摘 要：随着半导体测试技术的不断发展，高温晶元测试已经逐渐成为主流，并且测试温度逐年升高。在不断改良硬件设施的性能外，如何通过持续改进工艺制程和参数来更好的保证高温晶元测试的稳定性和安全性尤为重要。本来通过对高温情况下晶元探针测试的常规表现及影响的分析，提出相应的解决办法。

关键词：热膨胀；接触深度；初始设计；工艺控制；预烤针；动态烤针

1 引言

晶元测试作为芯片制造过程中的一步测试环节，发生在芯片切割封装之前。这一生产环节的目的在于可以在封装工序之前将次品筛除，以节约可能发生的封装工序原材料成本、生产成本以及最终测试工序的测试成本。探针卡作为晶元测试中必不可少的硬件，起到了至关重要的作用。

伴随科技的进步，客户需求对晶元测试提出了更高的要求。尤其是汽车电子相关的芯片，由于需要工作在高低温复杂的环境温度中，相关的温度测试尤其重要。近年来，业内高低温测试逐渐由封装后成品测试向晶元测试转移，使得晶元测试工艺面临更大的挑战。本文简要介绍高温对测试探针卡机械性能方面的影响以及应对措施。

2 晶元及探针卡受测试温度影响分析

在晶元测试过程中探针卡的探针需要与晶元芯片表面PAD良好接触以建立起测试机到芯片的电流通路。接触的深度需要被控制在微米级，按照晶元层结构设计不同，通常在0.5微米到1.5微米之间较适宜。过浅会造成接触不良导致测试结果不稳定，过深则会有潜在的破坏底层电路的风险。而最直接影响接触深度的物理量就是OD（Over-Drive）。与室温测试相比，由于整套测试硬件在高温环境下会发生热膨胀，且在测试过程中会表现出与热源距离相关的持续波动性，要保证高温测试的稳定安全，需要一套特殊的工艺流程来维持OD的相对稳定性。

以图1为例，这是某类探针卡在高温135°C环境中探针卡针尖Z向位置的波动模拟图。这一Z向位置在测试过程中对应OD的零点，因此图中所示的波动值会直接影响加到芯片PAD表面的作用力，从而影响测试稳定性和安全性。通过实验数据可以看出，从常温过渡到稳定高温环境的过程中，探针卡针尖Z向位置发生了超过100um的下降。如果在测试过程中忽略了这一变化，仅按常温工艺参数控制，相当于OD被无形中加大了100um以上，而通常的OD也仅在100um以内，这对芯片的影响将是致命的，很大可能直接导致芯片底层电路被破坏；对测试卡而言影响也是巨大的，大部分探针会因无法承受如此大的压力而导致报废。

同理，高温环境不仅仅影响探针针尖的Z向位置，也会对X向、Y向有一定影响，导致针尖无法扎到晶元PAD指定位置。而一旦针痕扎到PAD以外的其他位置，会导致晶元表面受损，破坏电路或者引起潜在的质量问题，这种缺陷是不可接受的，如图二示例。

3 如何控制高温对晶元测试的影响

为了应对高温测试的需求，高温下探针卡的机械性能成为晶元测试必须考虑的重要内容。

首先，在探针卡的初始设计过程中必须考虑后期需要工作的温度范围。从PCB以及各种配件的材质选择、元器件的耐温性能、探针位置的预偏移量分析设计等多方面入手，尽量从源头降低高温对探针卡的形变影响。

高温生产过程中的工艺控制也是减小测试影响的最重要的环节。一般通过预烤针和动态烤针、对针两方面的操作来降低高温对测试的影响。

所谓预烤针，顾名思义，是在测试开始前对整套测试硬件进行预热，使探针卡各部分形变达到所测温度下的稳定状态。预烤针的时间需要根据实际设备及探针卡来设定，一般需经过试验收集数据后定义。预热过程一般需要把热源放于探针卡的正下方，以使整个探针卡受热均匀。

动态烤针、对针则是针对晶元测试过程异常中断的处理方法。例如测试过程中需要检查针痕位置，或因良品率不好暂停测试同时出现报警需要人为干预，这些动作都会导致探针附近温度波动而影响形变。长时间中断后自动触发重新烤针，并在烤针结束后自动对针可以基本恢复探针位置的稳定状态。对针的目的是将探针卡针尖所在位置与晶元PAD位置做X，Y，Z方向精确对位。结合图1所示探针卡针尖位置随温度波动曲线分析，按时间段分段设置多次对针，可以将形变量误差控制在较小范围内，有利于保证晶元表层及底层电路的安全，但同时也会耗费更多的时间。在保证质量安全的前提下缩短测试时间是晶元测试工艺工程师需要考虑的重要内容。因此，针对不同产品根据实际测试情况调整预烤针、动态烤针及对针的时间间隔和执行时间是很有必要的，最好通过DOE找到最经济安全的参数设置。

随着科学技术的不断进步，晶元测试对温度的要求也越来越高，已经从起初的100℃以内逐渐过渡到125℃～150℃，甚者更高175℃～200℃的需求。作为晶元测试的重要条件，要求工艺工程师必须不断与时俱进地思考、完善测试中的各种方法及参数，在保证产品质量安全以及降低测试成本方面做出持续改进。

参考文献

[1]Cheng-Lung Wang，Shan-Ming Lan.An Investigation in Temperature Effects with an improved Approach of Wafer Probing Test. Journal of Advanced Engineering Vol. 7， No. 3， pp. 109-114/ July 2012

[2]Seong-Hun Choe ； S. Fujimoto ； S. Tanaka ； M. Esashi The 13th International Conference on Solid-State Sensors， Actuators and Microsystems， 2005. Digest of Technical Papers. TRANSDUCERS ‘05. Year： 2005 ， Volume： 2 Pages： 1259 - 1262 Vol. 2

作者简介

闻晓静（1982-），女，天津市，中級工程师，本科，研究方向：半导体测试。