顧 吉，吳建偉

（1.東南大學，南京 211189；2.中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214072）

一種微型探針臺的設(shè)計和應(yīng)用

顧 吉1,2，吳建偉2

（1.東南大學，南京 211189；2.中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214072）

介紹了一種便攜式探針臺，其結(jié)構(gòu)小巧，功能實用，成本較低，可以滿足基本的試驗需求。特別之處在于顯微鏡和探針臺采用分體結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得探針臺部分能從整個探針臺系統(tǒng)中獨立出來，可以應(yīng)用于輻照試驗中。固定在探針臺上的芯片可以與探針臺一起放置于空間任意位置，方便將芯片對準輻照源中心。該探針臺也可放置在高低溫箱中，用于芯片的三溫測試。加上顯微鏡固定采用多角度云臺支架設(shè)計，支持全方位觀察，可以使得觀察更加立體直觀。探針卡采用多探針結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)多路測試，并且探卡及其信號連接線采用了低漏電及EMI設(shè)計，測試精度可以達到0.1 nA以下，配合接地良好的鋁制屏蔽盒，增加了抗干擾能力，其測試數(shù)據(jù)更加精確。

探針臺；晶圓；輻照；高低溫；測試系統(tǒng)

1 引言

探針臺（Prober）主要應(yīng)用于半導體行業(yè)以及光電行業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)制造、失效分析過程中，是對晶圓(Wafer)上的器件進行電特性測試或故障分析而使用的精密機臺，通過探針臺能很好地幫助工程技術(shù)人員實現(xiàn)微小位置的電學參數(shù)測試。探針臺從操作方式上可分為手動、半自動和全自動機臺，自動和半自動機臺一般用于大規(guī)模生產(chǎn)，手動探針臺用于小批量抽檢和試驗研究；從功能上來分，可分為高低溫探針臺、RF探針臺、LCD平板探針臺等。

探針臺系統(tǒng)通常由基臺（精密機械）部分、載片臺（Chuck）、探針座、光學系統(tǒng)、測試機（ATE,Automatic Test Equipment）、配件（例如防震桌、遮光罩、屏蔽罩等）以及其他輔助增強系統(tǒng)（例如激光切割機、溫度控制組件、打點器、真空泵等）組成。探針臺被廣泛應(yīng)用于復雜、高速器件的精密電氣測試過程中，旨在確保質(zhì)量及可靠性，并縮減研發(fā)時間和器件制造工藝的成本。

在實際科研生產(chǎn)過程中，由于晶圓的尺寸越來越大，用于大尺寸晶圓測試的探針臺相當昂貴。測試人員通常采用劃片分割的方式，將大晶圓切割成孤立的單個晶粒（single die）——比如從藍膜（blue tape）上取下來的晶?；蛘唛_封后的晶粒都可以作為單個晶?！M行測試。使用手動探針臺測試單個晶粒時，將探針卡上的探針與芯片上的焊墊（pad）或凸塊（bump）直接接觸，通過測試機向芯片提供測試矢量和測試電流、電壓，同時還需要從被測芯片上采集輸出信號，導出芯片訊號，達到測試的目的。

2 探針臺系統(tǒng)

下面簡述一下探針臺系統(tǒng)的基本組成部分，本系統(tǒng)為了體現(xiàn)經(jīng)濟性、便攜性，在滿足基本測試功能的前提下去除了非必要的部件，采用極簡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此處的探針臺系統(tǒng)包括光學成像部分、測試機和探針臺，如圖1所示。

圖1 探針臺系統(tǒng)

2.1 光學成像部分

測試過程中要用顯微鏡來檢查外觀和觀察探針到測試觸點的對位情況。此系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡單的單筒光學CCD顯微鏡，它的一端裝有物鏡對準待測晶圓，另外一端裝有 CCD攝像頭，CCD攝像頭通過AV-USB圖像盒和電腦連接，利用圖像處理軟件來觀察焊盤與探針的對齊情況，完成對測試芯片的精確定位。圖像處理軟件可直接保存觀察畫面，也可以對圖像進行分析處理，從而實現(xiàn)觀察、記錄與測量一體化進行。安裝在顯微鏡下端的LED環(huán)形燈光源照射到待測芯片表面，可以通過調(diào)節(jié)LED的光強來得到明視野、暗視野等觀察效果。圖2所示為顯微鏡下拍攝到的圖片，其中圖2（a）為4 PAD單元器件圖片，PAD的邊長為100 μm；圖2（b）為顯微鏡下看到的探針針尖部分圖片，針尖尺寸在15 μm左右；圖2（c）為扎針后正上方垂直視圖；圖2（d）為扎針后側(cè)方位視圖。

圖2 顯微鏡下拍攝到的圖片

此處選用的顯微鏡具有較大的景深，可以清晰地觀察探針尖頂處與焊盤的接觸情況，顯微鏡固定采用多角度云臺支架設(shè)計，支持全方位觀察，使得觀察更加立體直觀。顯微鏡具有較遠的工作距離，物鏡離開測試芯片高度約為80 mm左右，這樣就不會影響到下方探針臺的移動。通過調(diào)節(jié)顯微鏡鏡筒下部的倍率環(huán)和顯微鏡兩側(cè)的調(diào)焦手輪，直至屏幕圖像清晰，倍率越小，視場越大，調(diào)整高度越高，反之亦然。

2.2 測試機

為了測試晶圓上的芯片，就必須給晶圓上的芯片提供測試矢量和測試電流、電壓，同時還需要從被測芯片上采集輸出信號，測試機通過屏蔽導線與探針臺所固定的芯片上的焊盤相接觸，由測試機完成對待測芯片特性的測試。

測試機可以根據(jù)測試要求的不同選用不同的測試機，本文中涉及的測試機是KEITHLEY 4200-SCS半導體特性分析系統(tǒng)（見圖3），下面的測試圖片都出自這臺測試機。

圖3 KEITHLEY 4200-SCS半導體特性分析系統(tǒng)

2.3 探針臺

將待測芯片放在探針臺的承片臺上，通過調(diào)節(jié)四軸操作器，探針可以在X、Y、Z、θ軸方向自由移動，選擇測量點，通過探針與晶圓中芯片上焊盤的接觸來將焊盤連接至測試機，其結(jié)構(gòu)特點在下一節(jié)中詳述。

3 探針臺的總體結(jié)構(gòu)

3.1 總體結(jié)構(gòu)和應(yīng)用范圍

該探針臺從上往下分6個部分：A、測試部分；B、承片臺；C、回轉(zhuǎn)平臺；D、垂直升級機構(gòu)；E、X-Y水平移動機構(gòu)；F、防振基座。參見圖4。

該探針臺的回轉(zhuǎn)平臺、垂直升降平臺和水平移動機構(gòu)均采用彈簧復位機構(gòu)，避免了傳統(tǒng)的高精密滾珠絲杠在傳動時的間隙影響。

待測芯片固定在一塊基板上，并通過基板兩側(cè)設(shè)置的螺釘固定到承片臺中心上。承片臺可以根據(jù)不同要求更換不同的類型，芯片的固定方式也可以有多種選擇，比如磁力固定、真空吸附。探針卡通過4個角上設(shè)置的螺釘固定在基臺立柱上。承片臺通過螺釘固定在回轉(zhuǎn)平臺上，回轉(zhuǎn)平臺的轉(zhuǎn)動范圍為0°～360°，轉(zhuǎn)動精度為5′；回轉(zhuǎn)平臺通過螺釘固定在垂直升降機構(gòu)上，垂直升降機構(gòu)的調(diào)節(jié)范圍為0～10 mm，調(diào)節(jié)精度為0.01 mm；垂直升降機構(gòu)通過螺釘固定在水平移動機構(gòu)上，水平移動機構(gòu)包括X軸移動機構(gòu)和Y軸移動機構(gòu)，X軸移動機構(gòu)和Y軸移動機構(gòu)的調(diào)節(jié)范圍均為0～12 mm，調(diào)節(jié)精度均為0.01 mm。

圖4 探針臺結(jié)構(gòu)圖

3.2 友好操控設(shè)計

該探針臺按照實用、經(jīng)濟、美觀的設(shè)計原則，在保證產(chǎn)品技術(shù)指標的同時，特別考慮到了基臺的穩(wěn)定性，包括強度、剛度等問題，避免產(chǎn)生變形、機械傳動精度下降等問題，從而提高了探針臺的可靠性和使用壽命。

在外觀方面，底座采用圓角矩形設(shè)計，加上圓柱型立柱支撐了同樣采用圓角矩形設(shè)計的探針卡，上下通體，體現(xiàn)了“人-機-環(huán)境”的和諧統(tǒng)一。在操作旋鈕布置方面，采用人機工程設(shè)計方式，對于調(diào)節(jié)旋鈕等操作部件進行合理的選擇與布置，旋鈕表面采用滾花斜十字紋，手感觸覺良好，刻度采用淺灰色背景和細黑字體，清晰易讀，防振基臺設(shè)備結(jié)構(gòu)符合人的心理和生理特點，使得操作人員能夠方便有效地使用設(shè)備，同時該探針臺結(jié)構(gòu)簡單，方便拆裝和維修。

3.3 防腐蝕設(shè)計

為了防治探針臺金屬部分與周圍環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生化學或電化學作用而引起破壞，對于金屬表面進行了防腐蝕處理。X、Y、Z、θ軸旋鈕調(diào)節(jié)機構(gòu)采用鋁制表面本色陽極氧化處理，使得鋁制旋鈕表面形成淡灰色的鈍化層，可大大降低金屬的腐蝕速度；X、Y、Z、θ軸鎖緊旋鈕是由黃銅材料制作而成，表面鍍亮鎳，鍍鎳層在大氣環(huán)境下由于表面形成致密的鈍化層而非常穩(wěn)定，同時鍍鎳層具有高硬度和良好的耐磨性，可以增加緊固部件的使用壽命；水平移動機構(gòu)、垂直升降機構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺都是鋁制材料，采用黑色硬質(zhì)陽極氧化，大大提高了鋁制品的耐腐蝕性和耐磨性；防振基臺由鋼材制成，采用表面發(fā)黑處理，基臺立柱用的材料是304不銹鋼。綜上，整個探針臺得到了很好的防護，大大提高了整體的耐腐蝕性和使用壽命。同時整體視覺黑白相間，美觀大方。

3.4 微型探針臺的優(yōu)點

該探針臺采用顯微鏡和探針臺分體式設(shè)計，探針臺結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、移動方便，不但可以滿足正常的測試需求，還可以用于芯片輻照試驗。探針臺可以方便地放入輻照測試腔中，固定在探針臺上的芯片進入輻照測試腔內(nèi)可與探針臺一起放置于任意位置，方便將芯片對準輻照中心；該探針臺也可放置在高低溫箱中，用于芯片的三溫測試。

特別的是該探針臺采用探卡扎針，在一塊探針卡上可以根據(jù)測試要求的不同安裝不同數(shù)量的探針，可同時完成多針測試或者一次完成多通道測試。探針卡固定在探針臺立柱頂面，探針相對于整個基臺不動，旋動X、Y、Z、θ軸，使芯片移動到探針下方，最后再次旋動Z軸，使得所有探針同時扎到待測芯片的PAD上，避免了傳統(tǒng)探針臺每次都要單獨扎針的方式。在整個過程中，顯微鏡相對于探針的位置也是固定的，聚焦點始終保持在探針尖端上，可以直接觀察到探針尖端和PAD的接觸情況。

4 探卡可靠性及EMI防護

4.1 器件測試中的低漏電現(xiàn)象

晶圓級（未封裝的裸芯片）IC器件參數(shù)測試，首先在顯微鏡下識別不同的測試，如圖5，在測試圖形中選定某寬長比的NMOSFET（或PMOSFET），確定其漏D、柵G、源S、襯底B各電極DUT PAD，通過探針測試卡上的探針陣列，連接到半導體參數(shù)測試儀上進行測試。其原理框圖如圖6所示。

圖5 器件測試圖形

圖6 器件測試原理圖

在測試NMOSFET的Id-Vd曲線時，在亞閾值區(qū)域測試段顯示數(shù)據(jù)異常，通過用國外探針臺和自制探卡做對比測試，結(jié)果如圖7所示。圖7（a）是用國外探針臺測試的結(jié)果，圖7（b）是用本文中的探卡測試的結(jié)果，分別對這兩張圖的亞閾值區(qū)域進行放大，得到圖7（c）和圖7（d）。從圖中可以看到，在國外探針臺上測試的亞閾值電流值在1×10-12A以下，而用探卡測試的亞閾值電流值已經(jīng)接近1×10-9A，這說明探卡測試存在嚴重的漏電問題，漏電量級在1 nA左右。

4.2 探卡低漏電防范措施

為了避免探針卡出現(xiàn)低漏電問題，通過實驗驗證，可以采取以下防范措施。

（1）保證探卡清潔干燥，在使用前可以用酒精或丙酮清洗，然后置于150℃下烘烤2 h干燥后使用。

（2）探針卡制作時，要盡可能放大孔環(huán)間距并且提高阻焊工藝能力來保證阻焊橋的制作，避免孔環(huán)間阻焊橋脫落、孔環(huán)間基材裸露所引起的板絕緣性能下降導致的漏電超標。

（3）探針卡基材使用具有較高電阻率的材料，從而提高PCB板的絕緣性能。表1是某些絕緣材料的體積電阻率ρv（20，空氣中）。

表1 絕緣材料的體積電阻率ρv（20，空氣中）

（4）探針排布采用最稀松的排布原則，增加探針尾桿之間的間距，同時采用絕緣性能較高的膠粘體來固定探針，膠粘體要用烘箱烘烤固化，以排除膠粘體中的揮發(fā)性物質(zhì)。

4.3 探卡的可靠性布線

探卡電路板的布線方式會對測試產(chǎn)生一定的影響，為了減少這一影響，在布線時要注意以下問題：

（1）為了抑制印制導線之間的串擾，在設(shè)計布線時應(yīng)盡量避免長距離的平行走線，盡可能拉開線與線之間的距離,信號線與地線及電源線盡可能不交叉。

（2）電源線和地線盡可能靠近，整塊印制板上的電源與地要呈“井”字形分布，以便使分布線電流達到均衡。

（3）要為模擬電路專門提供一根零伏線以減少線間串擾，同時盡可能增加印制線條的間距，注意安插一些零伏線作為線間隔離。

（4）印制電路板上印制線的寬度不要突變，傳輸線拐角處不要出現(xiàn)直角或銳角，應(yīng)該盡量采用圓弧過渡，以降低回損。

4.4 具有20通道的探卡

根據(jù)測試實際器件的PCM測試單元版圖設(shè)計，PAD的排布各有不同，此處的測試單元中有5個測試器件，橫向排成一排，每個PAD橫向尺寸都是一致的，如圖8所示。圖8（a）為20 PAD分布圖，從圖中可以看到，PAD分為上下兩排，每排10個，從左到右上下各兩個為一個測試單元。

為了能一次完成20個PAD的扎針，按照PAD尺寸設(shè)計了有20根針的探針卡，根據(jù)測試單元的圖形，將探針排成探針陣列，對稱2排，每根探針針尖都對準PAD中心。探針的材料是錸鎢合金，通常稱為錸鎢針，它具有接觸電阻小、導通電流較大的特性，更主要的是具有很長的接觸壽命。為了保證扎針的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，探針針尖的垂直公差范圍離中心值保持在±10 μm之內(nèi)，水平誤差同樣控制在±10 μm之內(nèi)，并且通過對樣品芯片進行扎針，觀察扎針痕跡情況來判斷探針排布的質(zhì)量。若發(fā)現(xiàn)錯位或形變等問題，可以請技術(shù)精湛的人員使用專用的鑷子進行修正。圖8（b）、（c）分別為探針陣列正上方垂直視圖和側(cè)方位視圖。

圖7 器件測試中的低漏電現(xiàn)象

圖8 探針陣列圖

4.5 EMI防護

在實際測量過程中，外部環(huán)境的電磁干擾對于測試的影響很大，對測試部件進行屏蔽能有效抑制干擾。此處采用鋁制盒形屏蔽體，鋁的導電性能和機械強度比較好，且比較輕巧和方便加工，自身阻抗較低，屏蔽效能較好。影響屏蔽效能的另一個因素是剩余電容，減少剩余電容就可以提高屏蔽效能。為此，采用盒形屏蔽體可以獲得較高的屏蔽效能，同時開孔面積要盡可能小。

屏蔽體的接地也是同樣重要的問題，屏蔽體的接地質(zhì)量對屏蔽效能影響極大。屏蔽體只有接地才能保持“地”電位，實現(xiàn)有效的屏蔽。屏蔽體的“地”是以測試機的“地”作為電路電位基準，此處用橫截面比較大的紫銅編織線，以減少直流和交流電阻，同時盡量縮短導線的長度，以減少導線的感抗。導線兩端用螺釘連接，為了使接地穩(wěn)定可靠，再采用內(nèi)齒彈性墊圈進行固定，以減少連接電阻。

通過EMI防護，對探針臺系統(tǒng)進行對比測試，如圖9所示。在未做屏蔽時，由于空間電磁環(huán)境的干擾，測試機測出雜亂無章的波形；通過屏蔽后，測出的型號比較平緩，穩(wěn)定性很高。

圖9 屏蔽前后的對比測試

5 探針臺測試功能驗證及應(yīng)用

5.1 測試功能驗證

為了對探針臺的實際使用功能進行驗證，這里選取了NMOS器件，分別對該器件測試輸出曲線和轉(zhuǎn)移曲線，圖10是器件的測試曲線，從圖中可以看到，曲線平緩，無明顯的干擾現(xiàn)象。通過反復測試，測試一致性較好，可以認為探針臺基本滿足測試要求。

圖10 器件測試曲線

5.2 探針臺應(yīng)用

在實際應(yīng)用中，由于該探針臺小巧靈活，顯微鏡和探針臺采用分體結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得探針臺部分可以從整個探針臺系統(tǒng)中獨立出來，方便應(yīng)用于輻照試驗中，固定在探針臺上的芯片可以與探針臺一起在任意位置放置，方便將芯片對準輻照源中心，所以可以在輻照試驗中應(yīng)用。

同時，根據(jù)不同的測試要求，只要是適合使用該探針臺的地方，同樣可以靈活運用。比如說，高低溫測試可以將探針臺放入高低溫箱，測試線從高低溫箱的導線孔引出，連接測試機后同樣可以完成測試。

值得說明的是，探針卡可以根據(jù)測試的不同要求來制作，從而可以不局限于單一器件的測試，對于電路或者模塊也可以通過連接不同的測試機臺來完成測試。

6 結(jié)束語

目前，市場上的探針臺大多是以圓片尺寸來分類的，通常設(shè)備外形尺寸較大，重量較重，不方便搬運，同時受到針座的限制，無法實現(xiàn)多探針（比如說20針）同時測試。更重要的原因是其價格昂貴，如要實現(xiàn)特殊的功能，比如說高低溫測試，同樣要配置價格不菲的附件，并且其維修維護成本都相當高。

本文介紹的便攜式探針臺，其結(jié)構(gòu)小巧、功能實用、成本較低，可以滿足基本的試驗需求。特別之處在于顯微鏡和探針臺采用分體結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得探針臺部分可以從整個探針臺系統(tǒng)中獨立出來，可以應(yīng)用于輻照試驗中，固定在探針臺上的芯片可以與探針臺一起放置于空間任意位置，方便將芯片對準輻照源中心。該探針臺也可放置在高低溫箱中，用于芯片的三溫測試。加上顯微鏡固定采用多角度云臺支架設(shè)計，支持全方位觀察，可以使得觀察更加立體直觀。探針卡采用多探針結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)多路測試，并且探卡及其信號連接線采用了低漏電及EMI設(shè)計，測試精度可以達到0.1 nA以下，配合接地良好的鋁制屏蔽盒，增加了抗干擾能力，其測試數(shù)據(jù)更加精確。

該探針臺系統(tǒng)為各種半導體芯片提供一個無損檢測、分析樣品的平臺，包括材料的電阻率、器件電特性等的電性能參數(shù)，可適應(yīng)多種規(guī)格的芯片，并提供相應(yīng)的測試探卡，適用于大學、實驗室、研究所對芯片進行科研分析、抽查測試等用途。

[1]邱成悌，蔣全興，等.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京：東南大學出版社.

[2]陳窮，蔣全興，等.電磁兼容性工程設(shè)計手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社.

[3]GJB1210.接地、搭接和屏蔽設(shè)計的實施[S].

[4]顏學能.檢查探針同芯片接觸的有效方法[J].微電子學與計算機.

[5]李光宇.采用探針卡片實現(xiàn)多路測試[J].電子工藝技術(shù).

[6]李光宇.MODEL3300探針臺及其改進[J].半導體設(shè)備.

[7]唐德興.自動探針臺的現(xiàn)狀及發(fā)展 [J].電子工業(yè)專用設(shè)備.

Design and Application of a Miniature Probe Station

GU Ji1，2,WU Jianwei2
（1.Southeast University,Nanjing 211189,China；2.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

The paper describes a portable probe station which is small and convenient.It costs little and meets the basic test requirements.Particularly,the microscopes and probe stations are separated to enable radiation tests.The probe station and chips can be well placed to facilitate better radiation alignment.The probe station can also be placed in high and low temperature oven for tri-temperature tests.The microscope can be flexibly fixed for all-round observation.The multi-probe structure supports multi-channel tests.The probe and wires are safely connected using low-leakage and EMI design which achieves the test accuracy of 0.1 nA.The aluminum shielding box of good grounding performance enhances anti-noise interference ability and accuracy.

probe station;wafer;irradiation;high and low temperature;test systems

TN307

A

1681-1070（2017）01-0041-06

顧 吉（1980—），男，江蘇無錫人，工程師，東南大學電子與信息專業(yè)工程博士，現(xiàn)在中國電子科技集團公司第58研究所從事器件測試工作。

2016-9-6