在現今的科技世界中，CMOS Image Sensor（CIS）的應用已經滲透到我們生活的各個角落，從智能手機到自駕車，CIS的影響力日益顯著。然而，要確保CIS的性能和品質，我們需要進行一系列的晶圓級測試。這些測試方法包括功能性測試、性能測試、可靠性測試三大環節，每一種測試都對於確保晶片的性能和壽命有著舉足輕重的作用。
半導體測試在半導體設計、製造、封裝和測試的四個關鍵步驟中扮演著極其重要的角色。它利用特定的測試設備來檢測待測設備（Device Under Test，簡稱 DUT），測試的基本流程包含了軟體編寫、產生測試向量、應用於待測設備、產生反饋數據、與軟體值進行比對，最終獲得測試結果。
可識別產品缺陷，驗證產品是否符合設計目標，並選擇合格和不合格的產品，且近年來越來越多製造商，開始關心量測產品表現是否如當初設計所預期的性能效果，因此檢測設備從設計驗證到整個半導體制造過程都具有無法替代的重要地位。
然而，根據電子系統測試十倍法則，如果晶片未能在製造過程中就發現其品質不良、性能不佳，那日後來到PCB級別時，將會付出十倍以上成本代價在發現與解決問題，從中可得知檢測對於半導體業的重要性，尤其能及早檢出的效益更是重要。
由於半導體檢測是是龐大的產業鏈體系，其測試產業內部分類分類也極其複雜，本文將從產業流程與檢測目的性，逐一帶領大家拆解整個半導體測試產業鏈
一般而言半導體晶片在製造過程大致可區分為
「IC設計」→「晶圓製造」→「封裝測試」三大階段
其中相對應的檢測可分為IC設計驗證、前道量檢測、後道檢測三種
「IC設計驗證→IC設計階段」
「前道量檢測(過程製程檢測與晶圓測試)→晶圓製造階段」
「後道測試→(封裝測試階段)」
1. 碳化矽
onsemi是目前少數能夠自主控制碳化矽上游矽材料供應的半導體廠商。公司表示已與客戶簽訂約90億美元的長期碳化矽供貨協議。隨著客戶端需求的高速增長,onsemi預計未來五年碳化硅業務收入將以每年70%的驚人速度快速增長。
設計驗證(IC設計)：用於IC設計階段，又稱實驗室測試或特性測試，是在晶片進入量產之前驗證設計是否正確，需要進行功能測試和物理驗證，主要是用電學檢測技術驗證樣品是否可達成設計的目標功能。
前道量(檢)設(IC製造)：用於晶圓加工製造的階段，透過光學檢測、電子束量測等方式進行功能與性能檢測，並且檢查晶圓上有無足以影響良率的缺陷。
後道檢測(IC封裝)：主要是運用在晶圓加工後、IC封裝的過程中，利用探針台、測試機、分選機等設備，進行電性、功能性的檢測，確保後續生產而出的晶片足以達到預期效果。其中後道檢測又可以細分為CP晶圓測試以及FT成品測試兩大區塊。
CP晶圓測試：確保晶圓品質與性能表現足以進入封裝環節
FT成品測試：確保封裝後最終成品品質
在通過「設計驗證測試」、「前道量(檢)測」、「後道檢測」測試過程中，需經過各階段多種繁複的檢驗或量測過程，如果打散這些檢測或量測的方法，重新按照類型作為作用目標區分的話，大致可「功能性測試」、「性能測試」、「可靠度測試」三大類型
大部分的「功能性測試」、「可靠度測試」測試方法都是針對受測物的物理或電學缺陷進行檢測，然而，後道測試中的功性能測試則是專門用來評估待測產品的實際作用性能表現。
在CIS領域中，我們如何透過功能測試來了解影像感測器的性能好壞呢？這時歐洲機器視覺協會（European Machine Vision Association, EMVA）推出的EMVA1288標準就派上了用場。該標準規範了各種影像品質參數，以及對應的測量與表示方式，讓我們可以快速了解各種感測器的性能差異。
在接下來的文章中，我們將深入探討這些測試方法，並解釋如何使用EMVA1288參數標準來評估感測器的性能。我們也將介紹一些市面上可用的測試設備，包括Enlitech科技公司的SG-A和SG-O系列產品。這些設備專為晶圓級測試而設計，能夠提供全面且準確的測試結果。
從物理檢測到電性檢測，再到性能檢測
儘管AOI檢測在CIS晶片的生產中有著很多優點，但是它也存在著一些局限性。由於CIS晶片的表面特性和缺陷類型多種多樣，而且還受到光照等環境因素的影響，因此需要針對不同類型的CIS晶片進行不同的光學參數設置和算法調整。同時，需要在整個生產線上不斷地對AOI檢測系統進行校準和維護，以保證檢測的準確性和穩定性。
AOI檢測（Automatic Optical Inspection）是一種利用光學成像技術對CIS影像晶片進行缺陷檢測的方法。該系統包含一個主動光源，將光照射到CIS影像晶片表面上，透過光線的反射，被相機鏡頭收集，形成CIS表面影像。這個影像可以通過影像辨識軟件進行分析和處理，自動辨識CIS晶片表面缺陷。 AOI檢測的優點在於，它可以高效、快速地檢測CIS晶片表面的缺陷，包括瑕疵、污染、顆粒等等。光學檢測的過程通常包括照明、成像和分析三個步驟。 首先，我們需要使用適當的光源來照明晶圓表面。光源的選擇對於光學檢測的精準度和效果至關重要。不同的光源，如LED或激光燈，可以提供不同的光強度和波長，以適應不同的檢測需求。照明時，我們需要確保光斑的均勻性和穩定性，以獲得清晰的影像。 接下來，我們使用光學儀器來捕捉晶圓表面的影像。常見的光學儀器包括显微镜、CCD相機和光學檢測系統。這些儀器可以將晶圓表面的影像放大並轉化為數字信號，以進行後續的分析和處理。儀器的選擇應基於檢測精度的要求、成像速度和系統的可靠性等因素。 最後，我們對所獲得的影像進行分析，以找出可能的缺陷。分析的過程可能涉及圖像處理、圖像比對和缺陷標註等技術。通過這些分析技術，我們可以快速而準確地檢測出晶圓表面的缺陷，如刮痕、洞孔或污漬等。這些缺陷可能對晶圓製程產生不利影響，如影響元件性能或降低產品良率。全球知名的KLA-Tencor柯磊、Applied Materials應用材料、Visera采鈺、Hitachi High-Tech等等都是著名廠商。
儘管AOI檢測在CIS晶片的生產中有著很多優點，但是它也存在著一些局限性。由於CIS晶片的表面特性和缺陷類型多種多樣，而且還受到光照等環境因素的影響，因此需要針對不同類型的CIS晶片進行不同的光學參數設置和算法調整。同時，需要在整個生產線上不斷地對AOI檢測系統進行校準和維護，以保證檢測的準確性和穩定性。
接下來是電性測試，電性測試是一種使用電測儀器來檢測晶圓電性能的方法，這種方法的重要性在於，它可以確保晶圓的電性能達到設計要求，過程中使用電測儀器來檢測晶圓電性能的方法。電性測試可以測量晶圓上的電路元件和連接線的電阻、電容、電感、電流、電壓、頻率等參數，以及晶圓上的邏輯功能和數位信號。這些參數和信號都是影響晶圓性能的關鍵因素，如果不符合要求，可能會導致晶圓失效或產品故障。
電性測試的過程通常包括三個步驟，分別是設定測試條件、進行測試和分析測試結果。首先，我們需要根據晶圓的規格和設計要求，設定適當的測試條件，如電壓、電流和頻率等。這些條件會影響到電測儀器的靈敏度和準確度，以及晶圓的應力和熱效應。因此需要選擇合適的電測儀器和探針卡，並校準好儀器的參數。然後使用電測儀器來進行測試，通常是將探針卡接觸到晶圓上的特定位置，並通過儀器讀取相應的數據。這個過程可能需要多次重複，以覆蓋晶圓上所有需要測試的區域和元件。最後，分析測試結果，以確定晶圓的電性能是否符合要求。如果發現有不合格或異常的情況，需要找出原因並進行改善或排除。
通過電性測試，我們可以對晶圓的電性能進行全面和精確的評估，從而提高晶圓的良率和品質。同時，我們也可以通過電性測試來優化晶圓的設計和製程，以提升晶圓的性能和效率。
如其名，主要是檢驗晶圓的功能是否符合設計的要求。
功能性測試的過程中，包括對晶圓進行一些特定的功能測試，以確保其在實際操作中能夠正常工作。例如，對於記憶體晶圓，我們會進行大量的讀寫測試，以確保其能夠正確地保存和檢索數據。對於邏輯閘晶圓，我們會進行開關測試，確保其能夠在不同的邏輯狀態下正確執行相應的操作。
環境測試是一種模擬實際使用環境來檢測晶圓性能的方法。這種方法的重要性在於，它可以確保晶圓在實際使用環境中的性能和壽命。環境測試的過程通常包括設定模擬環境、進行測試和分析測試結果三個步驟。首先，我們需要設定模擬環境，如溫度、濕度和壓力等。然後，我們在這些模擬環境中進行測試。最後，我們分析測試結果，以確定晶圓在實際使用環境中的性能和壽命。
透過這些測試方法，我們可以從不同的角度來評估晶圓的性能和品質，從而確保最終產品的可靠性和壽命。
高良率是產品的基本，高性能表現才是勝出的關鍵
前面討論完各項缺陷、功能性檢測，現在來講講最重要的「性能測試」，性能測試是指對CIS晶片的功能進行測試，以檢查晶片是否能夠滿足設計要求。因此性能測試是CIS晶圓級測試的最重要的環節之一，保障了往後晶片的質量和性能是否能達到設計的預期目標。
測試的過程主要包括以下幾個步驟：
測試的方法主要包括以下幾種：
統一度量衡後，就是海水退去見真章的時候
在CIS晶圓製造過程，為了讓研發、製造、設計等人員間，可以明確溝通，且具體量化所研究或生產的CIS性能優劣，從2003年至今，長期專注於機器視覺領域的國際性組織：歐洲機器視覺協會 European Machine Vision Association(簡稱EMVA)，在影像感測器性能方面，致力於制定了一套標準化的參數，稱為EMVA1288標準。這個標準定義了評估影像感測器性能的幾個面向
根據這些評估面向，EMVA1288更進一步定義出各項參數，來具體量化影像感測器的性能，包括了以下參數標準：
| 性能指標參數 | 指標參數意義 | |
|---|---|---|
| 1 | 量子效率 (Quantum efficiency) | 量子效率（又稱QE）衡量像素在將事件光（光子）轉換成電荷（電子）時（以特定波長（nm）的效率如何，也是指 CIS 將光子轉換為電子的效率。 |
| 2 | 光譜響應 (Spectral Response) | 感光元件對不同波長光子的轉換效率曲線圖,表示感光元件對各波長光的響應敏感度 |
| 3 | 系統增益 (System Gain) | 影像系統對感光元件產生的電荷或電壓信號的放大倍數 |
| 4 | 靈敏度 (Sensitivity) | 絕對靈敏度閾值是指 CIS 開始產生可見圖像所需的最小光照強度。絕對靈敏度閾值越低，CIS 的靈敏度越高，可以捕獲的弱光圖像越好。 影像系統對特定波長和入射光強度產生影像信號的最小能力,單位是lux-秒 |
| 5 | 動態範圍 (Dynamic Range) | 影像系統在不產生飽和或低於噪訊的情況下,可有效辨識的入射光強度比值範圍，動態範圍越高，圖像可以表示的細節越多。 |
| 6 | 暗電流/噪聲 (Dark Current/Noise) | 在完全黑暗環境下,感光元件本身因溫度和結構產生的電流/雜訊。暗噪聲越低，CIS 的圖像質量越好。 |
| 7 | 信噪比 (SNR) | 感光元件產生的影像信號電荷與噪音電荷的比值,代表影像品質和識別能力，信噪比越高，圖像的質量越好。 |
| 8 | 飽和容量 (Saturation Capacity) | 感光元件在產生飽和輸出前可以接受的最大入射光強度 |
| 9 | 線性誤差 (Linearity Error, LE) | 實際輸出信號與理想線性輸出信號之間的偏差百分比 |
| 10 | 暗電流不均勻性 (DCNU) | 同一感光元件在不同位置的暗電流存在差異造成的非均勻性，暗信號的不均勻性越低，CIS 的圖像質量越好。 |
| 11 | 光響應不非均勻性 (PRNU) | 同一感光元件對同樣入射光的電流響應在不同位置存在差異造成的非均勻性，光子響應不均勻性越低，CIS 的圖像質量越好。 |
| 12 | 主光線入射角 (CRA) | 從鏡頭的傳感器一側，可以聚焦到像素上的光線的最大角度被定義為一個參數，稱為主光角(CRA) |
有了這些參數的評估和測試方法可以幫助設計、生產、顧客等可以具體量化與評估影像感測器的性能，也能做作為不同廠商間影像感測的性能比較基準。
經過20年的努力，EMVA1288標準已得到全球廣泛認可，並成為衡量影像感測器性能的一個重要標準。它為行業提供了一個共同的語言和標準，在市場競爭和選擇產品時有重要的參考價值。全球CIS領域知名企業、學術機構等Sony、Canon、Panasonic、Samsung、Infineon、Texas Instruments、Allied Vision Technologies GmbH、Enlitech、Basler AG、Cognex Corporation、Fraunhofer-Gesellschaft等都是EMVA會員，會員組成除了橫跨產官學界外，且囊括了整個CIS領域上中下游產業以及相關的設備生產企業。
自從有了EMVA所頒EMVA1288規範，對於影像感測器的設計、製造、檢測有了全球共識的標準與共通語言，尤其是2021年所頒布的EMVA1288 第四版，對許多CIS設計與製造商或代工廠而言的，簡直是檢測的聖經，在許多採購合約規範中，將相關參數量化數字訂定為驗收標準，因此如何有效率、且全面、完整的量測量測影像感測器EMVA1288中量子效率、暗電流、信噪比重要參數，就變成各廠商頭痛的難題。
各領域專家很多，但擁有跨領域整合能力的卻很少
早前，由於市場缺乏整合型設備，且各家量測基準、參數均有所不同，且沒有廠商販售整合型的量測儀器設備，頂多販售部分功能零組件，所以大都由需求廠商各自買回後，依其需求，自行搭建開發相關量測系統，雖然零件容易取，但組件過程需整合光學、光電學、機械、資訊等Knowhow門檻相當高，且團隊中須有數名不同領域的專業工程師跨領域合作開發，自行搭建的量測系統所耗費的人力與時間成本是難以估計想像，且所搭建之設備很有可能因各種光學、光電學、機械、資訊的技術原因，導致量測重複性低、精準度低、可靠度不佳，需長時間反覆校正改良，且難以確保量測結果是否正確，或是否經得起客戶挑戰，能否符合國際規範等，都是自行搭建量測設備的隱憂。
然而市面上也少有一家廠商能同時具備光學、光電學、機械機構、資訊工程等能力，且可以克服不同領域的技術門檻，並生產達到一定經濟效益規模，製造生產完正整合型商用量測設備，同時處理光、光電、機構、軟體等問題，因此大部分銷售零組件廠商仍據守自己的地盤，以銷售零組件為主，以至於量測需求日漸增大，量測設備的供給卻沒有跟上腳步，消費廠商難以找到完整解決方案。
你不會想要自己組設備量血壓，那你為甚麼想要自己搭建量測設備進行專業量測呢?
相較傳統CIS光學缺陷檢測，EnlitechSG系列的光學檢測方案可以:
a. 提供比傳統非波壞性光學檢測方法更全面的缺陷檢測資訊，
b. 幫助用戶更全面地了解CIS影像晶片的性能表現。
此方案可以測試像素之間的串擾、亮度均勻性、顏色一致性和像素傾斜度等問題，並提供參數與分析資訊給製造商，幫助他們在CIS影像晶片的設計和製造過程中研發優質的CIS影像晶片。
光焱科技(Enlitech)是EMVA歐洲機器視覺協會創始早期會員之一(https://www.emva.org/members/enli-technology-co-ltd/)，長期專注於晶圓級CIS檢測及光電轉換量測設備的設計與製造，光焱科技(Enlitech)是光電子轉換檢測領域的領先公司，也是是少數同時具備光學、光電學、機械機構、軟體設計、探針台整合等能力之量測設備製造廠，**在 CIS 和 CCM 上的無損和光學檢測技術方面投入了數十年，提供完整的測試解決方案，涵蓋CIS晶圓、CIS芯片、CIS芯片、CIS模組、CIS攝像頭等全產業鏈，**有鑑於CIS領域各企業，面臨利用自行搭建設備量測EMVA1288各種參數的難處與困境，近來整合各項光電、機構、軟體設計等相關技術，推出了SG系列全球首款針對量測EMVA1288標準參數用的商用整合型測試儀。
光焱科技(Enlitech)SG-O、SG-A可量測參數。
該系列包含SG-O、SG-A、SPD2200三種型號，在此系列中以SG-O設備，可整合探針台於晶圓階段進行檢測而備受各晶圓大廠關注最為熱門，已有前三大手機製造商下訂；另外特別針對量測SPAD性能所設計的SPD2200，也於2022年受到台灣經濟日報大篇幅報導，並受到國際知名前五大晶圓代工廠青睞。
光焱科技(Enlitech)的SG-O商用整合型測試解決方案，除可以整合性量測EMVA1288對於CIS成像品質評估所關注的各項量測標準參數外，還可以結合探針台直接於Wafer Level階段進行數據量測，並於原本之產業或實驗室中進行布建，其中「可編譯自動探測器」使其高度彈性可整合硬體控制面板、驅動自動晶圓裝載機，可進行智慧晶圓映射功能，具有晶圓或晶片量測能力，用於最準確可靠的DC/CV、RF測量。
為了因應不同量測環境，光焱科技(Enlitech)的SG-O商用整合型測試解決方案採模組化卡盤，先進的CDA熱控制技術，使其擁有高斜坡率與高溫穩定性，可在-60°C 至 200°C 的超廣溫度範圍下運作，且超低噪聲，相當適合用於精確CIS/ALS/光感測器的晶圓級測試。
SG-O的量測設備光源具有UV到SWIR超廣域光譜範圍(400~1700nm)，在50mm*50mm光源大小下，光源均勻性超過98%，穩定性>98%可長達10小時以上，整體光強動態範圍高達140dB，適合各種感測器嚴苛測試條件。
在我們探索半導體技術的深度和廣度中，CIS晶圓級測試的重要性不言而喻。從光學檢測、電性測試、功能測試到環境測試，每一種測試方法都對於確保晶圓的品質和性能扮演著關鍵的角色。這些測試方法不僅能夠幫助我們確定晶圓的物理和電學性能，但僅僅如此還遠遠不夠，在追求更精進強大效能的今日，評估產品在各種環境條件下的性能表現，將會是產品殺出紅海邁向藍海的關鍵。
而EMVA1288是一種國際標準，用來測量和比較數位圖像感測器和相機的性能。它包含了對感測器的光學性能、雜訊、動態範圍、色彩、空間頻率反應等一系列的測試標準。
若能在晶圓階段就引入EMVA1288等標準的測試，可帶來以下幾個好處：
雖然引入這種在晶圓階段就進行EMVA1288測試的策略會增加初期的檢測成本，但是從長期來看，這樣的投資是非常值得的。早期發現問題可以大大降低研發風險和產品推向市場的時間，並能增加客戶對產品的信心。因此這種策略投資可帶來巨額好處並大幅提升競爭優勢。
在這個概念下，光焱科技(Enlitech)的SG系列量測設備展現了其高度的整合性能秉持著「讓你將精力用在打造產品上，量測的事情交給光焱來。」這樣的設計理念，打造出SG-O、SG-A、SPD2200這三套市面上專屬EMVA1288量測專用設備。這三款設備不僅能夠進行全面的晶圓級測試，還能夠量測EMVA1288所制定的評估參數，提供了一個全面、準確和可靠的解決方案。此外設計和製造也充分考慮到了使用者的需求和便利，使得它們能夠快速地部署到既有的產線或研究室，並且能夠提供穩定、高效和準確的測試結果，選擇採用整合型的高精度量測設備，讓你從自行搭設量測設備的夢饜中解脫，研發彎道超車。
