晶圓級(jí)微波測(cè)試工藝研究

呂 磊，胡曉霞，鄭如意

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所， 北京100176)

新興智能業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，需要更加高速、高效和智能化的通信技術(shù)作為其發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)[1]。微波技術(shù)是5G 時(shí)代的基礎(chǔ)，未來通信技術(shù)將朝著兩個(gè)方向發(fā)展，一個(gè)是互聯(lián)網(wǎng)，另一個(gè)是物聯(lián)網(wǎng)，致力于解決現(xiàn)有的機(jī)械存在的海量通信問題，而其中的微波器件及其測(cè)試技術(shù)將是核心所在。

1 微波的特性及應(yīng)用

微波信號(hào)是指頻率為300 MHz～300 GHz 的電磁波信號(hào)，其最重要應(yīng)用是雷達(dá)和通信，微波器件按其功能可分為微波振蕩器、功率放大器、混頻器、檢波器、微波天線等[2]。

微波的基本性質(zhì)呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，幾乎是穿越而不被吸收；對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱；對(duì)于金屬類物體，則會(huì)反射[3]。由于微波的特性，其在空氣中傳播損耗很大，傳輸距離短，但響應(yīng)速度快，工作頻寬大，使得微波器件制作流程中的測(cè)試工藝不同于常規(guī)測(cè)試。在微波探針出現(xiàn)之前，無法對(duì)封裝前的芯片進(jìn)行高頻特性測(cè)試，只能在封裝后進(jìn)行測(cè)試篩選。會(huì)造成封裝工藝的浪費(fèi)，同時(shí)難以判斷封裝階段對(duì)器件高頻特性的影響力[4]。

2 測(cè)試工藝要求

晶圓級(jí)微波測(cè)試通常在微波探針臺(tái)上進(jìn)行，與常規(guī)探針測(cè)試臺(tái)技術(shù)比較，需要在電磁屏蔽、信號(hào)采集、信號(hào)處理等方面進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)，防止測(cè)試數(shù)據(jù)因傳輸損耗、外界干擾等影響測(cè)試結(jié)果。

微波探針臺(tái)測(cè)試，首先將待測(cè)晶圓置于承片盤上，然后對(duì)承片盤進(jìn)行制冷或加熱，制冷過程要對(duì)屏蔽室充入壓縮氮?dú)夥乐估淠退F，當(dāng)承片盤溫度達(dá)到微波器件測(cè)試要求時(shí)，檢測(cè)微波器件在此環(huán)境下的反應(yīng)狀態(tài)，以此判斷器件的優(yōu)劣，測(cè)試流程如圖1 所示。

圖1 微波探針臺(tái)測(cè)試流程

3 微波探針臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微波探針臺(tái)主要由工控機(jī)、屏蔽室、測(cè)試儀接口電路、傳感器系統(tǒng)、高低溫系統(tǒng)、人機(jī)界面、XYZ工作臺(tái)等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 微波探針臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 屏蔽室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微波屏蔽室是微波探針的關(guān)鍵部分，需具有密封性、電磁/噪聲屏蔽性等技術(shù)特點(diǎn)。

微波屏蔽室采用長(zhǎng)方體設(shè)計(jì)，上端面利用探針臺(tái)板的下平面，下端面采用可伸縮板結(jié)構(gòu)，便于承片臺(tái)XY 向運(yùn)動(dòng)，保證測(cè)試過程中承片盤在屏蔽室內(nèi)全行程無障礙運(yùn)動(dòng)，并與承片臺(tái)接觸部分密封良好，前側(cè)面設(shè)計(jì)有下翻式密封門。屏蔽室下端面與四周材料均選用不銹鋼材料。

在電磁屏蔽技術(shù)中，電磁屏蔽效能更大程度依賴于屏蔽室結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)電的連續(xù)性。屏蔽室的接縫、開口等都是電磁波泄漏源。另外，穿過屏蔽室的線纜也是造成屏蔽效能下降的主要原因。

屏蔽室縫隙電磁泄漏的解決方法就是在縫隙處用電磁密封襯墊。常用電磁密封墊有導(dǎo)電橡膠、雙重導(dǎo)電橡膠、金屬編織網(wǎng)套、螺旋管襯墊等。

屏蔽室開口的電磁泄漏與開口現(xiàn)狀、輻射源特性及輻射源到開口距離有關(guān)。通過適當(dāng)?shù)拈_口尺寸設(shè)計(jì)和輻射源到開口距離設(shè)置可以改善屏蔽效能。

3.2 承片臺(tái)制冷與加熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

承片臺(tái)要求承片盤溫度控制范圍-40～+200 ℃；溫度控制精度±1 ℃。加熱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為將加熱盤放置于承片盤下側(cè)，并與承片臺(tái)其他部件之間加裝隔熱裝置，盡量降低溫度傳導(dǎo)速度；制冷是將制冷裝置設(shè)置在承片盤下側(cè)，通過制冷氣體循環(huán)管路直接對(duì)承片盤進(jìn)行制冷。需要進(jìn)一步改進(jìn)承片盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使承片盤能夠更均勻地傳導(dǎo)溫度，保證承片盤表面溫度一致，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)緊湊性。在承片盤側(cè)面加裝高靈敏度溫度傳感器，通過溫度控制系統(tǒng)，進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。承片臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 承片臺(tái)制冷與加熱結(jié)構(gòu)圖

3.3 探針、探卡可靠性設(shè)計(jì)

圖4 微波探針

微波器件晶圓級(jí)測(cè)試主要是利用經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的微波探針作為同軸電纜和微波器件間微波信號(hào)傳送的接觸媒介，所用的微波探針通常為共平面型，如：常見的有G-S-G 和G-S 兩種，如圖4 所示，其中的接地部分（Ground）將連到同軸電纜的接地部分，此接地部分提供了微波信號(hào)在探針上傳送時(shí)電磁場(chǎng)的一個(gè)收斂途徑，避免傳送信號(hào)因基板的耗損而失真、衰減。由于G-S-G 型的微波探針具有兩個(gè)對(duì)稱的收斂途徑（Ground），可實(shí)現(xiàn)探針與基板間良好的隔絕效果，減少了微波信號(hào)因傳送的失真，因此比G-S 型更適用于較高頻率的測(cè)試。微波探針的針間間距通常有一定的規(guī)格，以G-S-G 型為例，其每一個(gè)針間的距離通常為100～250 μm，因此當(dāng)設(shè)計(jì)微波器件的金屬接觸板時(shí)，需事先考慮后續(xù)測(cè)試時(shí)微波探針?biāo)枰囊?guī)格。G-S-G 微波探針扎針與針痕如圖5 所示。

圖5 G-S-G 微波探針扎針及針痕

3.4 微波屏蔽室窗口設(shè)計(jì)

由于微波屏蔽室是一個(gè)密閉的環(huán)境，晶圓取放時(shí)需要將屏蔽室打開，為了方便操作，需要設(shè)計(jì)屏蔽室窗口。合理的窗口設(shè)計(jì)應(yīng)滿足操作人員方便取放晶圓，窗口關(guān)閉與鎖緊要保證微波屏蔽室的電磁密封性。在屏蔽窗口設(shè)計(jì)時(shí)，使用氮?dú)鈴椈山Y(jié)構(gòu)輔助窗口打開、定位以及關(guān)閉；在窗口四周粘貼密封材料，減弱電磁干擾。晶圓取放窗口示意圖如圖6 所示。

圖6 屏蔽室窗口示意圖

4 微波測(cè)試工藝研究

由于微波器件產(chǎn)品種類多，而且應(yīng)用領(lǐng)域廣，對(duì)測(cè)試工藝的要求各有不同，需要針對(duì)不同測(cè)試要求調(diào)整測(cè)試參數(shù)和改變測(cè)試形式。微波探針臺(tái)就是利用測(cè)量?jī)x器對(duì)微波器件進(jìn)行定量分析，基本參數(shù)包括頻率（或波長(zhǎng)）、駐波比（或反射系數(shù)）、功率等；其它參數(shù)包括衰減、阻抗、相位、散射、諧振、交調(diào)、介電常數(shù)、品質(zhì)因數(shù)等，都可以由基本參數(shù)導(dǎo)出。

現(xiàn)有的微波測(cè)量?jī)x表可對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行直接或間接測(cè)量，但在儀表和待測(cè)件的連接上存在一定難度。微波測(cè)量?jī)x表、測(cè)試電纜以及傳輸線的連接方式通常有：N 型連接器、SMA 連接器、3.5 mm連接器、BNC 連接器、波導(dǎo)連接器等。另外，與待測(cè)件連接后，需要對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，要求校準(zhǔn)的參考面盡量接近待測(cè)件兩端。針對(duì)不同種類的微波器件，選擇合適的測(cè)試參數(shù)和測(cè)試形式對(duì)于最終測(cè)試效果非常重要。

4.1 平臺(tái)搭建

以某微波器件測(cè)試為例，測(cè)試系統(tǒng)采用E5061A 射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀通過GPIB 與工控機(jī)進(jìn)行通訊[5]，根據(jù)測(cè)試工藝需要進(jìn)行測(cè)試界面編輯，如圖7 所示。

圖7 測(cè)試界面

4.2 程序編寫

HighCalTest()// 高點(diǎn)損耗測(cè)試

4.3 測(cè)試數(shù)據(jù)讀取與分析

根據(jù)測(cè)試儀反饋圖如圖8 所示，進(jìn)行主機(jī)與測(cè)試儀接口通訊，提取測(cè)試結(jié)果，如圖9 所示。結(jié)果分析如圖10 所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，可以了解被測(cè)晶圓上器件品質(zhì)狀況。

圖9 為4 片晶圓各測(cè)試40個(gè)點(diǎn)頻率的測(cè)試結(jié)果，單位為MHz。圖10 為第一片晶圓采用柱狀圖對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，中心頻率為1498 MHz，設(shè)定好點(diǎn)頻率的閾值范圍為1488～1508 MHz。其中深色柱狀圖表示通過測(cè)試的好點(diǎn)。

圖8 測(cè)試儀顯示圖

圖9 測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

探針設(shè)備是半導(dǎo)體封裝工藝線上的關(guān)鍵設(shè)備，是對(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，減少不必要的浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本[6]。微波探針臺(tái)作為一種特殊用途探針設(shè)備，在微波器件晶圓級(jí)測(cè)試過程中是必不可少的。

圖10 測(cè)試結(jié)果分析

本文只對(duì)微波探針臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、部分頻率器件的測(cè)試工藝進(jìn)行了介紹，對(duì)高頻器件、太赫茲、功能性測(cè)試、自動(dòng)化機(jī)型以及基于局域網(wǎng)擴(kuò)展的LXI 接口總線方面[7]，仍需要進(jìn)一步研究。