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(cè)試行業(yè)中的應(yīng)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(shù)（CPK）能反映測(cè)量系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)下的實(shí)際加工能力，分析評(píng)估過(guò)程的穩(wěn)定性和控制能力，它是現(xiàn)代企業(yè)用于表示制程能力的指標(biāo)，實(shí)質(zhì)作用是反映制程合格率的高低。以晶圓級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)為例，使用MINITAB 16軟件，將CPK應(yīng)用到集成電路測(cè)試行業(yè)中，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，對(duì)符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制圖分析，查看測(cè)試過(guò)程是否穩(wěn)定、受控。最后，通過(guò)Capability Sixpacks工具考察處在穩(wěn)定狀態(tài)下的測(cè)量系統(tǒng)在某multi-site測(cè)試下的實(shí)際加工能力,并根據(jù)CPK五個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在管理上作出相應(yīng)的判斷和處置，判斷是否需要改善制程，為確保產(chǎn)品質(zhì)量和測(cè)試穩(wěn)定性提供了一種有效方法。

測(cè)量系統(tǒng)；集成電路測(cè)試；晶圓級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)；制程能力指數(shù)；正態(tài)性檢驗(yàn)；控制圖分析

1 引言

CPK是現(xiàn)代企業(yè)用于表示制程能力的指標(biāo)，是一種表示制程水平高低的方法，實(shí)質(zhì)作用是反映制程合格率的高低。制程能力強(qiáng)才可穩(wěn)定的生產(chǎn)出質(zhì)量高，可靠性高的產(chǎn)品[1-2]。制程能力的研究在于確認(rèn)這些特性符合規(guī)格的程度，以保證制程成品的良率在要求的水準(zhǔn)之上，可作為制程持續(xù)改善的依據(jù)。這里以晶圓級(jí)測(cè)試為例，主要將CPK應(yīng)用到集成電路測(cè)試行業(yè)中，使用MINITAB 16進(jìn)行分析，考察處在穩(wěn)定狀態(tài)下的測(cè)量系統(tǒng)在某multi-site測(cè)試下的實(shí)際加工能力。

Multi-site并行測(cè)試技術(shù)是指在一臺(tái)測(cè)試機(jī)上可同時(shí)對(duì)多個(gè)集成電路芯片進(jìn)行全自動(dòng)檢測(cè)，通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制作的探針卡可以同時(shí)連接到多個(gè)芯片的引腳上，使得測(cè)試機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)芯片測(cè)試，并記錄多個(gè)芯片的測(cè)試結(jié)果。通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)增加被測(cè)芯片的數(shù)量來(lái)提高測(cè)試機(jī)的吞吐率，減少測(cè)試機(jī)閑置資源，提高測(cè)試設(shè)備的利用率，大大降低了能耗，減少了測(cè)試廠(chǎng)房的占地面積。

2 Teradyne J750測(cè)試機(jī)

自動(dòng)測(cè)試設(shè)備選擇泰瑞達(dá)（Teradyne）公司的J750測(cè)試機(jī)，美國(guó)泰瑞達(dá)公司在1998年推出INTEGRAJ750測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)輔助、高度集成化、編程快捷方便的大規(guī)模數(shù)字集成電路測(cè)試系統(tǒng)。它不僅能測(cè)量通用的TTL電路、CMOS電路、接口電路、CPU、DSP、存儲(chǔ)器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等器件,還能測(cè)量大規(guī)模的專(zhuān)用電路，具有測(cè)試速度快、測(cè)試精度高、帶載能力強(qiáng)等特點(diǎn)[3]。因此，該系統(tǒng)在全球測(cè)試行業(yè)運(yùn)用最廣泛，是裝機(jī)量最大的測(cè)試系統(tǒng)之一。J750系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，配有非常豐富的測(cè)試儀表：每卡64通道的數(shù)字通道卡、面向ADC/DAC測(cè)試的CTO選件、面向混合信號(hào)測(cè)試的MSO選件、面向存儲(chǔ)器測(cè)試的MTO選件、面向邊界掃描測(cè)試的SCAN選件、面向射頻測(cè)試的RFID選件、面向模擬測(cè)試的AAPU選件[4]。

3 制程能力分析

3.1 方法簡(jiǎn)介及測(cè)量數(shù)據(jù)獲取

在進(jìn)行CPK計(jì)算之前，應(yīng)該先確保測(cè)量系統(tǒng)是穩(wěn)定受控的[5]。當(dāng)過(guò)程被判定是穩(wěn)定后才可進(jìn)行CPK的計(jì)算。這里主要利用MINITAB16軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，針對(duì)連續(xù)型和離散型兩種數(shù)據(jù)類(lèi)型，可以選用不同方法。對(duì)連續(xù)性數(shù)據(jù)而言，可以查看 否符合正態(tài)分布，對(duì)符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采 圖分析，若得到過(guò)程是穩(wěn)定受控的，則可以使 模塊下質(zhì)量工具中的Capability Sixpacks工 算CPK值；若數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，則要查看是 通過(guò)轉(zhuǎn)換符合其他分布，對(duì)不符合任何分布 則采用公式計(jì)算。對(duì)離散型數(shù)據(jù)而言，針對(duì)基于二項(xiàng)分布或基于泊松分布有不同的計(jì)算方法。對(duì)于不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，CPK的計(jì)算步驟如圖1所示。

圖1 不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)CPK計(jì)算步驟

這里選用1臺(tái)穩(wěn)定受控的J750測(cè)試機(jī)，分析數(shù)據(jù)為在J750上已成功開(kāi)發(fā)的一款產(chǎn)品的某個(gè)測(cè)試項(xiàng)數(shù)值，上下限在3.0V到3.8V內(nèi)，分別測(cè)試5枚晶圓，提取4個(gè)site的5次測(cè)試共計(jì)100個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本例中的數(shù)據(jù)為連續(xù)型數(shù)據(jù)，具體見(jiàn)表1。

表1 4個(gè)site的測(cè)量數(shù)據(jù)

3.2 CPK五個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2為CPK的五個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，參照此標(biāo)準(zhǔn)可以查看處于穩(wěn)定狀態(tài)下測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際加工能力，分析評(píng)估過(guò)程的穩(wěn)定性和控制能力，并在管理上作出相應(yīng)的判斷和處置，判斷是否需要改善制程等。具體標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 CPK五個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.3 正態(tài)性檢驗(yàn)

首先應(yīng)該查看數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，選用Anderson-Darling檢驗(yàn)，這是一種基于經(jīng)驗(yàn)累積分布函數(shù)的檢驗(yàn)[6]，通過(guò)P值來(lái)衡量。在MINITAB16中通過(guò)統(tǒng)計(jì)模塊的基本統(tǒng)計(jì)量下的正態(tài)性檢驗(yàn)，可以得到P值，P值為評(píng)價(jià)正態(tài)性程度的參數(shù)[7]。根據(jù)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(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況分辨，一般P值大于0.05時(shí)則認(rèn)為近似正態(tài)分布，P值大于等于0.1時(shí)默認(rèn)正態(tài)分布。將100個(gè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MINITAB16軟件中，軟件會(huì)輸出反饋結(jié)果。圖2為J750測(cè)試機(jī)的正態(tài)概率圖。從圖2可以看到P值為0.639，大于0.05，從統(tǒng)計(jì)意義上講，本組數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。

圖2 J750的正態(tài)概率圖

3.4 控制圖分析

其次，要做控制圖分析，查看測(cè)試過(guò)程是否穩(wěn)定受控，選用統(tǒng)計(jì)模塊下控制圖中的單值變量控制圖，控制圖分析結(jié)果見(jiàn)圖3。從控制圖中可以看到測(cè)試過(guò)程中是否有異常點(diǎn)，同一圖形窗口中有單值控制圖（上）和移動(dòng)極差控制圖（下）。單值指每次取得的一個(gè)測(cè)量值，可用來(lái)估計(jì)均值，控制過(guò)程的位置。移動(dòng)極差指相鄰兩個(gè)測(cè)量值差的絕對(duì)值，可用來(lái)估計(jì)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差，控制過(guò)程的波動(dòng)。同時(shí)查看這兩個(gè)控制圖，可同時(shí)跟蹤過(guò)程水平和過(guò)程變異，以及檢測(cè)是否存在特殊原因[8]。這兩個(gè)控制圖中所有測(cè)試值均在上下兩條控制線(xiàn)內(nèi)，表明測(cè)試過(guò)程沒(méi)有異常點(diǎn)，穩(wěn)定、受控。

3.5 CPK計(jì)算結(jié)果與分析

在確保數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，且整個(gè)測(cè)試過(guò)程是穩(wěn)定受控的后，就可以開(kāi)始計(jì)算CPK了。

具體計(jì)算步驟見(jiàn)下，其中，USL代表規(guī)格上限，LSL代表規(guī)格下限：

（1）計(jì)算出100個(gè)數(shù)據(jù)的平均值：

（2）計(jì)算出100個(gè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差

（3）規(guī)格公差：T=USL-LSL

（4）規(guī)格中心值：

圖3 I-MR控制圖分析結(jié)果

同時(shí)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)下質(zhì)量工具中的Capability Sixpacks工具可以得到可視化的結(jié)果，具體結(jié)果見(jiàn)圖4。Xbar、R和趨勢(shì)圖可用于驗(yàn)證過(guò)程是否處于受控狀態(tài)[9]。Xbar圖，標(biāo)繪點(diǎn)為樣本均值，均在控制界限之間隨機(jī)分布，表明過(guò)程是穩(wěn)定的。R控制圖上的標(biāo)繪點(diǎn)為樣本極差，此圖的點(diǎn)與Xbar控制圖上的點(diǎn)進(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn)點(diǎn)之間沒(méi)有相關(guān)關(guān)系，表明過(guò)程穩(wěn)定。趨勢(shì)圖上的點(diǎn)隨機(jī)分布，無(wú)趨勢(shì)或偏移，也表明過(guò)程的穩(wěn)定性。條形圖和正態(tài)概率圖可用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。要解釋過(guò)程能力統(tǒng)計(jì)量，首先數(shù)據(jù)應(yīng)該近似服從正態(tài)分布，在正態(tài)概率圖上，點(diǎn)大致在一條直線(xiàn)上，這些表明數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。能力圖以圖形顯示相對(duì)于規(guī)范的過(guò)程能力。從能力圖上，可以看出過(guò)程的允差都在控制界限內(nèi)，將能力圖中CPK值與CPK五個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，即可判斷測(cè)試機(jī)的實(shí)際加工能力。本例中CPK值為1.24，參考CPK五個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以知道本測(cè)試機(jī)處于二級(jí)，能力尚可，需要進(jìn)行工作及品質(zhì)改善，降低變異，提高品質(zhì)。

3.6 改善制程

回顧整個(gè)測(cè)試流程，尋找整個(gè)測(cè)試過(guò)程中可以改進(jìn)的部分，綜合考慮人員、設(shè)備、材料、方法、環(huán)境這五部分，通過(guò)FMEA，篩選關(guān)鍵因子，發(fā)現(xiàn)測(cè)試時(shí)使用的探卡被嚴(yán)重氧化，導(dǎo)致接觸不良或測(cè)試結(jié)果不佳。通過(guò)磨針操作后，再次提取100個(gè)數(shù)據(jù)用上面方法進(jìn)行分析，可得到新的CPK值為1.45，參考CPK五個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬于一級(jí)，狀況理想，有效改善了制程。使用MINITAB16可以得到可視化的結(jié)果，見(jiàn)圖5，產(chǎn)品的良率可以得到保障。

圖4 J750測(cè)試機(jī)的CPK計(jì)算結(jié)果

圖5 改善制程后的CPK

4 結(jié)束語(yǔ)

分析含有具體數(shù)值的測(cè)試結(jié)果可以幫助人們識(shí)別芯片的某一特性。一般可以計(jì)算其平均值。實(shí)際上利用CPK的值則能更好的說(shuō)明問(wèn)題，CPK作為工序固有的能力，是工序保證質(zhì)量的能力。按CPK值劃分的五個(gè)等級(jí)，按其等級(jí)高低，在管理上可以作出相應(yīng)的判斷和處置。本例將CPK應(yīng)用在集成電路測(cè)試行業(yè)中，將理論聯(lián)系實(shí)際，為確保產(chǎn)品質(zhì)量和測(cè)試穩(wěn)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(cè)試。

2016-11-23