張鵬輝，張凱虹

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035）

1 引言

在集成電路的圓片測試工作中，廣泛采用探針技術(shù)，即運(yùn)用金屬探針與被測圓片表面PAD進(jìn)行接觸，通過探針施加電壓電流等測試條件，測試被測集成電路的功能和電參數(shù)。測試信號(hào)的完整性需要高質(zhì)量的探針接觸，但是由于探針接觸電阻的存在和變化，往往會(huì)對(duì)測試過程造成干擾，使測試結(jié)果發(fā)生誤差。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)電壓不斷減小、接觸壓力的降低以及新材料器件需要汲取更多的電流，如何減小接觸電阻以及由它帶來的誤差越來越成為一個(gè)重要問題。

2 探針接觸電阻

2.1 探針接觸電阻的產(chǎn)生

接觸電阻即探針尖與焊點(diǎn)之間接觸時(shí)的層間電阻，如圖1所示。

圖1 探針接觸電阻示意圖

當(dāng)探針尖與被測圓片接觸時(shí)，接觸主要由兩部分組成：（1）金屬接觸（metallic contact），也稱作 locallized physical mechanisms；（2）薄膜電阻（film resistance），也稱作non-conductive contribution。測試電流僅能從中間金屬接觸的部分通過。

接觸電阻通常受幾方面共同影響：（1）探針材料，一般來說金屬探針必須采用堅(jiān)硬、耐磨的低阻材料，目前以錸鎢合金材料較為常見，此外還有鎢合金、鈹銅合金等材料。其中鎢針和鈹銅針優(yōu)缺點(diǎn)明顯，只能應(yīng)用于部分特殊產(chǎn)品；（2）探針表面情況，探針尖端必須拋光、無宏觀缺陷、無雜質(zhì)污染；（3）圓片表面情況，必須無雜質(zhì)沾污，表面平整；（4）探針觸點(diǎn)壓力，即探針頂端施加到接觸區(qū)域的壓力，觸點(diǎn)壓力過高會(huì)損傷被測圓片，觸點(diǎn)壓力過低可能無法穿透氧化層；（5）探針實(shí)際接觸面積，也就是圖1中的金屬接觸部分，這部分接觸面積越大一般接觸電阻越小，但是過大的接觸面積會(huì)對(duì)封裝的可靠性造成不良影響。

2.2 探針接觸電阻在測試過程中的變化

在實(shí)際測試過程中，一般探針材料、圓片表面情況都已經(jīng)固定，影響探針接觸電阻的因素主要是探針表面情況、觸點(diǎn)壓力和實(shí)際接觸面積的變化。

量產(chǎn)測試中，探針與圓片表面不停重復(fù)“下壓接觸→測試→抬升分離→移位”這一過程，而在每次下壓接觸的過程中，探針針尖都會(huì)刮擦被測試的DIE PAD，在摩擦力和電磁場的作用下會(huì)有一些沾污，這些沾污導(dǎo)致的非導(dǎo)電材料的沉積（例如碎片、殘?jiān)脱趸龋?，?huì)造成接觸電阻逐漸增大。針尖上的沾污，主要是電場在亞微米距離中產(chǎn)生的場發(fā)射（field emission）效應(yīng)導(dǎo)致的。場發(fā)射是指在靜電場的作用下，電子從固體或液體表面發(fā)射到真空、空氣或液體中的現(xiàn)象。圖2是高倍電子顯微鏡拍攝的針尖表面。

圖2 針尖表面的高倍放大圖

可以看到在場發(fā)射作用下針尖表面形成了一個(gè)個(gè)小坑。在針尖和PAD接觸的過程中，PAD上的金屬鋁被粘到這些小坑里，然后在測試電流通過的時(shí)候迅速氧化為不導(dǎo)電的氧化鋁（Al2O3），使探針接觸電阻持續(xù)增大。圖3是探針表面氧化鋁的產(chǎn)生以及對(duì)探針接觸電阻影響的過程示意圖。

這一層氧化鋁阻擋了探針和PAD間的金屬接觸，限制了電流的大小，增大了接觸電阻。同時(shí)，當(dāng)較大的電流流過這個(gè)狹小的金屬接觸區(qū)域時(shí)，不可避免地導(dǎo)致了局部的升溫，從而導(dǎo)致針尖融化，進(jìn)一步加劇了沾污和接觸電阻增大的問題。

2.3 探針接觸電阻對(duì)測試的影響

探針接觸電阻對(duì)測試的主要影響是壓降和隨之帶來的一系列問題，接觸電阻增大往往帶來良率下降、測偏等嚴(yán)重后果。在測試機(jī)到被測器件的線路中，信號(hào)路徑電阻包括導(dǎo)線電阻、焊點(diǎn)電阻、探針本身電阻以及探針接觸電阻等等，通常情況下導(dǎo)線、焊點(diǎn)、探針本身和其他電阻一般是固定而且可忽略的，而探針接觸電阻是不可控的并且會(huì)帶來嚴(yán)重影響，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

首先是對(duì)測試參數(shù)的影響，測試信號(hào)通過探針卡進(jìn)入被測器件時(shí)，由于探針接觸電阻的壓降作用，被測器件實(shí)際接收到的電壓幅度要比測試機(jī)發(fā)出的低，在高速高精度器件測試中，信號(hào)電壓的偏移往往會(huì)造成良率降低。同時(shí)不可忽略的是，在被測器件的GND和測試機(jī)的GND之間同樣存在探針接觸電阻，如果說某一個(gè)信號(hào)PAD上的探針接觸電阻只影響一個(gè)PAD或者一個(gè)電參數(shù)的話，GND上的探針接觸電阻對(duì)整個(gè)被測器件和全部電參數(shù)都會(huì)造成影響。試舉一例，圖4是GND上探針接觸電阻對(duì)測試影響的簡化仿真電路，某集成電路在進(jìn)行CP測試時(shí)需要測試一個(gè)關(guān)鍵的參考電壓，測該參數(shù)時(shí)工作電流10 mA，范圍1.92～1.94 V，當(dāng)GND上的探針接觸電阻Rgnd為1 Ω時(shí)，電流從被測芯片通過探針到測試機(jī)產(chǎn)生壓降為10 mV。該芯片實(shí)際輸出的參考電壓為1.936 V時(shí)，從測試機(jī)讀到的電壓為1.946 V，這樣就產(chǎn)生了誤測。對(duì)很多集成電路來說10 mA的工作電流并不算很大，而1 Ω的接觸電阻在實(shí)際測試生產(chǎn)過程中也有很大幾率達(dá)到，所以對(duì)于部分高精度集成電路來說，如果用常規(guī)的探針和測試方法，GND上10 mV的壓降是難以避免且完全無法接受的。

其次探針接觸電阻對(duì)熔絲修調(diào)也有影響。熔絲（Fuse）就是連接在兩個(gè)PAD之間用金屬或者多晶硅以最小寬度短接在一起的部分，在熔絲上通過一個(gè)大的電流，就會(huì)引起熔絲材料熔斷或者氣化，熔絲就會(huì)變成斷路。按照制造工藝熔絲一般分為金屬（metal）和多晶硅（poly）兩種，金屬熔絲與多晶硅熔絲因材料本身的特性有較大區(qū)別，在電阻值上，一般的金屬熔絲阻值接近0 Ω，而多晶硅熔絲的阻值較大，視工藝情況一般在50 Ω到200 Ω左右。對(duì)接近0 Ω的金屬熔絲而言，即使是1 Ω的探針接觸電阻也會(huì)帶來不可忽視的巨大影響。假設(shè)施加3.5 V電壓去燒斷熔絲，探針接觸電阻可能帶來3 V的壓降，最終施加在熔絲兩端的電壓僅有0.5 V，這就容易造成熔絲燒不斷或者燒不干凈，迫使測試工程師施加更高的電壓去修調(diào)。而過高的修調(diào)電壓往往會(huì)對(duì)被測芯片產(chǎn)生不良影響，圖5是修調(diào)時(shí)過高的電壓和電流造成芯片損壞的圖片。更糟糕的是，過高的修調(diào)電壓在通過探針時(shí)，產(chǎn)生的大電流對(duì)針尖造成了更多的沾污、氧化甚至熔化等損耗，嚴(yán)重減少針卡壽命。因此在工程調(diào)試階段要對(duì)修調(diào)熔絲的電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定安全可靠的修調(diào)電壓，調(diào)試完成后，量產(chǎn)階段一般不允許因?yàn)樘结樈佑|問題更改修調(diào)電壓。

圖4 GND上的探針接觸電阻對(duì)測試影響的仿真電路

圖5 修調(diào)時(shí)電壓過高而損壞的芯片

3 減小探針接觸電阻影響的方法

3.1 從探針方面減小探針接觸電阻

探針本身的材質(zhì)以及針卡制作工藝和接觸電阻息息相關(guān)，不同的探針材料體現(xiàn)出不同的特性，而針卡制作工藝決定了探針與PAD的最高接觸壓力和接觸面積。

常見的探針材質(zhì)包括鈹銅合金、高純度鎢、錸鎢合金，鈹銅針的優(yōu)點(diǎn)是具有自我清潔的特性，在使用過程中接觸電阻較為穩(wěn)定，在一些需要大電流的產(chǎn)品上應(yīng)用較多，缺點(diǎn)是相對(duì)較軟，頂端磨損較快，壽命短造成使用成本高。鎢針的特點(diǎn)是抗疲勞性非常好，硬度大不易磨損，壽命長；缺點(diǎn)是容易沾污，測試過程中接觸電阻很容易增大。錸鎢針一般采用含錸3%的錸鎢合金，優(yōu)點(diǎn)是硬度和抗疲勞性好，穩(wěn)定性高，接觸電阻相比鎢針有明顯改善。從成本和性能兩方面考慮，大部分情況下采用錸鎢針較為合適。

針卡的制作上，常見的有懸臂式、垂直式和薄膜式等構(gòu)造，根據(jù)被測芯片的PAD數(shù)目和排列方式選擇相應(yīng)的針卡構(gòu)造。一般產(chǎn)品應(yīng)用懸臂式構(gòu)造可以簡化制作難度，降低成本。而PAD較多或者采用陣列式排列的產(chǎn)品多選用垂直探針，高頻率產(chǎn)品一般采用薄膜式針卡。對(duì)常見的懸臂式針卡而言，針尖的彎針角度和懸臂的長度決定了探針與PAD的接觸壓力，在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)接觸壓力過大導(dǎo)致測試過程中PAD下面的線路被損壞的情況，因此針卡制作人員為了減小風(fēng)險(xiǎn)一般都采用較小的接觸壓力設(shè)計(jì)，同時(shí)過大的探針接觸面積也會(huì)對(duì)封裝環(huán)節(jié)造成不良影響。因此需要根據(jù)被測芯片的實(shí)際情況，選擇合適的探針壓力和針尖面積，對(duì)于需要通過大電流又不參與封裝的熔絲PAD，可以適當(dāng)放大針尖面積，對(duì)于PAD下層不走線路的芯片可以適當(dāng)放大接觸壓力。在針卡制作中還要注意探針的平整性，盡可能使所有探針在一個(gè)平面上，避免使用時(shí)發(fā)生探針扎痕深淺不一導(dǎo)致的接觸電阻異常。

3.2 測試過程中避免探針接觸電阻增大

如前文所述，在探針與被測芯片反復(fù)接觸的過程中，針尖不可避免地發(fā)生沾污和氧化現(xiàn)象造成了針尖接觸電阻的增大，需要從這些方面著手采取措施。

在測試時(shí)不斷向探針和被測芯片表面吹氮?dú)猓梢杂行p少針尖的氧化鋁沉積。在某些采用鋁熔絲的產(chǎn)品測試時(shí)，熔絲熔斷往往伴隨著鋁條氣化或飛濺到針尖上，然后在高溫下氧化，使探針接觸電阻迅速增加，而吹氮?dú)庥忻黠@的清潔作用。在筆者的實(shí)際應(yīng)用中，吹氮?dú)鈱?duì)大部分產(chǎn)品的測試都能起到明顯的增加穩(wěn)定性、改善良率的作用，堪稱簡單又實(shí)用的一個(gè)良方。

在測試時(shí)經(jīng)常進(jìn)行清針。早期的清針方法往往是用磨針的方式，采用細(xì)砂紙對(duì)針尖表面進(jìn)行打磨。這種方式立竿見影，很容易將針尖上的沾污、氧化層都磨掉，針尖也變得更平整，打磨完之后的一段時(shí)間測試良率明顯提高。然而這種方式也會(huì)把針尖越磨越短，實(shí)際的針尖接觸面積也會(huì)越來越大，當(dāng)面積大到一定范圍時(shí)會(huì)導(dǎo)致封裝的可靠性變差。在離線人工清針時(shí)，有時(shí)候也會(huì)用溶液加電解的方式腐蝕針尖進(jìn)行拋光，這種腐蝕由人工操作，不太容易控制，經(jīng)常會(huì)把針尖腐蝕得太細(xì)，導(dǎo)致針尖局部壓強(qiáng)過大，刺穿PAD而損壞下方的線路。還有在測試過程中人工用棉球蘸丙酮擦拭探針的清針方式，這種方式可以清除探針上的大塊污染物，但需要人工操作，對(duì)測試效率影響嚴(yán)重，實(shí)測對(duì)探針接觸電阻也沒有明顯的改善作用。目前多采用半研磨型的清針和拋光，在探針臺(tái)的清針臺(tái)上固定一片類似細(xì)砂紙的材料，清針時(shí)探針在上面上下扎幾次，可以有效去除針尖上的沾污和氧化物，這種方式可以有效改善探針接觸電阻，對(duì)探針的磨損也較小。圖6是清針效果示意圖。

圖6 非破壞性清針效果示意圖

在具體生產(chǎn)實(shí)踐中，通常會(huì)根據(jù)探針卡和被測芯片的特性確定一個(gè)清針周期，每隔一定的測試管芯數(shù)就自動(dòng)清針一次。這個(gè)周期不可以過短，頻繁的上下研磨清針容易導(dǎo)致針尖變得更尖，扎壞PAD下的線路造成質(zhì)量損失。

3.3 采用雙針開爾文連接進(jìn)行測試

對(duì)于某些對(duì)探針接觸電阻非常敏感的參數(shù)，有必要采取雙針開爾文方式進(jìn)行測試。在被測PAD和GND PAD上各做兩根針，一根針做電流回路，另一根針做電壓反饋回路，通過電壓補(bǔ)償，可以有效避免探針接觸電阻造成的壓降，提高測試準(zhǔn)確性。這種方法也有一定的局限性，對(duì)部分高頻輸入、輸出信號(hào)難以補(bǔ)償，如果采用多管芯并行測試，做雙針的難度和成本都比較高。在測試過程中兩根探針扎在一個(gè)PAD上，距離過近有短路風(fēng)險(xiǎn)，如果探針短路而沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)易發(fā)生測偏等質(zhì)量問題，所以也要加強(qiáng)監(jiān)控。

3.4 測試程序的優(yōu)化

測試程序本身，尤其是上下電和繼電器切換部分，對(duì)探針接觸電阻也有不可忽略的影響。根據(jù)前文所述，針尖沾污的根本原因在于場發(fā)射效應(yīng)和氧化鋁的產(chǎn)生，大的瞬間電流可以產(chǎn)生巨大熱量，損壞針尖表面并使針尖上的金屬附著物（大部分情況下是鋁）快速氧化，所以程序優(yōu)化的核心思路是避免探針針尖上通過大的瞬間電流。

可以從這幾個(gè)方面著手優(yōu)化：（1）在關(guān)斷測試機(jī)某一通道或電源時(shí)增加下電步驟，防止突然的電源關(guān)斷導(dǎo)致瞬間大電流；（2）盡量避免繼電器的帶電切換，帶電切換易產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓和電流；（3）注意測試板上的電容充電和放電，如果不給電容放電，也容易產(chǎn)生大的瞬間電流通過針尖；（4）注意測試機(jī)到探針之間的連線，連線越長線路上的等效電感越大，在某些交流信號(hào)通過時(shí)容易在周圍線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，要注意這部分線路的隔離和屏蔽；（5）在測試某些大電流參數(shù)時(shí)盡可能縮短時(shí)間。

3.5 探針接觸電阻異常時(shí)的檢驗(yàn)措施

盡管采取了以上措施，但在實(shí)際生產(chǎn)中，仍難以百分之百避免探針接觸電阻異常增大的情況。所以對(duì)于精度要求較高的參考電壓、參考電流等參數(shù)，還要從生產(chǎn)流程上進(jìn)行管控。在每片測試完成后，選取一部分管芯用專門的檢驗(yàn)程序進(jìn)行抽測，確定沒有誤測后才能放行入庫。

4 結(jié)束語

探針接觸電阻對(duì)測試的影響，是每個(gè)測試工程師都會(huì)遇到并頭疼的問題，也是對(duì)圓片測試準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的重大挑戰(zhàn)。通過以上的分析可知，探針接觸電阻和探針本身、針卡制作息息相關(guān)，在測試過程中也容易因種種原因?qū)е庐惓Ｔ龃?，所以一定要從探針卡的制作到使用，再到測試方案設(shè)計(jì)、測試程序細(xì)節(jié)等方方面面都做好工作，才能有效改善探針接觸電阻對(duì)測試的影響。

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