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IC測試之發展趨勢

      日期:2001/9/21      來源:半導體科技

   

鄭秋雄/環國科技股份有限公司董事長

一談到IC(積體電路)之測試,人們一定會想到用什麼去測,如何去測。測IC當然要用IC測試儀去測,要如何去測呢?一定是待測物的IC Chip要與IC測試儀接上後才能測。所以IC測試之重要技術所在是:一、接觸技術(Contact Technology),二、IC測試儀(IC Tester)。

隨著IC的輕薄短小化、功能的複雜化、高腳化及高頻化,使得傳統的IC測試方法逐漸不能適用。IC的輕薄短小化所引發的是接觸的問題,傳統的探針接觸方法在不久的將來會被淘汰。因為探針的間距很難達到日漸縮小的IC Pads之間距,目前IC Pad之間距已小於100mm,不久的將來會小於50mm。目前許多IC晶圓製造商及IC測試公司都極積從事這方面的研發,相信不久的將來一定會有大的突破。
IC測試儀的問題是在於IC的功能複雜化、多腳化及高速高頻化所造成的。也就是說IC測試儀要時常跟隨IC的演變而更新,這對於製造IC測試儀的廠商也是個很大的負擔。
我們先來看看IC測試在整個IC生產所佔之重要性,請參閱圖一。從圖一可以看出測試在整個IC製程所佔之份量有多重要,幾乎佔了一半的工作量。圖一所示的第一個步驟是晶圓製造(Wafer Fab),台積電、聯電可以說是這方面的代表廠商。台灣在晶圓代工是世界有名的,目前有二十多家晶圓製造廠,他們所生產的產品就是晶圓(Wafer)。晶圓製好之後下一步就是晶圓測試(Wafer probing or CP─Circuit Probing)就是俗稱的前段測試。有時候前段測試還分成兩段,尤其是測試記憶體的IC,如DRAM及SRAM。因為前段的第一次測完後還得作維修的工作,通常都採用雷射機來做修理,修完之後才作第二次的前段測試。再下一步驟就是封裝(Packaging)。封裝完成後還要做後段測試(FT;Final Test),之後才算是能出貨之產品。後段測試包括第一次後段測試,通常都是比較徹底的測試,然後再做預燒測試,此時是把封裝好的IC放在預燒板上,再放入烤箱。烤箱內的溫度約在125℃~150℃之間,一邊烤一邊做功能的測試,通常都是要測一整天。一個烤箱內約可容納一萬個IC。通過預燒測試才作第二步的後段測試,此時的測試比較簡單,在常溫下測簡單的功能,然後才可以出貨。可見測試之重要性!但在整個IC的製程中測試所佔之成本費用是全程的10%~20%而已。原因是測試之設備在整個IC製程所須之設備及材料還算是最便宜的。
#F#圖一:IC製程

在前一段中我們曾提到過IC測試的兩大問題是(一)接觸及(二)測試儀。現在我們先來考慮接觸的問題。 這裡提到的接觸是指待測物IC Chip之Pads如何與測試儀之測試頭做接觸。有了良好的接觸才能進行測試。
雖然IC 測試只佔整個IC 製程的10~20%費用。但因IC 之輕薄短小化所帶來之接觸問題如不及早解決,將來測試的經費( Testing Cost)可能會達到50%以上而超越IC 之晶圓製造成本。
目前解決這接觸問題已有好幾個方案。最早期的(約10年前)有四至五家公司(都在美國)在研發薄膜針測卡(Membrane Probe Card)以便取代傳統的探針卡(Needle Probe Card) 。10幾年前那時是用來測剛剛研發成功之GaAs Technology IC Chip,因薄膜針測卡可測高頻之故。當初在研發薄膜針測卡以便取代傳統的探針卡的構想是因薄膜針測有下列之好處:(一)、可做多晶測試,即一次可測16個或32個晶粒以上,可以加快產能降低成本。(二)、每根針或凸塊(Bump)可以任意擺置,這種特色對當時正熱於生產BGA Chip是很適當的,因為測矩陣形的針測卡(Probe Card)用傳統之探針(Needle Probe)是很難做到的。(三)、高頻傳輸之特性,薄膜技術可以使薄膜針測卡傳遞頻率高過1GHZ以上而不失真,如果設計好的話,可達10GHZ以上的傳遞速度。(四)、維護(Maintenance)容易,金屬探針(Needle Probe)平均每接觸二千次就要作維修工作,而如果其中有一根針壞了,其維修很難而時間大約一至二週,因為要送回原廠修理之故。(五)、大面積測試,有可能發展成全晶圓全部的IC Chips都一次就測完。
薄膜針測卡(Membrane Probe Card)是採用薄膜技術(Thin Film technology)製成。薄膜製程技術可參閱圖二:薄膜針測片之製程,我在此簡單的描述一下:開始是先選用一片1mm厚的鋁板當基板(substrate),拋光後佈上一層厚約25mm之Polyimide,然後再在上面佈滿電源及接地線(Power & Ground lines),然後再佈上約5mm之Polyimide當絕緣,必要時可在這層Polyimide上做Via(穿孔)以便下層之電可通到上面來,然後再佈上訊號(Signal)電路,這樣一層一層上到最後才開始長約25mm高之探針或凸塊(Bump),即形成薄膜測試片,長針的方法很多,最通常的方法是利用光阻(Photo-resist)材料再配合電鍍方法而製成。
#F#圖二:薄膜針測片之橫切面

但因薄膜針測卡在平坦度上的控制極難,很不容易被晶圓廠商接受,因此被後來居上的 Micro-Spring (FORM FACTOR公司所發展出的產品)、Cobra Vertical Probe(IBM公司所發展出的產品),所取代。
如表一所示:Micro Spring及Cobra Probe在市場上都相當成功, 唯有Membrane Probe 在技術上尚有問題。主要問題是在membrane Probe的針或凸塊(Bump)是電鍍的方法長出來的,每根針並不具有彈性(no Per Pin Compliance),如果針數少的話,還算容易做到每根針都能接觸到IC Chip 上的Pads。如果針數多的話平坦度就很難控制。這也是為什麼目前在市場上還沒有高腳數的Membrane Probe Card存在之最大原因。應用Membrane Probe Card最成功的是Cascade公司,但他所做出的Probe Card也只限於針數(Pin Count)少的而頻率極高的通訊用之IC Chip。Membrane有個優點就是可以傳輸高頻,根據我們實驗的結果最高可達11GHz而無失真。
以目前全世界在Probe Card發展的情勢,為了達到全晶圓的測試(Wafer Scale Testing or Probing)已有不少公司轉向微機電(MEMS;Micro Electronics Mechanical System)的技術。微機電探針(MEMS Probe Card)也許是未來全晶圓測試(Wafer Scale Testing or Probing)的主流技術。其最主要的原因是每根針(或Probe Pin)都具有個別的彈性(Per Pin Compliance),所以在高針數(超過1000 pins以上)之大面積偵測(Probing)時,其平坦度及總壓力比較容易控制。請參考表一及圖三,在圖三所示微機電探針的尖端半徑只有0.1mm,故在穿破IC PAD上的氧化層(Oxide layer)只需0.1公克的力量,比金屬探針的2公克小20倍,表一上的Per pin compliance(每根針的自調彈性),只有薄膜針卡沒具此特性,而在Low probe force上只有微機電探針特具此優點,是將來發展全晶圓測試之最有力條件。其他的優點是微機電探針(MEMS Probe Card)的Pitch可以小到50mm以下,這是其他技術(Technology)所不能達到的。以目前IC的發展趨勢即輕薄短小化,MEMS的Probe Card技術應該是最可行,也最具前瞻性。從表一及圖三上可以看出。
#F#表一:晶圓針測卡技術之比較
#F#圖三:金屬探針與微機電探針之比較

至於IC測試儀的發展,其技術層面或主要考量點有下列四項:
1.腳數及封裝型式(Pin Count & Packaging type)
2.測試之最高頻率(Max. Test speed)
3.電源供給數及型態,如:5V、3V或1.8V等(Power supplies)
4.數位、類比或混合型(Digital、Analog or Mixed Signal)
依目前IC產業突飛猛進的態勢,IC的設計與製造,不但是輕薄短小化,而且也因晶圓製造技術(FAB Technology)的日新月異;昨天的0.5mm technology,今天已改進為0.1mm technology而使得昨天的0.5mm技術已成落伍;這種進步的神速,使得IC的設計製造功能複雜化、高腳化、高頻化和多元化,如此一來,設計IC測試儀的技術也要緊跟著進步,否則新的IC Chip出來,恐怕就不能測了。
設計生產一部符合於上述四點的測試儀,價位都在上億元,如Advantest之5581型,Teradyne之J973EP型都是這種類型的Tester。這種昂貴的IC測試儀不是每家半導體廠商都買得起的,產品(Products)能在市場上佔上風,成本(Cost)是最大的主因。為了降低成本增強競爭力,大型複雜的IC測試儀將會受到市場需求的限制而縮小其銷售量,只限於特殊用途的廠商才會購買。因此,未來IC測試儀的發展,要看市場的需求而發展出各具特別功能的IC測試儀,故小型的而有獨特功能的Tester可能是將來的主流,這種Tester可分為下列四種:
1.Memory Module Tester(記憶體模組測試儀)
2.Functional Tester(功能測試儀)
3.Leakage Tester(微電流電壓測試儀)
4.BIST Type IC Tester(自測式IC的測試儀)
Memory Module的市場會漸漸擴大,因電腦功能的多元化、可以上網等等這些都要記憶體的增加才能做到,因此這種測記憶體模組(Memory Module)的測試儀相對的也會需求量大增,Functional Tester是用來做系統功能測試,它可以很容易擴大Pin數,隨時符合IC或IC系統的複雜化。以上的這兩種Tester都只測IC的功能而已,如要測其電流電壓的強度,那就要用第三種Leakage Tester了,第四種是BIST(Build-in self Test)型的IC Tester,這一定是將來的趨勢,因為不管IC多複雓化,這種Tester都可以測,本身IC內就具有自測功能,這種觀念早在10年前就有,但當時IC的功能還沒像目前這麼複雜,加上自測系統在IC內不划算,因佔的面積幾乎是25%以上,Over-head太高,故十年前並不被採用,最近因IC複雜化,而自測系統在複雜的IC只佔很小的1%而已,故目前已漸漸被廣泛的採用。因此,可預見的將來這種BIST Type IC的測試儀可能會成主流而取代所有的IC Tester,它不只能測數位型的IC,也可測類比的、混合型的IC。
目前環國科技(Innotest Inc.)在新竹科學園區就是以此兩項為公司的研發方向與營運目標,在接觸技術方面的發展已由原先的薄膜技術跨入微機電技術的領域。已發展出適用的微機電探針(MEMS Probe),目前在徵求晶圓測試廠的合作。在測試儀方面也正在積極進行全系統的Memory Module Testing System,含Handler在內的整套記憶體模組測試生產系統 (DIMM Testing & Production System)設計,同時也在徵求業界有意投資生產記憶體模組(Memory Module)的財團,以環國科技設計
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