有記號(hào)的不合格晶粒會(huì)被洮汰,不再進(jìn)行下一個(gè)制程,以免徒增制造成本。

晶圓制造完成之后,晶圓測(cè)試(CP)是一步非常重要的測(cè)試。這步測(cè)試是晶圓生產(chǎn)過程的成績(jī)單。在測(cè)試過程中,每一個(gè)芯片的電性能力和電路機(jī)能都被檢測(cè)到。晶圓測(cè)試也就是芯片測(cè)試(die sort)或晶圓電測(cè)(wafer sort)。

在測(cè)試時(shí),晶圓被固定在真空吸力的卡盤上,并與很薄的探針電測(cè)器對(duì)準(zhǔn),同時(shí)探針與芯片的每一個(gè)焊接墊相接觸(圖4.18)。電測(cè)器在電源的驅(qū)動(dòng)下測(cè)試電路并記錄下結(jié)果。測(cè)試的數(shù)量、順序和類型由計(jì)算機(jī)程序控制。測(cè)試機(jī)是自動(dòng)化的,所以在探針電測(cè)器與第一片晶圓對(duì)準(zhǔn)后(人工對(duì)準(zhǔn)或使用自動(dòng)視覺系統(tǒng))的測(cè)試工作無須操作員的輔助。

而晶圓測(cè)試(CP)的具體操作是在晶圓制作完成之后,成千上萬的裸DIE(未封裝的芯片)規(guī)則的分布滿整個(gè)Wafer。由于尚未進(jìn)行劃片封裝,只需要將這些裸露在外的芯片管腳,通過探針(Probe)與測(cè)試機(jī)臺(tái)(Tester)連接,進(jìn)行芯片測(cè)試就是晶圓測(cè)試(CP)。

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二、晶圓測(cè)試(CP)的分類

晶圓測(cè)試(CP)主要分為以下幾類:

1、DC測(cè)試

即直流測(cè)試。這種測(cè)試主要用來測(cè)試芯片的基本性能,包括開短路測(cè)試、漏電流測(cè)試、電源電流測(cè)試等,檢查芯片引腳和基礎(chǔ)電氣特性是否正常。例如,檢測(cè)芯片的導(dǎo)通電阻、源漏擊穿電壓等參數(shù),確保其在規(guī)定范圍內(nèi)。

2、AC測(cè)試

即交流測(cè)試。這種測(cè)試主要用來測(cè)試芯片的高頻性能,如頻率響應(yīng)和濾波器等。

3、功率和功能測(cè)試

功率測(cè)試主要是評(píng)估芯片的發(fā)熱和功耗,而功能測(cè)試主要是通過輸入測(cè)試向量(Test Pattern),驗(yàn)證芯片的邏輯功能是否正確??梢岳眯酒瑑?nèi)部集成的自測(cè)試電路,對(duì)存儲(chǔ)器(RAM/ROM)等模塊進(jìn)行測(cè)試,提高測(cè)試效率。

4、可靠性測(cè)試

這種測(cè)試主要是測(cè)試芯片的壽命和穩(wěn)定性,以確保芯片可以在預(yù)期的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行。

5、其他參數(shù)測(cè)試

還涵蓋電壓、電流、時(shí)序及基本功能測(cè)試,如閾值電壓(Vt)等。

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三、晶圓測(cè)試(CP)的操作流程

半導(dǎo)體制程中,晶圓測(cè)試(CP)制程只要換上不同的測(cè)試配件,便可與測(cè)試制程共享相同的測(cè)試機(jī)臺(tái)(Tester)。所以一般測(cè)試廠為提高測(cè)試機(jī)臺(tái)的使用率,除了提供最終測(cè)試的服務(wù)亦接受芯片測(cè)試的訂單。

一般來說,晶圓級(jí)測(cè)試的流程包括以下幾個(gè)主要步驟:

1、對(duì)準(zhǔn)

利用光學(xué)或其他對(duì)準(zhǔn)技術(shù),將晶圓上的測(cè)試點(diǎn)與探針卡精確對(duì)齊。

2、探針卡檢測(cè)

使用探針卡探測(cè)每一個(gè)裸芯片的電氣接觸點(diǎn),進(jìn)行功能性測(cè)試。

3、記錄和分析

將測(cè)試數(shù)據(jù)記錄并傳輸?shù)胶笈_(tái)系統(tǒng),通過分析得到每個(gè)裸芯片的性能數(shù)據(jù)。

a. 晶圓測(cè)試(CP)并作產(chǎn)品分類(Sorting)

晶圓測(cè)試(CP)的主要目的是測(cè)試晶圓中每一顆晶粒的電氣特性,線路的連接,檢查其是否為不良品,若為不良品,則點(diǎn)上一點(diǎn)紅墨水,作為識(shí)別之用。除此之外,另一個(gè)目的是測(cè)試產(chǎn)品的良率,依良率的高低來判斷晶圓制造的過程是否有誤。良品率高時(shí)表示晶圓制造過程一切正常,若良品率過低,表示在晶圓制造的過程中,有某些步驟出現(xiàn)問題,必須盡快通知工程師檢查。

b. 雷射修補(bǔ)(Laser Repairing)

雷射修補(bǔ)的目的是修補(bǔ)那些尚可被修復(fù)的不良品(有設(shè)計(jì)備份電路在其中者),提高產(chǎn)品的良品率。當(dāng)晶圓測(cè)試(CP)完成后,擁有備份電路的產(chǎn)品會(huì)與其在晶圓測(cè)試(CP)時(shí)所產(chǎn)生的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)一同送往雷射修補(bǔ)機(jī)中,這些數(shù)據(jù)包括不良品的位置,線路的配置等。雷射修補(bǔ)機(jī)的控制計(jì)算機(jī)可依這些數(shù)據(jù),嘗試將晶圓中的不良品修復(fù)。

4、失效芯片標(biāo)記

在檢測(cè)出缺陷芯片后,將其標(biāo)記為不合格,以便在后續(xù)的晶圓切割和封裝過程中排除。

5、加溫烘烤

加溫烘烤(Baking)是測(cè)試流程中的最后一項(xiàng)作業(yè),加溫烘烤的目的有二:

a. 將點(diǎn)在晶粒上的紅墨水烤干。

b. 清理晶圓表面。經(jīng)過加溫烘烤的產(chǎn)品,只要有需求便可以出貨。

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四、晶圓測(cè)試(CP)系統(tǒng)的組成

晶圓測(cè)試(CP)系統(tǒng)通常由支架、測(cè)試機(jī)、探針臺(tái)、探針卡等組成,探針機(jī)主要由Prober(探針臺(tái))和Prober Card(探針卡)組成。探針臺(tái)主要作用是承載晶圓,并不斷移送UT,使得探針卡上的探針可以和芯片管腳連接,最終記錄測(cè)試結(jié)果;探針卡是測(cè)試機(jī)和晶圓之間的連接介質(zhì),主要材質(zhì)為鑄銅或鍍銅,一般具有高強(qiáng)度、導(dǎo)電性能良好及不易氧化等特性,由于DUT的獨(dú)特性,所以不同批次的芯片需要對(duì)應(yīng)不同型號(hào)的探針卡。示意圖如下:

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五、晶圓測(cè)試(CP)的基礎(chǔ)知識(shí)分享

這一部分關(guān)于“集成電路晶圓測(cè)試(CP)基礎(chǔ)知識(shí)”是重點(diǎn)要跟大家分享的內(nèi)容,如有遺漏或是不足之處,還希望大家多多指正:

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六、晶圓測(cè)試(CP)的意義

因?yàn)橥ǔT?a target="_blank">芯片封裝階段時(shí),有些管腳會(huì)被封裝在芯片內(nèi)部,導(dǎo)致有些功能無法在封裝后進(jìn)行測(cè)試,因此晶圓中進(jìn)行晶圓測(cè)試(CP)最為合適。

而且晶圓制作完成之后,由于工藝偏差、設(shè)備故障等原因引起的制造缺陷,分布在晶圓上的裸DIE中會(huì)有一定量的殘次品。晶圓測(cè)試(CP)的目的就是在封裝前將這些殘次品找出來(Wafer Sort),同時(shí)還可以避免被封裝后無法測(cè)試芯片性能,優(yōu)化生產(chǎn)流程,簡(jiǎn)化步驟,同時(shí)提高出廠的良品率,縮減后續(xù)封裝測(cè)試的成本。

具體來講,晶圓測(cè)試(CP)主要是為了以下三個(gè)目標(biāo):

第一,在晶圓送到封裝工廠之前,鑒別出合格的芯片。

第二,器件/電路的電性參數(shù)進(jìn)行特性評(píng)估。工程師們需要監(jiān)測(cè)參數(shù)的分布狀態(tài)來保持工藝的質(zhì)量水平。

第三,芯片的合格品與不良品的核算會(huì)給晶圓生產(chǎn)人員提供全面業(yè)績(jī)的反饋。合格芯片與不良品在晶圓上的位置在計(jì)算機(jī)上以晶圓圖的形式記錄下來。從前的舊式技術(shù)在不良品芯片上涂下一墨點(diǎn)。

晶圓測(cè)試(CP)是主要的芯片良品率統(tǒng)計(jì)方法之一。隨著芯片的面積增大和密度提高使得晶圓測(cè)試的費(fèi)用越來越大。這樣一來,芯片需要更長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間以及更加精密復(fù)雜的電源、機(jī)械裝置和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來執(zhí)行測(cè)試工作和監(jiān)控測(cè)試結(jié)果。視覺檢查系統(tǒng)也是隨著芯片尺寸擴(kuò)大而更加精密和昂貴。芯片的設(shè)計(jì)人員被要求將測(cè)試模式引入存儲(chǔ)陣列。測(cè)試的設(shè)計(jì)人員在探索如何將測(cè)試流程更加簡(jiǎn)化而有效,例如在芯片參數(shù)評(píng)估合格后使用簡(jiǎn)化的測(cè)試程序,另外也可以隔行測(cè)試晶圓上的芯片,或者同時(shí)進(jìn)行多個(gè)芯片的測(cè)試。

另外,也有些公司會(huì)根據(jù)晶圓測(cè)試(CP)的結(jié)果,將芯片劃分等級(jí),將這些產(chǎn)品投入不同的市場(chǎng),購買者需要注意這一點(diǎn)。

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七、晶圓測(cè)試(CP)的主要內(nèi)容

1、SCAN

SCAN用于檢測(cè)芯片邏輯功能是否正確。DFT設(shè)計(jì)時(shí),先使用DesignCompiler插入ScanChain,再利用ATPG(Automatic Test Pattern Generation)自動(dòng)生成SCAN測(cè)試向量。SCAN測(cè)試時(shí),先進(jìn)入Scan Shift模式,ATE將pattern加載到寄存器上,再通過Scan Capture模式,將結(jié)果捕捉。再進(jìn)入下次Shift模式時(shí),將結(jié)果輸出到ATE進(jìn)行比較。

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2、Boundary SCAN

Boundary SCAN用于檢測(cè)芯片管腳功能是否正確。與SCAN類似,Boundary SCAN通過在IO管腳間插入邊界寄存器(Boundary Register),使用JTAG接口來控制,監(jiān)測(cè)管腳的輸入輸入出狀態(tài)。

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八、晶圓測(cè)試(CP)的方法

1、DC/AC Test

DC測(cè)試包括芯片Signal PIN的Open/Short測(cè)試,電源PIN的PowerShort測(cè)試,以及檢測(cè)芯片直流電流和電壓參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)規(guī)格。AC測(cè)試檢測(cè)芯片交流信號(hào)質(zhì)量和時(shí)序參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)規(guī)格。

2、RF Test

對(duì)于無線通信芯片,RF的功能和性能至關(guān)重要。晶圓測(cè)試(CP)中對(duì)RF測(cè)試來檢測(cè)RF模塊邏輯功能是否正確。

3、存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器測(cè)試數(shù)量較大,因?yàn)樾酒芍鞣N類型的存儲(chǔ)器(例如ROM/RAM/Flash),為了測(cè)試存儲(chǔ)器讀寫和存儲(chǔ)功能,通常在設(shè)計(jì)時(shí)提前加入BIST(Built-In SelfTest)邏輯,用于存儲(chǔ)器自測(cè)。芯片通過特殊的管腳配置進(jìn)入各類BIST功能,完成自測(cè)試后BIST模塊將測(cè)試結(jié)果反饋給Tester。

a. ROM(Read-Only Memory)通過讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)來檢測(cè)存儲(chǔ)內(nèi)容是否正確。

b. RAM(Random-Access Memory)通過除檢測(cè)讀寫和存儲(chǔ)功能外,有些測(cè)試還覆蓋DeepSleep的Retention功能和Margin Write/Read等等。

c. Embedded Flash除了正常讀寫和存儲(chǔ)功能外,還要測(cè)試擦除功能。

d. Wafer還需要經(jīng)過Baking烘烤和Stress加壓來檢測(cè)Flash的Retention是否正常。

e. 還有Margin Write/Read、Punch Through測(cè)試等等。

4、其他Function Test

芯片其他功能測(cè)試,用于檢測(cè)芯片其他重要的功能和性能是否符合設(shè)計(jì)規(guī)格。

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九、晶圓測(cè)試(CP)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1、成本節(jié)約

通過CP測(cè)試,可以只對(duì)那些“好的”芯片進(jìn)行后續(xù)的封裝,避免了在壞掉的芯片上浪費(fèi)封裝成本,封裝是芯片制造成本中非常昂貴的一環(huán)。

2、工藝反饋

CP測(cè)試會(huì)產(chǎn)生大量的測(cè)試數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可以幫助芯片設(shè)計(jì)公司和制造廠分析設(shè)計(jì)缺陷和工藝問題,從而改進(jìn)下一代產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化制造工藝,監(jiān)控晶圓制造的工藝良率,為生產(chǎn)線提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋,提高整體良品率。

3、性能分檔

對(duì)于像CPUGPU等復(fù)雜芯片,即使在合格的芯片中,其性能(如最高工作頻率、功耗)也存在差異,CP測(cè)試可以對(duì)芯片進(jìn)行等級(jí)劃分,以適應(yīng)不同市場(chǎng)需求。

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十、晶圓測(cè)試(CP)中需要注意的細(xì)節(jié)和技巧

在晶圓測(cè)試(CP)中應(yīng)該注意哪些步驟和問題呢?在晶圓測(cè)試(CP)過程中,為了獲得完美的測(cè)試結(jié)果,操作者需要了解科學(xué)的操作步驟,需要注意一些必要的問題。

1、操作人員的安全準(zhǔn)備

在進(jìn)行晶圓測(cè)試(CP)時(shí),操作員需要戴口罩。面罩是為了確保呼氣不影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。另外,左手要戴指尖,這也是為了保證操作的順暢。

2、在晶圓測(cè)試(CP)前,檢查設(shè)備的細(xì)節(jié),包括夾子的方向以及夾子是否磨平。

如果打磨平整,請(qǐng)立即更換卡子并擰緊卡子。擰緊可以確保晶圓不會(huì)損壞。當(dāng)然,在檢測(cè)過程中,也要保證相應(yīng)產(chǎn)品的檢測(cè)程序齊全。

3、注意不要打破光盤

晶圓測(cè)試(CP)需要按照一定的測(cè)試程序來完成。晶圓的晶片號(hào)和型號(hào)需要準(zhǔn)確,畫面的水平距離需要調(diào)整。在試驗(yàn)過程中,當(dāng)屈服率發(fā)生變化時(shí),操作人員需要立即停止操作,由相應(yīng)的責(zé)任工程師向組長(zhǎng)報(bào)告。

4、酒精清洗過程可以在晶圓測(cè)試(CP)的中間進(jìn)行

如果有細(xì)砂要加工,可以用細(xì)砂紙加工。測(cè)試之后,數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄自然是關(guān)鍵。這包括機(jī)器的型號(hào)、批號(hào)、枕卡號(hào),以及相應(yīng)的檢測(cè)日期等。保存需要科學(xué),防止任何不規(guī)范的操作行為。還有取出晶圓的問題。取出晶圓之前,需要清空真空。只有當(dāng)真空完全釋放時(shí),才能取出晶圓,否則很容易壓碎晶圓。那么整個(gè)行動(dòng)就變得毫無意義了。

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十一、晶圓測(cè)試(CP)探針卡的概述

晶圓測(cè)試(CP)的方式主要是通過測(cè)試機(jī)和探針臺(tái)的聯(lián)動(dòng),在測(cè)試過程中,測(cè)試機(jī)臺(tái)并不能直接對(duì)待測(cè)晶圓進(jìn)行量測(cè),而是透過探針卡(Probe Card)中的探針(Probe)與晶圓上的焊墊(Pad)或凸塊(Bump)接觸而構(gòu)成電性接觸,再將經(jīng)由探針?biāo)鶞y(cè)得的測(cè)試信號(hào)送往自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)做分析與判斷,因此可取得晶圓上的每顆晶粒的電性特性測(cè)試結(jié)果。

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探針卡是半導(dǎo)體晶圓測(cè)試(CP)過程中需要使用的重要零部件,被認(rèn)為是測(cè)試設(shè)備的“指尖”。由于每一種芯片的引腳排列、尺寸、間距變化、頻率變化、測(cè)試電流、測(cè)試機(jī)臺(tái)有所不同,針對(duì)不同的芯片都需要有定制化的探針卡,目前市場(chǎng)上并沒有哪一種類型的探針卡可以完全滿足測(cè)試需求。同時(shí),對(duì)于一個(gè)成熟的產(chǎn)品來說,當(dāng)產(chǎn)量增長(zhǎng)時(shí),測(cè)試需求也會(huì)增加,而對(duì)探針卡的消耗量也將成倍增長(zhǎng)。

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十二、晶圓測(cè)試(CP)技術(shù)的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

1、探針卡的制作

在晶圓測(cè)試(CP)中,探針卡的設(shè)計(jì)和制作是一個(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。探針卡需要與晶圓上的每個(gè)Die精確對(duì)接,同時(shí)要保證測(cè)試的速度和精度。如果探針卡設(shè)計(jì)不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致測(cè)試的干擾問題,甚至?xí)p壞晶圓上的Die。

2、并行測(cè)試的干擾

在進(jìn)行晶圓測(cè)試(CP)時(shí),往往會(huì)采用并行測(cè)試技術(shù),即一次測(cè)試多個(gè)Die。這種并行測(cè)試雖然可以提高測(cè)試效率,但容易引起信號(hào)干擾,影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3、大電流測(cè)試的限制

由于探針的電流限制,晶圓測(cè)試(CP)無法進(jìn)行大電流測(cè)試(例如功率MOSFET的測(cè)試)。這部分只能留到FT測(cè)試中進(jìn)行。

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十三、總結(jié)一下

晶圓測(cè)試(CP)的核心任務(wù)是剔除不合格的Die,減少后續(xù)封裝和最終測(cè)試(FT)的成本,同時(shí)監(jiān)控晶圓制造工藝的良率。而最終測(cè)試(FT)則主要是對(duì)封裝后的芯片進(jìn)行功能和可靠性測(cè)試,確保最終產(chǎn)品能夠在不同環(huán)境下正常工作。

簡(jiǎn)單來講:我們可以將晶圓測(cè)試(CP)比作初步篩選水果,而最終測(cè)試(FT)則是對(duì)包裝后的水果盒進(jìn)行檢測(cè)。兩者在測(cè)試目標(biāo)、測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試設(shè)備上都有很大的不同。

雖然有些公司選擇跳過晶圓測(cè)試(CP)以節(jié)省成本,但這并不適用于所有產(chǎn)品。對(duì)于高成本和高可靠性的產(chǎn)品,晶圓測(cè)試(CP)仍然是不可或缺的一步。最終,晶圓測(cè)試(CP)和最終測(cè)試(FT)共同確保了集成電路產(chǎn)品的質(zhì)量和性能,二者缺一不可。

另外、晶圓測(cè)試(CP)與最終測(cè)試(FT)還是第三代半導(dǎo)體量產(chǎn)化的關(guān)鍵保障,兩者的協(xié)同優(yōu)化可顯著提升碳化硅(SiC)/氮化鎵(GaN)芯片的良率與可靠性。未來,隨著8英寸和12英寸碳化硅(SiC)晶圓的普及與測(cè)試設(shè)備智能化,第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用邊界將進(jìn)一步擴(kuò)展。

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