ATE测试流程中关键设备与组件的解释及步骤说明

一、CP测试（Chip Probe，晶圆探针测试）

测试对象

未切割的整片晶圆（Wafer）上的裸芯片（Die）。

测试流程

PC（控制端）→ 测试机（ATE）→ 探针卡（Probe Card）→ 探针（Probe）→ 晶圆（Wafer）（在探针台上完成测试）  

环节序号	组件名称	功能描述	硬件特性
1	PC（控制端）	运行测试程序，向ATE发送指令，配置测试参数并记录结果	工业级计算机，安装测试软件
2	测试机（ATE）	生成测试电信号（如激励波形、电压电流），接收晶圆反馈并分析测试结果	包含信号源、测量模块的设备
3	探针卡（Probe Card）	固定探针阵列，连接ATE与探针，部分集成信号调理电路（如放大、滤波）	陶瓷或PCB基板，表面焊接探针
4	探针（Probe）	金属针阵列，尖端接触晶圆上的Pad（焊盘），传导测试信号	钨钢或镀金材料，针尖直径μm级
5	晶圆（Wafer）	待测试的硅片，表面集成大量芯片裸 die，通过探针接触Pad进行电性能测试	直径8/12英寸硅片，表面有电路图案
辅助设备	探针台（Probe Station）	机械平台，承载晶圆并精确移动，使探针与晶圆Pad对准，提供环境控制（如温度）	含精密位移台、显微镜的装置

关键环节说明

• PC
  运行测试程序的计算机，通过软件（如Python脚本、LabVIEW）控制测试机。
  测试前配置参数、生成测试序列；测试中监控数据；测试后分析结果。

• 测试机（ATE, Automatic Test Equipment）
  核心设备，生成电信号（如电压、电流、时序）并分析DUT响应。
  执行测试程序，输出激励信号，采集DUT反馈数据。

• 探针卡（Probe Card）
  CP测试的核心部件，集成了数百至数千根探针，通过布线与测试机信号通道连接。

• 探针（Probe）
  微米级金属针，用于接触DUT的焊盘（pad）或凸块（bump），分为悬臂探针、垂直探针等。
  在晶圆测试（Wafer Test）中，探针直接接触裸芯片，传输信号。

• 探针台（Prober）
  晶圆测试设备，包含高精度运动平台、显微镜和探针卡，承载晶圆并提供精密定位（精度达±1μm），通过机械臂移动探针卡，使探针针尖与晶圆上的焊盘（Pad）形成电气连接。
  晶圆测试阶段，探针台将探针卡对准晶圆上的芯片，执行逐个芯片测试。

二、TP测试（Test Program，成品测试）流程解析

测试对象

已封装的成品芯片（如QFP、BGA等封装）。

正确流程表述

PC（控制端）→ 测试机（ATE）→ 负载板（Loadboard）→ IC Socket → 接触元件（Pogo Pin/弹簧探针）→ DUT（封装芯片）（由分选机Handler完成上下料）

环节序号	组件名称	功能描述	实物关联特点
1	PC（控制端）	运行测试程序，向ATE发送指令与参数，监控测试流程与结果	安装测试软件的工业控制计算机
2	测试机（ATE）	生成电信号（如电压、电流、时序信号），接收DUT反馈并判断测试通过/失败	包含信号发生模块与测量模块的设备
3	负载板（Loadboard）	作为电路中介，固定IC Socket并连接ATE与DUT的信号路径，部分集成信号调理电路	多层PCB板，表面有焊接插座的接口
4	IC Socket	机械固定DUT封装体，内部引脚与负载板电路导通，形成电气连接	塑料或金属材质的插拔式插座
5	接触元件（Pogo Pin/弹簧探针）	弹性金属针，一端连接IC Socket引脚，另一端顶压DUT封装引脚，确保接触可靠性	镀金针体，行程0.5-1mm的弹性结构
6	DUT（封装芯片）	待测试的封装芯片，通过接触元件接收测试信号并返回响应	如QFP、BGA等封装形式的集成电路
辅助环节	分选机Handler	自动化机械臂，按顺序抓取DUT插入IC Socket，测试后分拣良品/不良品	含视觉定位系统的高速机械装置

关键环节说明

• PC
  运行测试程序的计算机，通过软件（如Python脚本、LabVIEW）控制测试机。
  测试前配置参数、生成测试序列；测试中监控数据；测试后分析结果。

• 测试机（ATE, Automatic Test Equipment）
  核心设备，生成电信号（如电压、电流、时序）并分析DUT响应。
  执行测试程序，输出激励信号，采集DUT反馈数据。

• 负载板（Loadboard）
  定制化电路板，为特定DUT设计，提供电源、地平面和信号走线。
  接收接口板传来的信号，将其传输至IC Socket。

• IC Socket（IC插座）
  机械连接器，提供DUT与负载板的可拆卸连接，避免直接焊接。
  将DUT（如芯片）固定在负载板上，建立电气连接。

• Pogo Pin（弹簧探针）
  弹簧结构的精密连接器，用于测试头与负载板/接口板的连接，提供弹性压力确保
  接触可靠。
  在测试头与负载板对接时，通过Pogo Pin实现电气连接。

• 分选机（Handler）
  从料盘（Tray）、载带（Tape）或晶圆盒（Wafer Cassette）中抓取芯片。
  将芯片精确放置到测试座（IC Socket）中，确保电气连接可靠。

三、测试流程对比

环节	CP测试（晶圆级）	TP测试（成品级）
测试对象	晶圆上的裸芯片（Die）	已封装的芯片（DUT）
电气连接	探针卡直接接触晶圆焊盘	通过Loadboard→Socket→Pogo Pin连接DUT引脚
机械载体	探针台（Prober）	分选机（Handler）
测试目的	筛选坏Die，降低封装成本	验证封装后芯片功能，确保交付质量
典型失效	晶体管开路/短路、阈值电压异常	封装焊点虚焊、引脚电气特性不达标

四、补充

分选机（Handler）

Handler 的核心功能

1.自动化上下料

• 从料盘（Tray）、载带（Tape）或晶圆盒（Wafer Cassette）中抓取芯片。通过机械臂搭载的高精度真空吸盘或夹爪，配合视觉识别系统，能够快速准确地定位并抓取不同封装形式的芯片。
• 将芯片精确放置到测试座（IC Socket）中，确保电气连接可靠。机械臂根据预设程序，以微米级精度将芯片插入测试座，同时配备压力传感器实时监测插入力度，防止因过力导致芯片或测试座损坏。

2.测试环境控制

• 提供温度控制（如高温85°C或低温-40°C），模拟实际应用场景。内置高精度温控模块，通过加热丝、半导体制冷片等组件实现快速升温和降温，并利用温度传感器实时反馈温度数据，保证测试过程中温度波动范围极小。
• 部分Handler支持湿度、气压等环境参数的调节。对于需要在特殊环境下测试的芯片，如应用于汽车电子、航空航天领域的芯片，可通过密封测试腔和环境控制组件，精准调节湿度和气压，模拟极端环境条件。

3.测试后分类

• 根据测试结果（Pass/Fail）将芯片分拣到不同的料盘或容器中。测试完成后，Handler接收测试机发送的测试结果信号，机械臂将芯片放置到对应的良品或不良品料盘，实现自动化分拣。
• 可进一步细分不良品类型（如功能失效、参数超限等）。通过与测试机的深度集成，获取更详细的不良信息，将不良品分类到不同容器中，便于后续的失效分析和工艺改进。

Handler 与测试机的连接

• 通过标准接口（如VXI、PXI）通信，接收测试指令并反馈芯片状态。Handler与测试机之间建立稳定的通信链路，测试机发送指令控制Handler的动作，如抓取芯片、放置芯片等；同时，Handler将芯片的装载状态、测试完成情况等信息反馈给测试机，确保测试流程顺利进行。
• 测试机生成的测试向量通过负载板传输至Handler上的芯片。测试机产生的复杂测试信号，经过负载板的信号调理和路由，准确传输到Handler上芯片的测试座，实现对芯片的功能测试和性能测试。

Handler 与负载板的配合

• 负载板为特定芯片设计，提供信号路由和电源分配。根据芯片的引脚定义和测试需求，负载板设计相应的电路，将测试机的信号准确传输到芯片的对应引脚，并为芯片提供稳定的电源。
• Handler确保芯片与负载板上的测试座精确对接。在放置芯片过程中，Handler通过机械定位和视觉校准，保证芯片引脚与测试座引脚完全对齐，实现可靠的电气连接，避免因接触不良导致测试结果不准确。

探针台（Probe Station）

探针台的核心功能

1.晶圆承载与定位

• 承载晶圆并提供稳定的支撑平台。探针台配备高精度的晶圆承载台，能够稳固放置8英寸或12英寸等不同规格的晶圆，确保晶圆在测试过程中保持水平且无晃动。
• 实现晶圆的精确移动与对准。通过X-Y-Z轴高精度位移系统，配合显微镜视觉系统，可将晶圆上的芯片裸die与探针阵列精准对准，对准精度可达微米级，保证探针与晶圆上的Pad（焊盘）可靠接触。

2.探针控制与调节

• 固定和安装探针卡（Probe Card）。探针台设有专门的探针卡安装机构，能够牢固固定探针卡，并提供电气连接接口，实现探针卡与测试机之间的信号传输。
• 调节探针的压力和高度。探针台配备探针压力调节装置，可根据晶圆表面平整度和探针类型，精确调节探针施加在晶圆Pad上的压力，避免压力过大损坏晶圆，或压力过小导致接触不良；同时可微调探针的垂直高度，确保所有探针与晶圆Pad同时接触。

3.测试环境管理

• 提供稳定的测试环境。探针台通常置于洁净室中，自身具备防尘、防震设计，减少外界环境对测试的干扰；部分探针台还可配备温控系统，对晶圆进行加热或冷却，模拟不同温度条件下的芯片性能。
• 实时监测测试状态。内置传感器实时监测探针与晶圆的接触状态、测试过程中的电流电压等参数，并将数据反馈给测试机和操作人员，以便及时发现和处理测试异常。

探针台与测试机的连接

• 通过电缆或连接器实现电气连接。探针台与测试机之间通过专用的电缆或连接器，将测试机生成的测试信号传输到探针卡，再经探针传输至晶圆；同时，晶圆的测试响应信号沿相反路径返回测试机进行分析处理。
• 通信协议控制测试流程。双方遵循特定的通信协议，如GPIB（通用接口总线）协议，测试机发送指令控制探针台的位移、探针压力调节等动作，探针台反馈晶圆定位状态、探针接触状态等信息，确保测试流程有序进行。

探针台与探针卡的配合

• 探针卡适配探针台结构。探针卡的尺寸、安装接口与探针台的安装机构相匹配，保证探针卡能够准确安装到探针台上，并且电气连接可靠；同时，探针卡的探针阵列布局与探针台的晶圆承载台和位移系统配合，确保探针能够准确接触晶圆上的目标位置。
• 协同完成测试信号传输。探针台提供稳定的物理支撑和电气连接接口，探针卡上的探针与晶圆Pad接触后，探针台与探针卡共同构成测试信号的传输通道，使测试机的信号能够顺利到达晶圆，晶圆的响应信号也能准确返回测试机，实现对晶圆上芯片的测试。