管理晶圆重测

每个晶圆测试触控都需要在良好的电接触和防止损坏晶圆和探针卡之间取得平衡。如果做错，可能会破坏晶圆和定制探针卡，导致良率低，以及现场故障。

实现这种平衡需要良好的晶圆探测工艺流程以及由此产生的工艺参数的监控，其中大部分是外部世界看不到的。晶圆测试的机械精细度和冶金复杂性在设计中大多是隐藏的，测试设计(DFT)，甚至是创建产品测试策略和测试内容的产品工程师。但这并不意味着它不那么重要。如果没有精心设计和控制的晶圆触地过程，测试就不能正确应用。如果触地过轻，测试数据会不完整。如果太硬，会损坏微小的电路。

“我们最不了解的是晶圆探针尖端对衬垫/凸点以下的有源电路和上游封装过程之间的物理影响，”美国半导体公司全球测试服务副总裁George Harris说安靠．

如果做错了，可能会导致工厂和现场的失败。国际测试解决方案公司(International Test Solutions)技术开发高级副总裁Jerry Broz解释说:“过度探测会导致潜在的长期可靠性问题。”“它可能会导致垫片开裂，影响组装过程中的粘接性。过大的探针标记深度和穿孔可能会损坏衬垫下的电路，导致婴儿故障或行走受伤的设备。”

由于产品要求，IC器件可能在多个温度下接受多个晶圆测试。它也可能被重新测试以恢复产量。这通常是由于晶圆测试单元设置不当或探针卡出现意外问题，需要测试车间操作员/技术人员进行调查。

Exensio solutions的主管Greg Prewitt说:“如果是测试设置问题，那么重新测试是有效的，也是有益的，但如果设备实际上是坏的，就不是这样了。PDF的解决方案．“良率问题可能指向坏的探针卡、测试计划设置问题或设备稳定性问题。”

通过监控各种设备测试和设备数据，测试工厂可以主动管理晶圆测试快速识别良率问题，并快速确定是产品问题还是晶圆测试单元问题。根据这些数据做出的决策为制造执行系统(MES)提供输入。通过良率管理系统，无晶圆厂公司还可以监控晶圆测试数据进行重新测试，以更准确地从测试操作设置问题中识别晶圆厂问题。

测试涉及电气-机械连接。机械作动产生物理接触，使电气连接能够将功率和信号传输到被测设备。这是一个给定的垫或凹凸将经历一些变形，如擦洗痕迹。最大限度地减少这种变形通知x, y, z探头控制的工程规格在几十微米量级。

变形也发生在探头尖端，使他们不理想的每次触地。为了尽量减少这种众所周知的影响，定期清洗探针卡的探针尖端。探针设备使用自动清洗过程，需要在Y次触地后清洗探针尖端，其中Y可以从20到100次触地。

探测设备，清洗处理和制造监控数据都支持最小化测试单元问题。探测卡是测试信号与被测设备(DUT)相遇的地方。探针卡制造商支持多种工程需求，包括电测试、操作效率和晶圆探测过程的机械现实。

晶圆探针基础知识
当工程师生成ATPG模式，为复杂SoC构建BiST方案，或开发模数转换器测试内容时，他们会得到DUT和器件之间的线路图像吃了．不明显的是，制造这种金属丝需要大量的机械和冶金工程。

在制造测试车间，技术人员和操作人员将晶圆批次(通常为25片)或封装单元批次插入测试单元。这些测试单元由ATE、探针/处理程序、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衬垫/引脚和接口硬件之间进行金属对金属接触。对于晶圆测试(排序或探针)，该接口硬件称为探针卡，探针设备管理探针尖端接触模垫/凸模的物理过程。

首先考虑机械处理方面的良好接触。

“从位置错误的叠加来看，这是一个非常困难的问题，”ITS’Broz说。“这些护垫是40 × 50微米或更小的正方形。想想一个单触点DRAM全晶圆探针卡，其中120,000个探针在120,000个衬垫上触点，所有这些都在同一时间以相同的路径移动。这可能需要一个超过25微米的平面度窗口，直径为300毫米，这将产生大约450千克的力(即每个探针尖端1到2克的力)。”

现在，考虑冶金要求。根据后续的封装技术，探针卡的探针尖端会接触一个衬垫或C4凸起，或微凸起。对于大多数线粘接封装，衬垫是由铝或铜制成的。在倒装芯片封装中，C4凸起的冶金成分不同。虽然晶圆厂和测试层有洁净/半洁净的房间，但在这些设施中工作的人需要氧气，而氧气与任何金属混合会产生氧化物。这种氧化物破坏了每次触地时进行电气测试所必需的金属间接触。

突破氧化物的必要性要求探针卡超出触碰垫/凸起的范围——通常高达50微米。这种过度移动会在垫面上留下磨痕。某些产品部门需要在晶圆分拣时进行多次温度测试。为了减少垫区损坏，工程师们的目标是在相同的擦洗位置进行清洗。擦痕的面积越小，它就越不可能影响模具到包装的连接过程。

图1:制造金属间接触的晶圆探针步骤。来源:半导体工程/Anne Meixner

通过探针卡尖端和探针模具实现高平面度，减少了超行程量，从而减少了擦洗痕迹的面积和深度。

平面度描述了在垫和探针尖端之间的垂直距离(z方向)的变化。探头设备通常使用光学对准来评估平面度变化。只有在所有探头产生机械接触后，探头才应用超行程距离，确保高质量的电接触。

保持一切一致是一门艺术，在多次温度测试中，事情变得更加复杂。

探针卡中最基本的元素是探针本身，探针类型从悬臂到垂直弹簧和垂直MEMS。设计考虑因素包括产品的衬垫尺寸和间距、当前性能和温度范围。探针材料的性质对触底冶金、载流能力和热膨胀系数(CTE)有内在的影响。

CTE直接影响探针尖端到垫块/凸点对齐，进而影响测试工厂的整体运行效率(OEE)以及产品可靠性。

图2:DRAM探测卡。来源:形状系数。

“如果刷得太勤，就会出现可靠性问题，”该公司产品营销总监艾伦•廖(Alan Liao)表示形状因子的调查业务部门。“大多数客户的衬垫面积在45- 55微米到60 × 80微米之间(线粘产品)，他们想要最小的擦洗痕迹。在不同的温度环境中有多次达阵，客户最关心的是达阵精度。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小时或更长时间。没有工厂能等那么长时间，所以这就成了一种权衡。你能让对齐足够好吗，比如正负5微米?您可以应用一些工艺设计知识，并在不同温度条件下使用预先计算的探头位置，以便尽快满足对准要求。”

当探针卡上增加多个位置时，施加在晶圆上的力就会增加。这些都需要监控。打开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实现并行测试——4、16、32或更多。在所有芯片上的所有探针上都有均匀的压力是一个非常关键的参数，”Stéphane Iung解释道，他是该公司硅生命周期分析应用的高级经理Synopsys对此．“如果存在不均匀压力，可能会导致一个或多个测试点的接触故障，因此监测非常重要。为了弥补这一问题，确保触点质量良好，作业者可能会提供更高的过行程。但是过行程会导致衬垫损坏，这是试图通过更高的过行程来修复第一个效果的一种有害副作用。这可能会导致模具的退化。”

监督和管理达阵质量
触点失效是通过电测触点电阻来监测的。

探针卡设计人员、晶圆测试工程师和测试层技术人员通过测量接触电阻(CRES)来评估金属间接触的质量。此参数设置超行程、清洗周期和测试监视器警报的配方，用于检测测试/探头设置的问题。当接触电阻变得过高时，它会对ATE和DUT之间的信号以及传递到DUT的功率产生不利影响。这可能导致DUT或探针卡的损坏，并损害了测试程序对好和坏模具的区分。

幸运的是，在每个测试的模具中都可以测量到CRES。它是在晶圆测试程序的早期在I/ o上执行的打开和短路测试期间计算的。这些测试在上电之前检查触点完整性，并保护DUT, ATE和探针卡不受损坏。大多数I/ o都有ESD保护二极管，测试工程师使用它来测量接触电阻。最常见的方法是来源两个不同的电流，测量产生的电压，给你熟悉的欧姆定律斜率(即R=V/I)。可测量每个信号引脚的CRES。

通过多次触地，晶圆测试过程可以监测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。在开发探测技术时，模块工程师根据半导体工艺技术设定CRES规范。现在，每次探针卡接触模具时，它就会变得有点脏，污垢会增加接触电阻。为了维护CRES目标，定期执行清洗。

Broz说:“在晶圆分拣中使用的探针卡从非常基本的设计到高度工程的‘结构正确’技术，这些技术使用类似半导体的2D和3D MEMS工艺制造。”“没有单一的探针或探针卡技术解决方案可以满足所有的设备测试需求。然而，所有的探测溶液(无论多么先进)都必须在晶圆测试期间清洗，以保持其性能。”

对于同一个模具上的多个探针，工程师希望每个后续触碰都在相同的位置触碰。这最大限度地减少了对线键合模具附加过程的影响。未接触垫块面积越大，线粘接过程越成功。这是非常重要的，对可靠性相关故障高度敏感的行业，如汽车，限制晶圆触控的数量。

因此，监测导致高接触故障的因素是每个试验台操作的一部分。

为了减轻探测过程的管理，大量的参数需要监测和控制，这证明了该过程的机电工程复杂性。Amkor的Harris列出了以下几点:

• Re-probe计数;
• 跨越禁区;
• 卡盘运动精度- X, Y, Z和旋转;
• 电接触电阻和地点之间的变化;
• 探测材料的物理尺寸(长/宽尺寸最小/最大);
• 平面性;
• 对齐;
• 入射角和
• 随时间变化的弹簧特性。

Harris表示:“这些控制参数可以通过测试前和测试后的过程进行主动测量，也可以通过历史SPC限制和预测分析方法在测试过程中进行现场和实时测量。”

通过这些参数，试验台工程师和技术人员可以监控探针卡的健康状况，以进行离线维护，因为意外更换非常昂贵——而且不仅仅是美元。

“如果他们不得不更换信用卡，那就会变得昂贵，”该公司技术和战略副总裁Keith Schaub说美国效果显著．“更重要的是，这影响了上市时间，因为现在他们必须订购这种探针卡。它必须被组装。它必须被校准。它必须得到证实。这一切都需要时间。”

订单到货时间一般为6个月。这促使维护探测卡的运行状况。自动清洗测试单元是维护组件之一。另一种是用探针卡分析仪进行定期检查。试验台操作中使用高混合产品时，可使用试验台更换单元进行定期检查和维护。

“使用探针卡分析仪，技术人员可以寻找电气和机械的变化，”达伦·詹姆斯说，技术客户经理上的创新．“这包括电气检查连接电阻，检查探头卡上的电阻和电容值，检查继电器。它还包括机械检查探针尖端在X、Y和Z的位置，包括自由悬挂和过行程，检查探针力，检查探针平面度是否没有总线销(一种机电测试)。”

随着测试楼层采用工业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测量精度。

PDF Solutions公司的Prewitt表示:“产量/吞吐量下降表明探针卡或负载板出现故障或损坏。“如果没有适当的数据分析解决方案，在通过标准维护程序发现或解决之前，退化可能会持续很长一段时间。”

结论
与组装过程一样，晶圆探测中的机械和冶金挑战要求高质量的金属间接触，以保证电子流。但对于封装来说，这是一次连接，而在晶圆探测中，这需要发生多次。对于一个模具，这可能少则三次，多则六次，并且可能涉及多次温度和由于不良电接触而重新探测。对于一个探针尖端来说，它需要成千上万次的触碰。

测试车间的工程团队积极管理晶圆触控过程，并监控来自测试设备和晶圆测试结果的多个参数。通过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，使用智能探测系统来满足触碰限制，并减少对产品和探测卡的损坏。