Nell’ambiente di test dei semiconduttori sono utilizzati sistemi completamente automatizzati per ogni fase del processo. Ogni fase del processo produttivo dei circuiti integrati è molto costosa; quindi, distinguere già dalle prime fasi quali die scartare e quali possano continuare il percorso del ciclo produttivo è molto importante ai fini di raggiungere un’economia di scala.
La fabbricazione del wafer è un complesso processo sequenziale che crea gradualmente il circuito elettronico. Per semplificare, durante il processo di fabbricazione dei circuiti integrati diversi circuiti (centinaia o migliaia) sono realizzati su un wafer di semiconduttore. I circuiti sul wafer sono quindi dotati di “bump” per la saldatura o sottoposti a wire bonding, poi singolarizzati. Segue poi l’operazione di packaging con l’incapsulamento mediante molding.
A causa delle dimensioni, della naturale fragilità e della delicatezza del wafer non è ovviamente praticabile una gestione manuale. Quindi nel processo di fabbricazione e test dei semiconduttori sono utilizzati sistemi completamente automatizzati in ogni singola fase del processo. L'automazione della fase di test include sofisticate soluzioni di test elettrico e di ispezione per la selezione dei wafer. Il test elettrico dei singoli circuiti è eseguito da Automatic Test Equipment, che vengono connessi ai wafer tramite un probe card e le prove prevedono il test di segnali analogici, digitali e misti.
Il test dei wafer è una fase fondamentale nel processo produttivo e da valore ai circuiti integrati. Consiste nell'esamina dei singoli dispositivi semiconduttori presenti sul wafer (nucleo dei futuri IC) per identificare quelli difettosi e confermare la funzionalità di quelli “buoni”, dandogli l’identificativo “Known Good Die” prima di procedere con le altre fasi della produzione. Vengono raccolti i risultati dei test per ogni IC e viene generata una mappa digitale che identifica la posizione e lo stato pass/fail di ogni singolo die. Una volta completato il test, il wafer passa alle fasi successive del processo.
Per comprendere la difficoltà del test è importante considerare che un wafer di silicio sia un componente estremamente fragile, con spessori di qualche centinaio di micron (0,4 – 0,5 mm circa) e con un diametro che varia tra 4", 6", 8", 12" (100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm). L’unità di scala con cui si misura la dimensione dei circuiti, su ogni singolo die, è quella dei µm.
La probe card, cuore del wafer test
La probe card è essenzialmente un'interfaccia elettromeccanica che fornisce il contatto elettrico tra il dispositivo in prova (il wafer semiconduttore) e l'elettronica del sistema di test.
Per stabilire una connessione al dispositivo in prova (DUT) è necessario progettare una scheda di test, in genere unica per ogni circuito integrato e a cui fanno riferimento più sonde, per poi integrare il tutto nella probe card.
La base della probe card è costituita da un substrato organico multistrato (MLO) abbinato ad un PCB. Considerando le dimensioni microscopiche dei circuiti presenti sul wafer, va da sé che la probe card richieda una cura meticolosa non solo nella sua realizzazione, ma anche nel test che la convalida.
La probe card è dunque parte del sistema di wafer test e deve obbligatoriamente essere testata, prima di integrarla nel sistema finale, e ciclicamente per accertare la sua integrità. Oltre ai requisiti di precisione dettati dalle piccolissime dimensioni fisiche in gioco, poiché aumentano continuamente sia la larghezza di banda dei dispositivi che le richieste di potenza, è necessario essere in grado di soddisfare i requisiti di potenza e di alte prestazioni nell’erogazione dei segnali durante il test elettrico.
Tutti questi requisiti rientrano nelle sfide da affrontare nell’approntare il test delle probe card.
Il test delle probe card
I sistemi di test per probe card devono assicurare diverse tipologie di test:
- Test delle singole schede MLO e PCB non assemblate (Bare Board Test).
- Test di continuità tra MLO e PCB.
- Test In-circuit (ICT) e funzionale del PCB assemblato.
- Test dell’intera probe card (PCB e MLO unite).
A fine test è richiesta una certificazione ICCT (Integrity Connection Certification Test) che attesti l'integrità delle connessioni tra MLO e PCB.
Le linee automatizzate, per essere economicamente convenienti, devono avere un elevato livello di flessibilità e un breve tempo di setup. I sistemi automatizzati, per fornire agli utenti una soluzione completa, devono garantire flessibilità meccanica e software semplificato ed intuitivo, caratteristiche di base dei sistemi flying probe. Grazie agli sviluppi tecnologici degli ultimi anni le più avanzate piattaforme di test a sonde mobili possano essere la soluzione più adatta per il test delle probe card, sia per Bare Board Test (BBT) sia per i test ICT e funzionali.
Il sistema di test deve innanzitutto avere le caratteristiche meccaniche tali di poter contattare con precisione i punti di test molto piccoli: la dimensione delle piazzole delle probe card (sulla MLO) variano da 40 a 80 µm mentre, nel caso siano utilizzati dei bump, il loro diametro varia da 250 a 500 µm. Il passo delle sonde deve essere di conseguenza molto piccolo, circa 70 µm, e le sonde utilizzate devono essere ultra fine pitch, con una risoluzione di movimento tipica di 1 µm. In queste dimensioni microscopici diventa molto importante anche le prestazioni ottiche, vale a dire una o più telecamere per la lettura dei fiducial, il controllo ottico dei pad e dei component mancanti, oltre alla lettura dei codici a barre.
Trattandosi di schede molto fragili, è obbligatorio poter regolare e controllare la forza di contatto delle sonde per non danneggiare i pad, lasciando graffi o altri segni visibili. L'approccio migliore pad è avere un movimento Z perpendicolare alla scheda, in particolare al MLO. Con questo approccio, la sonda può garantire il miglior tocco possibile senza lasciare segni o abrasioni. Qualsiasi altra angolazione nel movimento dell'asse Z (diversa dalla verticale), aumenterà notevolmente la possibilità di lasciare un graffio sui pad della scheda.
È fondamentale anche le possibilità di utilizzare le sonde con le caratteristiche adatte al caso: per il test di MLO le sonde devono avere un diametro attorno ai 15 µm, mentre per il test di MLO il diametro tipicamente richiesto è attorno i 30 µm per il test del PCB, con una forza di contatto che può variare dai 2 ai 6 grammi.
Quando la probe card è completamente assemblata e l'MLO è montato sull'interfaccia PCB deve essere eseguito il test ICCT finale, per verificare l'integrità di ogni singola connessione tra MLO e l'interfaccia PCB stessa.
Il sistema di test deve avere le prestazioni richieste dal collaudo delle singole schede MLO e PCB: opens, shorts, test capacitivo ultraveloce (ultra fast capacitive), Kelvin test e test di dispersione (Leakage test valori di corrente minori di 1 nA) e test di isolamento fino a 1000 Volt. Inoltre si richiede la capacità di eseguire il test parametrici (In-circuit) dei componenti (embedded inclusi) per verificare sia i passivi (R, L, C) che gli attivi (diodi zener), e le prestazioni per poter eseguire il test dei componenti restanti, per esempio gli integrati o le varie famiglie di relé, che richiede l’alimentazione della scheda.
Una risorsa nel mondo della microelettronica
Grazie a molti anni di esperienza nel test delle probe card, Seica ha progettato e realizzato la piattaforma Pilot VX HR XL, il sistema a sonde mobili in grado di offrire una soluzione completa, chiavi in mano, per collaudarle.
In un’unica soluzione, a struttura verticale, il sistema riunisce l’hardware e software per eseguire tre tipi di test diversi: il test delle singole schede MLO e PCB prima dell’assemblaggio, il test ICT e funzionale dei PCB dopo l’assemblaggio, e il test finale della probe card composta dall’unione di PCB con MLO.
Nel test finale è incluso il test ICT, che verifica l'integrità di ogni singola connessione tra MLO e l'interfaccia PCB; il sistema Pilot VX HR XL genererà automaticamente il test specifico tenendo conto della resistenza di ogni singolo percorso, potenzialmente diverse l'una dall'altra, a causa di una diversa lunghezza delle reti o per la presenza di componenti su MLO.
Le principali caratteristiche hardware del Pilot VX HR includono:
- architettura verticale (facile da caricare anche con probe card rotonde);
- 8 assi completamente indipendenti, con risoluzione di movimento di1 µm;
- 2 sonde standard + 2 sonde High Resolution sul lato anteriore;
- 4 sonde standard sul lato posteriore;
- ampia area di test: 800×650 mm;
- sensore laser per l’accurato controllo della planarità. Può essere efficacemente impiegato anche per rilevare la presenza dei componenti e la comparsa di eventuali difetti quali il tombstoning dei chip;
- profilo soft landing.
Il sistema di misura integrata, basato sulla tecnologia DSP è in grado di comunicare in tempo reale con l'unità centrale, consentendo misurazioni capacitive, resistive e induttive estremamente accurate e precise, oltre ad essere molto veloci: un innovativo sistema di stimoli e misurazioni che viene installato direttamente sulle sonde mobili abilita le prove “ultra fast capacitive” per ottimizzare i tempi di test.
Il Pilot VX HR può utilizzare ogni coppia di sonde standard per alimentare la scheda fino a 2A per eseguire il test funzionale completo, ed è possibile fornire alla scheda due tensioni contemporaneamente, lasciando così libere e disponibili per le misurazioni le altre sonde, offrendo così la massima flessibilità per alimentare il DUT.
Nella fase di test open/short la verifica della continuità parte da 1ohm mentre la misura dell’isolamento arriva a 10 GOhm / 1000 V. Inoltre è attiva la funzione Micro-Short Identifier.
Il sistema è dotato di due telecamere ad alta risoluzione, una sul lato anteriore di oltre 12 Mpx con risoluzione ottica di 0,9 µm, e una seconda sul lato posteriore con risoluzione di 10 µm, entrambe con messa a fuoco motorizzata. A queste si affiancano due telecamere per la verifica della posizione di contatto delle sonde standard.
Questo sistema a sonde mobili dispone anche dell’opzione Automatic Stamper, un tool che permette di marcare automaticamente le schede sia in caso di fail che di pass, a seconda di quanto selezionato precedentemente come area di marcatura. La marcatura è eseguita tramite un timbro a inchiostro speciale, con la tecnologia “soft-kiss”.
Il sistema Pilot VX HR, come tutte le soluzioni Seica, integra la piattaforma software VIVA, che include la generazione automatica dei programmi di test BBT e ICT, importando i dati CAD/CAM della scheda nel formato del tipo IPC-D356A (CAM350) e ODB++, e fornisce in output tutti i dati riguardanti i test eseguiti per la completa tracciabilità puntuale e statistica.
La sequenza di test funzionale può essere scritta direttamente nell’ambiente VIVA, ma si può utilizzare anche software esterno (ad esempio TestStand o Python). Inoltre, VIVA comprende l’ambiente grafico avanzato QUICK TEST (QT) che permette all’utente di scrivere con facilità il test funzionale, senza dover necessariamente conoscere gli strumenti e le matrici. Infatti, QT consente l'uso diretto degli strumenti integrati per sviluppare test personalizzati, eseguendo automaticamente la configurazione degli strumenti ATE e il routing delle risorse, e tutte le sequenze QT possono essere salvate all'interno del programma VIVA.
Il Pilot VX HR può essere gestito anche da remoto tramite un pannello di controllo basato sul web: si possono eseguire operazioni che normalmente dovrebbero essere condotte dall'operatore davanti alla macchina, con la possibilità di avere un controllo centralizzato, un'impostazione e un monitoraggio più rapido della linea.
Il sistema è integrabile nel MES aziendale e di conseguenza risponde a Industry 4.0.
Il sistema Pilot VX HR sarà presente nello stand di Seica a Semicon Europa – Hall C2 Booth 160
