集成電路測試中測量系統的應用范文

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《電子質量雜志》2016年第9期

摘要：

測量系統分析(MSA)是六西格瑪管理的一項重要內容。在產品的質量管控中，高質量的測量數據，對產品的分析及改進有很大的幫助。在集成電路(IC)測試中，為了確保測試的準確性，獲得高質量的測試數據，就需要對的測試系統進行充分的分析。該文介紹了測量系統分析方法，著重介紹重復性和再現性研究、分析,并通過實例說明IC測試中的測量系統分析的應用。并根據測量系統能力的評價規則對所分析的測試系統能力進行評價，判斷測量系統是否滿足IC測試要求。

關鍵詞：

測量系統分析(MSA)；集成電路(IC)測試；重復性；再現性

0引言

測量是給具體事物(實體或系統)賦值得過程。此過程中輸入包括人(操作員)、機(量具或必備的設備和軟件)、料、法、環，過程的輸出即測量結果。測量系統就是由人、機、法以及測量對象構成的過程的整體。在集成電路制程中，IC測試主要由晶圓測試(即CP)、封裝成品測試(即FT)，IC測試是使用測試設備及針對集成電路制作的測試程序對晶圓或封裝成品進行測試，確保集成電路滿足IC設計的功能及性能要求。因此一個具有大量變差的測量系統，會造成IC測試所獲得測量值較電路真實值出現很大的偏差，在測試過程中，使用該測量系統是不適合的。若缺少對測量系統的有效控制，會影響到獲得測量值的準確性，造成IC測試的誤判，嚴重時會涉及到IC的大量失效，甚至報廢。因此，測量系統分析在IC測試中的應用，是識別測量系統是否適合的一個重要手段，通過該手段，可確保獲得測量值的準確性和精確性。

1測量系統分析的基本概念

1.1測量賦值

給具體事物以表示它們之間關于特殊特性之間的關系[1]。

1.2測量過程

給具體事物(實體或系統)賦值的過程被定義為測量過程[2]。也可以看作一個制造過程，這個過程的輸入有測量人員、設備、樣品、操作方法和測量環境，它產生數據作為輸出，如圖1所示。

1.3測量系統

是指用來對被測特性定量測量或定性評價的儀器或量具、標準、操作、方法、夾具、軟件、人員、環境和假設的集合；用來獲得測量結果的整個過程[1]。測量系統可分為“計量型”、“計數型”、“破壞性”等類型。測量后能夠給出具體的測量數值的為計量型測量系統分析；只能定性的給出測量結果的為計數型測量系統分析；對一些樣本不可重復測量的計量型測量系統，可以進行破壞型測量系統分析。“計量型”測量系統分析通常包括“穩定性”、“重復性”、“再現性”、“偏倚”及“線性”(五性)的分析、評價。在測量系統分析的實際應用中，可同時進行，也可選項進行，根據具體應用情況確定。“計數型”測量系統分析通常利用假設性試驗分析方法來進行判定。

1.4重復性

是用一個評價人使用相同的測量儀器對同一零件上的同一特性，進行多次測量所得到的測量變差；它是設備本身的固有變差或能力。傳統上將重復性稱為“評價人內部”的變異[1]。

1.5再現性

是指測量的系統之間或條件之間的平均值變差。傳統上將再現性稱為“評價人之間”的差異[1]。

1.6量具R&R或GRR

量具的R&R是結合了重復性和再現性變差的估計值。換句話說，GRR值等于系統內部變差和系統之間變差的和[1]。即：σ2GRR=σ2再現性+σ2重復性(1)

1.7系統變差

測量系統變差可分為：●能力：短期間的誤差，是由線性、均一性和再現性結合的誤差量；●性能：所有變差來源于長期的影響，是長期讀數的變化量；●不確定度：有關被測值的數值估計范圍，相信真值包括在此范圍內[1]。

2測量系統分析的介紹

2.1測量系統變差

測量系統分析的目的之一是獲得測量系統與所處環境相互作用使其產生的測量變差的類型和結果的信息[1]。測量系統變差類型可分成五種類型：偏倚、重復性、再現性、穩定性和線性，其中重復性、偏倚、穩定性和線性屬于量具變差，再現性屬于操作員造成的變差。通常通過偏倚、線性及穩定性來判斷測量系統的準確性，通過重復性和再現性來判斷測量系統的精確性(即其波動)。

2.2測量數據特性

測量系統分析是為了更好的發現測量系統變差，從而通過對測量系統變差的控制來滿足測量產品質量特性的目的，也控制測量數據的質量。測量數據顯現出的4種狀態，如圖2所示。說明：圖2(a)中測量數據分布雖較集中，但偏離中心較大，屬于精確但不準確測量數據；圖2(b)中測量數據雖基本都在中心內，但數據分布較離散，屬于準確但不精確數據；圖2(c)中測量數據分布離散，且數據基本在中心外，屬于不準確且不精確數據；圖2(d)中測量數據分布集中，且均在中心內，屬于既準確又精確數據。圖2(a)、(b)、(c)這3中測量數據，是質量"低"的測量數據，圖2(d)的測量數據，是質量"高"的測量數據，也是測量過程期望獲取的數據。

2.3測量系統分析(MSA)方法分類

測量系統分析(MSA)方法主要分為三類：計量型測量系統分析方法、計數型測量系統分析方法以及破環型測量系統分析方法。計量型測量系統分析方法主要分為兩類：位置分析、寬度分析。其中位置分析常用的有：偏倚分析、線性分析和穩定性分析，寬度分析常用的有：重復性分析和再現性分析，如圖3所示。計數型測量系統分析方法包括：風險分析法、信號分析法以及數據解析分析法。對于計數型測量系統，主要采用風險分析法進行研究。破壞性測量系統分析方法包括：偏倚分析、變異分析和穩定性分析。在IC測試過程中，測試所得的測試參數數據通常為一連串的測試數據，即計量型數據，因此測量系統分析時通常采用計量型測量系統分析。以下介紹重復性和再現性分析在IC測試中的應用，通過重復性和再現性分析評價測量系統能力。

3重復性和再現性分析在IC測試中的應用

3.1IC測試中評價測量系統要求

IC測試過程中，評價測量系統時，需確認三個基本問題：

1)測量系統的分辨能力(在IC測試中主要指測試設備)是否滿足測試要求，即系統的設計性能能否滿足測試過程中所需實現的性能，這個是系統本身決定；

2)測量系統在一定時間內是否在統計上保持一致，即測量系統是否經過校驗，以確保測量系統狀態處于穩定狀態；

3)這些統計性能是否在預期范圍內保持一致，并且用于過程分析或控制是否合格，即測量系統分析的結果是否在可接收范圍內。測量系統分析在評價測量系統中起到很重要的作用。在IC測試過程中，造成測量結果變差主要是由量具變差以及操作員造成的變差導致，而重復性分析是分析量具變差，再現性分析是分析操作員造成的變差。因此重復性和再現性在IC測試的測量系統分析中占重要的位置。

3.2重復性和再現性分析操作過程

1)測量樣品的選擇選定標準樣品，至少3只，并對標準樣品進行編號，以便測量時數據能一一對應；

2)選取評價人選取若干名(至少2名)操作員作為評價人執行研究，并指定為評價人A、B、C等，評價人最好為操作該測量設備的操作員，經過測量設備的操作培訓，避免由于操作員引起很大的測量誤差；

3)測量設備校準測量前需對被測量分析的設備進行校正，使用標準件對設備進行校正，校正合格后可進行測量；

4)每個評價人分別對標準樣品進行重復測量(至少2次)，并將測量數據記錄在數據采集表中，測量數據記錄時評價人、樣品編號應一一對應；

5)重復性和再現性研究

(a)重復性研究

重復性是研究測量設備本身的波動，測量條件(如測量環境、測量地點、測量標準樣品等)要盡可能統一。首先通過極差圖(R圖)分析測量過程是否受控，并通過R圖觀察評價人之間對每個標準樣品測量過程的一致性。若R圖上由數據出現失控現象，應對每一個輸入數據進行核對確認，若輸入數據正確，需分析失控原因并進行針對性糾正，通常可采取三種糾正方式：忽略超出的點；刪除超出的點以及評價人重新測量標準樣品。然后計算重復性。重復性計算公式：EV=R軏×K1(2)其中R軏重復測量同一零件的極差的平均值，K1根據重復測量次數選值。

(b)再現性研究

再現性是研究不同評價人在相同的測量條件(如測量環境、測量設備、測量地點等)下測量同一標準樣品時產生的波動。可通過每個評價人測量每個標準樣品的平均值進行分析，通過均值控制圖觀察分析。首先計算出每位評價人測量標準樣品的總平均值，計算評價人之間的極差R0與標準差σ0，其中該標準差還包含了操作員重復測量引起的波動，因此需減去重復性部分，對該標準差進行修正，計算出的值即測量系統的再現性。再現性計算公式：AV=[R0d*2]-[(σe)2(nr)](3)

(c)標準樣品間的波動

測量的標準樣品間總是存在差異的。首先計算標準樣品測量總平均值的極差，然后計算出標準樣品間的波動PV。PV計算公式：PV=RP×K3(4)其中RP為標準樣品極差，K3根據標準樣品數量進行選值。

(d)測量過程

總波動測量過程輸出總波動TV包括測量過程的實際波動和測量系統的波動。TV公式：TV2=PV2+EV2＋AV2(5)以上已獲得AV、EV以及PV的值，那么總波動TV的值也可得出。

(e)測量系統能力的評價

通過已經計算出的重復性EV和再現性AV，可以計算出測量系統的波動GRR。GRR計算公式：GRR=EV2＋AV2(6)通過用測量系統的波動GRR與總波動(TV)之比來度量，即計算%GRR值。%GRR計算公式：%GRR=100[GRR/TV](7)根據測量系統能力判別準則，對測量系統進行評定，判別準則具體為：%GRR<10%，表明測量系統能力很好，可正常使用；10%≤%GRR≤30%，依據設備的重要性、成本及維修費用等因素，決定是否可使用或不可使用；%GRR＞30%，說明測量系統本身波動很大，由該測量系統得出的數據是不可靠的，測量系統必須改進。這時，需通過對測量系統的各種波動源，進行研究，若重復性變差本身較小，則說明問題出現在再現性上，可通過對加強對評價人的培訓，對作業方法的優化或提高評價人操作的一致性來減小評價人間的波動，若采取措施后仍不能滿足要求，或者重復性變差本身較再現性變差大很多，則需要將該設備停用做好標識，更換測量系統能力好的設備或采購新的測量系統。

4應用實例

使用測量設備對IC進行測試，主要是將流片過程、封裝過程中產生的缺陷產品挑選出來，這些缺陷產品在測試時主要體現為測試參數超出規范界限，判定為產品失效。而一個產品的測試需測試的參數項很多，在對測量設備進行測量系統分析時，需先確定出關鍵參數也就是對測試產品影響很大，客戶重點關注的參數)作為分析項目，如模擬電路測試中，部分產品在測試時一些參數需進行燒熔絲測試，該些參數一旦經過燒熔絲測試后，就不可逆，無法改變測試結果，若測量設備在測試該些參數出現偏差，參數測試均值的中心值偏移出允差范圍，直接會導致大量產品的失效、報廢。下面以某模擬電路測量設備為例，確定頻率參數FOSC為分析項目，參數單位為KHZ，對該分析項目進行重復性和再現性數據采集，并進行分析。采集的數據如表1所示。

(1)重復性分析和計算

根據采集的數據，按照第4章中所述的重復性和再現性的研究方法，先得出極差圖(R圖)，如圖4所示。從圖中可以看出測量過程處于受控狀態，且3個評價人對樣品的測量都在受控狀態，說明3個人的測量操作較一致，體現了測量的重復性。并通過重復性公式計算出EV=0.0003。

(2)再現性分析和計算

將采集的數據按照樣品編號，在圖中繪制出每個評價人對每個樣品測量的平均值，得出均值圖，如圖5所示。由于在測量時測量環境、測量條件以及測量設備均一致，因此可以通過不同評價人測量同一樣品的波動來研究再現性，從均值圖中，可以看出3位評價人分別測量的10個樣品，每個樣品均值波動最大的波動為33HZ，該樣品FOSC參數的均值允許偏差為±500HZ，測量波動大大小于參數的均值允差，說明具有良好的再現性。并通過再現性計算公式，可計算AV=0.0005。

(3)測量設備能力分析

①通過圖5均值圖分析。通過對該樣品電路不同批次的測試數據統計分析，該樣品的均值圖中控制線以內區域表示測量的敏感性。若圖中顯示的測量均值有一半以上(包括一半)落在控制線以外，則表明該測量系統適合進行測試該IC電路。若落在控制線以外的測量均值小于一半，則表明該測量系統缺乏足夠的分辨力，不適合進行該IC電路的測試。從圖中可以看出，3位評價人測試每個樣品的均值大部分都落在控制線以外，因此該測量設備有足夠的分辨力，有足夠能力測試該IC電路。②通過樣品鏈圖分析。將所有評價人測量每個樣品的數據，畫在一張圖上，得到樣品鏈圖，如圖6所示。從圖上可以看出10個樣品不同評價人測量的變差非常小(在10HZ以內)，與該樣品所要求的FOSC參數允許偏差(±500HZ)相比，大大小于該參數允許偏差，說明該測量設備能力非常號，精度完全可以滿足測試產品的要求。

(4)測量系統能力評價

根據第4章中內容計算出標準樣品間波動PV=0.0078、測量過程總波動TV=0.0078以及測量系統波動GRR=0.0006，再通過用測量系統的波動(GRR)與測量過程總波動(TV)之比即計算%GRR值，進行測量系統能力的判別。本次分析的測量設備，計算出的%GRR=7.24%。根據判別規則%GRR<10%，表明測量系統能力很好，測量設備的變差和人員變差對產品測試影響較小，完全滿足產品測試要求。

5結束語

IC測試主要目的是辨別電路的好壞，將不能滿足要求的電路剔除。IC測試過程中測量設備和人員的變差會對辨別結果有很大的影響，通過對重復性和再現性的研究與分析可以監控測量設備和人員變差，使之處于受控狀態，從而保證測量結果的準確性和精確性。

參考文獻：

[2]何楨.六西格瑪管理:第三版[M].北京:北京人民大學出版社,2014.

作者:王菲 傅錚翔 單位:中國電子科技集團公司第五十八研究所