集成电路测试中测量系统的应用范文

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《电子质量杂志》2016年第9期

摘要：

测量系统分析(MSA)是六西格玛管理的一项重要内容。在产品的质量管控中，高质量的测量数据，对产品的分析及改进有很大的帮助。在集成电路(IC)测试中，为了确保测试的准确性，获得高质量的测试数据，就需要对的测试系统进行充分的分析。该文介绍了测量系统分析方法，着重介绍重复性和再现性研究、分析,并通过实例说明IC测试中的测量系统分析的应用。并根据测量系统能力的评价规则对所分析的测试系统能力进行评价，判断测量系统是否满足IC测试要求。

关键词：

测量系统分析(MSA)；集成电路(IC)测试；重复性；再现性

0引言

测量是给具体事物(实体或系统)赋值得过程。此过程中输入包括人(操作员)、机(量具或必备的设备和软件)、料、法、环，过程的输出即测量结果。测量系统就是由人、机、法以及测量对象构成的过程的整体。在集成电路制程中，IC测试主要由晶圆测试(即CP)、封装成品测试(即FT)，IC测试是使用测试设备及针对集成电路制作的测试程序对晶圆或封装成品进行测试，确保集成电路满足IC设计的功能及性能要求。因此一个具有大量变差的测量系统，会造成IC测试所获得测量值较电路真实值出现很大的偏差，在测试过程中，使用该测量系统是不适合的。若缺少对测量系统的有效控制，会影响到获得测量值的准确性，造成IC测试的误判，严重时会涉及到IC的大量失效，甚至报废。因此，测量系统分析在IC测试中的应用，是识别测量系统是否适合的一个重要手段，通过该手段，可确保获得测量值的准确性和精确性。

1测量系统分析的基本概念

1.1测量赋值

给具体事物以表示它们之间关于特殊特性之间的关系[1]。

1.2测量过程

给具体事物(实体或系统)赋值的过程被定义为测量过程[2]。也可以看作一个制造过程，这个过程的输入有测量人员、设备、样品、操作方法和测量环境，它产生数据作为输出，如图1所示。

1.3测量系统

是指用来对被测特性定量测量或定性评价的仪器或量具、标准、操作、方法、夹具、软件、人员、环境和假设的集合；用来获得测量结果的整个过程[1]。测量系统可分为“计量型”、“计数型”、“破坏性”等类型。测量后能够给出具体的测量数值的为计量型测量系统分析；只能定性的给出测量结果的为计数型测量系统分析；对一些样本不可重复测量的计量型测量系统，可以进行破坏型测量系统分析。“计量型”测量系统分析通常包括“稳定性”、“重复性”、“再现性”、“偏倚”及“线性”(五性)的分析、评价。在测量系统分析的实际应用中，可同时进行，也可选项进行，根据具体应用情况确定。“计数型”测量系统分析通常利用假设性试验分析方法来进行判定。

1.4重复性

是用一个评价人使用相同的测量仪器对同一零件上的同一特性，进行多次测量所得到的测量变差；它是设备本身的固有变差或能力。传统上将重复性称为“评价人内部”的变异[1]。

1.5再现性

是指测量的系统之间或条件之间的平均值变差。传统上将再现性称为“评价人之间”的差异[1]。

1.6量具R&R或GRR

量具的R&R是结合了重复性和再现性变差的估计值。换句话说，GRR值等于系统内部变差和系统之间变差的和[1]。即：σ2GRR=σ2再现性+σ2重复性(1)

1.7系统变差

测量系统变差可分为：●能力：短期间的误差，是由线性、均一性和再现性结合的误差量；●性能：所有变差来源于长期的影响，是长期读数的变化量；●不确定度：有关被测值的数值估计范围，相信真值包括在此范围内[1]。

2测量系统分析的介绍

2.1测量系统变差

测量系统分析的目的之一是获得测量系统与所处环境相互作用使其产生的测量变差的类型和结果的信息[1]。测量系统变差类型可分成五种类型：偏倚、重复性、再现性、稳定性和线性，其中重复性、偏倚、稳定性和线性属于量具变差，再现性属于操作员造成的变差。通常通过偏倚、线性及稳定性来判断测量系统的准确性，通过重复性和再现性来判断测量系统的精确性(即其波动)。

2.2测量数据特性

测量系统分析是为了更好的发现测量系统变差，从而通过对测量系统变差的控制来满足测量产品质量特性的目的，也控制测量数据的质量。测量数据显现出的4种状态，如图2所示。说明：图2(a)中测量数据分布虽较集中，但偏离中心较大，属于精确但不准确测量数据；图2(b)中测量数据虽基本都在中心内，但数据分布较离散，属于准确但不精确数据；图2(c)中测量数据分布离散，且数据基本在中心外，属于不准确且不精确数据；图2(d)中测量数据分布集中，且均在中心内，属于既准确又精确数据。图2(a)、(b)、(c)这3中测量数据，是质量"低"的测量数据，图2(d)的测量数据，是质量"高"的测量数据，也是测量过程期望获取的数据。

2.3测量系统分析(MSA)方法分类

测量系统分析(MSA)方法主要分为三类：计量型测量系统分析方法、计数型测量系统分析方法以及破环型测量系统分析方法。计量型测量系统分析方法主要分为两类：位置分析、宽度分析。其中位置分析常用的有：偏倚分析、线性分析和稳定性分析，宽度分析常用的有：重复性分析和再现性分析，如图3所示。计数型测量系统分析方法包括：风险分析法、信号分析法以及数据解析分析法。对于计数型测量系统，主要采用风险分析法进行研究。破坏性测量系统分析方法包括：偏倚分析、变异分析和稳定性分析。在IC测试过程中，测试所得的测试参数数据通常为一连串的测试数据，即计量型数据，因此测量系统分析时通常采用计量型测量系统分析。以下介绍重复性和再现性分析在IC测试中的应用，通过重复性和再现性分析评价测量系统能力。

3重复性和再现性分析在IC测试中的应用

3.1IC测试中评价测量系统要求

IC测试过程中，评价测量系统时，需确认三个基本问题：

1)测量系统的分辨能力(在IC测试中主要指测试设备)是否满足测试要求，即系统的设计性能能否满足测试过程中所需实现的性能，这个是系统本身决定；

2)测量系统在一定时间内是否在统计上保持一致，即测量系统是否经过校验，以确保测量系统状态处于稳定状态；

3)这些统计性能是否在预期范围内保持一致，并且用于过程分析或控制是否合格，即测量系统分析的结果是否在可接收范围内。测量系统分析在评价测量系统中起到很重要的作用。在IC测试过程中，造成测量结果变差主要是由量具变差以及操作员造成的变差导致，而重复性分析是分析量具变差，再现性分析是分析操作员造成的变差。因此重复性和再现性在IC测试的测量系统分析中占重要的位置。

3.2重复性和再现性分析操作过程

1)测量样品的选择选定标准样品，至少3只，并对标准样品进行编号，以便测量时数据能一一对应；

2)选取评价人选取若干名(至少2名)操作员作为评价人执行研究，并指定为评价人A、B、C等，评价人最好为操作该测量设备的操作员，经过测量设备的操作培训，避免由于操作员引起很大的测量误差；

3)测量设备校准测量前需对被测量分析的设备进行校正，使用标准件对设备进行校正，校正合格后可进行测量；

4)每个评价人分别对标准样品进行重复测量(至少2次)，并将测量数据记录在数据采集表中，测量数据记录时评价人、样品编号应一一对应；

5)重复性和再现性研究

(a)重复性研究

重复性是研究测量设备本身的波动，测量条件(如测量环境、测量地点、测量标准样品等)要尽可能统一。首先通过极差图(R图)分析测量过程是否受控，并通过R图观察评价人之间对每个标准样品测量过程的一致性。若R图上由数据出现失控现象，应对每一个输入数据进行核对确认，若输入数据正确，需分析失控原因并进行针对性纠正，通常可采取三种纠正方式：忽略超出的点；删除超出的点以及评价人重新测量标准样品。然后计算重复性。重复性计算公式：EV=R軏×K1(2)其中R軏重复测量同一零件的极差的平均值，K1根据重复测量次数选值。

(b)再现性研究

再现性是研究不同评价人在相同的测量条件(如测量环境、测量设备、测量地点等)下测量同一标准样品时产生的波动。可通过每个评价人测量每个标准样品的平均值进行分析，通过均值控制图观察分析。首先计算出每位评价人测量标准样品的总平均值，计算评价人之间的极差R0与标准差σ0，其中该标准差还包含了操作员重复测量引起的波动，因此需减去重复性部分，对该标准差进行修正，计算出的值即测量系统的再现性。再现性计算公式：AV=[R0d*2]-[(σe)2(nr)](3)

(c)标准样品间的波动

测量的标准样品间总是存在差异的。首先计算标准样品测量总平均值的极差，然后计算出标准样品间的波动PV。PV计算公式：PV=RP×K3(4)其中RP为标准样品极差，K3根据标准样品数量进行选值。

(d)测量过程

总波动测量过程输出总波动TV包括测量过程的实际波动和测量系统的波动。TV公式：TV2=PV2+EV2＋AV2(5)以上已获得AV、EV以及PV的值，那么总波动TV的值也可得出。

(e)测量系统能力的评价

通过已经计算出的重复性EV和再现性AV，可以计算出测量系统的波动GRR。GRR计算公式：GRR=EV2＋AV2(6)通过用测量系统的波动GRR与总波动(TV)之比来度量，即计算%GRR值。%GRR计算公式：%GRR=100[GRR/TV](7)根据测量系统能力判别准则，对测量系统进行评定，判别准则具体为：%GRR<10%，表明测量系统能力很好，可正常使用；10%≤%GRR≤30%，依据设备的重要性、成本及维修费用等因素，决定是否可使用或不可使用；%GRR＞30%，说明测量系统本身波动很大，由该测量系统得出的数据是不可靠的，测量系统必须改进。这时，需通过对测量系统的各种波动源，进行研究，若重复性变差本身较小，则说明问题出现在再现性上，可通过对加强对评价人的培训，对作业方法的优化或提高评价人操作的一致性来减小评价人间的波动，若采取措施后仍不能满足要求，或者重复性变差本身较再现性变差大很多，则需要将该设备停用做好标识，更换测量系统能力好的设备或采购新的测量系统。

4应用实例

使用测量设备对IC进行测试，主要是将流片过程、封装过程中产生的缺陷产品挑选出来，这些缺陷产品在测试时主要体现为测试参数超出规范界限，判定为产品失效。而一个产品的测试需测试的参数项很多，在对测量设备进行测量系统分析时，需先确定出关键参数也就是对测试产品影响很大，客户重点关注的参数)作为分析项目，如模拟电路测试中，部分产品在测试时一些参数需进行烧熔丝测试，该些参数一旦经过烧熔丝测试后，就不可逆，无法改变测试结果，若测量设备在测试该些参数出现偏差，参数测试均值的中心值偏移出允差范围，直接会导致大量产品的失效、报废。下面以某模拟电路测量设备为例，确定频率参数FOSC为分析项目，参数单位为KHZ，对该分析项目进行重复性和再现性数据采集，并进行分析。采集的数据如表1所示。

(1)重复性分析和计算

根据采集的数据，按照第4章中所述的重复性和再现性的研究方法，先得出极差图(R图)，如图4所示。从图中可以看出测量过程处于受控状态，且3个评价人对样品的测量都在受控状态，说明3个人的测量操作较一致，体现了测量的重复性。并通过重复性公式计算出EV=0.0003。

(2)再现性分析和计算

将采集的数据按照样品编号，在图中绘制出每个评价人对每个样品测量的平均值，得出均值图，如图5所示。由于在测量时测量环境、测量条件以及测量设备均一致，因此可以通过不同评价人测量同一样品的波动来研究再现性，从均值图中，可以看出3位评价人分别测量的10个样品，每个样品均值波动最大的波动为33HZ，该样品FOSC参数的均值允许偏差为±500HZ，测量波动大大小于参数的均值允差，说明具有良好的再现性。并通过再现性计算公式，可计算AV=0.0005。

(3)测量设备能力分析

①通过图5均值图分析。通过对该样品电路不同批次的测试数据统计分析，该样品的均值图中控制线以内区域表示测量的敏感性。若图中显示的测量均值有一半以上(包括一半)落在控制线以外，则表明该测量系统适合进行测试该IC电路。若落在控制线以外的测量均值小于一半，则表明该测量系统缺乏足够的分辨力，不适合进行该IC电路的测试。从图中可以看出，3位评价人测试每个样品的均值大部分都落在控制线以外，因此该测量设备有足够的分辨力，有足够能力测试该IC电路。②通过样品链图分析。将所有评价人测量每个样品的数据，画在一张图上，得到样品链图，如图6所示。从图上可以看出10个样品不同评价人测量的变差非常小(在10HZ以内)，与该样品所要求的FOSC参数允许偏差(±500HZ)相比，大大小于该参数允许偏差，说明该测量设备能力非常号，精度完全可以满足测试产品的要求。

(4)测量系统能力评价

根据第4章中内容计算出标准样品间波动PV=0.0078、测量过程总波动TV=0.0078以及测量系统波动GRR=0.0006，再通过用测量系统的波动(GRR)与测量过程总波动(TV)之比即计算%GRR值，进行测量系统能力的判别。本次分析的测量设备，计算出的%GRR=7.24%。根据判别规则%GRR<10%，表明测量系统能力很好，测量设备的变差和人员变差对产品测试影响较小，完全满足产品测试要求。

5结束语

IC测试主要目的是辨别电路的好坏，将不能满足要求的电路剔除。IC测试过程中测量设备和人员的变差会对辨别结果有很大的影响，通过对重复性和再现性的研究与分析可以监控测量设备和人员变差，使之处于受控状态，从而保证测量结果的准确性和精确性。

参考文献：

[2]何桢.六西格玛管理:第三版[M].北京:北京人民大学出版社,2014.

作者:王菲 傅铮翔 单位:中国电子科技集团公司第五十八研究所