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晶圆在片测试探针质量的重要性
信息来源:2021-05-31

关于晶圆测试的管理

每次探针扎针时都需要在良好的电接触与防止损坏晶圆和探针卡之间取得平衡。扎错了,它可能会损坏晶圆和定制的探针卡,并导致不良的良率以及现场故障。
要达到这种平衡,就需要良好的晶圆探测工艺流程以及对所产生的工艺参数的监控,其中大部分过程使用人是看不见的。晶圆测试的机械精细度和合金技术复杂性大多很难在芯片设计,测试设计(DFT),甚至工程师在创建产品的测试策略和测试内容的过程中发现。但这并没有降低它的重要性。
如果没有小心精心设计和控制的晶圆扎针(touch down)过程就无法正确进行测试。如果接触晶圆表面太轻,则测试数据将不完整。如果太重,可能会损坏微小的电路。
Amkor Technology全球测试服务副总裁George表示:“对晶圆探针的了解最少的是晶圆探针针尖对PAD/BUMP下方的有源电路和上游封装工艺的物理影响之间的相互作用。”
弄错这一点会导致制造工厂和现场发生故障。然而,所有这些潜在的长期可靠性问题都与过度的探针测试有关。”
由于产品要求,IC器件可能会在几个温度下接受多个晶圆测试。也可能重新测试以恢复产量。这通常是由于不正确的晶圆测试单元(CELL)设置或探针卡的意外问题而反复发生导致,这需要测试操作员/技术人员进行排查。

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Exensio解决方案主管说:“如果重新测试与测试设置问题相关,那么重新测试是有效且有益的,但如果IC器件实际上是坏的,则此办法意义不大。” “大量问题产生可能由于探针卡不良,测试计划设置问题或设备稳定性问题产生,”
通过监视各种器件测试和设备数据,测试工厂可以主动管理晶圆测试过程,从而迅速识别良率问题并迅速确定是产品还是晶圆测试CELL问题。根据此类数据做出的决策输入MES系统。借助良率管理系统,无晶圆厂公司还可以监控晶圆测试数据以进行重新测试,从而更准确地从测试操作设置问题中识别出晶圆问题。
测试涉及机电连接。机械互动产生物理接触,该物理接触使得能够进行电连接以将功率和信号传输到被测器件。假定pad或bump将经历一些变形,例如擦痕。那么将这种变形减到最小,可以为X、Y、Z轴范围移动探针台提供数十微米量级的工程规范。
探针尖端也会发生变形,使它们在每次扎针时都不太理想。为了尽量减少这种无法避免的影响,需定期清洁探针卡的探针针尖。探针台设备的自动清洁过程需要在Y轴范围数次扎针后清洁探针头针尖,其中Y的范围可以是20-100扎针。
探针台设备,清洁处理和制造监控数据均支持最大程度地减少测试CELL问题。探针卡是测试信号与被测器件(DUT)相遇的地方。探针卡制造商支持多种工程要求,包括晶圆探测过程的电气测试,操作效率和机械本身。

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(下图)Probe-tip-drawing

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晶圆探针基础

当工程师生成ATPG模式,为复杂的SoC设计BiST方案或开发模数转换器测试内容时,他们具有DUT和ATE之间的连线图像。显而易见的是,制造这种线需要大量的机械和冶金技术工程才能实现。
在制造测试车间,技术人员和操作员将晶圆批次(通常为25个晶圆)或封装的单位批次插入测试单元中。这些测试单元由ATE,探测器/处理器,探针卡/负载板和相关的产品测试程序组成。测试单元支持在每个DUT上重复运行测试程序。为了向DUT提供信号和电源,需要在DUT焊盘/引脚和接口硬件之间建立金属对金属的接触。对于晶圆测试(分选或探针),此接口硬件称为探针卡,由探针台来管理将探针针尖接触到芯片PAD/BUMP上的物理过程。
首先考虑的方面是让机械进行良好接触。
ITS公司说到“从位置错误的累积来看,这是一个非常困难的问题。”这些pads的面积为40 x 50微米或更小。考虑一个单点触摸DRAM整个晶圆探针卡,其中120,000个探针在120,000个PAD上扎针,并且同时以相同的行程进行。这可能需要探针台中300mm的平面度窗口优于25微米,这会产生约450KG的力(即每个探针针尖1至2克的力)。” 
现在,考虑合金冶炼的要求。根据后续的封装技术,探针卡的探针针尖接触PADS或C4 BUMP或微型BUMP。对于大多数引线键合封装,PAD由铝或铜制成。在倒装焊过程中,C4BUMP的合金成分很多。虽然晶圆厂和测试车间有洁净/半洁净室,但在这些设施中工作的人需要氧气,氧气与任何金属混合会产生氧化物。这种氧化物会损害每次接地时进行电气测试所需的金属间接触。
穿透氧化物的必要性要求探针卡不只是接触pad /bump-通常可达50微米。这种超程会导致PAD/BUMP上出现擦洗痕迹。一些产品部门需要在晶圆分选中进行多次温度测试。为了限制PAD区域的损坏,工程师的目标是触摸相同的擦洗位置。擦痕的面积越小,它就越不可能影响芯片到封装的连接过程。


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图:晶圆探针步骤可创建金属间接触。资料来源:半导体工程。
在探针卡针尖和要探测的一个或多个芯片(die)之间实现较高的平面度可减少超程量,从而减少擦痕的面积和深度。
平面度描述了(pad)和探针尖之间的垂直距离(z方向)的变化。探针台( Prober)设备通常使用光学对准来评估平面度变化。探针只有在所有探针都进行机械接触后才应用超程距离,以确保高质量的电接触。
使一切保持一致是一门艺术,并且通过多个温度测试,情况变得更加复杂。
探针卡中最重要的元素是探针本身,探针的类从悬臂到垂直弹簧和垂直MEMS。设计考虑因素包括产品的pad尺寸和间距(pitch),电流能力和温度范围。探针材料的特性会固有地影响扎针金属冶炼技术,载流能力和热膨胀系数(CTE)。
CTE直接影响探针尖端到PAD/BUMP的对齐方式,从而影响测试工厂的整体运行效率(OEE)以及产品的可靠性。

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易捷测试为FAB厂提供的定制探针卡
探针台制造商提到 “如果你擦的过多,则会出现可靠性问题”。“大多数客户的pad面积(引线键合产品)在45至55微米至60 x 80微米之间,他们希望有最小的擦痕。由于在不同的温度环境下多次扎针,因此客户最关心的是扎针精度。由于探针卡和晶圆之间的CTE差异,温度会影响对准过程。达到理想的热等效状态可能需要两个或更多个小时。没有工厂可以等待那么长时间,因此就变成了一种权衡。例如,您能否使对准达到足够好的水平,例如正负5微米?您可以应用一些工艺设计知识,并针对不同的温度条件使用预先计算的探针头位置,以便您可以尽快满足对准要求。”
随着将多个位置添加到探针卡,施加到晶圆的力会增加。这些需要进行监控。开放触点的测试结果表明存在潜在的探测问题。
“在晶圆测试中,您的探针卡通常有多个测试点来支持并行测试-4、16、32或更多。Synopsys硅生命周期分析高级应用程序经理解释说,在所有芯片上的所有探针上施加均匀的压力是一个非常关键的参数。“如果存在不均匀的压力,则可能导致一个或多个测试位置的接触失败,因此进行监控非常重要。为了弥补这个问题,确保接触质量良好,运宽营商可能会提供更高超程。但是过度行程会导致护(pad)损坏,这是一种试图通过更高的过度行程来解决第一个影响的有害副作用。这有可能导致芯片的性能下降。

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各式射频探针,手动,半自动,全自动探针台。

监控和管理扎针(touchdown)质量
接触故障通过接触电阻的电气测量进行监控。
探针卡设计人员,晶片测试工程师和测试平台技术人员通过测量接触电阻或CRES来评估金属间化合物接触的质量。此参数设置超程,清洁周期和测试监视器警报的配方,以检测测试/探针台设置的问题。当接触电阻变得太高时,它将对ATE和DUT之间的信号以及传递给DUT的功率产生不利影响。这可能会损坏DUT或探针卡,并影响测试程序区分好与坏芯片的能力。
幸运的是,可以在每个测试的芯片中测量CRES。在对I / O进行的开路和短路测试期间,它在晶圆测试程序的早期进行了计算。这些测试在上电之前检查接触完整性并保护DUT,ATE和探针卡免受损坏。大多数I / O都有ESD保护二极管,测试工程师可以使用这些二极管进行接触电阻测量。最常见的方法是提供两个不同的电流,测量所得的电压,以获得熟悉欧姆定律的斜率(即R = V / I)。CRES可以根据每个信号引脚进行测量。
在多次扎针(touchdown)测试中,晶圆测试过程可以监控CRES的平均值和标准偏差。测试车间操作使用CRES监控作为制造统计过程控制参数。在开发探针测试技术时,模块工程师为每种半导体工艺技术设置CRES规范。现在,每次探针卡接触芯片时,都会变的有点脏,并且污垢会增加接触电阻。为了保持CRES目标,应采取定期清洁。
“用于晶圆分类的探针卡,范围从非常基本的设计到使用类似半导体的2D和3D工艺构建的高度工程化的'通过构造校正'技术,工程人员说到。“没有一种探针或探针卡技术解决方案能够满足所有器件测试要求。但是,所有探针测量解决方案(无论多么先进)都必须在晶片测试期间进行清洁以保持其性能。
由于在同一个芯片上使用多个探针,工程师希望随后的每次扎针都在同一位置进行。这样可以最大程度地减少对引线键合芯片连接工艺的影响。PAD面积未触及的越多,引线键合过程越成功。这一点非常重要,以至于对可靠性相关故障高度敏感的行业(例如汽车行业)限制了晶圆扎针次数。
因此,监控导致高接触故障的因素是每个测试平台操作中的一部分。
为了减轻探针测试过程的管理,监控大量参数证明了该过程的机械电气工程复杂性。Amkor的哈里斯列出了以下内容:
1,重新探测计数;(Re-probe count;)
2,超越禁区;(Stepping beyond exclusion zones;)
3,卡盘运动精度-X,Y和Z以及旋转;(Chuck motion accuracy — X, Y, and Z and rotation;)
4,电接触电阻和站点之间的变化;(Electrical contact resistance and site to site variations;)
5,探测材料的物理尺寸(长度/宽度尺寸最小/最大);(Physical dimensions of the probing material (length/width size min/max);)
6,平面度(Planarity;)
7,对准;(Alignment;)
8,入射角,以及弹簧随时间变化的特性。(Angles of incidence, and Spring characteristics over time.)
哈里斯说:“这些控制参数是使用测试前和测试后的过程,以及在测试过程中使用历史SPC限制和预测分析方法进行现场和实时主动测量的。”
“如果他们必须更换存储卡,那就很贵了,” Advantest 技术和战略副总裁说。“更重要的是,这影响了上市时间,因为现在他们必须订购该探针卡。它必须被组装。必须对其进行校准。必须进行验证。这一切都需要时间。”
订购时间通常为六个月。这可以有助于保持探针卡的健康。测试CELL上的自动清洁是一个维护组件。另一个是使用探针卡分析仪进行定期检查。具有高混合产品的测试台操作可以使用测试(CELL)更换进行定期检查和维护。
Onto Innovation公司提到“使用探针卡分析仪,技术人员可以同时查找电气和机械变化。”检查继电器。它还涉及机械检查探针针尖在X、Y、Z,自由悬挂和超程,检查探针力,检查探针平面度是否没有总线引脚(机电测试)。“
随着测试平台采用工业4.0技术进行创新,主动识别即将出现问题的探针卡的能力可以提高操作效率和测试程序的测量精度。

PDF Solutions的说:“产量/吞吐量下降表明探针卡或负载板发生故障或损坏。” “如果没有适当的数据分析解决方案,则这种下降会持续很长时间,然后才会被发现或解决,直到通过标准维护程序。”

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结论


与组装过程一样,晶圆探针测试中的机械和合金材料技术的挑战需要高质量金属间接触来保证电子的流动。但是对于封装而言,这是一次性连接,而在晶圆探测中,这需要发生多次。对于芯片来说,这可能少则三或多则六次,并且由于电接触不良而重新测试,对于探针针尖,它的扎针次数为数万次。
测试车间的工程团队积极管理探针扎针晶圆过程,并监控测试设备和晶圆测试结果的多个参数。借助测试和工厂设备的分析平台,数据工程师和技术人员可以主动应对接触电阻下降,使用智能探测系统以实现扎针限制,并减少对产品和探针卡的损坏。



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