淺析晶元測(cè)試中高溫對(duì)測(cè)試探針卡機(jī)械性能的影響及處理

摘 要：隨著半導(dǎo)體測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，高溫晶元測(cè)試已經(jīng)逐漸成為主流，并且測(cè)試溫度逐年升高。在不斷改良硬件設(shè)施的性能外，如何通過持續(xù)改進(jìn)工藝制程和參數(shù)來更好的保證高溫晶元測(cè)試的穩(wěn)定性和安全性尤為重要。本來通過對(duì)高溫情況下晶元探針測(cè)試的常規(guī)表現(xiàn)及影響的分析，提出相應(yīng)的解決辦法。

關(guān)鍵詞：熱膨脹；接觸深度；初始設(shè)計(jì)；工藝控制；預(yù)烤針；動(dòng)態(tài)烤針

1 引言

晶元測(cè)試作為芯片制造過程中的一步測(cè)試環(huán)節(jié)，發(fā)生在芯片切割封裝之前。這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的目的在于可以在封裝工序之前將次品篩除，以節(jié)約可能發(fā)生的封裝工序原材料成本、生產(chǎn)成本以及最終測(cè)試工序的測(cè)試成本。探針卡作為晶元測(cè)試中必不可少的硬件，起到了至關(guān)重要的作用。

伴隨科技的進(jìn)步，客戶需求對(duì)晶元測(cè)試提出了更高的要求。尤其是汽車電子相關(guān)的芯片，由于需要工作在高低溫復(fù)雜的環(huán)境溫度中，相關(guān)的溫度測(cè)試尤其重要。近年來，業(yè)內(nèi)高低溫測(cè)試逐漸由封裝后成品測(cè)試向晶元測(cè)試轉(zhuǎn)移，使得晶元測(cè)試工藝面臨更大的挑戰(zhàn)。本文簡(jiǎn)要介紹高溫對(duì)測(cè)試探針卡機(jī)械性能方面的影響以及應(yīng)對(duì)措施。

2 晶元及探針卡受測(cè)試溫度影響分析

在晶元測(cè)試過程中探針卡的探針需要與晶元芯片表面PAD良好接觸以建立起測(cè)試機(jī)到芯片的電流通路。接觸的深度需要被控制在微米級(jí)，按照晶元層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，通常在0.5微米到1.5微米之間較適宜。過淺會(huì)造成接觸不良導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定，過深則會(huì)有潛在的破壞底層電路的風(fēng)險(xiǎn)。而最直接影響接觸深度的物理量就是OD（Over-Drive）。與室溫測(cè)試相比，由于整套測(cè)試硬件在高溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生熱膨脹，且在測(cè)試過程中會(huì)表現(xiàn)出與熱源距離相關(guān)的持續(xù)波動(dòng)性，要保證高溫測(cè)試的穩(wěn)定安全，需要一套特殊的工藝流程來維持OD的相對(duì)穩(wěn)定性。

以圖1為例，這是某類探針卡在高溫135°C環(huán)境中探針卡針尖Z向位置的波動(dòng)模擬圖。這一Z向位置在測(cè)試過程中對(duì)應(yīng)OD的零點(diǎn)，因此圖中所示的波動(dòng)值會(huì)直接影響加到芯片PAD表面的作用力，從而影響測(cè)試穩(wěn)定性和安全性。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，從常溫過渡到穩(wěn)定高溫環(huán)境的過程中，探針卡針尖Z向位置發(fā)生了超過100um的下降。如果在測(cè)試過程中忽略了這一變化，僅按常溫工藝參數(shù)控制，相當(dāng)于OD被無形中加大了100um以上，而通常的OD也僅在100um以內(nèi)，這對(duì)芯片的影響將是致命的，很大可能直接導(dǎo)致芯片底層電路被破壞；對(duì)測(cè)試卡而言影響也是巨大的，大部分探針會(huì)因無法承受如此大的壓力而導(dǎo)致報(bào)廢。

同理，高溫環(huán)境不僅僅影響探針針尖的Z向位置，也會(huì)對(duì)X向、Y向有一定影響，導(dǎo)致針尖無法扎到晶元PAD指定位置。而一旦針痕扎到PAD以外的其他位置，會(huì)導(dǎo)致晶元表面受損，破壞電路或者引起潛在的質(zhì)量問題，這種缺陷是不可接受的，如圖二示例。

3 如何控制高溫對(duì)晶元測(cè)試的影響

為了應(yīng)對(duì)高溫測(cè)試的需求，高溫下探針卡的機(jī)械性能成為晶元測(cè)試必須考慮的重要內(nèi)容。

首先，在探針卡的初始設(shè)計(jì)過程中必須考慮后期需要工作的溫度范圍。從PCB以及各種配件的材質(zhì)選擇、元器件的耐溫性能、探針位置的預(yù)偏移量分析設(shè)計(jì)等多方面入手，盡量從源頭降低高溫對(duì)探針卡的形變影響。

高溫生產(chǎn)過程中的工藝控制也是減小測(cè)試影響的最重要的環(huán)節(jié)。一般通過預(yù)烤針和動(dòng)態(tài)烤針、對(duì)針兩方面的操作來降低高溫對(duì)測(cè)試的影響。

所謂預(yù)烤針，顧名思義，是在測(cè)試開始前對(duì)整套測(cè)試硬件進(jìn)行預(yù)熱，使探針卡各部分形變達(dá)到所測(cè)溫度下的穩(wěn)定狀態(tài)。預(yù)烤針的時(shí)間需要根據(jù)實(shí)際設(shè)備及探針卡來設(shè)定，一般需經(jīng)過試驗(yàn)收集數(shù)據(jù)后定義。預(yù)熱過程一般需要把熱源放于探針卡的正下方，以使整個(gè)探針卡受熱均勻。

動(dòng)態(tài)烤針、對(duì)針則是針對(duì)晶元測(cè)試過程異常中斷的處理方法。例如測(cè)試過程中需要檢查針痕位置，或因良品率不好暫停測(cè)試同時(shí)出現(xiàn)報(bào)警需要人為干預(yù)，這些動(dòng)作都會(huì)導(dǎo)致探針附近溫度波動(dòng)而影響形變。長(zhǎng)時(shí)間中斷后自動(dòng)觸發(fā)重新烤針，并在烤針結(jié)束后自動(dòng)對(duì)針可以基本恢復(fù)探針位置的穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)針的目的是將探針卡針尖所在位置與晶元PAD位置做X，Y，Z方向精確對(duì)位。結(jié)合圖1所示探針卡針尖位置隨溫度波動(dòng)曲線分析，按時(shí)間段分段設(shè)置多次對(duì)針，可以將形變量誤差控制在較小范圍內(nèi)，有利于保證晶元表層及底層電路的安全，但同時(shí)也會(huì)耗費(fèi)更多的時(shí)間。在保證質(zhì)量安全的前提下縮短測(cè)試時(shí)間是晶元測(cè)試工藝工程師需要考慮的重要內(nèi)容。因此，針對(duì)不同產(chǎn)品根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況調(diào)整預(yù)烤針、動(dòng)態(tài)烤針及對(duì)針的時(shí)間間隔和執(zhí)行時(shí)間是很有必要的，最好通過DOE找到最經(jīng)濟(jì)安全的參數(shù)設(shè)置。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，晶元測(cè)試對(duì)溫度的要求也越來越高，已經(jīng)從起初的100℃以內(nèi)逐漸過渡到125℃～150℃，甚者更高175℃～200℃的需求。作為晶元測(cè)試的重要條件，要求工藝工程師必須不斷與時(shí)俱進(jìn)地思考、完善測(cè)試中的各種方法及參數(shù)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量安全以及降低測(cè)試成本方面做出持續(xù)改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]Cheng-Lung Wang，Shan-Ming Lan.An Investigation in Temperature Effects with an improved Approach of Wafer Probing Test. Journal of Advanced Engineering Vol. 7， No. 3， pp. 109-114/ July 2012

[2]Seong-Hun Choe ； S. Fujimoto ； S. Tanaka ； M. Esashi The 13th International Conference on Solid-State Sensors， Actuators and Microsystems， 2005. Digest of Technical Papers. TRANSDUCERS ‘05. Year： 2005 ， Volume： 2 Pages： 1259 - 1262 Vol. 2

作者簡(jiǎn)介

聞曉靜（1982-），女，天津市，中級(jí)工程師，本科，研究方向：半導(dǎo)體測(cè)試。