通过接触测试来提高探针痕迹的一致性

摘 要：晶圆测试是通过探针卡上的探针直接与芯片上的焊垫接触，连接测试机与芯片，再配合软件控制，对芯片参数进行测试，筛选出不良品。探针与芯片上触点接触过浅，电信号无法正常传导，会直接影响芯片的良品率；反过来，过大过深的探针痕迹又会对芯片使用的可靠性以及后段封装中的打线流程造成影响。本文主要探讨在晶圆电性针测过程中的接触测试理论，以及如何通过引进接触测试来提高悬臂卡探针痕迹的一致性。

关键字：晶圆测试；探针痕迹；接触测试

1 引言

当IC设计完成后，会下单给晶圆生产工厂制作。晶圆测试（wafer probe）是在晶圆制作完成后，通过探针卡上的探针直接与芯片上的焊垫接触，连接测试机与芯片，再配合软件控制，对芯片参数进行测试，筛选出不良品。探针卡（probe card）是被测器件（DUT）与测试机（tester）的一个重要接口，通常一块探针卡上有几十至几百根的探针。晶圆测试需要高质量的探针接触以保证测试机与芯片完整良好的信号传导。探针痕迹的好坏直接影响晶圆测试的良品率和芯片的可靠性。探针痕迹过浅，电信号无法正常传导，会降低晶圆测试良品率。而过大过深的探针痕迹更会导致晶粒焊垫上钝化层损坏，芯片内部通孔中的金属外露，这不仅会对后段封装的打线（wire bond）制程造成影响，而且还会直接影响芯片本身的可靠性。本文主要探讨为什么在同一颗晶粒不同焊垫上的探针痕迹会存在大小不一的差异，以及如何通过引入接触测试来提高探针痕迹的一致性。

2 背景介绍

封装部门反馈产品A在打线（wire bond）过程中存在焊球与焊垫之间粘接力不足的问题。通过分析推球测试（ball shear test）结果与焊垫上探针痕迹大小差异（图1），我们发现探针痕迹越大，推球测试数值越小，即焊球与焊垫之间的粘结力越不好。特别是当探针痕迹过大，并伴随焊垫下层通孔金属外露发生时，推球测试结果明显低于正常探针痕迹的测试值。与此同时，我们也发现一个奇怪的现象，在同一颗晶粒上不同焊垫上的探针痕迹大小深度存在着明显的差异。

3 调查分析

探针卡上安装了近百根探针，针与针之间存在着一定的高度差（planarity window），这是探针卡在制作中固有存在的。并且随着探针卡在实际晶圆测试过程中与焊垫接触次数的增加，由于探针本身热膨胀或外部细小杂质颗粒的影响，针与针之间的高度差还会随之增加。经测量发现，相比其它的探针，较长的针在测试过程中，与焊垫接触后，留下的探针痕迹更大更深，如图2所示。

通常，当一批晶圆开始测试时，应用软件integrator驱动晶圆针测机（prober）中的卡盘（chuck）上升，卡盘上的晶圆一步步地接近探针卡（图3），与此同时，晶圆针测机会纪录下悬臂探针卡每一行最后一根探针接触到晶圆焊垫时的位置，自动计算出这四根探针的平均位置作为实际测试时施加触点压力（overdrive）的零基准。这种寻找零基准点的方法存在一个最大的缺陷：抽样比率低，不能准确定位零基准。如果其它的探针比这四根用于定位的探针长，则会在实际测试中导致焊垫上探针痕迹过长过深。

4 改善方案

为了获得更精确的触点压力基准点，我们在一批晶圆开始功能测试前引进了接触测试。接触测试的原理与传统意义上的导通测试或开路-短路测试相同（输入电流，测试输出电压），同时，测试程序还可以把探针是否通过接触测试的情况分类（bin）显示：

所有用于数字测试的探针（除用于接地，dc 和UW源的探针之外）都能应用到接触测试中。并且我们还可以设定探针与探针的平整度控制极限值（planarity window），一旦在接触测试中探针与探针之间的平整度超过预先设定的控制值，系统就会自动终止晶圆测试，同时探针卡会被送去维修。这样我们就能得到更精准的触点压力零基准点，从而提高测试时探针痕迹的一致性。如图4所示，当加入接触测试后，同一颗晶粒不同焊垫上探针痕迹的大小差异明显小。

5 结论

通过在晶圆功能测试正式开始前加入接触测试，显著提高了探针痕迹的一致性，更好的帮助我们定位触点压力的零基准，避免过长过深探针痕迹对芯片质量的影响。同时，接触测试的加入也能避免探针在使用中的过度磨损。

参考文献

[1]B. Newboe， The probe card dilemma， Semiconduct. Int （Sep，1992）， pp64.

[2]Guy Perry， The Fundamentals of Digital Semiconductor Testing， Soft Test Inc.

[3]Quinnel，R.A.， Kill Bugs Early with Software-Test Tools， EDN Magazine， May 23，1996 .

[4]Huott，W.V.et al.， Advanced Microprocessor Test Strategy and Methodology， IBM J.Res.Dev.，Vol.41，No.4/5，July/September 1997，pp.611-627.

作者簡介

李玉莉（1981-），女，天津市，助理工程师，本科，研究方向：半导体测试。