高壓電源在晶圓封測設備的創新應用

晶圓封測（Wafer Probing and Packaging/Testing）是半導體制造的后道關鍵工序，旨在確保芯片的功能性和可靠性。隨著先進封裝技術（如3D堆疊、扇出/扇入）和高頻、高壓/低功耗器件的普及，對封測設備的測試精度、速度和電壓范圍提出了更高的要求。高壓電源（HVPS）在封測設備中的創新應用，不再局限于傳統的驅動功能，而是向高精度、多通道、快速可編程的精密源測量單元（Source Measure Unit, SMU）和**高可靠性老化/燒機（Burn-in）**電源方向發展。
一、超高精度源測量單元（SMU）中的應用
在晶圓探針臺（Wafer Prober）和自動測試設備（ATE）中，用于器件特性表征和故障分析的SMU是核心部件。高壓電源為SMU的輸出級提供高壓基準。創新點在于將電源與測量功能深度集成，實現：
1. 寬動態范圍的高壓/高精度輸出： 現代器件的測試需要從毫伏到千伏的寬范圍電壓。高壓電源必須提供納伏級（nV）的分辨率和飛安級（fA）的電流測量精度，特別是在進行柵極氧化層完整性測試（GOI）或絕緣擊穿電壓（BV）測試時。這要求高壓電源的輸出紋波和噪聲必須極低，且具備出色的線性度和溫度穩定性。通過采用多級線性穩壓技術結合高頻開關預穩壓，可以有效地“凈化”輸出。
2. 快速模式切換和波形生成： 為了提高測試吞吐量，SMU需要能夠快速地從電壓源模式切換到電流源模式，并在兩者之間平穩過渡。高壓電源作為前端，需支持納秒級的快速編程和穩定的瞬態響應。此外，為了執行容性電壓斜坡測試（CV Ramping）或脈沖I-V測試，電源需能生成復雜、高精度、高壓的任意波形。這依賴于高帶寬、低失真的功率放大器設計和高速D/A轉換器（DAC）的協同工作。
3. 多通道獨立浮動輸出： 復雜芯片的測試可能需要數十甚至數百個獨立的、電隔離的電源通道，以模擬器件的實際工作環境或執行并行測試。高壓電源系統必須采用高隔離度的多重變壓器或DC/DC模塊設計，確保每個通道在高壓環境下仍保持極低的漏電流和噪聲耦合，保障測試結果的純凈性。
二、老化和可靠性測試中的創新應用
老化（Burn-in）測試在高溫高壓下對芯片施加長期電應力，以篩選出早期失效的器件。隨著封裝密度的增加和測試條件的嚴苛化，高壓電源在老化設備中的應用也發生了變化：
1. 高密度、高效率的功率傳輸： 老化爐內的空間有限，但需要為成千上萬顆芯片提供電源。高壓電源系統必須具備極高的功率密度，并通過創新的高壓分布式供電架構，最大限度地減少傳輸損耗和熱量產生。
2. 精確的電壓和電流應力控制： 現代老化測試需要施加精確控制的電壓和電流應力，以模擬復雜的現場故障模式。高壓電源系統需要具備遠程感應（Remote Sensing）功能，直接在芯片引腳處進行電壓反饋，補償老化板和連接線的電壓降，確保施加應力的精度。此外，需要支持動態應力加載，即在老化過程中根據預設程序改變電壓或電流，以加速潛在缺陷的暴露。
3. 故障監測與保護： 在高壓大電流的老化環境中，單顆芯片的短路或失效不應影響整個批次。高壓電源模塊需要具備單通道獨立保護、快速切斷和精確的故障定位能力。通過集成微處理器和通信接口，電源可以實時向控制系統報告每個測試槽的電壓、電流和溫度數據，實現精細到單器件級別的應力控制和故障分析。
總而言之，高壓電源在封測設備中的創新應用，是推動測試系統向更高集成度、更高精度、更快速度和更高可靠性方向發展的關鍵技術驅動力。它將傳統的電源功能與精密測量、高速控制、以及智能診斷深度融合，成為半導體質量保障體系中不可或缺的精密工具。