一种微型探针台的设计和应用

2017-02-09吴建伟

电子与封装 2017年1期

关键词：显微镜屏蔽探针

顾吉，吴建伟

（1.东南大学，南京 211189；2.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072）

一种微型探针台的设计和应用

顾吉1,2，吴建伟2

（1.东南大学，南京 211189；2.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072）

介绍了一种便携式探针台，其结构小巧，功能实用，成本较低，可以满足基本的试验需求。特别之处在于显微镜和探针台采用分体结构设计，使得探针台部分能从整个探针台系统中独立出来，可以应用于辐照试验中。固定在探针台上的芯片可以与探针台一起放置于空间任意位置，方便将芯片对准辐照源中心。该探针台也可放置在高低温箱中，用于芯片的三温测试。加上显微镜固定采用多角度云台支架设计，支持全方位观察，可以使得观察更加立体直观。探针卡采用多探针结构，可实现多路测试，并且探卡及其信号连接线采用了低漏电及EMI设计，测试精度可以达到0.1 nA以下，配合接地良好的铝制屏蔽盒，增加了抗干扰能力，其测试数据更加精确。

探针台；晶圆；辐照；高低温；测试系统

1 引言

探针台（Prober）主要应用于半导体行业以及光电行业的研发、生产制造、失效分析过程中，是对晶圆(Wafer)上的器件进行电特性测试或故障分析而使用的精密机台，通过探针台能很好地帮助工程技术人员实现微小位置的电学参数测试。探针台从操作方式上可分为手动、半自动和全自动机台，自动和半自动机台一般用于大规模生产，手动探针台用于小批量抽检和试验研究；从功能上来分，可分为高低温探针台、RF探针台、LCD平板探针台等。

探针台系统通常由基台（精密机械）部分、载片台（Chuck）、探针座、光学系统、测试机（ATE,Automatic Test Equipment）、配件（例如防震桌、遮光罩、屏蔽罩等）以及其他辅助增强系统（例如激光切割机、温度控制组件、打点器、真空泵等）组成。探针台被广泛应用于复杂、高速器件的精密电气测试过程中，旨在确保质量及可靠性，并缩减研发时间和器件制造工艺的成本。

在实际科研生产过程中，由于晶圆的尺寸越来越大，用于大尺寸晶圆测试的探针台相当昂贵。测试人员通常采用划片分割的方式，将大晶圆切割成孤立的单个晶粒（single die）——比如从蓝膜（blue tape）上取下来的晶粒或者开封后的晶粒都可以作为单个晶粒——进行测试。使用手动探针台测试单个晶粒时，将探针卡上的探针与芯片上的焊垫（pad）或凸块（bump）直接接触，通过测试机向芯片提供测试矢量和测试电流、电压，同时还需要从被测芯片上采集输出信号，导出芯片讯号，达到测试的目的。

2 探针台系统

下面简述一下探针台系统的基本组成部分，本系统为了体现经济性、便携性，在满足基本测试功能的前提下去除了非必要的部件，采用极简的系统结构。此处的探针台系统包括光学成像部分、测试机和探针台，如图1所示。

图1 探针台系统

2.1 光学成像部分

测试过程中要用显微镜来检查外观和观察探针到测试触点的对位情况。此系统采用结构简单的单筒光学CCD显微镜，它的一端装有物镜对准待测晶圆，另外一端装有 CCD摄像头，CCD摄像头通过AV-USB图像盒和电脑连接，利用图像处理软件来观察焊盘与探针的对齐情况，完成对测试芯片的精确定位。图像处理软件可直接保存观察画面，也可以对图像进行分析处理，从而实现观察、记录与测量一体化进行。安装在显微镜下端的LED环形灯光源照射到待测芯片表面，可以通过调节LED的光强来得到明视野、暗视野等观察效果。图2所示为显微镜下拍摄到的图片，其中图2（a）为4 PAD单元器件图片，PAD的边长为100 μm；图2（b）为显微镜下看到的探针针尖部分图片，针尖尺寸在15 μm左右；图2（c）为扎针后正上方垂直视图；图2（d）为扎针后侧方位视图。

图2 显微镜下拍摄到的图片

此处选用的显微镜具有较大的景深，可以清晰地观察探针尖顶处与焊盘的接触情况，显微镜固定采用多角度云台支架设计，支持全方位观察，使得观察更加立体直观。显微镜具有较远的工作距离，物镜离开测试芯片高度约为80 mm左右，这样就不会影响到下方探针台的移动。通过调节显微镜镜筒下部的倍率环和显微镜两侧的调焦手轮，直至屏幕图像清晰，倍率越小，视场越大，调整高度越高，反之亦然。

2.2 测试机

为了测试晶圆上的芯片，就必须给晶圆上的芯片提供测试矢量和测试电流、电压，同时还需要从被测芯片上采集输出信号，测试机通过屏蔽导线与探针台所固定的芯片上的焊盘相接触，由测试机完成对待测芯片特性的测试。

测试机可以根据测试要求的不同选用不同的测试机，本文中涉及的测试机是KEITHLEY 4200-SCS半导体特性分析系统（见图3），下面的测试图片都出自这台测试机。

图3 KEITHLEY 4200-SCS半导体特性分析系统

2.3 探针台

将待测芯片放在探针台的承片台上，通过调节四轴操作器，探针可以在X、Y、Z、θ轴方向自由移动，选择测量点，通过探针与晶圆中芯片上焊盘的接触来将焊盘连接至测试机，其结构特点在下一节中详述。

3 探针台的总体结构

3.1 总体结构和应用范围

该探针台从上往下分6个部分：A、测试部分；B、承片台；C、回转平台；D、垂直升级机构；E、X-Y水平移动机构；F、防振基座。参见图4。

该探针台的回转平台、垂直升降平台和水平移动机构均采用弹簧复位机构，避免了传统的高精密滚珠丝杠在传动时的间隙影响。

待测芯片固定在一块基板上，并通过基板两侧设置的螺钉固定到承片台中心上。承片台可以根据不同要求更换不同的类型，芯片的固定方式也可以有多种选择，比如磁力固定、真空吸附。探针卡通过4个角上设置的螺钉固定在基台立柱上。承片台通过螺钉固定在回转平台上，回转平台的转动范围为0°～360°，转动精度为5′；回转平台通过螺钉固定在垂直升降机构上，垂直升降机构的调节范围为0～10 mm，调节精度为0.01 mm；垂直升降机构通过螺钉固定在水平移动机构上，水平移动机构包括X轴移动机构和Y轴移动机构，X轴移动机构和Y轴移动机构的调节范围均为0～12 mm，调节精度均为0.01 mm。

图4 探针台结构图

3.2 友好操控设计

该探针台按照实用、经济、美观的设计原则，在保证产品技术指标的同时，特别考虑到了基台的稳定性，包括强度、刚度等问题，避免产生变形、机械传动精度下降等问题，从而提高了探针台的可靠性和使用寿命。

在外观方面，底座采用圆角矩形设计，加上圆柱型立柱支撑了同样采用圆角矩形设计的探针卡，上下通体，体现了“人-机-环境”的和谐统一。在操作旋钮布置方面，采用人机工程设计方式，对于调节旋钮等操作部件进行合理的选择与布置，旋钮表面采用滚花斜十字纹，手感触觉良好，刻度采用浅灰色背景和细黑字体，清晰易读，防振基台设备结构符合人的心理和生理特点，使得操作人员能够方便有效地使用设备，同时该探针台结构简单，方便拆装和维修。

3.3 防腐蚀设计

为了防治探针台金属部分与周围环境介质之间发生化学或电化学作用而引起破坏，对于金属表面进行了防腐蚀处理。X、Y、Z、θ轴旋钮调节机构采用铝制表面本色阳极氧化处理，使得铝制旋钮表面形成淡灰色的钝化层，可大大降低金属的腐蚀速度；X、Y、Z、θ轴锁紧旋钮是由黄铜材料制作而成，表面镀亮镍，镀镍层在大气环境下由于表面形成致密的钝化层而非常稳定，同时镀镍层具有高硬度和良好的耐磨性，可以增加紧固部件的使用寿命；水平移动机构、垂直升降机构、回转平台都是铝制材料，采用黑色硬质阳极氧化，大大提高了铝制品的耐腐蚀性和耐磨性；防振基台由钢材制成，采用表面发黑处理，基台立柱用的材料是304不锈钢。综上，整个探针台得到了很好的防护，大大提高了整体的耐腐蚀性和使用寿命。同时整体视觉黑白相间，美观大方。

3.4 微型探针台的优点

该探针台采用显微镜和探针台分体式设计，探针台结构紧凑、体积小、移动方便，不但可以满足正常的测试需求，还可以用于芯片辐照试验。探针台可以方便地放入辐照测试腔中，固定在探针台上的芯片进入辐照测试腔内可与探针台一起放置于任意位置，方便将芯片对准辐照中心；该探针台也可放置在高低温箱中，用于芯片的三温测试。

特别的是该探针台采用探卡扎针，在一块探针卡上可以根据测试要求的不同安装不同数量的探针，可同时完成多针测试或者一次完成多通道测试。探针卡固定在探针台立柱顶面，探针相对于整个基台不动，旋动X、Y、Z、θ轴，使芯片移动到探针下方，最后再次旋动Z轴，使得所有探针同时扎到待测芯片的PAD上，避免了传统探针台每次都要单独扎针的方式。在整个过程中，显微镜相对于探针的位置也是固定的，聚焦点始终保持在探针尖端上，可以直接观察到探针尖端和PAD的接触情况。

4 探卡可靠性及EMI防护

4.1 器件测试中的低漏电现象

晶圆级（未封装的裸芯片）IC器件参数测试，首先在显微镜下识别不同的测试，如图5，在测试图形中选定某宽长比的NMOSFET（或PMOSFET），确定其漏D、栅G、源S、衬底B各电极DUT PAD，通过探针测试卡上的探针阵列，连接到半导体参数测试仪上进行测试。其原理框图如图6所示。

图5 器件测试图形

图6 器件测试原理图

在测试NMOSFET的Id-Vd曲线时，在亚阈值区域测试段显示数据异常，通过用国外探针台和自制探卡做对比测试，结果如图7所示。图7（a）是用国外探针台测试的结果，图7（b）是用本文中的探卡测试的结果，分别对这两张图的亚阈值区域进行放大，得到图7（c）和图7（d）。从图中可以看到，在国外探针台上测试的亚阈值电流值在1×10-12A以下，而用探卡测试的亚阈值电流值已经接近1×10-9A，这说明探卡测试存在严重的漏电问题，漏电量级在1 nA左右。

4.2 探卡低漏电防范措施

为了避免探针卡出现低漏电问题，通过实验验证，可以采取以下防范措施。

（1）保证探卡清洁干燥，在使用前可以用酒精或丙酮清洗，然后置于150℃下烘烤2 h干燥后使用。

（2）探针卡制作时，要尽可能放大孔环间距并且提高阻焊工艺能力来保证阻焊桥的制作，避免孔环间阻焊桥脱落、孔环间基材裸露所引起的板绝缘性能下降导致的漏电超标。

（3）探针卡基材使用具有较高电阻率的材料，从而提高PCB板的绝缘性能。表1是某些绝缘材料的体积电阻率ρv（20，空气中）。

表1 绝缘材料的体积电阻率ρv（20，空气中）

（4）探针排布采用最稀松的排布原则，增加探针尾杆之间的间距，同时采用绝缘性能较高的胶粘体来固定探针，胶粘体要用烘箱烘烤固化，以排除胶粘体中的挥发性物质。

4.3 探卡的可靠性布线

探卡电路板的布线方式会对测试产生一定的影响，为了减少这一影响，在布线时要注意以下问题：

（1）为了抑制印制导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开线与线之间的距离,信号线与地线及电源线尽可能不交叉。

（2）电源线和地线尽可能靠近，整块印制板上的电源与地要呈“井”字形分布，以便使分布线电流达到均衡。

（3）要为模拟电路专门提供一根零伏线以减少线间串扰，同时尽可能增加印制线条的间距，注意安插一些零伏线作为线间隔离。

（4）印制电路板上印制线的宽度不要突变，传输线拐角处不要出现直角或锐角，应该尽量采用圆弧过渡，以降低回损。

4.4 具有20通道的探卡

根据测试实际器件的PCM测试单元版图设计，PAD的排布各有不同，此处的测试单元中有5个测试器件，横向排成一排，每个PAD横向尺寸都是一致的，如图8所示。图8（a）为20 PAD分布图，从图中可以看到，PAD分为上下两排，每排10个，从左到右上下各两个为一个测试单元。

为了能一次完成20个PAD的扎针，按照PAD尺寸设计了有20根针的探针卡，根据测试单元的图形，将探针排成探针阵列，对称2排，每根探针针尖都对准PAD中心。探针的材料是铼钨合金，通常称为铼钨针，它具有接触电阻小、导通电流较大的特性，更主要的是具有很长的接触寿命。为了保证扎针的统一协调，探针针尖的垂直公差范围离中心值保持在±10 μm之内，水平误差同样控制在±10 μm之内，并且通过对样品芯片进行扎针，观察扎针痕迹情况来判断探针排布的质量。若发现错位或形变等问题，可以请技术精湛的人员使用专用的镊子进行修正。图8（b）、（c）分别为探针阵列正上方垂直视图和侧方位视图。

图7 器件测试中的低漏电现象

图8 探针阵列图

4.5 EMI防护

在实际测量过程中，外部环境的电磁干扰对于测试的影响很大，对测试部件进行屏蔽能有效抑制干扰。此处采用铝制盒形屏蔽体，铝的导电性能和机械强度比较好，且比较轻巧和方便加工，自身阻抗较低，屏蔽效能较好。影响屏蔽效能的另一个因素是剩余电容，减少剩余电容就可以提高屏蔽效能。为此，采用盒形屏蔽体可以获得较高的屏蔽效能，同时开孔面积要尽可能小。

屏蔽体的接地也是同样重要的问题，屏蔽体的接地质量对屏蔽效能影响极大。屏蔽体只有接地才能保持“地”电位，实现有效的屏蔽。屏蔽体的“地”是以测试机的“地”作为电路电位基准，此处用横截面比较大的紫铜编织线，以减少直流和交流电阻，同时尽量缩短导线的长度，以减少导线的感抗。导线两端用螺钉连接，为了使接地稳定可靠，再采用内齿弹性垫圈进行固定，以减少连接电阻。

通过EMI防护，对探针台系统进行对比测试，如图9所示。在未做屏蔽时，由于空间电磁环境的干扰，测试机测出杂乱无章的波形；通过屏蔽后，测出的型号比较平缓，稳定性很高。

图9 屏蔽前后的对比测试

5 探针台测试功能验证及应用

5.1 测试功能验证

为了对探针台的实际使用功能进行验证，这里选取了NMOS器件，分别对该器件测试输出曲线和转移曲线，图10是器件的测试曲线，从图中可以看到，曲线平缓，无明显的干扰现象。通过反复测试，测试一致性较好，可以认为探针台基本满足测试要求。

图10 器件测试曲线

5.2 探针台应用

在实际应用中，由于该探针台小巧灵活，显微镜和探针台采用分体结构设计，使得探针台部分可以从整个探针台系统中独立出来，方便应用于辐照试验中，固定在探针台上的芯片可以与探针台一起在任意位置放置，方便将芯片对准辐照源中心，所以可以在辐照试验中应用。

同时，根据不同的测试要求，只要是适合使用该探针台的地方，同样可以灵活运用。比如说，高低温测试可以将探针台放入高低温箱，测试线从高低温箱的导线孔引出，连接测试机后同样可以完成测试。

值得说明的是，探针卡可以根据测试的不同要求来制作，从而可以不局限于单一器件的测试，对于电路或者模块也可以通过连接不同的测试机台来完成测试。

6 结束语

目前，市场上的探针台大多是以圆片尺寸来分类的，通常设备外形尺寸较大，重量较重，不方便搬运，同时受到针座的限制，无法实现多探针（比如说20针）同时测试。更重要的原因是其价格昂贵，如要实现特殊的功能，比如说高低温测试，同样要配置价格不菲的附件，并且其维修维护成本都相当高。

本文介绍的便携式探针台，其结构小巧、功能实用、成本较低，可以满足基本的试验需求。特别之处在于显微镜和探针台采用分体结构设计，使得探针台部分可以从整个探针台系统中独立出来，可以应用于辐照试验中，固定在探针台上的芯片可以与探针台一起放置于空间任意位置，方便将芯片对准辐照源中心。该探针台也可放置在高低温箱中，用于芯片的三温测试。加上显微镜固定采用多角度云台支架设计，支持全方位观察，可以使得观察更加立体直观。探针卡采用多探针结构，可以实现多路测试，并且探卡及其信号连接线采用了低漏电及EMI设计，测试精度可以达到0.1 nA以下，配合接地良好的铝制屏蔽盒，增加了抗干扰能力，其测试数据更加精确。

该探针台系统为各种半导体芯片提供一个无损检测、分析样品的平台，包括材料的电阻率、器件电特性等的电性能参数，可适应多种规格的芯片，并提供相应的测试探卡，适用于大学、实验室、研究所对芯片进行科研分析、抽查测试等用途。

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Design and Application of a Miniature Probe Station

GU Ji1，2,WU Jianwei2
（1.Southeast University,Nanjing 211189,China；2.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

The paper describes a portable probe station which is small and convenient.It costs little and meets the basic test requirements.Particularly,the microscopes and probe stations are separated to enable radiation tests.The probe station and chips can be well placed to facilitate better radiation alignment.The probe station can also be placed in high and low temperature oven for tri-temperature tests.The microscope can be flexibly fixed for all-round observation.The multi-probe structure supports multi-channel tests.The probe and wires are safely connected using low-leakage and EMI design which achieves the test accuracy of 0.1 nA.The aluminum shielding box of good grounding performance enhances anti-noise interference ability and accuracy.

probe station;wafer;irradiation;high and low temperature;test systems