一种半导体芯片测试系统

技术领域

本发明涉及芯片测试技术领域，尤其是一种半导体芯片测试系统。

背景技术

光电半导体芯片是近年兴起的通信芯片的一种，例如TOF(Time of flight)芯片，具有测距精度高、测距远、响应速度快的特点，在汽车及工业领域应用广泛，可以将人工智能与3D成像结合，实现各种传感器和识别功能，以改变传统的2D视觉的局限，在5G前传、数据中心、超级计算互连系统中都有重要应用，半导体电路最初是以晶圆的形式制造的，晶圆(wafer)是一个圆形的硅片，在该硅片上形成许多彼此独立的电路，每个这样的电路可以被称为一个晶粒(Die)，这些晶粒通过划片工艺被切割下来封装成不同形式，以形成常见的半导体封装，在半导体芯片制作过程中，需要对半导体芯片进行测试，通常的半导体芯片的测试包括晶圆测试和封装测试，晶圆测试在整个芯片制作流程中处于晶圆制造和封装之间，晶圆(Wafer)制作完成后，成千上万的裸晶粒(Die)规则的分布满整个晶圆，由于尚未进行划片封装，芯片的管脚全部裸露在外，这些极微小的管脚需要通过更细的探针来与测试机台连接，而探针则需要探针卡来实现数据的传输，探针卡起到夹具作用，对待测晶圆进行夹持，并通过探针将待测晶圆和测试机台构成数据传输通道，晶圆测试一般是将晶圆放在探针卡上，并对晶圆进行光照，测试其电气特性，如消耗功率、运行速度、耐压度等，对晶圆进行光照所需的光源包括调制光和直流光，分别照射晶圆，来对晶圆表面图像采集进行测试工作。

由于目前TOF芯片对于光电测试速度和图像传输速率的要求非常高，同时，对光源的均匀度和一致性也有很高的要求，但现有的光电半导体芯片测试系统不能满足对测试速度和光源的需求，测试效率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以同时实现直流光和调制光测试的半导体芯片并行测试系统。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种半导体芯片测试系统，包括测试机构、探针台以及处理端，所述探针台设置有探针卡，所述测试机构包括驱动部以及测试部，所述驱动部用于驱动测试部移动，所述测试部设置有直流光源，所述探针卡设置有第二调制光驱动单元以及调制光源，所述第二调制光驱动单元用于驱动所述调制光源工作；

所述测试部包括测试集成，所述测试集成包括测试交互接口和测试反馈接口，所述测试交互接口连接至探针卡，所述测试反馈接口通过所述处理端与探针台连接；

所述测试集成包括有：

直流光测试模块，包括直流光驱动单元，所述直流光驱动单元耦接于所述直流光源，用于驱动直流光源工作；

电源负载模块，包括切换配置单元和第一测试反馈单元，所述切换配置单元配置有供电态和负载态，供电态下所述切换配置单元被配置为电源，所述负载态下所述切换配置单元被配置为负载；所述切换配置单元耦接于测试交互接口以与待测晶圆形成供电测试回路或负载测试回路，所述第一测试反馈单元耦接于测试反馈接口用于接收探针台在供电测试回路或负载测试回路工作状态下反馈的第一测试反馈信号；

调制光测试模块，包括第一调制光驱动单元以及调制测试反馈单元，所述第一调制光驱动单元通过耦接所述测试交互接口与所述第二调制光驱动单元连接，以配置所述第二调制光驱动单元，所述调制测试反馈单元耦接于测试交互接口，用于接收所述探针卡在调制光源或直流光源作用下反馈的图像采集信号；

通讯测试模块，包括数据输出单元和第二测试反馈单元，所述数据输出单元耦接于所述测试交互接口，以与所述待测晶圆构成通讯测试回路，所述第二测试反馈单元耦接于测试反馈接口，用于接收所述探针台在通讯测试回路工作状态下反馈的第二测试反馈信号。

优选的，所述测试交互接口被配置为激光驱动接口，用于给所述调制光测试模块发送激光驱动信号。

优选的，所述测试交互接口被配置为供电接口，用于给所述探针卡发送供电信号。

优选的，所述测试交互接口被配置为开短路测试接口，用于给所述探针卡发送开短路测试信号。

优选的，所述测试反馈接口被配置为图像采集接口，用于给所述处理端发送在调制光源或直流光源作用下待测晶圆反馈的图像采集信号。

优选的，所述直流光测试模块设置于直流光驱动板卡上，所述直流光驱动板卡通过插槽可拆卸连接资源分配板卡。

优选的，所述电源负载模块还包括第一开短路测试单元，所述第一开短路测试单元输入第一电源开短路信号，输出第一开短路反馈信号。

优选的，所述通讯测试模块还包括第二开短路测试单元，所述第二开短路测试单元输入第二电源开短路信号，输出第二开短路反馈信号。

优选的，所述直流光测试模块包括直流光模组，所述直流光模组的下方设置有半透半反镜，所述直流光模组包括从上至下依次排列的直流光发光组件、第一准直透镜、复眼透镜组件和第二准直透镜，所述直流光发光组件包括所述直流光源和直流驱动电路，所述直流驱动电路用于驱动直流光源工作以产生直流光路，所述直流光源面向所述第一准直透镜设置，以使所述直流光路依次经过所述第一准直透镜、复眼透镜组件、第二准直透镜和半透半反镜。

优选的，所述调制光测试模块包括调制光模组，所述调制光模组包括调制光发光组件，所述调制光发光组件包括调制光源和调制驱动电路，所述调制驱动电路用于驱动所述调制光源以产生调制光路，所述调制光源面向所述半透半反镜设置，以使所述调制光路在所述半透半反镜处发生反射。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明的芯片测试系统通过测试头内置的测试板卡对探针卡上的待测晶圆进行功能测试，其中测试所需的光源由调制光和直流光混合而成，且调制光源可以配置有多个，与待测晶圆的晶粒数量对等，每个调制光源为独立控制，以确保可以同时对多个待测晶圆的晶粒进行并行测试，提高了测试的工作效率。

2、本发明的测试头内置的ICLD板卡为图像采集和激光驱动板卡，可以用于4路LVDS图像和4路MIPI图像的采集，采用FPGA，将图像数据进行采集、缓存、并存储，转换为光口网络，通过PCIe端口，发送至工作站电脑，在多个待测晶粒并行测试时，可达到万兆的数据传输速度，满足了同时兼容MIPI接口和用户自定义LVDS接口的要求。

附图说明

图1是本发明的系统连接示意图；

图2是本发明的测试头中内置的各测试板卡之间的连接示意图；

图3是本发明的光源生成光路的传输示意图；

图4是本发明的PCI总线传输示意图；

图5是本发明的调制光驱动控制板输出的调制光的脉冲波形图。

图中：1、机械臂；2、测试头；3、设备接口板；4、负载板；5、光源；6、探针卡；7、探针台；

21、第一连接器；31、第二连接器；32、第三连接器；41、焊盘；

51、直流光模组；52、调制光模组；53、晶粒感光部件；54、光孔；

511、直流光源；512、第一准直透镜；513、复眼透镜；514、第二准直透镜；515、半透半反镜；

521、调制光源；522、调制光驱动控制板；

501、第一直流光路；502、第二直流光路；504、第四直流光路；505、第五直流光路；506、第六直流光路；

601、第一调制光路；602、第二调制光路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

半导体芯片测试系统包括测试机构、探针台7以及处理端，探针台7设置有探针卡6，测试机构包括驱动部以及测试部，驱动部用于驱动测试部移动，测试部设置有直流光源511，探针卡6设置有第二调制光驱动单元以及调制光源521，第二调制光驱动单元用于驱动调制光源521工作；

测试部包括测试集成，测试集成包括测试交互接口和测试反馈接口，测试交互接口连接至探针卡6，测试反馈接口通过处理端与探针台7连接；

测试集成包括有：

直流光测试模块，包括直流光驱动单元，直流光驱动单元耦接于直流光源511，用于驱动直流光源511工作；

电源负载模块，包括切换配置单元和第一测试反馈单元，切换配置单元配置有供电态和负载态，供电态下切换配置单元被配置为电源，负载态下切换配置单元被配置为负载；切换配置单元耦接于测试交互接口以与待测晶圆形成供电测试回路或负载测试回路，第一测试反馈单元耦接于测试反馈接口用于接收探针台7在供电测试回路或负载测试回路工作状态下反馈的第一测试反馈信号；

调制光测试模块，包括第一调制光驱动单元以及调制测试反馈单元，第一调制光驱动单元通过耦接测试交互接口与第二调制光驱动单元连接，以配置第二调制光驱动单元，调制测试反馈单元耦接于测试交互接口，用于接收探针卡6在调制光源521或直流光源511作用下反馈的图像采集信号；

通讯测试模块，包括数据输出单元和第二测试反馈单元，数据输出单元耦接于测试交互接口，以与待测晶圆构成通讯测试回路，第二测试反馈单元耦接于测试反馈接口，用于接收探针台7在通讯测试回路工作状态下反馈的第二测试反馈信号。

测试交互接口被配置为激光驱动接口，用于给调制光测试模块发送激光驱动信号，可被配置为供电接口，用于给探针卡6发送供电信号，还可被配置为开短路测试接口，用于给探针卡6发送开短路测试信号，还可被配置为图像采集接口，用于给处理端发送在调制光源521或直流光源511作用下待测晶圆反馈的图像采集信号。

直流光测试模块设置于直流光驱动板卡上，直流光驱动板卡通过插槽可拆卸连接资源分配板卡。

电源负载模块还包括第一开短路测试单元，第一开短路测试单元输入第一电源开短路信号，输出第一开短路反馈信号。

通讯测试模块还包括第二开短路测试单元，第二开短路测试单元输入第二电源开短路信号，输出第二开短路反馈信号。

直流光测试模块包括直流光模组51，直流光模组51的下方设置有半透半反镜515，直流光模组51包括从上至下依次排列的直流光发光组件、第一准直透镜512、复眼透镜组件和第二准直透镜514，直流光发光组件包括直流光源511和直流驱动电路，直流驱动电路用于驱动直流光源511工作以产生直流光路，直流光源511面向第一准直透镜512设置，以使直流光路依次经过第一准直透镜512、复眼透镜组件、第二准直透镜514和半透半反镜515。

调制光测试模块包括调制光模组52，调制光模组52包括调制光发光组件，调制光发光组件包括调制光源521和调制驱动电路，调制驱动电路用于驱动调制光源521以产生调制光路，调制光源521面向半透半反镜515设置，以使调制光路在半透半反镜515处发生反射。

如图1所示，驱动部为机械臂1，测试部包括测试头2、设备接口板3和负载板4，测试头2用于对待测晶圆进行测试，设备接口板3用于提供设备串口，负载板4充当数据连接器作用，机械臂1用于控制测试头2进行上下翻转运动，测试头2的执行端连接有机械臂1，测试头2上设有第一连接器21，设备接口板3上设有第二连接器31和第三连接器32，负载板4上设有焊盘41，第一连接器21与第二连接器31对接，以使测试头2内部的数据信号传输至设备接口板3的第三连接器32上，第三连接器32与焊盘41对接，以使第三连接器32上的测试信号传输至负载板4上，使测试头2中的测试数据通过设备接口板3传输至负载板4中，负载板4与探针卡6之间设有测试区域，测试区域用于提供待测晶圆测试用的光源5，以使负载板4上的测试信号通过测试区域传输至探针卡6上的待测晶圆上，实现对半导体芯片的测试工作，探针卡6用于夹持待测晶圆并与待测晶圆上的晶粒构成数据传输通道，探针卡6主要用于待测晶圆的数据传输，处理端配置为工作站，用于处理待测晶圆的数据信号，探针台7用于将探针卡6上的待测晶圆的测试数据进行处理并传输至工作站中。

如图2所示，直流光测试模块配置为ICLD板卡，电源负载模块配置为DPSH板卡和DPSL板卡，调制光测试模块配置为LD板卡，通讯测试模块配置为DM板卡和CCB板卡，而BB板卡则为资源分配板卡，ICLD板卡、DPSH板卡、DPSL板卡、DM板卡、CCB板卡和BB板卡均设置在测试头2中，以下对上述板卡做进一步描述：

DPSH板卡，其为8通道、±40V/±4A的大功率模块，用于提供电源和电子负载功能，对待测晶圆上晶粒进行供电或作为待测晶圆上的晶粒的负载使用；

DPSL板卡，其为40通道、±10V/±1A的电源模块，用于提供电源和电子负载功能，对待测晶圆上晶粒进行供电或作为待测晶圆上的晶粒的负载使用；

DM板卡，为具有128路数字通道的数字信号模块，速率为10MHz，有16路PMU模块，PMU为per-pin parametric measurement unit，为参数测量单元，可以具有FVMI(激励电压测电流)、FIMV(激励电流测电压)、FVMV(激励电压测电压)等功能，具有拉电流和灌电流功能，每8路数字通道共用一路PMU模块，用于提供数字信号传输通道，对信号的驱动、比较，高阻态、波形的发生等功能；

ICLD板卡，为图像采集和激光驱动板卡，用于对待测晶圆进行4路MIPI(1pairclock+4pair data lines,速率为1.2Gbps/lane)图像采集以及提供4路LVDS信号(200MHzmax)以驱动调制光驱动控制板522的激光脉冲，采用xilinx的Ultrascale plus V系列的FPGA，将图像数据进行采集、缓存、并存储，转换为光口网络，通过PCIe端口，发送到工作站电脑，在多个晶粒并行测试的时候，可以达到万兆(19.2Gbps)的数据传输速度；

CCB板卡，具有±5V/±12V@5A的电源输出功能，以及8路IIC、8路SPI、8路UART功能，具有128路GPIO驱动，用于给直流光模组51提供电源信号，并提供通讯端口，通过调节直流光模组51的电源信号来调节直流光源511的光照强度；

LD板卡，为超快脉冲激光驱动板卡，用于输出1ns的激光脉冲驱动信号，控制调制光源521的输出频率，脉冲宽度可编程，且激光脉冲的上升沿为0.2ns，激光脉冲的重复频率为200MHz max，ICLD板卡的FPGA,通过LVDS信号驱动调制光驱动控制板522的驱动芯片,产生超快可编程脉冲激光，脉冲光的重复频率可以由FPGA的LVDS的频率进行控制，脉冲光的脉宽可以通过FPGA的SPI接口对调制光驱动控制板522的驱动芯片进行编程控制；

BB板卡，用于提供若干插槽，若干插槽中插接有若干测试板卡，并对测试板卡进行资源分配。

如图3所示，在负载板4与探针卡6之间有光源5，用于对待测晶圆进行测试，光源5包括调制光和直流光，调制光由调制光模组52提供，直流光由直流光模组51提供，调制光模组52包括调制光驱动控制板522和调制光源521，调制光驱动控制板522的数据传输端连接调制光源521的控制端，直流光模组51包括直流光驱动控制板和直流光源511，直流光驱动控制板的数据传输端连接直流光源511的控制端，直流光模组51还包括第一准直透镜512、复眼透镜组件和第二准直透镜514，半透半反镜515在第二准直透镜514的下方，直流光源511生成第一直流光路501，第一直流光路501通过第一准直透镜512生成第二直流光路502，第二直流光路502通过复眼透镜组件生成第四直流光路504，第四直流光路504通过第二准直透镜514生成第五直流光路505，第五直流光路505通过半透半反镜515的透射生成第六直流光路506。调制光模组52包括调制光源521和调制光驱动控制板522，调制光驱动控制板522上有调制驱动电路，调制光驱动控制板522的数据传输端连接调制光源521，调制光驱动控制板522用于向调制光源521输出激励信号以生成第一调制光路601，调制光源521生成第一调制光路601，第一调制光路601通过半透半反镜515的反射生成第二调制光路602。

在本实施例中，第六直流光路506和第二调制光路602一并通过光孔54传输至待测芯片的晶粒感光部件53上，再由探针卡6将待测芯片的数据信息传输至探针台7中。

光孔54为若干个，每个光孔54内有一个待测晶圆的晶粒感光部件53，每个待测晶圆均配置一个调制光模组52，每个调制光模组52的调制光驱动控制板522均对调制光源521进行独立控制，且每两个调制光源521之间设有间隔距离，以使每个晶粒感光部件53对应的调制光源521发出的调制光互不干涉，以确保并行测试的多个待测晶粒之间为独立运行。

半透半反镜515又称分光镜、分光片，是一种在光学玻璃上镀制半反射膜，改变入射光束原来的透射和反射比例的光学元件，其作用是将射入的光的一半穿透，另一半反射，具有低吸收的特性，通过镀制膜层可以增透，加大光强，也可以增反，减少光强，而半透半反镜515是指镀制的膜层的透射率和反射率各为50％，当光线经过这个薄膜后，其透过的光强，和被反射回来的光强各占一半，其根据需要的不同来选择所需的反射率，本实施例中的半透半反镜515的透射率和反射率即各为50％，可以使直流光直射，使调制光反射，达到直流光和调制光混合的目的。

本实施例中的晶粒感光部件53是待测晶圆的光感部分，由于本技术方案中的待测晶圆均属于光电半导体芯片，而光电半导体芯片用于光电转换，所以，晶粒感光部件53需要用光来测试，而测试又需要直流光和调制光两种，所以就需本系统的直流、调制的混合光对光电半导体芯片进行测试，而光电半导体芯片上的受光位置则是晶粒感光部件53，故将晶粒感光部件53设为受光体，混合光射在其上进行测试。

调制光驱动控制板522的控制电路为两块IC-HS05芯片进行级联的组合电路，两块IC-HS05芯片级联的组合电路的输入端连接有信号输入端，输出端连接调制光源521，其控制电路对输入的信号进行调相，驱动调制光源521输出调制光，信号输入端设置有SPI通讯接口和I

在本实施例中，由于测试板卡有8个，所以，BB板卡上的插槽选用8个，将此8个测试板卡以任意位置插入，进行数据的分配传输处理。

如图4所示，工作站通过PCI总线连接有PCI板卡，用于将PCI总线信号转换为本地总线信号，PCI板卡具有4根读写控制位、16根数据线以及23根地址线，本地总线连接有IF板卡，用于对本地总线信号进行中继处理，IF板卡实现8个SLOT槽选信号和本地总线通信信号的中继功能，IF板卡连接BB板卡，将中继后的本地总线信号通过BB板卡传输至测试头2测试板卡中，工作站通过PCI总线连接测试头2内置的若干测试板卡，工作站通过GPIB总线连接探针台7，以对其进行控制，电源机箱给整个测试系统供电，通过PLC对机械臂1进行控制，使机械臂1带动测试头2进行上下翻转运动，对探针卡6上的待测晶圆进行测试工作。

具体实施时，半导体芯片测试系统的测试项目有开短路测试、功耗测试、通讯测试，还具有静态图像采集模式以及动态图像采集模式，以下将对上述测试项目进行详细描述：

开短路测试：通过DPSH板卡或DPSL板卡，以及ICLD板卡和DM板卡的PMU模块，对待测晶圆进行开短路测试，开短路测试采取FIMV(force current measure voltage)方法，通过实际采集的电压值，对半导体芯片进行open-short测试，FIMV是通过加电流测试电压来判断二极管是否短路，测试的不同电压代表二极管不同的状态(开路或短路)；

功耗测试：通过DPSH板卡或DPSL板卡给待测晶粒供电，测试其电压和电流，进行功耗测试；

通讯测试：通过DM板卡给待测晶粒提供IO信号，同时，也可以通过DM板卡和待测晶粒之间进行IIC/SPI通讯，配置待测晶粒内部对应的寄存器的值，让待测晶圆工作在不同的模式；

静态图像采集模式：通过CCB板卡控制直流光源的发光，照射多个待测晶粒上，ICLD板卡同时通过MIPI/LVDS接口，采集待测晶粒的图像数据；

动态图像采集模式：通过ICLD板卡的LVDS输出接口激励LD板卡，从而使得LD板卡上面的VCSEL激光器发出脉冲光，照射待测晶粒,ICLD板卡通过MIPI/LVDS接口采集待测晶粒的图像数据。

测试头2的校准机箱的作用是对测试头2内的测试板卡进行参数校准，下面以DPSH板卡或DPSL板卡的输出电压校准为例，进行说明：

S1、由DPSH/DPSL板卡产生一个电压，然后由标准仪器(例如keysight34465A)对此电压进行测试，完成多个点的电压采集，进行误差计算；

S2、按照校准算法，将补偿值写入DPSL/DPSH板卡，校准算法为：先从外部高精度仪表采集DPSL/DPSH板卡输出电压或者电流，通讯读取DPSL/DPSH板卡数据，比较采集的输出电压或电流与通讯读取的数据，按照特定公式计算offset值，并将offset值写入到DPSL/DPSH板卡的EEPORM中；

S3、重新由DPSH/DPSL板卡产生电压，由标准仪器再次测量,确认二者误差是否满足精度要求；

S4、如果精度达到要求，则校准结束；如果不能达到要求，则返回S1步骤重新执行，如果重复3次依然校准失败，则判定校准失败。

本发明的芯片测试系统通过测试头2内置的测试板卡对探针卡6上的待测晶圆进行功能测试，其中测试所需的光源5由调制光和直流光混合而成，且调制光源521可以配置有多个，与待测晶圆的晶粒数量对等，每个调制光源521为独立控制，以确保可以同时对多个待测晶圆的晶粒进行并行测试，提高了测试的工作效率。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。