张鹏辉，张凯虹

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035）

1 引言

在集成电路的圆片测试工作中，广泛采用探针技术，即运用金属探针与被测圆片表面PAD进行接触，通过探针施加电压电流等测试条件，测试被测集成电路的功能和电参数。测试信号的完整性需要高质量的探针接触，但是由于探针接触电阻的存在和变化，往往会对测试过程造成干扰，使测试结果发生误差。随着半导体技术的发展，信号电压不断减小、接触压力的降低以及新材料器件需要汲取更多的电流，如何减小接触电阻以及由它带来的误差越来越成为一个重要问题。

2 探针接触电阻

2.1 探针接触电阻的产生

接触电阻即探针尖与焊点之间接触时的层间电阻，如图1所示。

图1 探针接触电阻示意图

当探针尖与被测圆片接触时，接触主要由两部分组成：（1）金属接触（metallic contact），也称作 locallized physical mechanisms；（2）薄膜电阻（film resistance），也称作non-conductive contribution。测试电流仅能从中间金属接触的部分通过。

接触电阻通常受几方面共同影响：（1）探针材料，一般来说金属探针必须采用坚硬、耐磨的低阻材料，目前以铼钨合金材料较为常见，此外还有钨合金、铍铜合金等材料。其中钨针和铍铜针优缺点明显，只能应用于部分特殊产品；（2）探针表面情况，探针尖端必须抛光、无宏观缺陷、无杂质污染；（3）圆片表面情况，必须无杂质沾污，表面平整；（4）探针触点压力，即探针顶端施加到接触区域的压力，触点压力过高会损伤被测圆片，触点压力过低可能无法穿透氧化层；（5）探针实际接触面积，也就是图1中的金属接触部分，这部分接触面积越大一般接触电阻越小，但是过大的接触面积会对封装的可靠性造成不良影响。

2.2 探针接触电阻在测试过程中的变化

在实际测试过程中，一般探针材料、圆片表面情况都已经固定，影响探针接触电阻的因素主要是探针表面情况、触点压力和实际接触面积的变化。

量产测试中，探针与圆片表面不停重复“下压接触→测试→抬升分离→移位”这一过程，而在每次下压接触的过程中，探针针尖都会刮擦被测试的DIE PAD，在摩擦力和电磁场的作用下会有一些沾污，这些沾污导致的非导电材料的沉积（例如碎片、残渣和氧化等），会造成接触电阻逐渐增大。针尖上的沾污，主要是电场在亚微米距离中产生的场发射（field emission）效应导致的。场发射是指在静电场的作用下，电子从固体或液体表面发射到真空、空气或液体中的现象。图2是高倍电子显微镜拍摄的针尖表面。

图2 针尖表面的高倍放大图

可以看到在场发射作用下针尖表面形成了一个个小坑。在针尖和PAD接触的过程中，PAD上的金属铝被粘到这些小坑里，然后在测试电流通过的时候迅速氧化为不导电的氧化铝（Al2O3），使探针接触电阻持续增大。图3是探针表面氧化铝的产生以及对探针接触电阻影响的过程示意图。

这一层氧化铝阻挡了探针和PAD间的金属接触，限制了电流的大小，增大了接触电阻。同时，当较大的电流流过这个狭小的金属接触区域时，不可避免地导致了局部的升温，从而导致针尖融化，进一步加剧了沾污和接触电阻增大的问题。

2.3 探针接触电阻对测试的影响

探针接触电阻对测试的主要影响是压降和随之带来的一系列问题，接触电阻增大往往带来良率下降、测偏等严重后果。在测试机到被测器件的线路中，信号路径电阻包括导线电阻、焊点电阻、探针本身电阻以及探针接触电阻等等，通常情况下导线、焊点、探针本身和其他电阻一般是固定而且可忽略的，而探针接触电阻是不可控的并且会带来严重影响，主要体现在两个方面。

首先是对测试参数的影响，测试信号通过探针卡进入被测器件时，由于探针接触电阻的压降作用，被测器件实际接收到的电压幅度要比测试机发出的低，在高速高精度器件测试中，信号电压的偏移往往会造成良率降低。同时不可忽略的是，在被测器件的GND和测试机的GND之间同样存在探针接触电阻，如果说某一个信号PAD上的探针接触电阻只影响一个PAD或者一个电参数的话，GND上的探针接触电阻对整个被测器件和全部电参数都会造成影响。试举一例，图4是GND上探针接触电阻对测试影响的简化仿真电路，某集成电路在进行CP测试时需要测试一个关键的参考电压，测该参数时工作电流10 mA，范围1.92～1.94 V，当GND上的探针接触电阻Rgnd为1 Ω时，电流从被测芯片通过探针到测试机产生压降为10 mV。该芯片实际输出的参考电压为1.936 V时，从测试机读到的电压为1.946 V，这样就产生了误测。对很多集成电路来说10 mA的工作电流并不算很大，而1 Ω的接触电阻在实际测试生产过程中也有很大几率达到，所以对于部分高精度集成电路来说，如果用常规的探针和测试方法，GND上10 mV的压降是难以避免且完全无法接受的。

其次探针接触电阻对熔丝修调也有影响。熔丝（Fuse）就是连接在两个PAD之间用金属或者多晶硅以最小宽度短接在一起的部分，在熔丝上通过一个大的电流，就会引起熔丝材料熔断或者气化，熔丝就会变成断路。按照制造工艺熔丝一般分为金属（metal）和多晶硅（poly）两种，金属熔丝与多晶硅熔丝因材料本身的特性有较大区别，在电阻值上，一般的金属熔丝阻值接近0 Ω，而多晶硅熔丝的阻值较大，视工艺情况一般在50 Ω到200 Ω左右。对接近0 Ω的金属熔丝而言，即使是1 Ω的探针接触电阻也会带来不可忽视的巨大影响。假设施加3.5 V电压去烧断熔丝，探针接触电阻可能带来3 V的压降，最终施加在熔丝两端的电压仅有0.5 V，这就容易造成熔丝烧不断或者烧不干净，迫使测试工程师施加更高的电压去修调。而过高的修调电压往往会对被测芯片产生不良影响，图5是修调时过高的电压和电流造成芯片损坏的图片。更糟糕的是，过高的修调电压在通过探针时，产生的大电流对针尖造成了更多的沾污、氧化甚至熔化等损耗，严重减少针卡寿命。因此在工程调试阶段要对修调熔丝的电压进行实验，确定安全可靠的修调电压，调试完成后，量产阶段一般不允许因为探针接触问题更改修调电压。

图4 GND上的探针接触电阻对测试影响的仿真电路

图5 修调时电压过高而损坏的芯片

3 减小探针接触电阻影响的方法

3.1 从探针方面减小探针接触电阻

探针本身的材质以及针卡制作工艺和接触电阻息息相关，不同的探针材料体现出不同的特性，而针卡制作工艺决定了探针与PAD的最高接触压力和接触面积。

常见的探针材质包括铍铜合金、高纯度钨、铼钨合金，铍铜针的优点是具有自我清洁的特性，在使用过程中接触电阻较为稳定，在一些需要大电流的产品上应用较多，缺点是相对较软，顶端磨损较快，寿命短造成使用成本高。钨针的特点是抗疲劳性非常好，硬度大不易磨损，寿命长；缺点是容易沾污，测试过程中接触电阻很容易增大。铼钨针一般采用含铼3%的铼钨合金，优点是硬度和抗疲劳性好，稳定性高，接触电阻相比钨针有明显改善。从成本和性能两方面考虑，大部分情况下采用铼钨针较为合适。

针卡的制作上，常见的有悬臂式、垂直式和薄膜式等构造，根据被测芯片的PAD数目和排列方式选择相应的针卡构造。一般产品应用悬臂式构造可以简化制作难度，降低成本。而PAD较多或者采用阵列式排列的产品多选用垂直探针，高频率产品一般采用薄膜式针卡。对常见的悬臂式针卡而言，针尖的弯针角度和悬臂的长度决定了探针与PAD的接触压力，在实际生产中会出现接触压力过大导致测试过程中PAD下面的线路被损坏的情况，因此针卡制作人员为了减小风险一般都采用较小的接触压力设计，同时过大的探针接触面积也会对封装环节造成不良影响。因此需要根据被测芯片的实际情况，选择合适的探针压力和针尖面积，对于需要通过大电流又不参与封装的熔丝PAD，可以适当放大针尖面积，对于PAD下层不走线路的芯片可以适当放大接触压力。在针卡制作中还要注意探针的平整性，尽可能使所有探针在一个平面上，避免使用时发生探针扎痕深浅不一导致的接触电阻异常。

3.2 测试过程中避免探针接触电阻增大

如前文所述，在探针与被测芯片反复接触的过程中，针尖不可避免地发生沾污和氧化现象造成了针尖接触电阻的增大，需要从这些方面着手采取措施。

在测试时不断向探针和被测芯片表面吹氮气，可以有效减少针尖的氧化铝沉积。在某些采用铝熔丝的产品测试时，熔丝熔断往往伴随着铝条气化或飞溅到针尖上，然后在高温下氧化，使探针接触电阻迅速增加，而吹氮气有明显的清洁作用。在笔者的实际应用中，吹氮气对大部分产品的测试都能起到明显的增加稳定性、改善良率的作用，堪称简单又实用的一个良方。

在测试时经常进行清针。早期的清针方法往往是用磨针的方式，采用细砂纸对针尖表面进行打磨。这种方式立竿见影，很容易将针尖上的沾污、氧化层都磨掉，针尖也变得更平整，打磨完之后的一段时间测试良率明显提高。然而这种方式也会把针尖越磨越短，实际的针尖接触面积也会越来越大，当面积大到一定范围时会导致封装的可靠性变差。在离线人工清针时，有时候也会用溶液加电解的方式腐蚀针尖进行抛光，这种腐蚀由人工操作，不太容易控制，经常会把针尖腐蚀得太细，导致针尖局部压强过大，刺穿PAD而损坏下方的线路。还有在测试过程中人工用棉球蘸丙酮擦拭探针的清针方式，这种方式可以清除探针上的大块污染物，但需要人工操作，对测试效率影响严重，实测对探针接触电阻也没有明显的改善作用。目前多采用半研磨型的清针和抛光，在探针台的清针台上固定一片类似细砂纸的材料，清针时探针在上面上下扎几次，可以有效去除针尖上的沾污和氧化物，这种方式可以有效改善探针接触电阻，对探针的磨损也较小。图6是清针效果示意图。

图6 非破坏性清针效果示意图

在具体生产实践中，通常会根据探针卡和被测芯片的特性确定一个清针周期，每隔一定的测试管芯数就自动清针一次。这个周期不可以过短，频繁的上下研磨清针容易导致针尖变得更尖，扎坏PAD下的线路造成质量损失。

3.3 采用双针开尔文连接进行测试

对于某些对探针接触电阻非常敏感的参数，有必要采取双针开尔文方式进行测试。在被测PAD和GND PAD上各做两根针，一根针做电流回路，另一根针做电压反馈回路，通过电压补偿，可以有效避免探针接触电阻造成的压降，提高测试准确性。这种方法也有一定的局限性，对部分高频输入、输出信号难以补偿，如果采用多管芯并行测试，做双针的难度和成本都比较高。在测试过程中两根探针扎在一个PAD上，距离过近有短路风险，如果探针短路而没有及时发现易发生测偏等质量问题，所以也要加强监控。

3.4 测试程序的优化

测试程序本身，尤其是上下电和继电器切换部分，对探针接触电阻也有不可忽略的影响。根据前文所述，针尖沾污的根本原因在于场发射效应和氧化铝的产生，大的瞬间电流可以产生巨大热量，损坏针尖表面并使针尖上的金属附着物（大部分情况下是铝）快速氧化，所以程序优化的核心思路是避免探针针尖上通过大的瞬间电流。

可以从这几个方面着手优化：（1）在关断测试机某一通道或电源时增加下电步骤，防止突然的电源关断导致瞬间大电流；（2）尽量避免继电器的带电切换，带电切换易产生较高的感应电压和电流；（3）注意测试板上的电容充电和放电，如果不给电容放电，也容易产生大的瞬间电流通过针尖；（4）注意测试机到探针之间的连线，连线越长线路上的等效电感越大，在某些交流信号通过时容易在周围线路上产生感应电压，要注意这部分线路的隔离和屏蔽；（5）在测试某些大电流参数时尽可能缩短时间。

3.5 探针接触电阻异常时的检验措施

尽管采取了以上措施，但在实际生产中，仍难以百分之百避免探针接触电阻异常增大的情况。所以对于精度要求较高的参考电压、参考电流等参数，还要从生产流程上进行管控。在每片测试完成后，选取一部分管芯用专门的检验程序进行抽测，确定没有误测后才能放行入库。

4 结束语

探针接触电阻对测试的影响，是每个测试工程师都会遇到并头疼的问题，也是对圆片测试准确性和稳定性的重大挑战。通过以上的分析可知，探针接触电阻和探针本身、针卡制作息息相关，在测试过程中也容易因种种原因导致异常增大，所以一定要从探针卡的制作到使用，再到测试方案设计、测试程序细节等方方面面都做好工作，才能有效改善探针接触电阻对测试的影响。

[1]Richard Studnicki.What Burns My Probes?[R].Semiconductor Wafer Test Workshop,2013:27.

[2]Jerry Broz,Ph D.Probe Card Cleaning“A Short Tutorial"[R].Wayne Fitzgerald,2007:68.

[3]William Mann."Leading Edge"of Wafer Level Testing[C].International Test Conference,2004:1168-1195.

[4]Riccardo Vettori.General Overview on pad damage:probe key parameters and other causes[R].US,2015:35.

[5]Otto P Weeden.参数测试与接触电阻[R].吉时利仪器公司，2003:11.

[6]张鹏辉.熔丝类电路的修调探索[J].电子与封装，2010,10(4):24-27.

[7]李晓惠.测试探针结构的技术发展[J].制造业自动化，2013(21):97-100.