并行测试探针卡的移动规则选择

尹丽莉

摘 要：全球已经迈入信息化、智能化时代，半导体集成技术也开始扮演着越来越重要的角色，集成电路的飞速发展必然会带动集成电路测试技术的不断更新，从而提高IC的生产效益， 控制产品品质， 其中半导体晶圆测试对IC成本控制也起着重要作用，通过晶圆测试可以将此品尽早的筛查出来，避免次品被封装而造成成本上的浪费。

本文主要介绍了探针卡及其重要特性参数，针对探针卡在不同移动规则中对芯片及针卡寿命的影响进行了实验研究，对并行测试中探针卡的移动规则的选择给出了一定的指导意义

关键字：探针卡；并行测试探针卡的移动规则；晶圆；芯片；探针卡寿命

1 探针卡及其特性此参数介绍

探针卡是连接探针机和芯片的一个测试接口，它是测试过程中非常重要而且精密工具，通过卡上的探针与芯片的焊垫直接接触， 通过探针机进行测试， 从而筛选出芯片的不良品，降低封装的成本。

按照探针排列方式可将探针卡分为悬臂式、垂直式。随着半导体芯片体积的越来越小，焊垫面积的越来越小，管脚数量的越来越多，时间成本的越来越高等因素，能应用于并行测试的、高密度的垂直式探针卡在市场上需求量也在随之增加。并行测试探针卡可根据不同产品的需求， 设计成X4， X8， X16， X32. X64等等不同规格， 各个测试位可排列成横、竖、斜的一字形， 也可排列成正方形、矩形等，并行测试的测试位数量，主要取决于晶圆上芯片的数量，程序中适合并行测试的测试项数量，以及 整体测试时间等因素； 而测试位的排列则要考虑到晶圆边缘的扎出次数，当然并行测试探针卡的设计还要考虑到技术参数和维护难度、成本。

探针卡的重要特性参数有：

1）探针的排列校准 （Alignment （X，Y location） - 防止探针扎出焊垫区域外而降低芯片的可靠性。

2）探针的平面度 （Planarity （Z height） - 防止针位过高时，探针 接触不到焊垫， 造成的电路不通；或针位过低时扎穿焊垫，对后期封装及芯片质量造成影响 （容易出现短路）

3）接触电阻 （Contact Resistance ） -影响测试结果

4）针压 （needle force） - 针压过大会造成针痕大或深，影响到封装及芯片质量， 针压过小，会引起针与芯片的接触不良。

5）漏电流 （Leakage/Leakage at Over travel ）- 影响测试结果

6）探针针尖参数 （Tip Parameters） -影响测试结果、针痕， 甚至会对封装及芯片可靠性造成影响。（针径、针尖锥角、针尖长度、针尖直径、针尖直径、触点压力）

2 （Multi-site）多位并行测试中探针卡移动规则对芯片及针卡寿命的影响

并行测试 指同一时间内完成同一晶圆上的多个芯片的测试，能够提高单位时间内的测试效率， 降低测试成本，尤其晶圆上芯片数量过多，测试时间长、程序中允许并行测试的测试项数量多时，并行测试的方法更能明显提高测试效率。

1）并行测试的优点是显而易见的， 但是它所带来的一些负面影响也随之而来。下面将从3种不同的探针卡测试移动规则方面来进行调查研究。以3448 个芯片的8英寸晶圆为例，采用8X4的32位并行测试探针卡进行测试，可得到以下数据：

a.不接触晶圆边缘的不完整芯片时，探针卡需要移动175步，其中被探针扎过次数最多的一个芯片共被接触了6次，而被接触了5次的芯片有28颗，被接触了4次的有200颗， 如果加上复测、第二次测试和第二次测试的复测，这229颗芯片，有可能被接触15次以上，被扎穿或对封装打线工艺造成影响的风险会极高。

b.允许接触晶圆边缘的不完整芯片， 但不允许扎出晶圆外部区域时，探针卡共需要移动137步，其中一个芯片被接触的最多次数是3次，大大降低了探针对芯片焊垫的破坏几率。

c.允许接触晶圆边缘的不完整芯片， 且允许扎出晶圆外部区域时，探针卡共需要移动128步，其中一个芯片被接触的最多次数是2次。

综合上面的实验结果，在仅考虑探针卡移动步数及单个芯片被接触的最多次数因素时，允许探针卡接触晶圆边缘的不完整芯片，且允许探针扎出晶圆区域外的方法是最好的， 但是这其中我们并没有考虑到探针扎到非焊垫区域而造成的异常磨损， 所以我们还要考虑另外一个重要因素， 那就是探针卡的维护及寿命成本。

2）下面的实验数据是针对以上3种探针卡的移动规则， 而实际测得的对探针针尖直径寿命的影响 ，本次实验共用了3块相同的、全新的探针卡，3组相同晶圆产品， 每块探针卡采用其中一种移动方式，用同一种晶圆进行测试，晶圆测试机的其它所有参数设置相同，在每块探针卡做过100k次测试后， 将探针卡送回实验室，在探针卡测试机上对针尖直径进行检测，分别得到了以下3组数据 ：

a.不允许探针接触晶圆边缘的不完整芯片时， 探针卡针尖直径的变化为：边缘位置（dut0， 7，8，15，16，23，24，31）的针尖直径变化是 -0.07mils，其他位置的针尖直径变化为 -0.06mils， 可见32个测试位之间的针尖变化没有明显差异。（此卡针径为2.5mil，针尖直径略变小是由于在线清洁探针卡方式造成的，为正常现象）

b.允许接触晶圆边缘的不完整芯片， 但不允许扎出晶圆外部区域时，探针卡针尖直径的变化为：边缘位置（dut0， 7，8，15，16，23，24，31）的平均针尖直径变化是+0.08，其他位置针尖直径变化为 -0.07，可见边缘位置的针尖磨损较为严重。

c.允许接触晶圆边缘的不完整芯片， 且允许扎出晶圆外部区域时， 探针卡针尖直径， 几乎每个位置的探针都有可能接触到焊垫外的区域，所以可以看出探针卡的整体磨损较为严重，所有32个针位的针尖直径变化的平均值为+0.065。

综合以上实验数据，当单一考虑针卡寿因素，不允许探针接触晶圆边缘的不完整芯片时，卡的成本是最低的。

3 （Multi-site） 多位并行测试探针卡移动方案的选择

通过以上针对性地分析，全面考虑到测试时间成本，并行测试对芯片焊垫区域的破坏，以及由于探针磨损而造成的探针卡维护费用，不难看出最适当的探针卡移动方法就是允许接触晶圆边缘不完整芯片， 但是不允许扎出晶圆以外的区域。此种方法避免了单个芯片被测次数过多时， 对封装及芯片可靠性的影响，与此质量风险相比，8个边缘位置的探针维护费用也在可以接受范围内。

以上实验只是针对于有3000多个芯片的8寸晶圆， 32位（8x4）垂直探针卡而进行的，对于其他型号晶圆、探针卡， 仅有一定的参考作用。

参考文献

[1]金兰，刘炜，吉国凡.基于晶圆Multi-Site并行测试的效率分析与研究

[2]唐德兴.探针卡片参数的选择、维护及发展.《电子工业专用设备》1987年04期.

[3]许明，胡富刚，周越文.并行测试任务可并行性分析研究。 计算机工程 2009.

[4]Keith B. Schaub， Joe Kelly. Production Testing of RF and System-on-a-Chip Devices for wireless Communications [M]. London， Artech House， Inc.2004