谭 雪，金 兰

（北京确安科技股份有限公司，北京100094）

CPK在集成电路测试行业中的应用

谭 雪，金 兰

（北京确安科技股份有限公司，北京100094）

制程能力指数（CPK）能反映测量系统处于稳定状态下的实际加工能力，分析评估过程的稳定性和控制能力，它是现代企业用于表示制程能力的指标，实质作用是反映制程合格率的高低。以晶圆级测试数据为例，使用MINITAB 16软件，将CPK应用到集成电路测试行业中，首先对数据进行正态性检验，对符合正态分布的数据进行控制图分析，查看测试过程是否稳定、受控。最后，通过Capability Sixpacks工具考察处在稳定状态下的测量系统在某multi-site测试下的实际加工能力,并根据CPK五个等级标准，在管理上作出相应的判断和处置，判断是否需要改善制程，为确保产品质量和测试稳定性提供了一种有效方法。

测量系统；集成电路测试；晶圆级测试数据；制程能力指数；正态性检验；控制图分析

1 引言

CPK是现代企业用于表示制程能力的指标，是一种表示制程水平高低的方法，实质作用是反映制程合格率的高低。制程能力强才可稳定的生产出质量高，可靠性高的产品[1-2]。制程能力的研究在于确认这些特性符合规格的程度，以保证制程成品的良率在要求的水准之上，可作为制程持续改善的依据。这里以晶圆级测试为例，主要将CPK应用到集成电路测试行业中，使用MINITAB 16进行分析，考察处在稳定状态下的测量系统在某multi-site测试下的实际加工能力。

Multi-site并行测试技术是指在一台测试机上可同时对多个集成电路芯片进行全自动检测，通过专门设计制作的探针卡可以同时连接到多个芯片的引脚上，使得测试机可以同时进行多个芯片测试，并记录多个芯片的测试结果。通过单位时间内增加被测芯片的数量来提高测试机的吞吐率，减少测试机闲置资源，提高测试设备的利用率，大大降低了能耗，减少了测试厂房的占地面积。

2 Teradyne J750测试机

自动测试设备选择泰瑞达（Teradyne）公司的J750测试机，美国泰瑞达公司在1998年推出INTEGRAJ750测试系统。该系统是一种计算机辅助、高度集成化、编程快捷方便的大规模数字集成电路测试系统。它不仅能测量通用的TTL电路、CMOS电路、接口电路、CPU、DSP、存储器、A/D和D/A转换器等器件,还能测量大规模的专用电路，具有测试速度快、测试精度高、带载能力强等特点[3]。因此，该系统在全球测试行业运用最广泛，是装机量最大的测试系统之一。J750系统采用模块化结构，配有非常丰富的测试仪表：每卡64通道的数字通道卡、面向ADC/DAC测试的CTO选件、面向混合信号测试的MSO选件、面向存储器测试的MTO选件、面向边界扫描测试的SCAN选件、面向射频测试的RFID选件、面向模拟测试的AAPU选件[4]。

3 制程能力分析

3.1 方法简介及测量数据获取

在进行CPK计算之前，应该先确保测量系统是稳定受控的[5]。当过程被判定是稳定后才可进行CPK的计算。这里主要利用MINITAB16软件进行数据分析，针对连续型和离散型两种数据类型，可以选用不同方法。对连续性数据而言，可以查看 否符合正态分布，对符合正态分布的数据采 图分析，若得到过程是稳定受控的，则可以使 模块下质量工具中的Capability Sixpacks工 算CPK值；若数据不符合正态分布，则要查看是 通过转换符合其他分布，对不符合任何分布 则采用公式计算。对离散型数据而言，针对基于二项分布或基于泊松分布有不同的计算方法。对于不同类型的数据，CPK的计算步骤如图1所示。

图1 不同类型的数据CPK计算步骤

这里选用1台稳定受控的J750测试机，分析数据为在J750上已成功开发的一款产品的某个测试项数值，上下限在3.0V到3.8V内，分别测试5枚晶圆，提取4个site的5次测试共计100个数据进行分析，本例中的数据为连续型数据，具体见表1。

表1 4个site的测量数据

3.2 CPK五个等级标准

表2为CPK的五个等级标准，参照此标准可以查看处于稳定状态下测量系统的实际加工能力，分析评估过程的稳定性和控制能力，并在管理上作出相应的判断和处置，判断是否需要改善制程等。具体标准如表2所示。

表2 CPK五个等级标准

3.3 正态性检验

首先应该查看数据是否符合正态分布，选用Anderson-Darling检验，这是一种基于经验累积分布函数的检验[6]，通过P值来衡量。在MINITAB16中通过统计模块的基本统计量下的正态性检验，可以得到P值，P值为评价正态性程度的参数[7]。根据P值范围判断即可，P值范围介于0到1之间。P在0.05和0.1时需要根据实际情况分辨，一般P值大于0.05时则认为近似正态分布，P值大于等于0.1时默认正态分布。将100个数据导入到MINITAB16软件中，软件会输出反馈结果。图2为J750测试机的正态概率图。从图2可以看到P值为0.639，大于0.05，从统计意义上讲，本组数据符合正态分布。

图2 J750的正态概率图

3.4 控制图分析

其次，要做控制图分析，查看测试过程是否稳定受控，选用统计模块下控制图中的单值变量控制图，控制图分析结果见图3。从控制图中可以看到测试过程中是否有异常点，同一图形窗口中有单值控制图（上）和移动极差控制图（下）。单值指每次取得的一个测量值，可用来估计均值，控制过程的位置。移动极差指相邻两个测量值差的绝对值，可用来估计正态标准差，控制过程的波动。同时查看这两个控制图，可同时跟踪过程水平和过程变异，以及检测是否存在特殊原因[8]。这两个控制图中所有测试值均在上下两条控制线内，表明测试过程没有异常点，稳定、受控。

3.5 CPK计算结果与分析

在确保数据符合正态分布，且整个测试过程是稳定受控的后，就可以开始计算CPK了。

具体计算步骤见下，其中，USL代表规格上限，LSL代表规格下限：

（1）计算出100个数据的平均值：

（2）计算出100个数据的标准差

（3）规格公差：T=USL-LSL

（4）规格中心值：

图3 I-MR控制图分析结果

同时，通过统计下质量工具中的Capability Sixpacks工具可以得到可视化的结果，具体结果见图4。Xbar、R和趋势图可用于验证过程是否处于受控状态[9]。Xbar图，标绘点为样本均值，均在控制界限之间随机分布，表明过程是稳定的。R控制图上的标绘点为样本极差，此图的点与Xbar控制图上的点进行比较可发现点之间没有相关关系，表明过程稳定。趋势图上的点随机分布，无趋势或偏移，也表明过程的稳定性。条形图和正态概率图可用于验证数据服从正态分布。要解释过程能力统计量，首先数据应该近似服从正态分布，在正态概率图上，点大致在一条直线上，这些表明数据服从正态分布。能力图以图形显示相对于规范的过程能力。从能力图上，可以看出过程的允差都在控制界限内，将能力图中CPK值与CPK五个等级标准进行比较，即可判断测试机的实际加工能力。本例中CPK值为1.24，参考CPK五个等级标准，可以知道本测试机处于二级，能力尚可，需要进行工作及品质改善，降低变异，提高品质。

3.6 改善制程

回顾整个测试流程，寻找整个测试过程中可以改进的部分，综合考虑人员、设备、材料、方法、环境这五部分，通过FMEA，筛选关键因子，发现测试时使用的探卡被严重氧化，导致接触不良或测试结果不佳。通过磨针操作后，再次提取100个数据用上面方法进行分析，可得到新的CPK值为1.45，参考CPK五个等级标准，属于一级，状况理想，有效改善了制程。使用MINITAB16可以得到可视化的结果，见图5，产品的良率可以得到保障。

图4 J750测试机的CPK计算结果

图5 改善制程后的CPK

4 结束语

分析含有具体数值的测试结果可以帮助人们识别芯片的某一特性。一般可以计算其平均值。实际上利用CPK的值则能更好的说明问题，CPK作为工序固有的能力，是工序保证质量的能力。按CPK值划分的五个等级，按其等级高低，在管理上可以作出相应的判断和处置。本例将CPK应用在集成电路测试行业中，将理论联系实际，为确保产品质量和测试稳定性提供了一种有效方法。

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[3]魏志刚，徐居明，吴丽等.基于J750测试系统的HS3282发送功能测试[J]．现代测量与实验室管理，2010，18（4）：14-16. Wei Zhi Gang,Xu Ju Ming，Wu Li,et al.Test of HS3282 transmission function based on J750 test system[J].Advanced Measurement Laboratory,2010,18(4):14-16.Management,2010,18(4):14-16.

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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

谭雪（1985-），女（回族），北京人，硕士研究生，主研方向：IC测试。

2016-11-23