1.1　集成電路測試的分類

IC測試的目的主要有兩個方面：一是確認被測芯片是否符合產品手冊上所定義的規范；二是通過測試測量，確定芯片可以正常工作的邊界條件，即對芯片進行特性化分析。下面主要介紹集成電路測試的分類以及其中芯片探針（Chip Probing，CP）測試和最終成品測試（Final Test，FT）的測試流程及設備。

1.1.1　集成電路測試分類

1. 特性化分析

特性化分析（Characterization）通常在芯片設計階段進行，是為了確定產品規格，明確產品正常工作的條件而進行的測試。這種測試可以使用儀器/儀表進行，也可以借助自動測試設備（Automatic Test Equipment，ATE）來實現。比如借助ATE設備的掃描測試可以實現對不同參數變化的掃描，以確定產品工作的邊界條件。

2. 量產測試

隨著IC集成復雜度的提高，出現設計和生產制造缺陷的可能性也大大增加，為了避免因單顆IC芯片不良而導致的缺陷，我們需要對批量生產出的每一顆IC芯片進行測試，即量產測試，其目的是保證發給客戶的每一顆IC芯片都符合產品規范。

基本的量產測試有兩種，分別為芯片探針測試和最終成品測試。二者的測試原理一樣，都是通過自動測試設備連接IC中集成的測試點，運行自動測試軟件進行測試；區別是使用的測試設備和連接方式不同。

芯片探針測試（下文簡稱“CP測試”）針對的是未切割的晶圓，因此也稱為晶圓測試，需要用探針接觸晶圓上的測試焊盤，一次可以測試晶圓上的單個或多個晶粒（Die）；成品測試（下文簡稱“FT測試”）則針對已經封裝好的IC成品，用彈簧針（Pogo Pin）連接IC外引腳測試。圖1.2中展示了晶圓、晶粒和封裝后的IC。自動化測試設備針對這兩種測試使用不同的機械手，CP測試使用的機械手稱為探針臺（Prober），FT測試使用的機械手稱為分選機（Handler）。

3. 老化測試

老化測試（Burn-in Test）是為了預測產品的使用壽命，剔除早期失效的產品。基于ATE的老化測試通常是把產品放在溫箱里，通過恒溫或溫度循環的方式對產品進行測試。

1.1.2　CP測試流程及設備

通常CP測試流程如圖1.3所示，晶圓進入晶圓庫時會經過來料檢驗（Incoming Quality Assurance，IQA），沒有外觀異常（包括劃痕、裂紋、油污等）后會進行CP測試。CP測試會根據產品的不同測試溫度要求和測試項要求分成CP1、CP2，個別還會有CP3。例如含有嵌入式存儲器的微控制器（Micro Controller Unit，MCU）芯片，既需要針對存儲器進行讀寫及存儲功能測試，又需要針對微控制器進行邏輯功能測試。其CP測試流程一般是CP1測試基本存儲讀寫功能，并在存儲芯片內寫入一定的內容；然后晶圓經過高溫烘烤后進行CP2測試，以檢驗之前寫入的數據是否可以保持；最后對MCU部分進行邏輯功能的CP3測試。

對于使用墨點標記失效芯片的CP量產流程，測試完成后會對晶圓進行烘烤以固化墨點，然后做CP檢查（主要檢查外觀，墨點和測試數據是否一致等），檢查沒有問題會進行包裝、質檢（Quality Assurance，QA），然后安排出貨。

如圖1.4所示，CP測試系統主要由以下部分組成：

• ATE，或簡稱測試機（Tester），包括：

• 測試機頭（Test Head）
• 測試機頭支架
• 工作站（Workstation）

• 針測接口板（Probe Interface Board，PIB）
• 針塔（Pogo Tower）
• 探針卡（Probe Card）
• 晶圓卡盤（Chuck）
• 探針臺（Prober）

測試程序（Test Program）通常保存在服務器上，通過網絡下載測試程序到工作站本地硬盤，然后通過工作站上的操作界面（Operation Interface，OI）控制程序加載，開始、停止測試，記錄和存儲測試結果，還可以實時顯示測試進度和狀態。測試完成后，保存測試數據（Datalog）、結果統計（Summary）和晶圓測試結果圖（Wafermap）。最終的Datalog、Summary和Wafermap通過網絡傳回服務器。

探針臺包括晶圓上料區、垂直（Z軸）位置調整裝置、平面（X/Y軸）位置傳動裝置等。探針臺通過連接ATE的通信接口接收ATE發來的開始指令，調整探針正確接觸晶圓內某一顆晶粒（Die）的測試焊盤，然后發送反饋信號給ATE并開始測試。ATE測試完成后把測試結果記錄到Datalog文件，并向探針臺反饋測試分類（Bin）結果，探針臺生成探針臺格式的Wafermap。

針測接口板與針塔、探針卡一起使用，構成回路，使電信號在ATE和晶圓之間傳輸。晶圓卡盤是用于固定晶圓的裝置。

其中，探針卡是連接ATE與晶圓上被測電路的重要接口。探針卡上使用的探針（Probe）的材質大部分為鎢銅或鈹銅，也有鈀等其他材質。探針材質需要具備強度高、導電性強及不易被氧化等特性。

圖1.5展示了CP測試中探針卡上的探針是如何與晶圓上的測試焊盤進行連接的。

1.1.3　FT測試流程及設備

進行FT測試時使用的設備是分選機（Handler）。根據測試需求的不同可以選擇分體式分選機或者一體式分選機，其測試流程也不盡相同，如圖1.6所示。

分選機通常根據IC尺寸選擇。大尺寸的選用分體式分選機，尺寸較小的（通常小于3 mm×3 mm）選用一體式分選機。

分體式分選機采用料盤（Tray）入料，用真空吸嘴移動料，在測試尺寸較小的IC時擺放位置難以調整，并且容易產生外觀異常。

一體式分選機采用震動碗（Bowl Feed）進料，小尺寸IC移動過程中摩擦小，不會造成過多磨損，而大尺寸IC經過軌道時摩擦大，易導致外觀不良。

如圖1.7所示，FT測試系統主要包括：

• ATE
• 分選機
• 測試配件，包括：

• 負載板（Load Board）
• 芯片插座（Socket）
• 模具（Kit）

不同產品的尺寸及引腳數不同，需要制作不同的模具配合分選機使用。分體式分選機需要的模具包括金屬連接板（Docking Plate）、吸料頭（Nest）等，進行高溫測試時還需要預熱盤（Soak Plate），常溫測試時進料直接從未測料盤吸入并加以傳送，然后進入測試區。如前文所述，分體式分選機采用真空吸嘴吹氣放料，常用于測試尺寸較大的IC，較小的IC易被吹飛。

這里簡要介紹分選機與測試機的安裝，以及FT測試流程：

1）首先進行架機（Setup）。在測試機上安裝負載板、插座和連接板，用螺釘將連接板緊固在分選機測試區，并將測試模具中的其他配件裝在分選機上，調試好吸放料的感應位置，再接上通信接口。

2）架機完成后，通過測試機工作站的操作界面加載測試程序。

3）在分選機側按開始按鈕，分選機把待測芯片運送到測試區，準備好后反饋“開始測試”（Start Of Test，SOT）給測試機。

4）測試機收到SOT信號后開始測試，測試完成發送“測試結束”（End Of Test，EOT）信號和Bin結果給分選機。

5）分選機接收Bin信號，把測試完成的芯片放置到預先設定好的分Bin料盤。

6）移動未測料到測試區，反饋SOT信號給測試機，開始下一輪測試。

7）重復測試步驟直至所有物料測試完成，操作界面會提示測試結束，生成測試數據。

測試數據包括Datalog、Summary、標準測試數據格式文件（STDF）等。保存在本地的測試數據可通過ATE工作站上傳服務器，供用戶下載查閱。

圖1.8所示分體式分選機因測試區域的限制，目前最多支持16個測試工位（Site）。在對存儲類芯片進行測試時，因其測試時間長，需要更多測試工位并行測試以降低測試成本。這時通常會選用如圖1.9所示的料盤式分體分選機，此類分選機會將來料轉入測試料盤（Test Tray）。測試料盤裝好IC后，兩個料盤一起垂直推入測試區域并固定，然后將測試負載板和插座推入測試區并接觸IC，從而形成測試回路進行測試。此類分體式分選機需要的模具包括高精度測試機連接治具（High Fidelity Tester Access Fixture，HiFix，包含負載板和插座）和測試料盤中用于固定IC位置的承載座。這類分選機可以同時測試幾百顆芯片。

①HBIN，即Hardware Bin，硬件測試分類。

②動線，工廠中常指移動路線。

一體式分選機如圖1.10所示，可支持多個工作站，支持IC測試完成后的卷帶（Tape & Reel）或者料管（Tube）包裝方式。除ATE和一體式分選機，測試中還需要用到的配件包括負載板、芯片插座、安裝底座（Mounting Base），以及進料軌道（Feeding Track）。此類型的機械手通常還有一些擴展功能選項，比如增加一個激光器在IC上雕刻絲印，或者增加攝像頭檢驗并記錄包裝入卷帶或料管的芯片的絲印、二維碼等。

圖1.11所示是分選機中的一種，稱為重力式分選機，通過重力作用上料、下料，常用于測試雙列直插式等兩邊有引腳的IC。