高压电源在晶圆封测设备的创新应用

晶圆封测（Wafer Probing and Packaging/Testing）是半导体制造的后道关键工序，旨在确保芯片的功能性和可靠性。随着先进封装技术（如3D堆叠、扇出/扇入）和高频、高压/低功耗器件的普及，对封测设备的测试精度、速度和电压范围提出了更高的要求。高压电源（HVPS）在封测设备中的创新应用，不再局限于传统的驱动功能，而是向高精度、多通道、快速可编程的精密源测量单元（Source Measure Unit, SMU）和**高可靠性老化/烧机（Burn-in）**电源方向发展。
一、超高精度源测量单元（SMU）中的应用
在晶圆探针台（Wafer Prober）和自动测试设备（ATE）中，用于器件特性表征和故障分析的SMU是核心部件。高压电源为SMU的输出级提供高压基准。创新点在于将电源与测量功能深度集成，实现：
1. 宽动态范围的高压/高精度输出： 现代器件的测试需要从毫伏到千伏的宽范围电压。高压电源必须提供纳伏级（nV）的分辨率和飞安级（fA）的电流测量精度，特别是在进行栅极氧化层完整性测试（GOI）或绝缘击穿电压（BV）测试时。这要求高压电源的输出纹波和噪声必须极低，且具备出色的线性度和温度稳定性。通过采用多级线性稳压技术结合高频开关预稳压，可以有效地“净化”输出。
2. 快速模式切换和波形生成： 为了提高测试吞吐量，SMU需要能够快速地从电压源模式切换到电流源模式，并在两者之间平稳过渡。高压电源作为前端，需支持纳秒级的快速编程和稳定的瞬态响应。此外，为了执行容性电压斜坡测试（CV Ramping）或脉冲I-V测试，电源需能生成复杂、高精度、高压的任意波形。这依赖于高带宽、低失真的功率放大器设计和高速D/A转换器（DAC）的协同工作。
3. 多通道独立浮动输出： 复杂芯片的测试可能需要数十甚至数百个独立的、电隔离的电源通道，以模拟器件的实际工作环境或执行并行测试。高压电源系统必须采用高隔离度的多重变压器或DC/DC模块设计，确保每个通道在高压环境下仍保持极低的漏电流和噪声耦合，保障测试结果的纯净性。
二、老化和可靠性测试中的创新应用
老化（Burn-in）测试在高温高压下对芯片施加长期电应力，以筛选出早期失效的器件。随着封装密度的增加和测试条件的严苛化，高压电源在老化设备中的应用也发生了变化：
1. 高密度、高效率的功率传输： 老化炉内的空间有限，但需要为成千上万颗芯片提供电源。高压电源系统必须具备极高的功率密度，并通过创新的高压分布式供电架构，最大限度地减少传输损耗和热量产生。
2. 精确的电压和电流应力控制： 现代老化测试需要施加精确控制的电压和电流应力，以模拟复杂的现场故障模式。高压电源系统需要具备远程感应（Remote Sensing）功能，直接在芯片引脚处进行电压反馈，补偿老化板和连接线的电压降，确保施加应力的精度。此外，需要支持动态应力加载，即在老化过程中根据预设程序改变电压或电流，以加速潜在缺陷的暴露。
3. 故障监测与保护： 在高压大电流的老化环境中，单颗芯片的短路或失效不应影响整个批次。高压电源模块需要具备单通道独立保护、快速切断和精确的故障定位能力。通过集成微处理器和通信接口，电源可以实时向控制系统报告每个测试槽的电压、电流和温度数据，实现精细到单器件级别的应力控制和故障分析。
总而言之，高压电源在封测设备中的创新应用，是推动测试系统向更高集成度、更高精度、更快速度和更高可靠性方向发展的关键技术驱动力。它将传统的电源功能与精密测量、高速控制、以及智能诊断深度融合，成为半导体质量保障体系中不可或缺的精密工具。