晶圆级微波测试工艺研究

吕 磊，胡晓霞，郑如意

( 中国电子科技集团公司第四十五研究所， 北京100176)

新兴智能业务的不断发展，需要更加高速、高效和智能化的通信技术作为其发展的技术基础[1]。微波技术是5G 时代的基础，未来通信技术将朝着两个方向发展，一个是互联网，另一个是物联网，致力于解决现有的机械存在的海量通信问题，而其中的微波器件及其测试技术将是核心所在。

1 微波的特性及应用

微波信号是指频率为300 MHz～300 GHz 的电磁波信号，其最重要应用是雷达和通信，微波器件按其功能可分为微波振荡器、功率放大器、混频器、检波器、微波天线等[2]。

微波的基本性质呈现为穿透、反射、吸收。对于玻璃、塑料和瓷器，几乎是穿越而不被吸收；对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热；对于金属类物体，则会反射[3]。由于微波的特性，其在空气中传播损耗很大，传输距离短，但响应速度快，工作频宽大，使得微波器件制作流程中的测试工艺不同于常规测试。在微波探针出现之前，无法对封装前的芯片进行高频特性测试，只能在封装后进行测试筛选。会造成封装工艺的浪费，同时难以判断封装阶段对器件高频特性的影响力[4]。

2 测试工艺要求

晶圆级微波测试通常在微波探针台上进行，与常规探针测试台技术比较，需要在电磁屏蔽、信号采集、信号处理等方面进行系统升级，防止测试数据因传输损耗、外界干扰等影响测试结果。

微波探针台测试，首先将待测晶圆置于承片盘上，然后对承片盘进行制冷或加热，制冷过程要对屏蔽室充入压缩氮气防止冷凝和水雾，当承片盘温度达到微波器件测试要求时，检测微波器件在此环境下的反应状态，以此判断器件的优劣，测试流程如图1 所示。

图1 微波探针台测试流程

3 微波探针台系统设计

微波探针台主要由工控机、屏蔽室、测试仪接口电路、传感器系统、高低温系统、人机界面、XYZ工作台等组成，其结构示意图如图2 所示。

图2 微波探针台结构示意图

3.1 屏蔽室结构设计

微波屏蔽室是微波探针的关键部分，需具有密封性、电磁/噪声屏蔽性等技术特点。

微波屏蔽室采用长方体设计，上端面利用探针台板的下平面，下端面采用可伸缩板结构，便于承片台XY 向运动，保证测试过程中承片盘在屏蔽室内全行程无障碍运动，并与承片台接触部分密封良好，前侧面设计有下翻式密封门。屏蔽室下端面与四周材料均选用不锈钢材料。

在电磁屏蔽技术中，电磁屏蔽效能更大程度依赖于屏蔽室结构，即导电的连续性。屏蔽室的接缝、开口等都是电磁波泄漏源。另外，穿过屏蔽室的线缆也是造成屏蔽效能下降的主要原因。

屏蔽室缝隙电磁泄漏的解决方法就是在缝隙处用电磁密封衬垫。常用电磁密封垫有导电橡胶、双重导电橡胶、金属编织网套、螺旋管衬垫等。

屏蔽室开口的电磁泄漏与开口现状、辐射源特性及辐射源到开口距离有关。通过适当的开口尺寸设计和辐射源到开口距离设置可以改善屏蔽效能。

3.2 承片台制冷与加热结构设计

承片台要求承片盘温度控制范围-40～+200 ℃；温度控制精度±1 ℃。加热机构设计为将加热盘放置于承片盘下侧，并与承片台其他部件之间加装隔热装置，尽量降低温度传导速度；制冷是将制冷装置设置在承片盘下侧，通过制冷气体循环管路直接对承片盘进行制冷。需要进一步改进承片盘结构设计，使承片盘能够更均匀地传导温度，保证承片盘表面温度一致，同时保证结构紧凑性。在承片盘侧面加装高灵敏度温度传感器，通过温度控制系统，进行温度实时监控。承片台结构如图3所示。

图3 承片台制冷与加热结构图

3.3 探针、探卡可靠性设计

图4 微波探针

微波器件晶圆级测试主要是利用经特殊设计的微波探针作为同轴电缆和微波器件间微波信号传送的接触媒介，所用的微波探针通常为共平面型，如：常见的有G-S-G 和G-S 两种，如图4 所示，其中的接地部分（Ground）将连到同轴电缆的接地部分，此接地部分提供了微波信号在探针上传送时电磁场的一个收敛途径，避免传送信号因基板的耗损而失真、衰减。由于G-S-G 型的微波探针具有两个对称的收敛途径（Ground），可实现探针与基板间良好的隔绝效果，减少了微波信号因传送的失真，因此比G-S 型更适用于较高频率的测试。微波探针的针间间距通常有一定的规格，以G-S-G 型为例，其每一个针间的距离通常为100～250 μm，因此当设计微波器件的金属接触板时，需事先考虑后续测试时微波探针所需要的规格。G-S-G 微波探针扎针与针痕如图5 所示。

图5 G-S-G 微波探针扎针及针痕

3.4 微波屏蔽室窗口设计

由于微波屏蔽室是一个密闭的环境，晶圆取放时需要将屏蔽室打开，为了方便操作，需要设计屏蔽室窗口。合理的窗口设计应满足操作人员方便取放晶圆，窗口关闭与锁紧要保证微波屏蔽室的电磁密封性。在屏蔽窗口设计时，使用氮气弹簧结构辅助窗口打开、定位以及关闭；在窗口四周粘贴密封材料，减弱电磁干扰。晶圆取放窗口示意图如图6 所示。

图6 屏蔽室窗口示意图

4 微波测试工艺研究

由于微波器件产品种类多，而且应用领域广，对测试工艺的要求各有不同，需要针对不同测试要求调整测试参数和改变测试形式。微波探针台就是利用测量仪器对微波器件进行定量分析，基本参数包括频率（或波长）、驻波比（或反射系数）、功率等；其它参数包括衰减、阻抗、相位、散射、谐振、交调、介电常数、品质因数等，都可以由基本参数导出。

现有的微波测量仪表可对这些参数进行直接或间接测量，但在仪表和待测件的连接上存在一定难度。微波测量仪表、测试电缆以及传输线的连接方式通常有：N 型连接器、SMA 连接器、3.5 mm连接器、BNC 连接器、波导连接器等。另外，与待测件连接后，需要对仪表进行校准，要求校准的参考面尽量接近待测件两端。针对不同种类的微波器件，选择合适的测试参数和测试形式对于最终测试效果非常重要。

4.1 平台搭建

以某微波器件测试为例，测试系统采用E5061A 射频网络分析仪通过GPIB 与工控机进行通讯[5]，根据测试工艺需要进行测试界面编辑，如图7 所示。

图7 测试界面

4.2 程序编写

HighCalTest()// 高点损耗测试

4.3 测试数据读取与分析

根据测试仪反馈图如图8 所示，进行主机与测试仪接口通讯，提取测试结果，如图9 所示。结果分析如图10 所示。根据测试结果分析，可以了解被测晶圆上器件品质状况。

图9 为4 片晶圆各测试40个点频率的测试结果，单位为MHz。图10 为第一片晶圆采用柱状图对测试结果进行分析，中心频率为1498 MHz，设定好点频率的阈值范围为1488～1508 MHz。其中深色柱状图表示通过测试的好点。

图8 测试仪显示图

图9 测试数据

5 结束语

探针设备是半导体封装工艺线上的关键设备，是对完整晶圆进行前道测试的设备，主要功能是避免对不合格的芯片进行封装，减少不必要的浪费，降低生产成本[6]。微波探针台作为一种特殊用途探针设备，在微波器件晶圆级测试过程中是必不可少的。

图10 测试结果分析

本文只对微波探针台的结构设计、部分频率器件的测试工艺进行了介绍，对高频器件、太赫兹、功能性测试、自动化机型以及基于局域网扩展的LXI 接口总线方面[7]，仍需要进一步研究。