CPK在集成電路測試行業中的應用

譚 雪，金 蘭

（北京確安科技股份有限公司，北京100094）

CPK在集成電路測試行業中的應用

譚 雪，金 蘭

（北京確安科技股份有限公司，北京100094）

制程能力指數（CPK）能反映測量系統處于穩定狀態下的實際加工能力，分析評估過程的穩定性和控制能力，它是現代企業用于表示制程能力的指標，實質作用是反映制程合格率的高低。以晶圓級測試數據為例，使用MINITAB 16軟件，將CPK應用到集成電路測試行業中，首先對數據進行正態性檢驗，對符合正態分布的數據進行控制圖分析，查看測試過程是否穩定、受控。最后，通過Capability Sixpacks工具考察處在穩定狀態下的測量系統在某multi-site測試下的實際加工能力,并根據CPK五個等級標準，在管理上作出相應的判斷和處置，判斷是否需要改善制程，為確保產品質量和測試穩定性提供了一種有效方法。

測量系統；集成電路測試；晶圓級測試數據；制程能力指數；正態性檢驗；控制圖分析

1 引言

CPK是現代企業用于表示制程能力的指標，是一種表示制程水平高低的方法，實質作用是反映制程合格率的高低。制程能力強才可穩定的生產出質量高，可靠性高的產品[1-2]。制程能力的研究在于確認這些特性符合規格的程度，以保證制程成品的良率在要求的水準之上，可作為制程持續改善的依據。這里以晶圓級測試為例，主要將CPK應用到集成電路測試行業中，使用MINITAB 16進行分析，考察處在穩定狀態下的測量系統在某multi-site測試下的實際加工能力。

Multi-site并行測試技術是指在一臺測試機上可同時對多個集成電路芯片進行全自動檢測，通過專門設計制作的探針卡可以同時連接到多個芯片的引腳上，使得測試機可以同時進行多個芯片測試，并記錄多個芯片的測試結果。通過單位時間內增加被測芯片的數量來提高測試機的吞吐率，減少測試機閑置資源，提高測試設備的利用率，大大降低了能耗，減少了測試廠房的占地面積。

2 Teradyne J750測試機

自動測試設備選擇泰瑞達（Teradyne）公司的J750測試機，美國泰瑞達公司在1998年推出INTEGRAJ750測試系統。該系統是一種計算機輔助、高度集成化、編程快捷方便的大規模數字集成電路測試系統。它不僅能測量通用的TTL電路、CMOS電路、接口電路、CPU、DSP、存儲器、A/D和D/A轉換器等器件,還能測量大規模的專用電路，具有測試速度快、測試精度高、帶載能力強等特點[3]。因此，該系統在全球測試行業運用最廣泛，是裝機量最大的測試系統之一。J750系統采用模塊化結構，配有非常豐富的測試儀表：每卡64通道的數字通道卡、面向ADC/DAC測試的CTO選件、面向混合信號測試的MSO選件、面向存儲器測試的MTO選件、面向邊界掃描測試的SCAN選件、面向射頻測試的RFID選件、面向模擬測試的AAPU選件[4]。

3 制程能力分析

3.1 方法簡介及測量數據獲取

在進行CPK計算之前，應該先確保測量系統是穩定受控的[5]。當過程被判定是穩定后才可進行CPK的計算。這里主要利用MINITAB16軟件進行數據分析，針對連續型和離散型兩種數據類型，可以選用不同方法。對連續性數據而言，可以查看 否符合正態分布，對符合正態分布的數據采 圖分析，若得到過程是穩定受控的，則可以使 模塊下質量工具中的Capability Sixpacks工 算CPK值；若數據不符合正態分布，則要查看是 通過轉換符合其他分布，對不符合任何分布 則采用公式計算。對離散型數據而言，針對基于二項分布或基于泊松分布有不同的計算方法。對于不同類型的數據，CPK的計算步驟如圖1所示。

圖1 不同類型的數據CPK計算步驟

這里選用1臺穩定受控的J750測試機，分析數據為在J750上已成功開發的一款產品的某個測試項數值，上下限在3.0V到3.8V內，分別測試5枚晶圓，提取4個site的5次測試共計100個數據進行分析，本例中的數據為連續型數據，具體見表1。

表1 4個site的測量數據

3.2 CPK五個等級標準

表2為CPK的五個等級標準，參照此標準可以查看處于穩定狀態下測量系統的實際加工能力，分析評估過程的穩定性和控制能力，并在管理上作出相應的判斷和處置，判斷是否需要改善制程等。具體標準如表2所示。

表2 CPK五個等級標準

3.3 正態性檢驗

首先應該查看數據是否符合正態分布，選用Anderson-Darling檢驗，這是一種基于經驗累積分布函數的檢驗[6]，通過P值來衡量。在MINITAB16中通過統計模塊的基本統計量下的正態性檢驗，可以得到P值，P值為評價正態性程度的參數[7]。根據P值范圍判斷即可，P值范圍介于0到1之間。P在0.05和0.1時需要根據實際情況分辨，一般P值大于0.05時則認為近似正態分布，P值大于等于0.1時默認正態分布。將100個數據導入到MINITAB16軟件中，軟件會輸出反饋結果。圖2為J750測試機的正態概率圖。從圖2可以看到P值為0.639，大于0.05，從統計意義上講，本組數據符合正態分布。

圖2 J750的正態概率圖

3.4 控制圖分析

其次，要做控制圖分析，查看測試過程是否穩定受控，選用統計模塊下控制圖中的單值變量控制圖，控制圖分析結果見圖3。從控制圖中可以看到測試過程中是否有異常點，同一圖形窗口中有單值控制圖（上）和移動極差控制圖（下）。單值指每次取得的一個測量值，可用來估計均值，控制過程的位置。移動極差指相鄰兩個測量值差的絕對值，可用來估計正態標準差，控制過程的波動。同時查看這兩個控制圖，可同時跟蹤過程水平和過程變異，以及檢測是否存在特殊原因[8]。這兩個控制圖中所有測試值均在上下兩條控制線內，表明測試過程沒有異常點，穩定、受控。

3.5 CPK計算結果與分析

在確保數據符合正態分布，且整個測試過程是穩定受控的后，就可以開始計算CPK了。

具體計算步驟見下，其中，USL代表規格上限，LSL代表規格下限：

（1）計算出100個數據的平均值：

（2）計算出100個數據的標準差

（3）規格公差：T=USL-LSL

（4）規格中心值：

圖3 I-MR控制圖分析結果

同時，通過統計下質量工具中的Capability Sixpacks工具可以得到可視化的結果，具體結果見圖4。Xbar、R和趨勢圖可用于驗證過程是否處于受控狀態[9]。Xbar圖，標繪點為樣本均值，均在控制界限之間隨機分布，表明過程是穩定的。R控制圖上的標繪點為樣本極差，此圖的點與Xbar控制圖上的點進行比較可發現點之間沒有相關關系，表明過程穩定。趨勢圖上的點隨機分布，無趨勢或偏移，也表明過程的穩定性。條形圖和正態概率圖可用于驗證數據服從正態分布。要解釋過程能力統計量，首先數據應該近似服從正態分布，在正態概率圖上，點大致在一條直線上，這些表明數據服從正態分布。能力圖以圖形顯示相對于規范的過程能力。從能力圖上，可以看出過程的允差都在控制界限內，將能力圖中CPK值與CPK五個等級標準進行比較，即可判斷測試機的實際加工能力。本例中CPK值為1.24，參考CPK五個等級標準，可以知道本測試機處于二級，能力尚可，需要進行工作及品質改善，降低變異，提高品質。

3.6 改善制程

回顧整個測試流程，尋找整個測試過程中可以改進的部分，綜合考慮人員、設備、材料、方法、環境這五部分，通過FMEA，篩選關鍵因子，發現測試時使用的探卡被嚴重氧化，導致接觸不良或測試結果不佳。通過磨針操作后，再次提取100個數據用上面方法進行分析，可得到新的CPK值為1.45，參考CPK五個等級標準，屬于一級，狀況理想，有效改善了制程。使用MINITAB16可以得到可視化的結果，見圖5，產品的良率可以得到保障。

圖4 J750測試機的CPK計算結果

圖5 改善制程后的CPK

4 結束語

分析含有具體數值的測試結果可以幫助人們識別芯片的某一特性。一般可以計算其平均值。實際上利用CPK的值則能更好的說明問題，CPK作為工序固有的能力，是工序保證質量的能力。按CPK值劃分的五個等級，按其等級高低，在管理上可以作出相應的判斷和處置。本例將CPK應用在集成電路測試行業中，將理論聯系實際，為確保產品質量和測試穩定性提供了一種有效方法。

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Application of CPKin Testing of Integrated Circuits

Tan Xue，Jin Lan
（Chip Advanced Co.,Ltd.,Beijing 100094,China）

Process capability index,briefly called CPK,can reflect the capability in actual process when the measurement system is in the steady state,and can analyze the stability and control the process. CPK,as the index to express the process capability,is used to reflect the level of the qualified rate of the process.The paper takes wafer level test data as an example and applies the CPKto the testing of integrated circuits by MINITAB16 to analyze the data of multi-site test to identify the major sources of error.We need check whether the data is consistent with the normal distribution,or the process is stable. Then its actual processing capacity in the steady state is investigated to make corresponding judgment and disposition in management according to the five levels of standards of CPK.It provides an effective mean to verify the stability of the measurement system and ensure the quality and reliability.

Measurement System;Testing of Integrated Circuits;Wafer level test data;Process Capability Index;Normality test;Control chart analysis

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.02.003

TN47

B

1002-2279-（2017）02-0011-04

譚雪（1985-），女（回族），北京人，碩士研究生，主研方向：IC測試。

2016-11-23