ATE测试设备介绍

为什么要进行测试呢？

以wafer的工艺流程为例，从bare wafer开始，经过Photo、Etch、CVD、IMP、CMP、Clean等几百道工序，每一步中产生的缺陷，都有可能向下传递，甚至是不断累积。所以我们要确保在生产环节中制造出来的产品满足客户的质量要求，再去进行下一步的封测。另外一个重要的测试原因在于产品分级，典型的例子就是CPU厂商，根据测试结果进行产品分类分级。

晶圆测试和成品检测主要用到自动化测试机台ATE(Automatic Test Equipment)、分选机和探针台三种设备，其中ATE测试机是检测设备中最重要的设备类型，价值量占比约为63%。

作为一位DFT工程师，就很有必要了解一下ATE，它主要承接了我们的测试工作。

ATE的分类

完整的芯片生产周期，包括：芯片的设计与验证，晶圆制造、封装测试。

ATE主要用于半导体制造过程中检测芯片性能与缺陷，它分为两种：

晶圆制造环节的检测：偏向于外观检测，是一种物理性、功能性的测试。

封测环节的检测：按照封装前后分为晶圆检测(CP)和成品检测(FT)，主要是电性能的检测。

此外还有其他类型的测试：

Quality Assurance Test：在pass的芯片中抽检，进行质量控制；

Pre/Post Burn-In：老化测试，为了尽快度过早期失效期；

Military Testing：军品测试，更高的可靠性需求意味着更严格的测试；

Failure Analysis：失效分析，改进工艺、改善设计、提升良率。

ATE工具

下面以ATE机台中的CP测试机台为例，对其组成进行简单介绍，它主要由三部分组成：

1、晶圆测试台(Prober)

全自动探针台，型号为TSK UF3000

晶圆测试台又称探针台，可分为手动、半自动 / 全自动探针台。

晶圆测试台在测试过程中，利用每个die的x和y坐标来构建electronic wafer map。测试的pass/fail结果会显示在map上，在封装过程中根据这些信息来筛选出好的die。

2、晶圆测试机(Tester)

晶圆测试机台的组成与基本控制原理

晶圆测试机主要实现晶圆的功能测试，测试机是通过一台工作站来做外部的控制，通过测试程序的定义来产生待测器件上所需要的电压，电流以及时序信号等输入和读取，依此来判断待测器件的好坏。

3、探针卡(Probe Card)

水平式探针卡

探针卡负责固定探针和晶圆直接接触，主要是控制卡和探针两个部分。主要目的是将探针卡上的探针直接与晶片上的pad或者bump直接接触，引出晶片信号，再配合周边测试仪器与软件控制达到自动化测量读取芯片电信号的目的。

ATE的测试流程

假如我们现在手上有一批wafer，我们该怎么去测试它？

Step1：对芯片进行区分

芯片通常会准备若干种test mode功能，通过配置管脚使芯片进入指定的测试状态，从而完成各个类型的测试。如：

1、ATPG可输出WGL或STIL格式文件供tester使用。

2、BIST(Built-In Self Test)逻辑。这些自测逻辑完成对ROM/RAM/Flash等功能的测试。

3、Function Test Mode。一些专门的功能测试需要增加硬件逻辑，例如ADC/DAC/时钟等。

Step2：挑选测试厂和测试机型

我们需要选择有实力的测试厂和匹配的测试机型，测试厂和测试机的选择要考虑芯片类型、测试内容、测试规格和成本等因素。

Step3：制作Probe Card以及Test Program

Probe card包括探针和芯片外围电路。在芯片设计的时候，每一个die和die上的每一个芯片管脚的坐标和间距信息，都在投产之前已经确定，根据这些参数就可以开始制作探针了。

Test program是测试程序。测试程序控制整个机台的测试过程。不同的测试机有不同的测试软件系统，对应的测试程序也有不同的格式。通常工程师提供WGL/STIL/VCD等格式的文件，再转换成测试机需要的文件格式，并增加其他测试程序。

Step4：调试以及结果分析

整片wafer的测试结果会生成一个晶圆图文件，数据生成一个日志文件，例如STD文件。晶圆图主要包含良率、测试时间、各BIN的错误数和die位置，日志文件则是具体的测试结果。工程师通过分析这些数据，决定是否进入量产。

调试的时候根据test plan，pattern（测试向量）被分作不同的BIN，从而定位测试错误的位置。工程师根据这些错误信息进行调试，修改pattern和测试程序，逐个清理，直到所有BIN都通过。

wafer map晶圆图文件

Step5：再次调试，优化流程

最后就是进入量产阶段，根据大量测试的统计数据，可以进行一些调整以进一步优化测试流程。这一阶段可以决定是否对出错的die进行复测，通常复测可以纠正一定比例的错误。

另外，还需要关注良率是否稳定，当连续出现良率较低的情况时，需要停止测试，进行数据分析，检查设备或与代工厂沟通。

接下来才是进入真正的量产，这时只需要把CP测试的结果交给后续封装厂即可，所以说这一步至关重要！

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