晶圓測試

晶圓測試的對象是晶圓，而晶圓由許多芯片組成，測試的目的便是檢驗這些芯片的特性和品質。為此，晶圓測試需要連接測試機和芯片，并向芯片施加電流和信號。 完成封裝的產品會形成像錫球（Solder?Ball）一樣的引腳（Pin），利用這些引腳可以輕而易舉完成與測試機的電氣連接。但在晶圓狀態下，連接兩者就需要采取一些特殊的方法，比如探針卡（Probe?Card）。 如圖2所示，探針卡是被測晶圓和測試機的接口，卡上有很多探針2可以將測試機通訊接口和晶圓的焊盤直接連接起來，卡內還布置了很多連接探針與測試機的連接線材。探針卡固定在測試頭上，晶圓探針臺通過使探針卡與晶圓焊盤點精準接觸，完成測試。 2?探針: 與晶圓焊盤進行電氣連接和直接接觸的針狀物。

▲ 圖2 : 晶圓測試系統模式圖（? HANOL出版社/photograph.Formfactor）

將晶圓正面朝上裝載后，再把圖2右側的探針卡反過來使針尖朝下，實現與晶圓焊盤的準確對位。這時，溫度調節設備根據測試所需溫度條件，施加相應溫度。測試系統通過探針卡傳送電流和信號，并導出芯片訊號，從而讀取測試結果。 探針卡要根據被測芯片的焊盤布局和晶圓芯片排布制作，即探針與被測晶圓焊盤布局要一致。而且，要按照芯片排列，反復排布探針。其實，在實際操作中，僅憑一次接觸是無法測試晶圓的所有芯片的。因此，在實際量產過程中要反復接觸2~3次。 一般來講，晶圓測試依次按照“電氣參數監控（EPM） → 晶圓老化（Wafer Burn in） → 測試 → 維修（Repair） → 測試”順序進行。下面，我們來詳細講解一下晶圓測試的具體工序。

◎ 電氣參數監控（EPM，Electrical Parameter Monitoring）

測試可以篩選出不良產品，又可以反饋正在研發或量產中的產品缺陷，從而進行改善。相比而言，電氣參數監控的主要目的是后者，即通過評價分析產品單位元件的電氣特性，對晶圓的制作工序提供反饋。具體來說，就是在進入正式晶圓測試前，采用電學方法測量晶體管的特性和接觸電阻，驗證被測產品是否滿足設計和元件部門提出的基本特性。從測試的角度來看，就是利用元件的電學性能提取直流參數（Parameter），并監控各單位元件的特性。

◎ 晶圓老化（Wafer Burn in）

▲ 圖3：產品使用時間與不良率（? HANOL出版社）

圖3以時間函數揭示了產品生命周期中的不良率 [曲線呈現出如同浴缸的形狀，故被稱作浴盆曲線（Bath-Tub Curve）] ：早期失效（Early failure）期，產品因制作過程中的缺陷所導致的失效率較高；制造上的缺陷消失后，產品進入偶然失效（Random failure）期，在此期間，產品的失效率降低；產品老化磨損后進入耗損（Wear out）失效期，失效率明顯再次上升。可見，如果完成產品后立即提供給客戶，早期失效會增加客戶的不滿，造成退貨等產品問題的可能性也很大。

“老化（Burn in）”的目的就是為識別產品的潛在缺陷，提前發現產品的早期失效狀況。晶圓老化是在晶圓產品上施加溫度、電壓等外界刺激，剔除可能發生早期失效的產品的過程。

◎ 晶圓測試

在晶圓老化（Wafer Burn in）測試剔除早期失效產品后使用探針卡進行晶圓測試。晶圓測試是在晶圓上測試芯片電學性能的工序。其主要目的包括：提前篩選出不良芯片、事先剔除封裝/組裝3過程中可能產生的不良產品并分析其原因、提供工序反饋信息，以及通過晶圓級驗證（Wafer Level Verification）提供元件與設計上的反饋等。

在晶圓測試中篩選出的部分不良單元4，將會在我們下面要講到的維修（Repair）過程中被備用單元（Redundancy cell）替換。為測試這些備用單元是否能正常工作，以及芯片能否成為符合規格的良品，在維修工序后，必須重新進行一次晶圓測試。

3?組裝: 與基板或系統實現電氣或直接連接、組裝的工序；
4單元（Cell）: 為在記憶元件存儲信息（Data）所需的最小單位的單元數組；DRAM存儲單元（Cell）由一個晶體管（Transistor）和一個電容器（Capacitor）組成；

◎ 維修（Repair）

維修作為內存半導體測試中的一道工序，是通過維修算法（Repair Algorithm），以備用單元取代不良單元的過程。假設在晶圓測試中發現DRAM 256bit內存的其中1bit為不良，該產品就成了255bit的內存。但如果經維修工序，用備用單元替換不良單元，255bit的內存就又重新成了256bit的內存，可以向消費者正常銷售。可見，維修工序可以提高產品的良率，因此，在設計半導體存儲器時，會考慮備用單元的制作，并根據測試結果以備用單元取代不良單元。當然，制作備用單元就意味著要消耗更多的空間，這就需要加大芯片的面積。因此，我們不可能制作可以取代所有不良內存的充足的備用單元（比如可以取代所有256bit的備用256bit等）。要綜合考慮工藝能力，選擇可以最大程度地提升良率的數量。如果工藝能力強，不良率少，便可以少做備用單元，反之則需要多做。

維修可分為列（Column）單位和行（Row）單位：備用列取代不良單元所在的列；備用行取代不良單元所在的行。

DRAM的維修要先切斷不良單元的列或行，再連接備用列或行。維修可分為激光維修和電子保險絲（e-Fuse）維修。激光維修，顧名思義，就是用激光燒斷與不良單元的連接。這要求先脫去晶圓焊盤周圍連線的保護層（Passivation layer），使連接線裸露出來。由于完成封裝后的芯片表面會被各種封裝材料所包裹，激光維修方法只能用于晶圓測試。電子保險絲維修則采用在連接線施加高電壓或電流的方式斷開不良單元。這種方法與激光維修不同，它通過內部電路來完成維修，不需要脫去芯片的保護膜。因此，除晶圓測試外，該方法在封裝測試中也可使用。

封裝測試

在晶圓測試中被判定為良品的芯片，經封裝工序后需要再進行封裝測試，因為這些芯片在封裝工序中有可能發生問題。而且，晶圓測試同時測試多個芯片，測試設備性能上的限制可能導致其無法充分測試目標參數。與此相反，封裝測試以封裝為單位進行測試，對測試設備的負荷相對較小，可以充分測試目標參數，從而選出符合規格的良品。

封裝測試方法如圖4所示：先把“03”的封裝引腳（Pin，圖中為錫球）朝下裝入封裝測試插座內，使引腳與插座內的引腳對齊，然后再將封裝測試插座固定到封裝測試板（Package Test Board）上進行測試。

▲ 圖4：封裝測試系統（?HANOL出版社/ photograph.NST, SENSATA）

老化測試（Test During Burn In，TDBI）

前邊也提到過，“老化（Burn in）”是為了提前發現產品的早期失效，向晶圓產品施加溫度、電壓等外界刺激的工序。這一工序既可在晶圓測試中進行，也可在封裝測試階段進行。封裝后實施的“老化”被稱為老化測試（TDBI）。大部分半導體產品在晶圓和封裝測試均進行老化測試，以便更加全面地把握產品的特性，尋找縮減老化時間和工序數量的條件。可見，老化對于量產來說是一道最有效的工序。

◎ 測試

這是驗證數據手冊5中定義的運作模式在用戶環境中能否正常工作的流程。通過溫度測試，檢驗產品交流/直流參數的缺陷，以及單元&外圍電路（Cell & Peri）區域的運作是否滿足客戶要求的規格。此時，需要在比數據手冊中規定的條件更為惡劣的條件下，甚至是最糟糕的條件下進行測試。 5?數據手冊（Data Sheet）：定義半導體產品基本配置與特性等具體信息的文件。

◎ 外觀（Visual）檢測

完成所有測試后，需通過激光打標（Laser?Marking）把測試結果和速率特性（尤其是需要區分速率時）記錄在產品封裝的表面。經封裝測試和激光打標后，將良品裝入封裝托盤（Tray），產品即可出廠了。當然，在出廠前，還要進行最后一道測試——外觀測試，以剔除外觀上的缺陷。外觀檢測主要查看是否有龜裂、打標錯誤、裝入錯誤的托盤等問題；錫球方面主要檢查球是否被壓扁，或球是否脫落等問題。

審核編輯：劉清