提高晶片測試性能真有那麼難嗎?

作者 : Smiths Interconnect供稿

測試插座是半導體製造過程的關鍵零組件,但隨著封裝類型的激增、尺寸的縮小和速度的提高,設計者必須應對越來越多的不同挑戰…

數位居民時代,半導體晶片幾乎貫穿於我們生活的各個環節。不管是從微波爐到電腦、手機、電腦中央處理器(CPU)等電子設備上都安裝有各種各樣的晶片。當代微處理器或繪圖處理器上可容納超過500億個電晶體,故障率僅接近十億分之一。為了達到這樣等級的晶片運作可靠性水準,測試和測量在整個晶片設計和封裝測試過程中起著至關重要的作用。本文將探討針對不同的應用,半導體測試插座對半導體晶片測試與測量過程的影響。

測試的作用

晶片在這些設備上發揮什麼作用?各式晶片在這些電子設備上的作用,和人體各個器官發揮的作用比較類似。電子設備的整體管理和運算邏輯處理等,需要CPU (核心組成部分就是晶片組),CPU相當於人體的大腦。電子設備識別聲音、處理音訊,需要音訊處理晶片,相當於人體的耳朵。電子設備接收影像、處理圖片,需要繪圖處理晶片,相當於人體的眼睛。總之這些設備具備的各種功能,都需要對應的晶片來實現,就像人體的各個器官實現不同功能。

生產期間的測試在確保可靠性及可重複性方面發揮重要作用。半導體製造工廠在對晶片每個製程參數進行精確控制的同時,也會在生產的每個階段執行測試,以儘早排除有缺陷的零件。首先工廠會在晶圓層面對半導體晶片核心進行基本功能測試,丟棄任何故障零件,然後將通過測試的晶片分離成單獨的單元並將其封裝等待進一步測試。通常晶片出廠前,會對其進行多達20次測試,大多數測試是由連接到晶片上的特製設備完成,該等設備採用電訊號刺激晶片以類比真實狀態,並擷取晶片的回應以查看其是否達到設計要求。這些被稱為自動測試設備(ATE)的系統通常售價為100萬~200萬美元,可進行程式設計以連續多年測試各種晶片。

 

圖1:彈簧探針被載入到一個IC測試插座中,該插座將與ATE系統一起使用,以確認IC的品質。

 

半導體測試插座簡介

為便於ATE測試晶片,必須與已確立的一個乾淨的電訊號路徑實現物理連接。測試插座是一種客製設計的機電介面,提供非常乾淨的電訊號路徑,以便將晶片連接到ATE。典型的測試插座由三個關鍵零件組成:1.插座體或插座盒,是一種由金屬和塑膠製成的定製件,含有精密的切割腔體。2.插入孔腔的彈簧探針(或引腳)提供具有機械順服性的電路徑,將晶片連接到測試系統。3.根據應用的不同,機械特徵件(如蓋子、墊板或框架)用來創建堅固的機械介面。

測試插座的設計者必須應對眾多挑戰。測試插座必須非常堅固,不受溫度和濕度變化的影響,以實現與受測設備的精確和可重複連接。具體細節取決於受測設備的類型,但探針引腳通常必須具有低接觸電阻及大載流能力,並處理具有數千兆赫資料速率的高速訊號。訊號路徑必須遮罩,以使電磁干擾的影響降到最低。當然,除此之外,插座還必須能成功在大批量生產環境中運作,並且能夠連續多年可靠地處理數百萬個晶片測試。因此,必須對機電特性進行模擬、建模和設計,以達到訊號保真度、壓縮力、可用性和耐久性的最佳平衡,從而滿足生產要求。

史密斯英特康(Smiths Interconnect)提供高品質的測試插座,這些插座配置種類多樣的彈簧觸點,並採用不同設計標準設計而成。產品使用靈活、具有設計最佳化和快速交付的特點。測試插座可用於各種引線封裝和無引線封裝類型,包括無引線(QFN)封裝、四邊扁平封裝(QFP)、小廓形積體電路(SOIC)封裝、球閘陣列(BGA)封裝、連接盤網格陣列(LGA)封裝等。

史密斯英特康的DaVinci系列測試插座是一款高性能同軸插座,精準應對56/112G SerDes PAM4測試挑戰。消費者對下一代技術的需求,如物聯網、5G、人工智慧(AI)、深度學習和自動駕駛車輛需要高速資料傳輸和處理技術,高可靠性測試對於驅動這些技術的高速、多功能數位和類比設備至關重要。

 

DaVinci高速測試插座。

 

在廣泛的高速應用中,DaVinci高速測試插座幾乎是針對5G和雲端運算推出的大型網路交換核心晶片測試的理想的高速解決方案。DaVinci高速應用插座IC插座整合了彈簧探針技術和專利絕緣材料,提供優良的訊號完整性和高的機械耐久性。該插座提供的阻抗控制型同軸解決方案具有高達67GHz的類比RF和112Gbps數位傳送速率。在已獲專利的絕緣材料外殼中採用彈簧探針技術,從而產生同軸結構,降低了測試高度和材料撓度。另外新型DaVinci高速系列降低的測試高度和低的材料撓度特性,確保在智慧型網路視覺化技術,5G和人工智慧應用的最終測試階段的效率和準確性。新型DaVinci系列還具有完全遮罩的訊號路徑,用作散熱片的插座框架實現出色的散熱性能以及可更換的彈簧探針觸點。它的額定電流為3.0A,並且具有低接觸電阻(<80mΩ)。

 

DaVinci高速測試插座應用。

 

當前隨著5G等高速通訊標準的升級,在既有嚴苛的電氣性能要求而且對晶片外形尺寸、薄型佔位面積要求儘量小的應用中,應用於消費電子,智慧駕駛和電源管理等晶片IC設計人員越來越多地使用QFN封裝。憑藉其直接連接的周邊Pad結構、較大的接地塊可以保證熱和電氣性能,以及非常薄的堆疊高度,QFN封裝提供了無與倫比的優勢,但也帶來了一系列新的測試挑戰。應對這些測試挑戰需要一種穩定、可靠且電氣「潔淨」的測試插座解決方案。

Joule 20的接觸技術和高頻能力有效的保證了訊號傳輸的可靠性和完整性,是最佳化應用於消費電子、智慧駕駛、電源管理的QFN封裝晶片的測試解決方案。此外,其創新的設計結構可允許拆卸測試插座外殼而無需將其從PCB板上卸下,在設備測試期間仍然可進行清潔和維護工作,從而大大減少了客戶設備停機時間並説明客戶提高了測試產量。

 

Joule 20高頻測試插座。

 

Joule 20射頻測試插座具有出色的機械和電氣性能:

  • 插入插槽,匹配現有的PCB插槽尺寸;
  • 極短的訊號路徑,可提供高達20GHz的高頻寬;
  • 晶片和PCB之間的接觸電阻非常低,從而提高了測試良率;
  • 高頻能力確保訊號完整性和可靠性;
  • 散熱能力支持從-40℃~+125℃;
  • 接觸壽命長,最多插拔次數可達到500,000次。

 

Joule 20高頻測試插座結構圖。

 

測試插座是半導體製造過程的關鍵零組件,但隨著封裝類型的激增、尺寸的縮小和速度的提高,設計者必須應對越來越多的不同挑戰。近年來數位時代的加速發展,對新的消費性電子產品,以及自動駕駛車產生了巨大的需求。晶片更新、演進的速度變得越來越快,功能越來越複雜,這就要求更高的測試可靠性和更少的測試時間以將產品快速推出市場。

史密斯英特康測試解決方案具有可靠的彈簧探針技術、最佳化的設計和絕佳的機械性能,在各種嚴格的半導體測試應用中表現出卓越的品質和可靠性。

 

 

 

 

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