真空探針設(shè)備工藝研究

呂磊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

探針設(shè)備是半導(dǎo)體封裝工藝線上對(duì)完整晶圓進(jìn)行前道測(cè)試的設(shè)備，主要功能是避免對(duì)不合格的芯片進(jìn)行封裝[1]。目前，國(guó)內(nèi)的探針設(shè)備多為大氣環(huán)境下或者通入受控保護(hù)氣體如氮?dú)饣蚨栊詺怏w等環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，不能滿足真空測(cè)試的要求。真空探針技術(shù)是在常規(guī)探針設(shè)備基礎(chǔ)上發(fā)展的，基于真空測(cè)試基本理論及工藝原理，測(cè)試對(duì)象為特殊環(huán)境（主要包括：低溫環(huán)境和特種環(huán)境）測(cè)試要求的芯片[2]。

圖1為研制的手動(dòng)真空探針設(shè)備，與常規(guī)探針設(shè)備相比較，其結(jié)構(gòu)包括真空腔體、真空系統(tǒng)、充氣排氣結(jié)構(gòu)、外部操控結(jié)構(gòu)等。

圖1 手動(dòng)真空探針設(shè)備

1 真空腔體

真空腔體是真空探針設(shè)備的關(guān)鍵部分，真空腔體密封性的好壞直接影響設(shè)備的使用性能。設(shè)計(jì)高可靠性的真空腔體不僅包括腔體本身零部件之間（腔體與腔體蓋、腔體蓋與觀察窗等）的密封性，也包括真空腔體與四周管路、閥門、操作部位之間結(jié)構(gòu)密封的有效性[3]。

真空腔體采用圓柱形不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)，一端密封固定于工作臺(tái)板上；一端采用端蓋密封，端蓋上安裝有觀察窗，端蓋可手動(dòng)取下，用于取放待測(cè)晶圓（芯片）。圖2為真空腔體整體外觀圖。

圖2 真空腔體整體外觀圖

真空腔體設(shè)計(jì)具有的特點(diǎn)：

（1）真空腔體安裝于工作臺(tái)板上，方便操作人員操控，保證足夠的空間以滿足試驗(yàn)和生產(chǎn)的需要。

（2）工作臺(tái)安裝于真空腔體內(nèi)，保證真空密封性。工作臺(tái)x、y向操作位置在真空腔體外部呈90°分布，方便操作人員調(diào)整工作臺(tái)，使待測(cè)芯片快速進(jìn)入圖像采集區(qū)域。兩個(gè)探針操作位置在真空腔體外部呈180°分布，方便操作人員調(diào)整探針，使探針可靠接觸待測(cè)芯片上焊盤。

（3）有足夠數(shù)量的觀察窗和照明系統(tǒng)，便于對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程的觀察和控制。

（4）端蓋鎖緊、打開方便可靠，保證真空腔體密封性。

2 真空系統(tǒng)

高質(zhì)量的真空系統(tǒng)是進(jìn)行真空測(cè)試的基本保證，真空系統(tǒng)由抽真空泵、真空管道和真空測(cè)量等幾部分組成。圖3為真空系統(tǒng)示意圖。

圖3 真空系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)選用SH-100型無(wú)油機(jī)械泵和Torbo0V81M型高真空分子泵，前者用于對(duì)真空室預(yù)抽真空，其特點(diǎn)是1～1.0×103Pa壓力范圍時(shí)抽速大。后者用于抽高真空，工作壓力范圍是1～1.0×10-8Pa。其結(jié)構(gòu)緊湊，壓縮比高，工作壓力范圍寬，工作平穩(wěn)，噪聲小。

SH-100型無(wú)油機(jī)械泵可用于抽除真空腔體中的干燥氣體或含有少量可凝性蒸汽的氣體。該泵為無(wú)油機(jī)械泵，不會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生油霧，避免對(duì)凈化間和真空腔體內(nèi)部產(chǎn)生污染。故該泵特別適用于真空探針設(shè)備中真空腔體的前級(jí)抽氣裝置。

高真空的抽取采用渦輪分子泵，油擴(kuò)散泵價(jià)格相對(duì)便宜，但泵油會(huì)對(duì)腔體造成污染。分子泵不存在油污染問題，故使用分子泵。渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子和定子都裝有多層渦輪葉片，轉(zhuǎn)子與定子葉片的傾斜面方向相反，每一個(gè)轉(zhuǎn)片處于兩個(gè)定片之間。它工作時(shí)，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，迫使氣體分子通過(guò)葉片從泵的上部流向出口，從而產(chǎn)生抽氣作用。排出的氣體經(jīng)排氣管道由前級(jí)真空泵（此系統(tǒng)即為機(jī)械泵）抽走。渦輪分子泵不能直接對(duì)大氣排氣，需要配置前級(jí)真空泵。否則，容易損壞葉片[4]。

真空腔體的壓力檢測(cè)采用XGS-600型真空測(cè)量系統(tǒng)，包括一個(gè)PVG500S型電阻硅管和一個(gè)PCG750型抗氧化型電離真空硅管，前者用于前級(jí)真空檢測(cè)，后者用于真空室高真空度的檢測(cè)。

3 充氣排氣結(jié)構(gòu)

真空腔體上設(shè)置3個(gè)氣體管道接口，分別為真空泵接口、氣體輸入接口（含特殊氣體輸入接口、氮?dú)廨斎虢涌冢U氣排出接口，各接口處分別設(shè)置手動(dòng)真空閥。

充氣排氣結(jié)構(gòu)的主要工藝流程為：關(guān)閉所有手動(dòng)真空閥——打開真空泵，打開真空泵手動(dòng)真空閥——達(dá)到真空度要求——關(guān)閉真空手動(dòng)閥，關(guān)閉真空泵——打開特殊氣體輸入閥——達(dá)到測(cè)試氣壓值——關(guān)閉特殊氣體輸入閥——進(jìn)行測(cè)試——打開氮?dú)廨斎腴y，打開廢氣排出閥——排出測(cè)試特殊氣體。

由于測(cè)試環(huán)境所需特殊氣體可能對(duì)人體有害，因此充入特殊氣體之前，保證其他手動(dòng)真空閥均為關(guān)閉狀態(tài)。測(cè)試結(jié)束后，需要充入氮?dú)庖韵♂尣⑴懦稣婵涨惑w內(nèi)特殊氣體，要保證足夠長(zhǎng)時(shí)間以排出干凈。廢氣輸出接口連接廢氣存儲(chǔ)罐，以利于后期集中處理。

4 外部操控結(jié)構(gòu)

該設(shè)備為手動(dòng)設(shè)備，需要在真空腔體外部進(jìn)行操控，需要完成的操作主要為：承片臺(tái)的x、y向移動(dòng)，兩個(gè)探針的x、y、z向移動(dòng)。圖4為承片臺(tái)y向與探針1操控形式。

從上圖可以看出，承片臺(tái)x、y向分別使用一個(gè)絲杠滑軌平臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)，滑臺(tái)端部安裝具有刻度的手動(dòng)旋鈕，精密調(diào)整真空腔體內(nèi)承片臺(tái)位置，滑臺(tái)與真空腔體之間安裝具有伸縮功能的波紋管，保證移動(dòng)過(guò)程中的整體氣密性。

兩個(gè)探針分別依靠一組三維座調(diào)整探針位置，三維座與真空腔體之間安裝波紋管，由于需要三維調(diào)整，波紋管不僅要求具有伸縮功能，同時(shí)要求在一端固定的情況下另一端可以沿徑向方向平行擺動(dòng)，在加工探針部位波紋管過(guò)程中尤其注意。

圖4 承片臺(tái)和探針操控形式

5 真空腔體密封方式

在真空系統(tǒng)中，常用的密封連接方式主要有CF、KF、ISO等，各密封方式的特點(diǎn)以及在手動(dòng)真空探針設(shè)備選擇密封的方式。

CF系列：CF主要是用在超高真空系統(tǒng)上的密封連接，其主要密封方式是金屬密封即銅墊片密封。需要注意的是銅墊片在使用一次后密封效果會(huì)很差，如果對(duì)真空度要求較高的系統(tǒng)，法蘭每拆卸一次，就需要更換墊片,圖5為CF連接方式示意圖。

圖5 CF連接方式示意圖

KF系列：KF是日常真空系統(tǒng)中比較常見的密封連接方式，主要應(yīng)用在高真空系統(tǒng)中。規(guī)格為KF10～KF50,通常情況下KF連接的管道尺寸是相對(duì)于英寸規(guī)格來(lái)說(shuō)的。即KF25對(duì)應(yīng)的管道是25.4 mm×1.65 mm，依此類推 (有的要求特殊管道，法蘭的焊接尺寸可以定制)。KF最大到KF50（配管是50.8 mm×1.65 mm)之后的真空連接就是ISO系列，圖6為KF連接方式示意圖。

圖6 KF連接方式示意圖

ISO系列：ISO也是用于高真空系統(tǒng)中的配件，最小規(guī)格是ISO63（配管是63.5 mm×1.65 mm）再往后是ISO80、ISO100、ISO160直至ISO320甚至更大規(guī)格，連接方式是雙卡頭連接,主要是兩個(gè)ISO的法蘭片，中間加密封圈，然后用4個(gè)雙卡頭卡住法蘭片進(jìn)行連接。要注意的是通常情況下ISO系列的密封圈相對(duì)于KF系列的真空密封圈除了有中心支架和氟橡膠材質(zhì)的密封圈外，還多了一個(gè)鋁制的彈簧外圈，其主要作用是防止密封圈滑脫。因?yàn)镮SO系列的管路尺寸相對(duì)較大，密封圈套在中心支架上受到機(jī)臺(tái)震動(dòng)或者溫度的影響，如果無(wú)固定會(huì)滑脫，影響密封，圖7為ISO連接方式示意圖。

圖7 ISO連接方式示意圖

研發(fā)的手動(dòng)真空探針設(shè)備要求的真空度屬于中低真空度（1×10-3Pa～1×10-4Pa）；真空腔體容積大約25 L，管道直徑大約25～40 mm即可快速抽取腔體內(nèi)氣體，達(dá)到設(shè)備要求真空度。

綜合手動(dòng)真空探針設(shè)備要求，ISO系列由于規(guī)格尺寸比較大，連接方式裝卸不方便，因此不適合應(yīng)用于該設(shè)備；CF系列應(yīng)用于高真空系統(tǒng)，每拆卸一次都需要更換銅墊，也不適用于研發(fā)型設(shè)備。KF系列由于其裝卸方便，不需要借助其他安裝工具，手動(dòng)安裝即可；規(guī)格尺寸也滿足腔體要求，因此在手動(dòng)真空探針設(shè)備中選用KF系列非常合適，圖8為應(yīng)用KF系列的設(shè)備管路圖。

圖8 應(yīng)用KF系列的設(shè)備管路圖

6 真空探針臺(tái)操作流程

6.1 上片

打開腔體端蓋，將承片盤清潔干凈，避免雜質(zhì)影響晶圓的平整度，然后用鑷子將晶圓放在承片盤上，固定晶圓，調(diào)整三維座，使探針座針尖處于待測(cè)芯片上方，蓋上并鎖緊端蓋。打開圖像軟件，調(diào)整倍率、工作距離、光源亮度強(qiáng)弱，使圖像清晰顯示于顯示器上。

6.2 抽真空

打開真空閥門，關(guān)閉其它閥門，打開真空計(jì)電源，打開真空泵。達(dá)到要求真空度后，關(guān)閉真空輸入閥門，關(guān)閉真空泵。

6.3 輸入特殊氣體

將特殊氣體管路與特殊氣體輸入閥門可靠連接，打開特殊氣體輸入閥門，觀察復(fù)合真空計(jì)上讀數(shù)，當(dāng)真空腔內(nèi)氣壓大于1×105Pa時(shí)，讀數(shù)顯示HHK，此時(shí)關(guān)閉特殊氣體輸入閥門。

6.4 測(cè)試

通過(guò)三維座調(diào)整測(cè)試針到待測(cè)焊盤，讀取測(cè)試儀結(jié)果。xy向滑臺(tái)可以調(diào)節(jié)承片盤位置，進(jìn)而調(diào)整晶圓位置。

6.5 輸入氮?dú)?/h3>

測(cè)試完成后，打開廢氣排出閥門，打開氮?dú)廨斎腴y門，將真空腔中特殊氣體排出后，關(guān)閉氮?dú)廨斎腴y門和廢氣排出閥門。

6.6 測(cè)試完成

測(cè)試完成后，打開腔體端蓋，取出測(cè)試晶圓。

7 結(jié)束語(yǔ)

真空探針設(shè)備是常規(guī)探針設(shè)備發(fā)展的一個(gè)重要分支，隨著特殊環(huán)境應(yīng)用芯片、低溫環(huán)境應(yīng)用芯片等非常規(guī)芯片的高速發(fā)展，真空探針設(shè)備的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多。手動(dòng)真空探針設(shè)備是此類設(shè)備的技術(shù)基礎(chǔ)，未來(lái)高自動(dòng)化、超高真空、超低溫等滿足各種測(cè)試要求的真空探針設(shè)備將成為發(fā)展的主要方向。

[1] 童志義.探針測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)介[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2008（2）：1.

[2] Mark Allison.晶圓測(cè)試探針新的測(cè)試價(jià)值[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2008（4）：1-2.

[3] 屈金祥，陸燕.低溫真空腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傳熱分析[J].低溫工程，2006（1）：40-43.

[4] 楊俊波.MEMS真空封裝關(guān)鍵技術(shù)研究[P].華中科技大學(xué)，2005：25-26.