并行測試探針卡的移動規則選擇

尹麗莉

摘 要：全球已經邁入信息化、智能化時代，半導體集成技術也開始扮演著越來越重要的角色，集成電路的飛速發展必然會帶動集成電路測試技術的不斷更新，從而提高IC的生產效益， 控制產品品質， 其中半導體晶圓測試對IC成本控制也起著重要作用，通過晶圓測試可以將此品盡早的篩查出來，避免次品被封裝而造成成本上的浪費。

本文主要介紹了探針卡及其重要特性參數，針對探針卡在不同移動規則中對芯片及針卡壽命的影響進行了實驗研究，對并行測試中探針卡的移動規則的選擇給出了一定的指導意義

關鍵字：探針卡；并行測試探針卡的移動規則；晶圓；芯片；探針卡壽命

1 探針卡及其特性此參數介紹

探針卡是連接探針機和芯片的一個測試接口，它是測試過程中非常重要而且精密工具，通過卡上的探針與芯片的焊墊直接接觸， 通過探針機進行測試， 從而篩選出芯片的不良品，降低封裝的成本。

按照探針排列方式可將探針卡分為懸臂式、垂直式。隨著半導體芯片體積的越來越小，焊墊面積的越來越小，管腳數量的越來越多，時間成本的越來越高等因素，能應用于并行測試的、高密度的垂直式探針卡在市場上需求量也在隨之增加。并行測試探針卡可根據不同產品的需求， 設計成X4， X8， X16， X32. X64等等不同規格， 各個測試位可排列成橫、豎、斜的一字形， 也可排列成正方形、矩形等，并行測試的測試位數量，主要取決于晶圓上芯片的數量，程序中適合并行測試的測試項數量，以及 整體測試時間等因素； 而測試位的排列則要考慮到晶圓邊緣的扎出次數，當然并行測試探針卡的設計還要考慮到技術參數和維護難度、成本。

探針卡的重要特性參數有：

1）探針的排列校準 （Alignment （X，Y location） - 防止探針扎出焊墊區域外而降低芯片的可靠性。

2）探針的平面度 （Planarity （Z height） - 防止針位過高時，探針 接觸不到焊墊， 造成的電路不通；或針位過低時扎穿焊墊，對后期封裝及芯片質量造成影響 （容易出現短路）

3）接觸電阻 （Contact Resistance ） -影響測試結果

4）針壓 （needle force） - 針壓過大會造成針痕大或深，影響到封裝及芯片質量， 針壓過小，會引起針與芯片的接觸不良。

5）漏電流 （Leakage/Leakage at Over travel ）- 影響測試結果

6）探針針尖參數 （Tip Parameters） -影響測試結果、針痕， 甚至會對封裝及芯片可靠性造成影響。（針徑、針尖錐角、針尖長度、針尖直徑、針尖直徑、觸點壓力）

2 （Multi-site）多位并行測試中探針卡移動規則對芯片及針卡壽命的影響

并行測試 指同一時間內完成同一晶圓上的多個芯片的測試，能夠提高單位時間內的測試效率， 降低測試成本，尤其晶圓上芯片數量過多，測試時間長、程序中允許并行測試的測試項數量多時，并行測試的方法更能明顯提高測試效率。

1）并行測試的優點是顯而易見的， 但是它所帶來的一些負面影響也隨之而來。下面將從3種不同的探針卡測試移動規則方面來進行調查研究。以3448 個芯片的8英寸晶圓為例，采用8X4的32位并行測試探針卡進行測試，可得到以下數據：

a.不接觸晶圓邊緣的不完整芯片時，探針卡需要移動175步，其中被探針扎過次數最多的一個芯片共被接觸了6次，而被接觸了5次的芯片有28顆，被接觸了4次的有200顆， 如果加上復測、第二次測試和第二次測試的復測，這229顆芯片，有可能被接觸15次以上，被扎穿或對封裝打線工藝造成影響的風險會極高。

b.允許接觸晶圓邊緣的不完整芯片， 但不允許扎出晶圓外部區域時，探針卡共需要移動137步，其中一個芯片被接觸的最多次數是3次，大大降低了探針對芯片焊墊的破壞幾率。

c.允許接觸晶圓邊緣的不完整芯片， 且允許扎出晶圓外部區域時，探針卡共需要移動128步，其中一個芯片被接觸的最多次數是2次。

綜合上面的實驗結果，在僅考慮探針卡移動步數及單個芯片被接觸的最多次數因素時，允許探針卡接觸晶圓邊緣的不完整芯片，且允許探針扎出晶圓區域外的方法是最好的， 但是這其中我們并沒有考慮到探針扎到非焊墊區域而造成的異常磨損， 所以我們還要考慮另外一個重要因素， 那就是探針卡的維護及壽命成本。

2）下面的實驗數據是針對以上3種探針卡的移動規則， 而實際測得的對探針針尖直徑壽命的影響 ，本次實驗共用了3塊相同的、全新的探針卡，3組相同晶圓產品， 每塊探針卡采用其中一種移動方式，用同一種晶圓進行測試，晶圓測試機的其它所有參數設置相同，在每塊探針卡做過100k次測試后， 將探針卡送回實驗室，在探針卡測試機上對針尖直徑進行檢測，分別得到了以下3組數據 ：

a.不允許探針接觸晶圓邊緣的不完整芯片時， 探針卡針尖直徑的變化為：邊緣位置（dut0， 7，8，15，16，23，24，31）的針尖直徑變化是 -0.07mils，其他位置的針尖直徑變化為 -0.06mils， 可見32個測試位之間的針尖變化沒有明顯差異。（此卡針徑為2.5mil，針尖直徑略變小是由于在線清潔探針卡方式造成的，為正?，F象）

b.允許接觸晶圓邊緣的不完整芯片， 但不允許扎出晶圓外部區域時，探針卡針尖直徑的變化為：邊緣位置（dut0， 7，8，15，16，23，24，31）的平均針尖直徑變化是+0.08，其他位置針尖直徑變化為 -0.07，可見邊緣位置的針尖磨損較為嚴重。

c.允許接觸晶圓邊緣的不完整芯片， 且允許扎出晶圓外部區域時， 探針卡針尖直徑， 幾乎每個位置的探針都有可能接觸到焊墊外的區域，所以可以看出探針卡的整體磨損較為嚴重，所有32個針位的針尖直徑變化的平均值為+0.065。

綜合以上實驗數據，當單一考慮針卡壽因素，不允許探針接觸晶圓邊緣的不完整芯片時，卡的成本是最低的。

3 （Multi-site） 多位并行測試探針卡移動方案的選擇

通過以上針對性地分析，全面考慮到測試時間成本，并行測試對芯片焊墊區域的破壞，以及由于探針磨損而造成的探針卡維護費用，不難看出最適當的探針卡移動方法就是允許接觸晶圓邊緣不完整芯片， 但是不允許扎出晶圓以外的區域。此種方法避免了單個芯片被測次數過多時， 對封裝及芯片可靠性的影響，與此質量風險相比，8個邊緣位置的探針維護費用也在可以接受范圍內。

以上實驗只是針對于有3000多個芯片的8寸晶圓， 32位（8x4）垂直探針卡而進行的，對于其他型號晶圓、探針卡， 僅有一定的參考作用。

參考文獻

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