IC测试期间的清理

测试是一件肮脏的事情。它会污染一个单元或晶圆，或测试硬件，这反过来又会在现场引起问题。

虽然这一点并没有被忽视，特别是随着引脚和球密度的增加而导致的成本上升，以及越来越多的芯片被捆绑在一个封装中，污垢的成本仍然是一个焦点。测试接口板的清洁方法正在改变，分析方法正在改进，以发现测试过程中的问题，并提高整体设备效率(OEE)。

通常，探针和套接字清理属于维护的范畴，但它比听起来要复杂得多，影响也大得多。这些操作会影响IC的可靠性、晶圆厂或封装车间的吞吐量，并最终影响产量。

有效的制造测试需要维护所有测试单元组件，从巨型吃了机器的处理程序，探头，软件，探头卡和加载板。由于重复的探测和插接，支持晶圆和封装水平测试的测试板变得不对准和污染。污垢会增加接触电阻(CRES)，这对重测率、成品率和设备正常运行时间产生不利影响。

对测试工厂来说，定期清洗探头尖端和插座是绝对必要的。但是这些清洗过程会影响负载板/探针卡的使用寿命。因此，测试设备公司一直在寻找最佳的清洗速度，利用分析来管理清洗频率。

在产品生命周期中，其他工程团队通常看不到清洁的影响。“关于探头和插座测试，人们最不了解的是清洗探头尖端和探头材料的频率和效率，比如导电vs非导电，粘性vs研磨性，或激光清洗，”美国电子工程研究所全球测试服务副总裁乔治·哈里斯(George Harris)说安靠．

理解清洁需求的出发点是理解CRES及其对测试过程的影响。

不尽的基础
在测试环境中，一个关键的考虑因素是被测设备的信号和电源垫/引脚到ATE之间的欧姆路径，以提供必要的电压和电流。这条路径有一个预期的阻力范围。阻力越低越好。

DUT的电源影响所有应用测试。对于大型复杂的soc，产品工程师更关心CRES对功率传输的影响，而不是信号完整性。对于专用于电源传输的衬垫/引脚，通常约为40%。随着反复插入，污垢堆积，CRES上升。

晶圆测试中接触电阻的管理一直是一个挑战。它需要足够的力量来打破金属氧化物而不造成产品损坏。

”工程方面,最大的挑战是了解如何控制探测针的接触电阻,使接触死在这样一种方式,你会得到非常低的接触电阻,但你不损害垫从本质上超速或擦洗太多太多,”马克·麦克拉伦说总统的集成技术公司”整个垫损坏的问题,不管是在电路下面垫的表面或活跃,可能是最大的问题。”

随着每一次触底，探头尖端会聚集更多的污垢，从而增加CRES。而当CRES超过极限时，将影响模具试验测量精度。每一次触地都会对衬垫/凸起造成更多的损坏，这可能会影响线键合和倒装芯片封装的组装过程。

当观察到较差的CRES时，操作员可能会稍微增加超行程以满足CRES期望，并对晶圆进行重新测试。在产生更好的电接触的同时，过行程的增加很可能导致磨痕特征的改变。类似地，对于封装模具的测试，操作人员可以控制施加在插座内的弹射销上的力，以使金属间接触产生良好的电传递。

图1:探孔后铜柱。来源:形状系数

“如何保持稳定接触与最小化测试垫/碰撞损伤之间的平衡?目前的生产测试要求高达100k接触点的最大测试效率，这意味着在测试过程中发生超过300kg的力反应。形状因子．“在这些高强度的情况下，探针卡的反作用力也很大。为了避免测试垫/碰撞损坏并保持良好的接触，您可以使用MEMS探头，这大大降低了探头的力。这种先进的探针卡架构在300毫米晶圆面积上实现了出色的探针平面控制。自2014年以来，这些测试挑战推动了对MEMS高级探针卡的需求。”

对于所有类型的包装，工程师一直关注这种力的平衡。线键合技术仍用于75%以上的封装部件，在衬垫上过度过载会对以后的测试步骤和产品质量产生负面影响。

在一个2009年的研究对于线键合封装，名为“晶圆探针测试的参数建模”，Fairchild半导体工程师使用有限元分析来理解以下参数对用于线键合封装的晶圆探针测试的影响:探针超行程(OT)距离、擦除、接触摩擦系数、探针尖端形状和直径。他们特别关注粘结垫下的层间介电层的影响。诱导局部拉应力可能导致ILD失效，这将导致模具级或封装级测试失败，从而可能导致客户退货。

在测试工厂中，平衡游戏是将CRES保持在一个确定的限制下，以保持测试质量。超过该限度，产率降低，重测率增加，导致OEE降低。

清洁的选择
摩擦的物理原理导致磨损。在机械部件中，粘性流体减少了金属与金属之间的摩擦。测试工程师没有这样的选择。在晶圆探针或单元处理系统内的每一次插入都会发生金属对金属的摩擦。随着摩擦产生碎片，探头尖端、弹簧销和插座的磨损，导致更大的CRES值。

“每次你接触护垫，都有可能产生粒子。使用擦洗垫的目的是穿透氧化铝层以接触铝垫。这个过程自然会产生氧化铝颗粒，特别是当你在高温下测试时，它会产生更多的颗粒。廖说。“当你移动到C4凸起或铜柱焊锡凸起时，材料熔点通常比铝和铜垫低。它们可以融化到你的探针尖端，这有助于接触稳定性，即CRES。”

污染也发生在用于单元级测试的负载板上的测试插座上。

Cohu高性能接触器总监兼总经理Dan Campion表示:“插座中的引脚或探针会接触DUT的引脚或焊接球。“它会深入并突破氧化物，所以它会得到一些氧化物。现在，很多探测器都被设计成尽可能少地脱落这种物质。但随着时间的推移，它会积累起来，你需要使用一些清洁方法。”

该行业已通过在晶圆和单元测试中采用清洁工艺来应对。通过去除污染，探头尖端或插座接口的CRES返回其起点。

根据晶圆探针技术、接触器技术和处理设备的不同，实际使用的清洗技术有所不同。对于插座，清洁方法差异很大，包括刷插座、用压缩空气吹出、激光清洗和使用清洁基板。

国际测试解决方案公司技术高级副总裁Jerry Broz表示:“在晶圆分类过程中，当清洗探针卡的探针时，用户可能会使用通常是研磨膜的清洁材料。“对于不太先进的悬臂式或垂直式探针卡，当执行这种类型的研磨清洗时，它将去除探针材料。这种磨料清洗将产生更大的探针尖端，将在被测设备上留下更大的擦洗痕迹。由于磨料清洗过程会去除探针材料，因此也会缩短探针尖端长度，影响探针卡的使用寿命。”

图2:清洗对悬臂探针尖端的影响。资料来源:SWTest Conference, 2007

随着mems探针技术的引入，该行业已经开发出高度工程化的清洗材料。Broz解释说:“装载的聚合物清洁材料可以作为碎片收集器，但也可以提供抛光作用，以清除探针尖端的粘附污染。”“这种先进的清洁方法可以有效地保持接触区域的纹理，并保留探针尖端的整体形状，从而最大限度地增加探针卡的触地次数。”

清洗需要时间，并影响设备正常运行时间。在手动清洗过程中，技术人员将测试单元拆开，取出探针卡或负载板，进行手动清洗过程。这对设备正常运行时间有重大影响。如今，所有探头都支持使用某种清洁基板对探头尖端进行原位清洗。事实上，自动清洗晶圆探针卡是简单的假设。

对插座自动清洗的采用一直呈上升趋势。工程师们首先要证明这是可行的。“在2004年，我们实际上引入了在处理程序中实现套接字清洗的概念。当时，处理程序还没有配置为适应清洁执行，”Broz说。

封装的类型决定了DUT和负载板插座之间的机械接口。这反过来又决定了清洁选项。考虑夹紧固定封装的引脚与接触插座中带有探针引脚的焊料球之间的区别。

对插座自动清洗的兴趣与球栅阵列封装的增长相对应。焊料球在触点中产生的污垢比引脚多。

坎皮恩说:“在焊料球上，会形成氧化物，为了更好地接触，你需要刺穿这个球。”“在这个过程中，它不可避免地会留下残留物，而如果你将大头针插入插座，则几乎不会产生残留物。”

由于测试单元的配置不同，封装测试的原位清洗与晶圆探针测试略有不同。

坎皮恩说:“你有一盘这些清洁设备(cd)。“清洁材料是一种DUT替代品，与DUT插座接口的几何形状相匹配。你把那个托盘装进处理器。当需要进行清洗循环时，cd会自动通过处理程序循环到负载板，就像测试中的设备一样。它们被插入插座一定次数，然后测试电池返回生产测试。”

图3:自动包装清洗组件。资料来源:CMC材料公司旗下的国际测试解决方案

清洗频率
清洗频率直接影响测试接口的CRES和探针尖端和插座的寿命。虽然接触器和探针卡制造商提供了清洁频率的指导，但它总是需要根据正在测试的特定产品进行定制。来自测试人员和测试设备的数据，结合数据分析平台，使工程师和技术人员能够进行更快速响应的定制。

清洁对于晶圆和单元级测试的成功至关重要，找到最佳的清洁频率有利于探针尖端、插座寿命、重测率和设备效率。简单地说，就是看你多久打扫一次。

廖说:“在测试器上，在探针卡触地50到100次后，他们将拉入清洁晶片，清除附着在探针尖端的任何颗粒。”“然而，应用这种抛光工艺也会刮掉探针尖端的材料，缩短探针的寿命。探针卡供应商和测试工程师需要共同努力，以实现对CRES足够好的平衡清洁配方，同时不会对探针卡的使用寿命产生太大影响。”

这需要某种平衡。“如果工厂能在OEE中挤出0.5%，这实际上是非常重要的，因为随着时间的推移，它会累积起来，”该公司技术和战略副总裁Keith Schaub说美国效果显著．“更大的影响是测试硬件的寿命。你不想太频繁地清洁，因为每次你去碰东西，那是磨损。如果清洗太晚，产量和产品质量都会受到影响。”

在最终测试中，清洁策略取决于测试设备。坎皮恩说:“保守的策略是预防性维护。“你会在多次循环后自动清洁，例如10,000次，或者你可能会在多次循环之间进行清洁。另一种方法是监控特定的测试参数-当接触故障超过一定百分比时，您可以运行清洗。这更具适应性，即及时完成清洁工作。”

然而，他指出盲目地响应测试参数可能是一个问题。因此，工厂还需要监控清洁的频率，因为这可能是更深层次需求的指标，比如更换插座、套件或检查整个机械堆栈的对齐情况。

通过数据分析平台，产品和测试工程师可以了解驱动重测和触发清洗周期的参数是否特定于多站点测试板。

“为了跟踪模具良率和连续故障，如果单个测试地点的良率下降，可能会触发前往维修车间，”达伦·詹姆斯(Darren James)说上的创新．

随着大批量生产——每月数百万个零件——人们开始研究机器学习算法来触发清洗周期。

“我应该什么时候打扫?”他们使用规则，例如，如果接触阻力太高，或者他们计算出触地得分的数量，”Advantest的Schaub说。“我们一直在努力提高效率和运营。你可能倾向于过早打扫，因为你不想打扫得太晚。这有点像转动你车上的轮胎。你每2万英里换一次，但这真的取决于你的驾驶。如果你一直都是直线行驶，那么你可能不需要这样做。你可能会飞3万或4万英里。如果你是一个在城市里或弯道上开车的人，而且你经常磨损，你可能需要早点清理。这就是机器学习的意义所在。 Machine learning takes that data and figures that out for you, optimizing when should that cleaning happen again.”

结论
清洁插座和探头从一开始就在那里，因为接触电阻对测试单元和模具有不利影响。清理是必要的，但就像所有中断测试过程的步骤一样，还有改进的空间。

预防性维护方法的结果往往是清洁方法过于激进。一些测试设施采用了响应式方法，使用测试数据来规定清洗频率。触发器是基于统计仓限制还是基于机器学习的算法并不重要。金发姑娘的目标是达到适当的清洁量。

进行最后接触的测试硬件将经历退化。随着半导体制程和封装技术的每一次进步，人们对这一问题的担忧仍在继续。为了应对这一变化，该行业已经改变了清洁技术和最知名的做法，以维护最后一厘米测试接触所必需的测试硬件。

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