淺析晶元測試中高溫對測試探針卡機械性能的影響及處理

摘 要：隨著半導體測試技術的不斷發展，高溫晶元測試已經逐漸成為主流，并且測試溫度逐年升高。在不斷改良硬件設施的性能外，如何通過持續改進工藝制程和參數來更好的保證高溫晶元測試的穩定性和安全性尤為重要。本來通過對高溫情況下晶元探針測試的常規表現及影響的分析，提出相應的解決辦法。

關鍵詞：熱膨脹；接觸深度；初始設計；工藝控制；預烤針；動態烤針

1 引言

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

伴隨科技的進步，客戶需求對晶元測試提出了更高的要求。尤其是汽車電子相關的芯片，由于需要工作在高低溫復雜的環境溫度中，相關的溫度測試尤其重要。近年來，業內高低溫測試逐漸由封裝后成品測試向晶元測試轉移，使得晶元測試工藝面臨更大的挑戰。本文簡要介紹高溫對測試探針卡機械性能方面的影響以及應對措施。

2 晶元及探針卡受測試溫度影響分析

在晶元測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試機到芯片的電流通路。接觸的深度需要被控制在微米級，按照晶元層結構設計不同，通常在0.5微米到1.5微米之間較適宜。過淺會造成接觸不良導致測試結果不穩定，過深則會有潛在的破壞底層電路的風險。而最直接影響接觸深度的物理量就是OD（Over-Drive）。與室溫測試相比，由于整套測試硬件在高溫環境下會發生熱膨脹，且在測試過程中會表現出與熱源距離相關的持續波動性，要保證高溫測試的穩定安全，需要一套特殊的工藝流程來維持OD的相對穩定性。

以圖1為例，這是某類探針卡在高溫135°C環境中探針卡針尖Z向位置的波動模擬圖。這一Z向位置在測試過程中對應OD的零點，因此圖中所示的波動值會直接影響加到芯片PAD表面的作用力，從而影響測試穩定性和安全性。通過實驗數據可以看出，從常溫過渡到穩定高溫環境的過程中，探針卡針尖Z向位置發生了超過100um的下降。如果在測試過程中忽略了這一變化，僅按常溫工藝參數控制，相當于OD被無形中加大了100um以上，而通常的OD也僅在100um以內，這對芯片的影響將是致命的，很大可能直接導致芯片底層電路被破壞；對測試卡而言影響也是巨大的，大部分探針會因無法承受如此大的壓力而導致報廢。

同理，高溫環境不僅僅影響探針針尖的Z向位置，也會對X向、Y向有一定影響，導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，會導致晶元表面受損，破壞電路或者引起潛在的質量問題，這種缺陷是不可接受的，如圖二示例。

3 如何控制高溫對晶元測試的影響

為了應對高溫測試的需求，高溫下探針卡的機械性能成為晶元測試必須考慮的重要內容。

首先，在探針卡的初始設計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選擇、元器件的耐溫性能、探針位置的預偏移量分析設計等多方面入手，盡量從源頭降低高溫對探針卡的形變影響。

高溫生產過程中的工藝控制也是減小測試影響的最重要的環節。一般通過預烤針和動態烤針、對針兩方面的操作來降低高溫對測試的影響。

所謂預烤針，顧名思義，是在測試開始前對整套測試硬件進行預熱，使探針卡各部分形變達到所測溫度下的穩定狀態。預烤針的時間需要根據實際設備及探針卡來設定，一般需經過試驗收集數據后定義。預熱過程一般需要把熱源放于探針卡的正下方，以使整個探針卡受熱均勻。

動態烤針、對針則是針對晶元測試過程異常中斷的處理方法。例如測試過程中需要檢查針痕位置，或因良品率不好暫停測試同時出現報警需要人為干預，這些動作都會導致探針附近溫度波動而影響形變。長時間中斷后自動觸發重新烤針，并在烤針結束后自動對針可以基本恢復探針位置的穩定狀態。對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方向精確對位。結合圖1所示探針卡針尖位置隨溫度波動曲線分析，按時間段分段設置多次對針，可以將形變量誤差控制在較小范圍內，有利于保證晶元表層及底層電路的安全，但同時也會耗費更多的時間。在保證質量安全的前提下縮短測試時間是晶元測試工藝工程師需要考慮的重要內容。因此，針對不同產品根據實際測試情況調整預烤針、動態烤針及對針的時間間隔和執行時間是很有必要的，最好通過DOE找到最經濟安全的參數設置。

隨著科學技術的不斷進步，晶元測試對溫度的要求也越來越高，已經從起初的100℃以內逐漸過渡到125℃～150℃，甚者更高175℃～200℃的需求。作為晶元測試的重要條件，要求工藝工程師必須不斷與時俱進地思考、完善測試中的各種方法及參數，在保證產品質量安全以及降低測試成本方面做出持續改進。

參考文獻

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作者簡介

聞曉靜（1982-），女，天津市，中級工程師，本科，研究方向：半導體測試。