by 
Những que đo này rất nhỏ, thường thì đường kính chừng 1 mil (1000 của một inch). Họ gắn những que đo này vô các "tay" giữ rồi dùng microscope mà đưa nó tới chỗ thử trên mặt wafer. Wafer thì được dùng vacuum giữ chặt lại.
Đo ở đâu ? Ở trên mặt wafer họ sẽ làm những miếng kim loại kêu là pad để que đo chọc vô.
Cho ví dụ: Như các bạn đã biết là các die nằm trên wafer nhìn như gạch hoa lát trong nhà (xem hình dưới). Giữa các kẽ gạch thì trong nghề kêu là street (đường). Bề rộng con đường này thì chừng 3-5 mils. Đây là chỗ sau này người ta sẽ cắt các die rời nhau ra. Tuy nhiên nó có công dụng nữa là làm thành chỗ thử cho probe station. Tại đây họ có thể bỏ vài con transistor, bỏ pads lên rồi dùng probe station mà đo các transistor này. Làm thế thì họ sẽ đoán được các transistor nằm trong chip sẽ hoạt động ra sao.
Không những chỉ thử không mà họ còn làm những thí nghiệm khác nữa. Ví dụ, muốn biết con chip khi hoạt động sẽ cho ra hơi nóng như thế nào. Thay vì dùng con chip đã đóng gói thì người ta dùng wafer (đã hoàn tất), probe station và máy chụp hình thermal (hơi nóng) rồi dùng các que thử cho điện và tín hiệu vào, dùng máy ảnh mà xem hơi nóng ra sao.
Test
Sau lớp passivation thì wafer được coi là xong rồi. Từ đây wafer sẽ được thử nghiệm, cắt thành die, đóng gói, thử nghiệm, rồi đem bán. Bài này sẽ nói về thử nghiệm.
Tới đây thì wafer sẽ ra khỏi fab và được đưa qua phòng test. Thường thì kêu là test floor. Test floor là một phòng chứa máy test (kêu là tester). Tên thật là ATE - Automated Test Equipment nhưng thường thì được kêu tắt là tester hay tên của hãng làm ra máy tester để phân biệt các máy. Một số hãng thì test floor nằm trong phòng sạch clean room hạng thấp (ngang chừng phòng mổ trong bệnh viện). Một số hãng thì chỉ là phòng thường như phòng làm việc thôi. Nhưng tất cả đều là phòng lạnh (chừng 60 F, 15 độ C) và độ ẩm chừng 40%. Lý do phòng lạnh là do máy tester tỏa nhiệt rất nhiều. Về đô ẩm thì rất quan trọng vì nó ạnh hưởng đến chip khi chưa đóng gói, và dĩ nhiên cũng ảnh hưởng đến máy tester. Tưởng tượng độ lạnh 15C mà độ ẩm 80% thì hơi ẩm chắc sẽ tụ thành nước trên mặt các bo hết.
Tester là gì ? Nó là DMM, Scope, Logic analyzer, signal generator, voltage source, current source, driver, reciever, v.v. gồm lại làm một và nằm dưới sự điều khiển của một computer. Phần mềm thì do test engineer viết ra dưới guide line của design engineer. Nói gọn thì như vậy, nhưng chi tiết thì rất nhiều và khác nhau cho các loại chip (digital, analog, mixed signal).
Nghe thì thấy là một tester phức tạp hơn một cái DMM rất nhiều (dĩ nhiên rồi, vài trăm ngàn cho đến vài triệu USD đối với môt DMM 20 USD). Tuy nhiên máy tester không tự động hoá như một DMM đâu. Không phải là tại nó "ngu" mà tại người ta cần nó như thế.
Ví dụ: muốn đo một điện trở thì chạm 2 que vô 2 đầu của điện trở. Máy DMM sẽ tự động cho ra điện thế, cường độ rồi tính ra điện trở theo luật Ohm. Máy tester thì hoàn toàn khác. Người viết program phải nói tester cho ra bao nhiêu volt (từ voltage source) và nói nó cho cường độ cao nhất là bao nhiêu. Rồi sau đó nói current meter đo xem dòng bao nhiêu. Lấy kết quả rồi dùng luật Ohm mà tính ra.
Nếu cho điện 5V và dòng cao nhất là 1A thì sẽ đo được tới trở nhỏ nhất là 5 Ohm. Dưới 5 Ohm thì dòng sẽ lớn hơn 1A và sẽ ngắt cho lỗi.
Tại sao phải rắc rối thế? Tại sao không dùng một DMM như của HP rồi dùng bus GPIB lấy kết quả về mà xem ? Một số máy tester đơn giản vẫn dùng lối này.
Một lý do chính mà không dùng thẳng DMM là để bảo vệ cho con chip. Thường thì các chân chip đi qua các transistor, diode, v.v. Nếu đưa một DMM với nguồn cao như vài vôn và vài chục mA mà gặp mấy transistor yếu ớt chỉ chịu được vài mA thì nó sẽ cháy ngay. Vì DMM được nói đo điên trở thì tự động tăng nguôn hay dòng để đo. Nếu máy tester thì người viết program sẽ biết là đo điện trở qua một mạch transistor phức tạp chứ không phải con trở đơn giản. Họ đã biết mấy transistor đấy chịu được bao nhiêu và sẽ tùy cơ ứng biến.
Nói tóm lại là đằng sau một tester là một đống chất xám nói tester cần làm những gì.
Thế thì ai làm nghề này. Đa số là dân điện tử (dĩ nhiên rồi). Và họ phải học thêm ngôn ngữ của máy tester. Có máy dùng Cobol, C, C++, visual C, có cái dùng cả excel trong window nữa. Mỗi máy 1 khác và các món này do hãng training lại chứ không có trong trường. Dù đã nói trên như là C hay C++, nhưng trong program của máy sẽ có thêm những lệnh đặc biệt riêng của nó và chỉ có máy đó hiểu thôi. Nói đúng hơn thì standard C chỉ là một subset của C trong máy tester thôi.
Thật ra công việc test nói chung là dễ hơn khá nhiều so với thiết kế và phát triển công nghệ. Các hãng lớn có thể nhận sinh viên mới ra trường làm test nhưng làm thiết kế hoặc phát triển công nghệ thường phải có ít nhất 5 năm kinh nghiệm. Có lẽ vì vậy mà Intel quẳng phần test và package về Việt Nam.
Máy test hay ATE thực ra chỉ làm tự động hóa công việc test của một người. Vậy nếu làm thủ công thì người test sẽ làm thế nào. Hết sức đơn giản, người test có một số thiết bị đo và phát. Người test sẽ nối từng máy vào chip, phát tín hiệu vào, và đo tín hiệu ra, ghi lại rồi so sánh xem chip tốt hay hỏng rồi. ATE sẽ làm tự động các công việc này như sau:
1. Đầu tiên ATE gồm một số máy phát như signal generator, logic generator, power supply... máy đo như oscilloscope, spectrum analyzer, network analyzer... Các máy này có thể điểu khiển thu công theo kiểu bấm nút, nhưng chẳng ai làm như vậy cả. Để điều khiển những máy này, người ta phát lệnh cho chúng. Lệnh thực ra chỉ là các chuỗi text tớ lấy ví dụ như "Đo tần số" vậy cũng có thể là một lệnh rồi. Các lệnh này được đưa vào máy qua cable GPIB, hoặc hiện đại hơn là Ethernet (cáp mạng đó). Vì vậy chúng cần có một máy tính để điều khiển (phát chuỗi lệnh). Kỹ sư test chính là viết lệnh cho máy tính này để điều khiển các thiết bị. Hiện nay các lệnh điều khiển thiết bị đều là chuẩn mở nên bất kì ngôn ngữ nào cũng có thể sử dụng để điều khiển. Ngày xưa thì người ta dùng C/C++ rồi basic, nhưng bây giờ thì người ta chuộng script language hơn vì mỗi một dòng lệnh trong script giống như một lệnh điều khiển thiết bị và script language không cần phải compile. Nếu không nhầm thì Intel và nhiều hãng thường dùng Python. Để ghi lại dữ liệu sau khi đo, người ta hay link python với MS excel, nhưng không ai dùng excel để điều khiển thiết bị cả.
2. Ngoài ra ta còn cần một chuyển mạch switch cơ khí, để chuyển đổi các đầu nối (giống như ta đổi từ máy đo dòng điện sang máy đo điện áp vậy). Một số cáp để nối các máy và switch lại với nhau. Có điều là switch này gây ra suy hao, cần phải bù. Để làm việc này người test phải calibrate trước, tức là đo độ suy hao trên các đường truyền tín hiệu (do cáp hoặc switch...) rồi sau đó bù (ví dụ như tăng thêm công suất phát hoặc cộng thêm giá trị ở máy đo...).
3. Cuối cùng là tín hiệu sẽ được đưa lên một bàn, có rất nhiều đầu đo nhô lên trên. Mỗi đầu đo này là một cái kim (nail) có lò xo. Khi người ta đặt một PCB lên trên các đầu đo này sẽ cắm vào mạch để phát hoặc thu tín hiệu.
4. Vì ta phải dùng máy để đo nhiều chip khác nhau có số lượng chân khác nhau, kích thước khác nhau... nên cái PCB để lắp vào máy đo cũng phải khác nhau đối với từng chip. Việc thiết kế cái PCB này cũng là công việc của kỹ sư test. Để lắp chip vào test người ta dùng một số socket (giống giống socket cho CPU của máy tính đó, nhưng mà không có nắp (vì phần cơ khí không thông minh tới mức có thể lắp vặn cái nắp được), phần nối với máy test chính là qua các đầu đo mà tớ nói phần 3. Còn lại muốn layout, lắp thêm điện trở tụ điện thế nào là tùy người thiết kế. Cái board này cũng có chuẩn sẵn để lắp vào máy, nó dày phải gần 1 cm có loại hình tròn, cũng có loại hình chữ nhật.
5. Phần cuối cùng là thiết bị cơ khí để gắp chip bỏ vào socket đo, có thể thêm vào phần tản nhiệt cho chip, cũng có thể có thêm phần chamber, tức là một cái hộp kín bao lấy chip. Sau đó người ta làm lạnh hoặc làm nóng chip để test ở các nhiệt độ khác nhau.
6. Bây giờ người ta còn làm máy đo cho một số chip đặc biệt ví dụ như MEMS (Micro ElectroMechatronic System).
Cũng như máy đo điện, đo dòng, đo trở, đo tụ (không tính DMM nha), máy tester cũng chia ra nhiều thứ tùy theo loại IC muốn thử.
Thí dụ muốn thử một cái transistor thì mua tester dùng cho analog thôì.
Muốn thử con 7404 thì dùng digital tester.
Muốn con PIC thì phải dùng mixed signal tester tức là vừa analog vừa digital.
Muốn thử mấy con PLL cho Iphone thì tester phải có RF option.
Muốn thử mấy bộ nhớ thì dùng loại memory option.
Nói tóm lại là máy nào thì thử cho loại chip đó.
Thế thì tester có như DMM không ? Có những loại tester đó, nhưng đa số là dùng tại R&D. Lý do là nếu dùng trong production mà chỉ thử toàn analog không thì có phải là phí tiền thêm cho những thứ trong máy sẽ không dùng tới.
Tới đây thì nói thêm về test floor. Thường thì chia làm 2 loại chính. Loại cho R&D thì thường kêu là Engineering test floor. Loại này thì có đủ thứ máy cho các kỹ sư thử các loại chip khác nhau. Dĩ nhiên là không phải đâu cũng thế. Thí dụ như Intel thì sẽ không bao giờ có máy dùng để thử CMOS sensor cho máy chụp hình số. Test floor này là nơi các test engineer ngồi vọc program và sau khi hoàn chỉnh thì sẽ được chuyển qua Production Test Floor cho chạy sản phẩm. Máy tester thì thường là có nhiều options hơn so với production floor. Lý do là một máy nhưng có thể dùng cho nhiều nhóm test engineer cuả hãng. Nhóm thì RF, nhóm thì memory, nhóm thì uP, nhóm thì cho những thứ dùng trong R&D và thử các process cần trong Fab, v.v.
Phần bên trái là chỗ bỏ chip vào test. Cái này kêu là test head, được viết chữ xanh TH. Nó gồm có các bo đưa tín hiệu ra tới chip và đọc tín hiệu từ chip.
Con chip nằm trong Load Board (chữ xanh LB). Mỗi loại chip thì dùng LB khác nhau (dĩ nhiên rồi). Cái test head này có vòng kim loại để khoá chặt LB vào. Khi khoá và thì máy sẽ biết và cho phép tín hiệu đi ra, đi vô.
Vì TH cần thay đổi tư thế (úp hay ngửa) nên nó được gắn trên hệ thống "cần trục" để người dùng có thể điều chỉnh vị trí. Cái cần trục này kêu là manipulator - từ động từ manipulate (chữ M). Khi thử chíp thì đầu máy TH nằm ngửa như trong hình. Từ đó người dùng có thê gắn chip vô thử hoắc gắn vô máy Handler để nó tự động gắn chip vô test. Nếu nằm up thì dùng cho wafer sort. Lúc này thì gắn vô prober. Đầu máy này rất nặng nên tất cả đều dùng motor điện hết.
Đằng sau manipulator là dàn lọc điện kêu là power conditioner (chữ C). Dùng để lọc điện cho sạch sẽ.
3 cái tủ là phần main frame (MF). Nó chứa power supplies, signal generators, DMM, test computer (SPARC), một đống bo để giúp các bo trên TH làm việc. Tùy theo option mà khách hàng muốn. Có máy có thêm 1 tủ nữa đê chứa thêm bo, máy móc.
Bên hông phải của bàn để màn hình là computer. Nó không phải là test computer đâu, nó chỉ là một phần thôi. Cái test computer nằm trong MF. Thường thì máy này khách hàng hay mua 2 màn hình vì họ cần nhiều cửa sổ để làm việc. Cái thì để viết C, cái thì coi tín hiệu, cái thì coi mạch điện, v.v.
Test Head tạm dịch là đầu máy nhưng đúng nghĩa là phần thử nghiệm của máy. Vì đây là chỗ "tiếp xúc" với chip hoặc wafer để thử (test). Thường thì một máy có một đầu, nhưng cũng có hãng thích một máy với 2 đầu như hình dưới.
Trong đầu máy có những gì ? Thường thì có mấy PCB với "kim" để nối vô các mạch điện nằm bên ngoài đầu máy. Tên chung là "pin card" vì nó có pin (kim)
Hình dưới là một đầu máy của hãng Teradyne. Đây là máy J971, máy này chừng hơn 20 tuổi rồi. Đầu máy này có thể gắn thêm nhiều pin card nữa vì còn nhiều chỗ bỏ trống.
Tại sao không gắn hết. Cũng như máy tính tại nhà thôi. Có nhiều chỗ gắn DRAM, nhưng không cần nhiều thì gắn vô làm gì cho uổng tiền.
Main Frame
Main Frame là nơi chứa đựng những thứ không cần, không thể nằm trong test head.
Thường là power supplies. +/- 5V, 12V, 15V, 24V, v.v. Những loại này rất to và nặng vì nó cần có dòng chừng vài chục tới và trăm Amp.
Ngoài ra còn có máy đo như DMM. Board dùng để điều khiển đo tại đâu và đưa ký hiệu đến đâu (một loại matrix dùng relay).
Và phần chính nằm trong đó là test computer. Cái này chỉ ngồi lo tính toán cái dữ kiện được thâu thập từ test head đưa về.
Một số máy dùng nước để giải nhiệt trong test head nên sẽ có giàn bơm, bình nước và hệ tản nhiệt cho nước bị hâm nóng (dùng nước từ các bồn chứa lớn).
2 hình dưới là Main Frame.
Nguồn tham khảo: Điện tử Việt Nam
0 comments: