Un prober est l'instrument qui met des pointes de test en contact précis et répétable avec les composants d'un wafer, afin de les mesurer avant la découpe et la mise en boîtier. Il existe des probers manuels, semi-automatiques et automatiques, car un laboratoire universitaire qui explore un nouveau composant et un laboratoire industriel qui teste des lots complets de wafers n'ont pas les mêmes besoins. Ce guide explique ce que fait un prober, comment il fonctionne et ce qui distingue les trois niveaux d'automatisation. Il vous aidera à choisir le type à acheter ou à louer pour votre laboratoire, votre ligne pilote ou votre centre de test industriel.
À quoi sert un prober
Un prober est un système qui maintient et positionne un wafer ou un échantillon, puis met ses plots en contact avec des pointes reliées à un instrument de mesure ou à un testeur.
Son rôle recouvre plusieurs fonctions. Il manipule le wafer, l'aligne précisément et positionne les pointes sur les plots de mesure. Sur un prober automatique, il se déplace aussi de puce en puce sur l'ensemble du wafer, en suivant une wafer map paramétrée. De nombreux probers contrôlent également la température de l'échantillon grâce à un chuck thermique.
Avant tout, le prober garantit un positionnement précis et répétable des pointes sur les plots. C'est ce qui rend les mesures répétables : si la position de contact varie, la mesure peut varier elle aussi. Le prober est donc un maillon essentiel de la chaîne de mesure, même s'il ne réalise pas la mesure lui-même. Cette tâche revient à l'instrument ou au testeur connecté aux pointes.
Tester au niveau du wafer permet de détecter les défauts avant la mise en boîtier, au moment où une puce défectueuse coûte le moins cher. Cela donne aussi aux ingénieurs un accès direct à des composants et à des structures de test qui ne sont plus accessibles une fois la puce encapsulée. Pour aller plus loin, consultez notre article sur les méthodes de test des semi-conducteurs.
Comment fonctionne un prober
Les principaux composants d'un prober
Un prober associe plusieurs sous-systèmes :
- Chuck : maintient le wafer ou l'échantillon à plat et de manière stable, généralement par aspiration. Il peut être coaxial, triaxial pour les mesures de faibles courants, RF avec chucks auxiliaires pour la calibration, et/ou thermique.
- Platines XY et Z : déplacent le chuck pour amener chaque puce sous les pointes et la monter en contact.
- Micro-positionneurs ou porte-carte à pointes : portent des pointes individuelles ou une carte à pointes et les positionnent au-dessus des plots. Certaines plateformes combinent les deux pour des tests simultanés.
- Microscope ou caméra : permet à l'opérateur ou au logiciel de voir les pointes et les plots.
- Système d'alignement : aligne le wafer sur les axes de la platine pour que le déplacement de puce en puce reste précis.
- Interface avec l'instrument : relie les pointes à l'instrument de mesure ou au testeur par des liaisons DC, RF ou optiques, parfois avec une étagère à instruments pour raccourcir les câbles.
Au quotidien, certaines caractéristiques font réellement la différence. La précision de positionnement et la stabilité mécanique assurent des mesures répétables et empêchent les vibrations de perturber les signaux sensibles, c'est pourquoi des tables ou des socles anti-vibrations sont souvent intégrés. Un microscope stable et une caméra haute résolution rendent la visualisation confortable et permettent un zoom numérique pratique. L'ergonomie du logiciel et la robustesse de la mécanique de précision comptent pour une utilisation sur le long terme. Sur les probers manuels, une manette de contact/séparation avec assistance mécanique rend le contact reproductible et limite l'usure des pointes, tandis que le probe hover control offre une vue nette des pointes et des plots pour ajuster finement le positionnement.
La séquence de test sous pointes
Sur un prober manuel, l'opérateur réalise chaque étape :
- Charger l'échantillon
- Faire la mise au point de la caméra sur l'échantillon
- Aligner le wafer
- Mettre la manette en position contact
- Descendre les pointes sur les plots
- Lancer la mesure
- Relever la manette en position séparation
- Passer à la puce suivante
Sur un prober automatique, le premier wafer d'un projet est paramétré une seule fois :
- Charger le wafer
- Monter le chuck en position de travail, pointes relevées (manuel)
- Définir la hauteur de contact du chuck
- Faire le préfocus de la caméra (manuel), puis lancer l'autofocus (automatique)
- Aligner le wafer à l'aide des motifs d'alignement (automatique)
- Poser les pointes sur les plots d'une puce de référence et définir la position de référence (home position)
- Avec une carte à pointes, ce contact entre plots et pointes peut être automatique grâce à la fonction PTPA (Probe To Pad Alignment).
- Ajuster la wafer map (manuel)
- Enregistrer le projet et lancer les tests (automatique)
Pour les wafers suivants du même projet enregistré, le prober peut réaliser toutes les étapes automatiquement. Les probers semi-automatiques se situent entre ces deux séquences, comme décrit plus bas.
Prober ou station de test sous pointes
Les deux termes sont utilisés, souvent de manière interchangeable. En pratique, « station de test sous pointes » désigne le plus souvent un système manuel de laboratoire, tandis que « prober » ou « testeuse sous pointes » décrit plutôt un système motorisé ou automatisé qui traite des wafers entiers. La frontière est floue, et des fabricants comme MPI appellent toute leur série TS des « test stations », du manuel à l'entièrement automatisé.
En anglais, on parle de « probe station » et de « wafer prober ». Le terme « station 4 pointes » (4-point probe station) désigne un cas particulier : des systèmes dédiés aux mesures DC 4 pointes, comme la résistivité. Les stations manuelles compactes comme la MPI TS150 sont une plateforme typique pour cet usage.
Quel que soit le nom, la vraie question est le niveau d'automatisation dont vous avez besoin, qui détermine la bonne famille de produits. Découvrez nos probers manuels, semi-automatiques et automatiques.
Les trois types de probers
Les probers se distinguent avant tout par leur niveau d'automatisation. Ce seul facteur détermine le débit, la répétabilité, l'implication de l'opérateur et le coût. Microtest distribue toute la gamme de probers MPI AST (Advanced Semiconductor Test) sur les trois niveaux.
Probers manuels
Sur un prober manuel, l'opérateur positionne l'échantillon et les pointes à la main et teste une puce à la fois, en observant au microscope ou à la caméra.
Les probers manuels servent à la caractérisation, à la R&D, au développement de procédés, au prototypage, à l'analyse de défaillance, aux tests de longue durée, aux échantillons non standards et aux petits volumes.
Leurs avantages sont un coût plus faible, une flexibilité maximale et l'accès à presque tout type d'échantillon, du wafer entier à la puce isolée ou au substrat atypique. Leurs limites sont un débit plus faible, une répétabilité de positionnement qui dépend en partie de l'opérateur et la nécessité d'une présence au poste pendant toute la durée du test. Une mécanique bien conçue, comme une manette de contact assistée, réduit nettement cette dépendance.
La gamme MPI illustre cette diversité. La TS150 est une station compacte de 470 x 590 mm d'encombrement, conçue pour l'ingénierie des circuits intégrés, le test de puces isolées et l'usage académique, pour des puces et des wafers jusqu'à 50 mm. D'autres plateformes manuelles ciblent des applications spécifiques : haute puissance (HP), environnement blindé à faible bruit (SE), tests à température négative sans givre (IFE), térahertz (AIT THz) et photonique sur silicium.
L'utilisateur type est un laboratoire de recherche ou une équipe d'ingénierie qui étudie en profondeur quelques composants. Découvrez nos probers manuels.
Probers semi-automatiques
Un prober semi-automatique motorise le déplacement d'une puce à l'autre et assiste l'alignement, tandis que le wafer est toujours chargé manuellement. Une fois paramétré, il peut tester un wafer complet sans que l'opérateur ait à déplacer chaque puce.
Ce niveau convient aux laboratoires de R&D industrielle qui ont besoin de tester des wafers complets, notamment aux équipes à l'interface entre la conception produit, la R&D et l'industrialisation. Il convient aussi aux industriels qui réalisent des tests sur de petites séries en dehors du flux de production, ou des tests que les équipements de production ne peuvent pas effectuer. Les start-up le choisissent pour tester aujourd'hui tout en préparant la montée en cadence de demain.
La série MPI TS2000 en est un bon exemple. Elle accepte des wafers de 100, 150 et 200 mm, des fragments de wafers et des puces jusqu'à 5 x 5 mm, grâce à une large porte frontale qui facilite le chargement. Elle couvre les mesures DC-IV, DC-CV et IV pulsées, la RF jusqu'à 67 GHz en configuration 4 ports et les tests haute puissance jusqu'à 10 kV / 600 A, de l'ambiante à 300 °C. Son grand plateau accepte jusqu'à 12 micro-positionneurs DC, ou des micro-positionneurs et une carte à pointes simultanément.
C'est souvent le bon compromis : il allie flexibilité et productivité, et de nombreuses plateformes peuvent évoluer vers l'automatisation complète à mesure que les volumes augmentent. Découvrez nos probers semi-automatiques.
Probers automatiques
Un prober automatique charge les wafers automatiquement, les aligne et les teste en continu sans opérateur. Il peut traiter un lot complet la nuit et le week-end.
Les probers automatiques que nous proposons ne sont pas des machines de production standard grands volumes dédiées à une seule mesure. Ce sont des systèmes flexibles conçus pour la R&D, les laboratoires industriels et la production qui ont besoin de tester des lots de wafers tout en réalisant de nombreux types de mesures différents ou des procédés spécifiques. Leur principal atout est la disponibilité de l'équipement : les tests sans opérateur transforment les nuits et les week-ends en temps productif.
Les MPI TS2500 (200 mm), TS2000-IFE et TS3500 (300 mm) suivent cette approche. Avec le WaferWallet®, la TS3500 charge jusqu'à cinq wafers de 150, 200 ou 300 mm et les teste automatiquement, y compris à des températures différentes. Les wafers peuvent être échangés pendant que le chuck reste à la température de test, ce qui fait gagner un temps considérable. Le WaferWallet® MAX augmente la productivité dans les environnements de pré-production, avec une efficacité de la cellule de test jusqu'à dix fois supérieure selon MPI. Ces systèmes peuvent aussi démarrer avec un chuck ambiant ou chaud uniquement et être mis à niveau sur site par la suite. Pour la photonique sur silicium, MPI propose également des probers automatiques photoniques conçus pour les environnements de production, avec le WaferWallet® ULTRA.
Découvrez nos probers automatiques.
Tableau comparatif
| Manuel | Semi-automatique | Automatique | |
|---|---|---|---|
| Débit | Faible, une puce à la fois | Moyen, wafers complets | Élevé, lots de wafers sans opérateur |
| Répétabilité | Bonne, dépendante de l'opérateur | Très bonne | Excellente |
| Chargement du wafer | Manuel | Manuel | Automatique, depuis WaferWallet® ou cassette |
| Utilisateur type | Laboratoire de recherche, équipe d'analyse de défaillance | R&D industrielle, start-up, ligne pilote | Laboratoire R&D ou industriel testant des lots de wafers |
| Fourchette de prix indicative | D'environ 10 k€ à 150 k€ | D'environ 100 k€ à 500 k€ | À partir d'environ 200 k€ |
| Cas d'usage type | Prototypage, caractérisation, tests longs | Caractérisation de wafers complets, petites séries | Test de lots, campagnes de nuit et de week-end |
Les fourchettes de prix sont indicatives et dépendent fortement de la configuration (taille de wafer, température, options RF ou optiques).
Cartes à pointes et accessoires
Une carte à pointes porte de nombreuses aiguilles disposées selon un motif fixe qui correspond à la disposition des plots d'une puce. Elle contacte tous les plots en une seule descente, ce qui la rend idéale pour des mesures répétées sur un même design, en particulier sur les probers semi-automatiques et automatiques. Microtest distribue les cartes à pointes Celadon, reconnues pour leur tenue aux températures extrêmes et à des millions de contacts, pour le test paramétrique, la caractérisation de composants et la fiabilité au niveau du wafer.
Les pointes individuelles sur micro-positionneurs sont placées une à une. Elles offrent plus de flexibilité lorsque la disposition des plots change souvent, lorsque seuls quelques plots doivent être contactés, ou lorsque des pointes spécifiques sont nécessaires, comme des pointes RF ou des fibres optiques.
En règle générale, utilisez des pointes individuelles pour les travaux exploratoires et les composants variés, et des cartes à pointes lorsque le design est stable et que le nombre de puces à tester augmente. De nombreuses plateformes MPI acceptent les deux simultanément.
Une configuration de test sous pointes complète s'appuie aussi sur des accessoires : micro-positionneurs DC, RF et mmW, chucks thermiques, pointes et porte-pointes, substrats de calibration, optiques et microscopes, boîtes noires et blindage CEM, socles anti-vibrations, étagères à instruments, compresseurs et pompes à vide. Microtest fournit toute la gamme d'accessoires de test sous pointes. Consultez nos pages cartes à pointes et accessoires de test.
Le test sous pointes en température
De nombreux composants doivent être caractérisés sur une plage de température. En test sous pointes, on utilise pour cela un chuck thermique doté de sa propre régulation et de son propre système de refroidissement, qui chauffe ou refroidit directement le wafer. Un conditionneur de température, qui souffle de l'air chaud ou froid sur un composant, n'est généralement pas adapté au test sous pointes, sauf cas particuliers.
Le test sous pointes en température permet de tester entre -60 °C et +300 °C. Les laboratoires industriels travaillent le plus souvent entre -40 °C et +125 °C.
La température impose ses propres contraintes. En dessous du point de rosée, il faut empêcher le givre et la condensation. L'IceFreeEnvironment™ de MPI répond à cet enjeu et permet de tester de -60 °C à +300 °C avec micro-positionneurs et cartes à pointes simultanément. La dilatation thermique provoque une dérive de la position des pointes, ce qui nécessite un temps de stabilisation et parfois un réalignement. La qualité du contact peut aussi évoluer avec la température.
Découvrez nos solutions de test en température et nos services de calibration.
Comment choisir un prober
Six questions à se poser avant de choisir
1. Quel volume et quelle fréquence de test ? Quelques puces par semaine et plusieurs lots de wafers par semaine appellent des systèmes très différents. Le volume est le premier critère qui détermine le niveau d'automatisation.
2. Quelle taille de wafer et quel type d'échantillon ? Wafers entiers, fragments, puces isolées ou substrats non standards nécessitent chacun des chucks et des supports adaptés. Vérifiez la taille de wafer maximale, de 50 mm à 300 mm selon la plateforme, et la possibilité de manipuler des échantillons petits ou fragiles.
3. Devez-vous tester en température ? Si oui, définissez la plage dès le départ. Le chuck thermique, l'environnement sans givre et la gestion de la condensation doivent faire partie de la configuration initiale.
4. Quel type de mesure, et avec quelle précision de positionnement ? Les mesures DC, RF et mmW, haute puissance, faible bruit ou optiques nécessitent chacune des pointes, des chucks, un blindage et des interfaces spécifiques. La précision de positionnement requise dépend de la taille des plots et de la sensibilité de la mesure.
5. Quel est votre budget, et comment vos besoins vont-ils évoluer ? Prenez en compte non seulement le prix d'achat, mais aussi les possibilités d'évolution, comme un système qui démarre avec un chuck ambiant et reçoit plus tard des options thermiques ou d'automatisation.
6. Comment votre équipe va-t-elle l'utiliser et l'entretenir ? L'ergonomie compte pour la productivité quotidienne et le confort des opérateurs. La formation, la maintenance et le support local déterminent la rapidité avec laquelle le prober devient productif et la durée pendant laquelle il le reste.
Configurations types par cas d'usage
- Un industriel équipé de moyens de test automatiques achète un prober manuel pour caractériser quelques puces lorsque des anomalies sont détectées pendant les tests. Les ingénieurs peuvent investiguer en profondeur sans perturber les flux de test automatisés.
- Un laboratoire universitaire réalise des tests très spécifiques pour des partenaires industriels. Avec peu de puces à tester, il choisit un prober manuel et consacre son budget à des fonctionnalités spécifiques qui préservent la flexibilité du système.
- Une start-up en photonique qui teste sur wafer achète un prober semi-automatique évolutif vers l'automatique. Elle adapte son budget à ses besoins actuels tout en se préparant à une hausse des cadences.
- Un laboratoire industriel caractérise des wafers pour un client interne en production, avec des mesures RF et mmW haute fréquence que les équipements de production ne peuvent pas réaliser. Il achète un prober automatique pour tester les lots de wafers transmis par la production.
Neuf, reconditionné ou location
L'achat neuf est la voie classique pour un besoin à long terme, car il donne accès aux dernières configurations et options d'évolution. La location est disponible pour les probers manuels 150 mm et convient aux projets courts, aux pics d'activité temporaires ou à une période d'évaluation avant d'investir. Pendant la location, l'équipe technique de Microtest reste disponible pour vous accompagner. Microtest revend du matériel reconditionné pour une partie de sa gamme, mais ne propose pas actuellement de probers reconditionnés.
Au-delà de l'équipement, Microtest vous accompagne du premier contact à la mise en service. Depuis 1994, ses ingénieurs technico-commerciaux travaillent en étroite collaboration avec des fabricants comme MPI pour aider leurs clients à rédiger leur cahier des charges et à trouver le meilleur équilibre entre performance et prix. Suivent l'installation, une formation sur site adaptée à votre équipe, la maintenance préventive et corrective et le service après-vente.
Pour définir le prober adapté à vos composants, à vos volumes et à votre budget, échangez avec notre équipe technique.
Questions fréquentes sur les probers
Qu'est-ce qu'un prober en test de semi-conducteurs ?
Un prober est un système qui maintient et positionne un wafer ou un échantillon, puis met des pointes en contact avec ses plots. Les pointes sont reliées à un instrument de mesure ou à un testeur, qui réalise la mesure proprement dite. Le prober assure un positionnement précis et répétable, indispensable pour obtenir des résultats répétables.
Que fait un prober ?
Un prober charge et aligne un wafer, positionne les pointes sur les plots de chaque puce et, sur les systèmes motorisés, se déplace de puce en puce en suivant une wafer map. Il peut aussi contrôler la température du wafer grâce à un chuck thermique. Les probers automatiques peuvent tester plusieurs wafers sans opérateur.
Quelle est la différence entre un prober et une station de test sous pointes ?
Les termes se recoupent. « Station de test sous pointes » désigne généralement un système manuel de laboratoire, tandis que « prober » décrit souvent un système motorisé ou automatisé traitant des wafers entiers. La vraie distinction tient au niveau d'automatisation : manuel, semi-automatique ou automatique.
À quoi sert une carte à pointes ?
Une carte à pointes porte de nombreuses aiguilles disposées selon la disposition des plots d'une puce. Elle contacte tous les plots en une seule descente, ce qui accélère les mesures répétées sur un même design. Elle est surtout utilisée sur les probers semi-automatiques et automatiques, tandis que les pointes individuelles conviennent aux dispositions de plots changeantes.
Quelles tailles de wafer un prober peut-il accepter ?
Cela dépend du modèle. Les stations manuelles compactes comme la MPI TS150 acceptent des puces et des wafers jusqu'à 50 mm. La série TS2000 accepte des wafers de 100, 150 et 200 mm, des fragments et des puces jusqu'à 5 x 5 mm. Des plateformes comme la TS3500 acceptent des wafers jusqu'à 300 mm.
Un prober peut-il tester à haute et basse température ?
Oui, avec un chuck thermique doté de sa propre régulation et de son propre refroidissement. Les tests sont possibles de -60 °C à +300 °C, et les laboratoires industriels travaillent généralement de -40 °C à +125 °C. Les tests à basse température nécessitent un environnement sans givre, et la dérive thermique doit être maîtrisée pour garantir un contact stable.
Quelle est la différence entre test et inspection de wafer ?
Le test de wafer mesure la réponse des composants à des stimuli électriques, RF ou optiques, à l'aide d'un prober et d'un instrument. L'inspection de wafer est visuelle : elle contrôle les motifs, la géométrie et les défauts physiques à la surface du wafer, par exemple avec des systèmes AOI. L'inspection détecte les défauts visibles, tandis que le test confirme que les composants fonctionnent réellement.