[Processus de fabrication des semi-conducteurs : Partie 1] Comprendre les tests de semi-conducteurs

Procédé de fabrication de semi-conducteurs n° 1
La première étape de la fabrication de semi-conducteurs consiste à concevoir la puce en fonction des fonctionnalités requises. Ensuite, la puce est transformée en une plaquette. Cette plaquette étant composée de plusieurs puces disposées selon un motif répétitif, un examen attentif révèle de nombreuses petites structures en forme de grille, chaque grille correspondant à une puce. Plus la puce est grande, moins on peut en fabriquer par plaquette, et inversement.

La conception des semi-conducteurs ne relève pas du processus de fabrication. Ce dernier se divise généralement en trois étapes : la fabrication des plaquettes, le conditionnement et les tests. La fabrication des plaquettes fait partie de la phase d'assemblage (front-end), tandis que le conditionnement et les tests font partie de la phase de finition (back-end). La fabrication des plaquettes peut elle-même être subdivisée en deux étapes : l'assemblage CMOS, généralement considéré comme faisant partie de la phase d'assemblage, et le câblage métallique ultérieur, comme faisant partie de la phase de finition.

Le schéma ci-dessus illustre le processus de fabrication des semi-conducteurs et sa segmentation industrielle. Le modèle opérationnel axé exclusivement sur la conception des semi-conducteurs est celui d'une entreprise de conception de puces sans usine (fabless), dont Qualcomm et Apple sont des représentants typiques. Les fabricants responsables de la fabrication des plaquettes sont appelés fonderies ; ils produisent des plaquettes à partir des conceptions des entreprises sans usine. TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) en est un exemple notable, tandis que d'autres entreprises coréennes comme DB HiTek et Magnachip adoptent également ce modèle. Les plaquettes conçues par les entreprises sans usine et fabriquées par les fonderies doivent être conditionnées et testées, opérations réalisées par des entreprises spécialisées dans l'externalisation de ces processus. Assemblage de semi-conducteurs et les tests d'usine (OSAT), avec des représentants typiques tels que ASE, JCET, Stats Chippac et Amkor. De plus, il existe des fabricants de dispositifs intégrés (IDM) comme SK Hynix qui couvrent plusieurs segments de la chaîne d'approvisionnement des semi-conducteurs, notamment la conception, la fabrication de plaquettes, l'encapsulation et les tests.

Comme le montre le schéma, la première étape du processus d'emballage et de test consiste à tester les plaquettes, puis à effectuer des tests après emballage.

L'un des principaux objectifs des tests de semi-conducteurs est d'éviter l'expédition de produits défectueux. La livraison de produits défectueux aux clients compromet fortement leur confiance, ce qui peut entraîner une baisse des ventes et des pertes financières potentielles dues aux demandes d'indemnisation. Il est donc impératif de réaliser des inspections approfondies et détaillées des produits avant leur sortie d'usine. Les tests de semi-conducteurs doivent évaluer divers paramètres en fonction des caractéristiques du produit afin de garantir sa qualité et sa fiabilité. Bien entendu, cela nécessite des investissements en temps, en équipement et en main-d'œuvre, ce qui augmente les coûts de production. Par conséquent, de nombreux ingénieurs en tests s'attachent à réduire la durée des tests et le nombre de paramètres analysés.

#2 Types de tests

Le processus de test peut être catégorisé en fonction des différents sujets testés, notamment les tests de plaquettes et les tests d'emballage ; il peut également être divisé en trois types en fonction des différents paramètres de test : tests de température, tests de vitesse et tests du mode de fonctionnement.

Les essais de température sont basés sur la température appliquée aux échantillons : lors des essais à haute température, la température appliquée au produit dépasse de 10 % la limite supérieure de la plage de températures spécifiée dans ses spécifications ; lors des essais à basse température, la température appliquée est inférieure de 10 % à la limite inférieure des spécifications ; et lors des essais à température constante, la température appliquée est généralement fixée à 25 °C. En pratique, les produits semi-conducteurs doivent fonctionner dans divers environnements ; il est donc essentiel de tester leurs performances à différentes températures et leur marge de température. Par exemple, pour les mémoires à semi-conducteurs, la plage de températures de test à haute température se situe généralement entre 85 et 90 °C, tandis que la plage de températures de test à basse température se situe entre -5 et -40 °C.

Les tests de vitesse se divisent en tests de fonctionnement et tests de débit. Les tests de fonctionnement évaluent principalement le fonctionnement de base de l'échantillon testé, et plus précisément sa capacité à atteindre les objectifs fonctionnels visés. Dans le cas des mémoires à semi-conducteurs, dont la fonction principale est le stockage d'informations, les tests se concentrent sur les paramètres liés aux unités de stockage. Les tests de débit mesurent la vitesse de fonctionnement de l'échantillon afin de vérifier si le produit atteint la vitesse cible. Face à la demande croissante de produits semi-conducteurs à haute vitesse, les tests de débit revêtent une importance grandissante.

Les tests en mode de fonctionnement se subdivisent en tests CC, tests CA et tests fonctionnels : les tests CC vérifient les paramètres de courant continu et de tension ; les tests CA vérifient les spécifications du courant alternatif, notamment les temps de transition d’entrée et de sortie et d’autres caractéristiques de fonctionnement ; les tests fonctionnels vérifient le bon fonctionnement des fonctions logiques. Pour les mémoires à semi-conducteurs, les tests fonctionnels consistent à vérifier le bon fonctionnement des cellules de mémoire et du circuit logique environnant.

#3 Tests sur plaquettes
Le test de plaquettes cible la plaquette, composée de nombreuses puces, et vise à examiner les caractéristiques et la qualité de ces puces. Pour ce faire, il consiste à connecter la machine de test aux puces et à leur appliquer un courant et des signaux.

Une fois conditionné, le produit forme des broches semblables à des billes de soudure, facilitant ainsi la connexion électrique avec la machine de test. Cependant, à l'état de plaquette, la connexion entre les deux nécessite des méthodes spécifiques, comme l'utilisation d'une carte de test.

Comme illustré sur la figure 2, la carte de test sert d'interface entre la plaquette testée et la machine de test. Elle est équipée de nombreuses sondes permettant de connecter directement l'interface de communication de la machine aux plots de la plaquette. De plus, la carte comporte de nombreux câbles reliant les sondes à la machine de test. Fixée à la tête de test, la carte de test assure un contact précis entre la carte et les plots de la plaquette, permettant ainsi à la station de test de réaliser le test.

Après avoir chargé la plaquette, face avant vers le haut, la carte de sondes située à droite de la figure 2 est retournée de sorte que les pointes des sondes soient orientées vers le bas, assurant ainsi un alignement précis avec les plots de la plaquette. À ce stade, le système de contrôle de température applique la température requise en fonction des conditions de test souhaitées. Le système de test transmet le courant et les signaux via la carte de sondes et extrait les signaux de la puce pour lire les résultats des tests.

La carte de test doit être conçue en fonction de la disposition des pastilles de la puce testée et de l'agencement des puces sur la plaquette, c'est-à-dire que les sondes doivent être alignées avec les pastilles. De plus, leur disposition doit être répétée en suivant l'agencement des puces. En pratique, il est impossible de tester toutes les puces de la plaquette avec un seul contact. Par conséquent, en production de masse, plusieurs contacts (généralement 2 à 3) sont nécessaires.

D'une manière générale, les tests de plaquettes sont effectués dans la séquence suivante : Surveillance des paramètres électriques (EPM) → Rodage de la plaquette → Tests → Réparation → Tests.

#4 Tests d'emballage
Les puces jugées conformes lors des tests sur plaquette doivent subir des tests d'encapsulation après le processus d'encapsulation, car des problèmes peuvent survenir à cette étape. De plus, les tests sur plaquette évaluant simultanément plusieurs puces, les limitations de performance des équipements de test peuvent empêcher une analyse complète des paramètres cibles. En revanche, les tests d'encapsulation sont effectués individuellement, ce qui réduit la charge sur les équipements et permet une analyse exhaustive des paramètres cibles, identifiant ainsi les produits conformes aux spécifications.

La méthode de test du boîtier est illustrée à la figure 4 : les broches du boîtier (représentées par des billes de soudure) sont insérées dans le support de test, broches vers le bas, en les alignant avec celles du support. Le support de test est ensuite fixé sur la carte de test.