晶圆探针（CP）测试介绍_专业集成电路测试网-芯片测试技术-ic test

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CP测试（Chip Probing），也称为晶圆探针测试，是在芯片制造过程中，对尚未切割和封装的晶圆（Wafer）上每个裸片（Die）进行的电气性能和功能测试。其主要目的是在封装前识别和筛选出不合格的芯片，以提高生产效率和降低成本。CP测试可以检查晶圆厂的制造水平。现在对于一般的成熟工艺晶圆，许多公司省略了CP测试，以减少CP测试的成本。是否进行CP测试是封装成本和CP测试成本综合考虑的结果。

CP测试（Chip Probing），其主要重要性体现在以下几个方面：

1. 提高生产良率，降低成本：

· 通过在晶圆级别对芯片进行电气性能和功能测试，及时发现并剔除不合格芯片，避免将有缺陷的芯片送入封装阶段，从而降低封装成本。

2. 确保产品质量和可靠性：

· CP测试能够验证芯片的电气特性和功能完整性，确保产品在实际应用中的性能和可靠性。

3. 在半导体行业中的关键作用：

· 作为半导体制造的关键环节，晶圆CP测试系统对于提升芯片品质、加速技术创新具有举足轻重的作用。

综上所述，CP测试在半导体芯片制造过程中扮演着至关重要的角色，是确保芯片质量、提高生产效率和降低成本的关键步骤。

#01

CP测试的定义

CP测试是指在晶圆制造完成后、芯片封装之前，对晶圆上的每个裸片进行测试。通过探针卡（Probe Card）与每个裸片的焊盘（Pad）接触，测试设备施加输入信号并测量输出响应，以验证芯片的电气特性和功能是否符合设计规范。测试内容通常包括电压、电流、时序和功能验证等。

1.1 CP测试在芯片制造流程中的位置

在芯片制造流程中，CP测试位于晶圆制造和芯片封装之间。具体流程如下：

1. 晶圆制造：通过一系列工艺步骤在硅晶圆上形成成千上万个裸片。

2. CP测试：使用探针台（Prober）和测试机（Tester）对晶圆上的每个裸片进行测试，筛选出不合格的芯片。

3. 芯片封装：将通过CP测试的合格裸片切割、封装，形成独立的芯片。

通过在封装前进行CP测试，可以有效地筛除不良裸片，避免将有缺陷的芯片进行封装，从而节省封装成本，提高生产效率。

1.2 CP测试和WAT测试的区别

在半导体芯片制造过程中，CP测试（Chip Probing）、WAT（Wafer Acceptance Test）各自具有独特的作用和特点。

CP测试（Chip Probing）：

· 定义：CP测试是在晶圆（Wafer）级别对每个裸片（Die）进行电气性能和功能测试。

· 作用：通过筛选出功能不良的芯片，CP测试有助于提高生产良率，降低封装成本。

· 测试内容：主要包括电压、电流、时序和功能的验证，如阈值电压（Vt）、导通电阻（Rdson）、源漏击穿电压（BVdss）等。

· 位置：位于晶圆制造和封装之间，确保只有符合基本功能要求的芯片进入封装阶段。

WAT（Wafer Acceptance Test）：

· 定义：WAT是在晶圆制造过程中，对特定测试图形（Test Key）进行的电气参数测试。

· 作用：通过监控各步工艺的电气参数，WAT有助于评估和控制晶圆的质量，确保制造过程的稳定性。

· 测试内容：主要关注晶圆本身的质量控制，如各工艺步骤的电气参数是否符合规范。

· 位置：贯穿整个生产过程，着眼于晶圆本身的质量控制。

各测试在生产流程中的作用：

· CP测试：在晶圆级别筛选出不合格芯片，减少封装和测试的成本，提高生产良率。

· WAT：通过监控晶圆制造过程中的电气参数，评估和控制晶圆的质量，确保制造过程的稳定性。

综上所述，CP测试、WAT测试各自关注芯片制造过程中的不同阶段和方面，通过相互配合，共同确保半导体产品的质量和可靠性。

1.3 CP测试的目的

CP测试（Chip Probing），是芯片制造流程中的关键环节，主要目的是：

1. 筛选不合格芯片，降低封装成本：

· 通过对晶圆上每个裸片（Die）进行电气性能和功能测试，及时发现并剔除不合格芯片，避免将有缺陷的芯片送入封装阶段，从而降低封装成本。

2. 评估器件和电路的电性能参数：

· 在CP测试阶段，主要进行基础的电性能测试，如阈值电压、导通电阻、漏电流等。这些测试项目较为基础，且测试功率较小。

3. 检测芯片功能，确保设计符合性：

· CP测试不仅关注电性能，还包括芯片的功能测试，确保芯片在实际应用中的功能完整性和可靠性。

通过在晶圆级别进行这些测试，CP测试能够有效提高生产良率，降低成本，确保产品质量和可靠性。

1.4 CP测试基本流程

CP测试（Chip Probing），主要用于在晶圆级别对芯片进行电气性能和功能测试。其基本流程包括：

1. 晶圆装载：

· 将完成制造的晶圆（Wafer）放置在探针台（Prober）上，确保晶圆稳定且与测试设备对接。

2. 探针接触：

· 使用探针卡（Probe Card）将测试设备与晶圆上的每个裸片（Die）连接。

· 探针通过微小的针脚与晶圆上的焊盘（Pad）接触，建立电气连接。

3. 执行测试：

· 在测试设备的控制下，对每个裸片进行预定的电气性能和功能测试。

· 测试内容通常包括电压、电流、时序和功能验证等。

4. 数据分析：

· 收集测试结果，分析每个裸片的性能数据。

· 识别出不符合设计规范的芯片，为后续的筛选和处理提供依据。

错误类型	定义	原因	影响	图中描述
Mask Error（掩模错误）	光刻过程中掩模模板上的图案缺陷，如缺失或额外的线条，导致晶圆上的芯片图案出错。	掩模图案有缺陷，如制造不良或污染。	芯片图案出现错误，可能导致功能失效或性能下降。	连续线条中部分线条缺失，可能是掩模缺陷造成的。
Boundary Error（边界错误）	芯片边界或边缘的不连续性，可能是切割或研磨过程中的误差导致。	切割、研磨或机械应力控制不当。	芯片边缘受损，可能导致部分区域无法正常工作或功能受限。	芯片边缘显示出不连续性或不规则形态。
Test Spec. Error（测试规格错误）	测试过程中测试规格或参数设置错误，导致测试结果与预期不符。	测试规格设置不当或未按照产品设计要求配置参数。	错误的测试结果可能导致不良芯片无法筛选出，影响产品质量和后续工艺环节。	分散的红色方块表示测试过程中某些芯片的测试结果异常。
Scrape Error（刮痕错误）	由于物理损伤，晶圆表面被工具或设备刮伤。	处理晶圆时设备或操作不慎，导致表面刮痕。	影响芯片性能或导致芯片完全失效。	一条明显的刮痕贯穿晶圆表面，破坏图案结构。
Process Error（工艺错误）	制造过程中由于材料缺陷、工艺控制不当或设备故障引起的晶圆缺陷。	材料问题、设备异常、工艺参数设置不当。	局部缺陷可能导致芯片功能失效，影响良率和成本。	晶圆部分区域显示出明显的缺陷，可能由某个制造步骤的问题引起。
Probe-Pin Error（探针针脚错误）	探针针脚在晶圆测试时出现问题，如弯曲或断裂，无法正确接触芯片的测试点。	探针针脚损坏或未对准测试点。	测试信号无法传递，影响芯片测试准确性，可能导致不良品漏检。	探针针脚显示异常，如弯曲、断裂或接触点偏移。
Probe-Card Error（探针卡错误）	连接测试机和芯片的探针卡出现问题，如线路损坏或接触不良，影响测试结果。	探针卡线路损坏、接触不良或老化。	测试结果失准，可能导致良品被误判为不良品或不良品被误判为良品。	探针卡的部分线路或接触点显示问题，影响信号传输。

5. 标记和记录：

· 对测试结果进行标记，通常使用激光标记或其他方式在晶圆上标注不合格芯片的位置。

· 记录测试数据和标记信息，以备后续追踪和分析。

通过上述流程，CP测试能够有效筛选出不合格芯片，降低封装成本，提高生产良率。

需要注意的是，CP测试主要用于基本的电性能和功能验证，对于复杂的功能测试，通常在芯片封装后的最终测试（FT测试）阶段进行。

此外，CP测试的难点在于如何在最短的时间内挑选出不合格的裸片，并进行有效的标记和记录，以确保后续处理的准确性和效率。

可以看出，CP测试在芯片制造流程中扮演着至关重要的角色，是确保芯片质量和性能的关键步骤。


#02

CP测试相关设备

在CP测试（Chip Probing）过程中，主要使用以下设备：

部件名称	定义	主要功能	组成/特性
ATE Test Head Side	ATE（自动化测试设备）测试设备的一部分，负责生成测试信号并分析响应信号。	提供多种类型的测试信号（如电压、电流、逻辑信号）。	配置灵活，支持多种信号类型。
		接收DUT反馈信号，判断电气性能是否符合设计要求。	可实现快速分析和高效率的数据处理。
		与探针卡连接，实现信号传输。
Probe Card	连接ATE与晶圆的中间组件，通过探针将测试信号从ATE传递到晶圆焊盘。	实现ATE与晶圆之间的电气连接。	探针阵列（Needle Tip）：与晶圆焊盘接触。
		确保测试信号的完整性，避免信号损耗或干扰。	电路板（PCB）：用于连接ATE，分配信号至探针。
		支撑多点并行测试，提高效率。
Probe Card Needle Tip	探针卡的针尖部分，直接接触晶圆焊盘。	与晶圆焊盘建立物理接触，形成电气通路。	精度高：需精确对准焊盘。
Probe Card Needle Tip	探针卡的针尖部分，直接接触晶圆焊盘。	通常由耐磨材料（如钨、铱等）制成，以确保稳定性和寿命。	适应小焊盘尺寸和高测试密度。
Wafer Chuck	固定晶圆的机械平台，通常可调节位置。	提供稳固基底，确保探针卡针尖精确接触晶圆。	高精度机械控制。
		配备温控功能，用于测试器件在不同温度下的性能。	可控温设计：支持加热或冷却晶圆。
		通过机械或真空吸附固定晶圆。
DUT: Semiconductor Wafer	晶圆表面包含大量芯片单元（Die），每个Die为测试的具体对象。	接收探针卡传递的信号，并通过焊盘输出响应信号。	Die排列整齐，每个Die包含多个焊盘。
DUT: Semiconductor Wafer	晶圆表面包含大量芯片单元（Die），每个Die为测试的具体对象。	识别不良Die，便于后续制造环节剔除不良品。	包括功能、性能、缺陷等多维度测试。

1. 探针台（Prober）：

· 探针台是一种高精度的机器平台，用于承载和移动晶圆（Wafer），确保探针卡（Probe Card）上的探针与晶圆上的每个裸片（Die）精确接触。

其主要功能包括：

o 自动上下片：将晶圆放置在测试位置。

o 找中心：定位晶圆的中心点。

o 对准和定位：确保探针与裸片的精确对接。

o 移动：按照设定的步距移动晶圆，以逐一测试每个裸片。

· 探针台的精度要求极高，通常需要纳米级的定位精度，以确保测试的准确性。

2. 探针卡（Probe Card）：

· 探针卡是根据每颗芯片的电路和测试要求定制的测试板，用于实现自动测试设备（ATE）与芯片引脚（Pad）的电气连接。

探针卡上有许多电路和铜线，可以简单地理解为测试机将待测试的电压加到探针卡的针脚上，然后通过卡内部的电路进行稳定和转换，最后传输到第二张图中间的银色针脚上。然后通过这些非常、非常细的针脚（注意，此时芯片尚未封装，所以没有引脚，只有焊盘，可以说这些探针是刺入焊盘的）刺穿芯片的引脚。就这样，机器将所需的测试电压加到芯片上进行测试。

晶圆测试通常进行多次，例如在室温下测试基本功能（通常称为CP1或排序1），在高温烘烤后再进行测试（通常称为CP2），以及在客户期望的条件下再次测试（CP3）。当然，这些顺序在每个系列中都有所不同，但过程是相同的。一些小问题由于测试成本问题，会省略CP2和CP3，只进行CP1。

· 其主要组成部分包括：

o 控制卡（PCB）：用于固定和连接探针。

o 探针：与芯片引脚接触，传递信号。

· 探针卡的设计需要根据芯片的引脚排列、尺寸、间距等参数进行定制，以满足特定产品的测试需求。

3. 自动测试设备（ATE）：

晶圆越靠近边缘，其上的裸晶（一个小方块，即未封装的芯片）越有可能失败。随着芯片尺寸的增大，测试变得更加复杂。自动测试设备（ATE）应运而生。

· 自动测试设备用于为芯片测试提供所需的电源、信号和功能向量，并接收芯片的输出反馈信号以判断结果。

· 其主要功能包括：

o 生成测试信号：提供输入信号以激励芯片。

o 信号处理：对芯片的输出信号进行采集和分析。

o 结果判定：根据预设的标准判断芯片的合格性。

· ATE设备通常具有高精度和高速度，以满足大规模生产的需求。

ATE设备可进行以下测试：

· 直流参数测试

主要包括以下测试项目：连续性测试（也称为开路/短路测试），主要检查芯片引脚及其与机器连接是否完好。其余的测试项目是检查直流电气参数是否在一定范围内。

· 连续性测试：

· 漏电测试（IIL/IIH）

· 电源电流测试（IDDQ）

· 其他电流/电压测试（IOZL/IOZH, IOS, VOL/IOL, VOH/IOH）

· LDO、DCDC电源测试

测试项目	解释
漏电测试（IIL/IIH）	检查芯片在不同输入电平下的电流泄漏情况。
	IIL：输入低电平时的漏电流
	IIH：输入高电平时的漏电流
电源电流测试（IDDQ）	检查芯片在静态工作状态下的电流消耗，特别关注漏电流。
电源电流测试（IDDQ）	用于识别潜在的短路或功能故障，确保芯片在静态状态下的电流消耗符合预期。
其他电流/电压测试	包括：
	IOZL/IOZH：输出端口在不同电平下的电流（低电平/高电平）
	IOS：输出短路电流
	VOL/IOL：输出低电平时的电压和电流
	VOH/IOH：输出高电平时的电压和电流
LDO、DCDC电源测试	检查芯片的电源模块（LDO和DCDC）是否正常工作：
	LDO测试：检查低压差线性稳压器是否提供稳定的输出电压
	DCDC测试：检查直流-直流转换器的效率和稳定性。

DUT（被测设备Device Under Test):）的引脚上挂有上下保护二极管。根据二极管的单向导通和截止电压特性，电流通过二极管进行抽取/注入，然后测试电压是否在设定的限制范围内。整个过程由ATE中的仪器PE（Pin Electronics）完成。

· 数字功能测试

这一部分测试主要运行测试向量（test vector），测试向量是设计公司DFT工程师使用ATPG（自动测试模式生成）工具生成的。（测试向量是对芯片或电路的一种输入输出测试，目的是验证其功能是否符合设计要求。）

模式测试基本上是通过添加激励信号，捕获输出，并与预期值进行比较。

与功能测试相对应的是结构测试，包括扫描（Scan）和边界扫描（Boundary Scan）等。模式是基于芯片制造过程中生成的缺陷和故障模型生成的。

结构测试的应用可以更好地提高覆盖率。当然，也有内建自测试（BIST），主要是针对内存的测试。

· AC参数测试

主要是AC时序测试，包括设置时间（Setup Time）、保持时间（Hold Time）、传播延迟（Propagation Delay）等时序检查。

· ADC和DAC测试

主要是混合数字模拟/模拟测试，用于检查信号在经过ADC/DAC后是否符合预期，这涉及到大量的信号知识。一般包括静态测试和动态测试。

· 静态测试 -- 直方图法（INL, DNL）

· 动态测试 -- 信噪比（SNR）、总谐波失真（THD）、信号噪声加权失真（SINAD）

除了上述常规测试项目外，还可能根据不同芯片类型进行不同的测试，如RF测试、SerDes高速测试、Efuse测试等。

基本的测试流程图如下：

测试类型	目的	测试方式	意义
Continuity Test （连通性测试）	确认器件内部各引脚之间的电连接是否正常。	通过测量每个引脚的电阻值，判断是否存在开路或短路情况。	这是基础测试，用于确保器件的引脚没有物理损伤或连接异常。
ICC and Standby Test （工作电流和待机电流测试）	验证芯片在正常工作模式和待机模式下的电流是否在设计范围内。	对芯片供电，测量电源引脚的电流。	检测芯片是否存在功耗异常问题，尤其是漏电或短路。
Configuration or Logic Test （配置或逻辑测试）	确认芯片的基本逻辑功能是否正常。	输入特定的配置指令或逻辑信号，观察输出结果是否符合预期。	确保芯片的基本逻辑门和配置功能可以正常工作。
Program Pattern and Verify （编程模式和验证）	对芯片编程后，验证存储或逻辑功能的正确性。	编写特定的测试模式或数据到芯片中，然后读取并与预期结果对比。	确保芯片能够正确执行编程操作且无数据丢失或错误。
AD/DA Convert Test （模数/数模转换测试）	测试芯片中模数（ADC）和数模（DAC）转换电路的性能。	输入已知的模拟信号，观察其数字化结果，或输入数字信号，观察其转换后的模拟输出。	评估芯片的信号处理能力，尤其是精度和线性度。
BIST and Scan Test （内建自测试和扫描测试）	验证芯片内部测试电路（如BIST）以及可测性设计（如扫描链）的有效性。	激活芯片内部的自测试功能或扫描链，检查其是否能够正常运行。	通过快速定位芯片内部的故障点，提升测试效率。
AC Parameter Test （交流参数测试）	评估芯片的动态性能和时序参数，如上升时间、下降时间和传播延迟等。	对芯片输入高频信号，测量输出的响应时间和波形特性。	确保芯片在动态工作条件下符合设计指标。
Program Pattern and ID （模式编程和ID验证）	验证芯片是否能够接受模式的写入并识别其唯一标识符（ID）。	对芯片进行模式写入，并读取其中存储的ID信息。	确保芯片的可编程性以及唯一性，特别是用于追溯和防伪的场景。
Verify Pattern and ID （模式和ID验证）	进一步验证芯片存储模式和ID的完整性和准确性。	读取芯片的存储数据和ID，与预期值对比。	确保芯片出厂前的功能完整性和质量稳定性。

所有的测试都在ATE上进行，测试时间从几秒钟到几十秒不等，而且由于ATE是按机器计费的，因此缩短测试时间尤为重要！此外，批量生产测试中的芯片通常有数百万或数千万个，每个芯片节省一秒钟的时间，通常来说，缩短的时间还是非常可观的。

测试执行完成后，ATE会输出一个Datalog，显示测试结果。对于不同的测试项目，根据通过或失败的情况，还会进行分类，最后由进行排序。

4. 数据分析系统：

· 数据分析系统用于处理和分析测试过程中收集的数据。

· 其主要功能包括：

o 数据存储：保存测试结果和相关信息。

o 数据处理：对测试数据进行统计和分析。

o 结果报告：生成测试报告，供工程师评估和决策。

· 数据分析系统通常与ATE设备和探针台相连接，实现自动化的数据采集和处理。

通过上述设备的协同工作，CP测试能够高效、准确地对芯片进行性能和功能验证，确保产品质量和可靠性。


#03

结论

CP测试位于晶圆制造和封装之间，主要用于在晶圆级别对芯片进行电气性能和功能测试。通过在封装前筛选出不合格芯片，CP测试能够提高生产良率，降低封装成本，确保产品质量和可靠性。

此外，CP测试还可以监控晶圆制造的工艺良率，为后续的生产流程优化提供数据支持。

随着半导体技术的不断进步，CP测试正朝着以下方向发展：

1. 测试自动化的推进：

· 自动化测试系统能够显著提高测试效率和精度，降低人工操作的误差和成本。例如，自动化晶圆测试设备集成了多种测试方法和技术，能够自动完成晶圆上大量半导体器件的测试任务，包括数据采集、分析和报告生成等。

2. 非接触式测试技术的研究：

· 非接触式测试技术利用光学、电磁等原理对晶圆上的半导体器件进行测试，无需直接接触器件。这种方法具有测试速度快、对器件无损伤等优点。例如，非接触式CV测试系统CnCV-230是一款非接触、实时的全自动化量测系统，在化合物半导体产业的产品片和监控片的自动化检测中得到广泛应用。

3. 提高测试速度以适应新技术节点：

· 随着半导体技术的进步，芯片的尺寸不断缩小，功能日益复杂，对测试速度和精度提出了更高要求。提高测试速度和精度，能够满足新技术节点下对测试的需求，确保产品质量和生产效率。例如，自动化测试系统能够高效、准确地对晶圆上的大量半导体器件进行测试，满足高速生产的需求。

综上所述，CP测试在半导体芯片制造过程中扮演着至关重要的角色，是确保芯片质量、提高生产效率和降低成本的关键步骤。未来，随着自动化、非接触式和高速化技术的发展，CP测试将进一步提升其在半导体制造中的重要性。

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