张鹏辉;张凯虹
【摘 要】介绍了影响探针接触电阻的几个因素,探讨了在测试过程中探针表面的变化以及接触电阻变大的原因、接触电阻对测试的影响.提出了几种控制接触电阻的办法,从材料、探针卡制作方面控制接触电阻的产生,在测试生产过程中通过定期清针、吹氮气等方式减少针尖损耗并减小接触电阻,在测试技术上采用双针开尔文连接和其他一些优化方式避免接触电阻对电参数测试的影响.通过以上方式有效提高了测试准确性和测试过程的顺畅性.
【期刊名称】《电子与封装》
【年(卷),期】2018(018)001
【总页数】4页(P8-11)
【关键词】半导体测试;中测;探针;接触电阻
奇石底座【作 者】张鹏辉;张凯虹
【作者单位】中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡 214035;中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡 214035
【正文语种】中 文
【中图分类】TN407
1 引言
在集成电路的圆片测试工作中，广泛采用探针技术，即运用金属探针与被测圆片表面PAD进行接触，通过探针施加电压电流等测试条件，测试被测集成电路的功能和电参数。测试信号的完整性需要高质量的探针接触，但是由于探针接触电阻的存在和变化，往往会对测试过程造成干扰，使测试结果发生误差。随着半导体技术的发展，信号电压不断减小、接触压力的降低以及新材料器件需要汲取更多的电流，如何减小接触电阻以及由它带来的误差越来越成为一个重要问题。
2 探针接触电阻
2.1 探针接触电阻的产生
接触电阻即探针尖与焊点之间接触时的层间电阻，如图1所示。
图1 探针接触电阻示意图
当探针尖与被测圆片接触时，接触主要由两部分组成：（1）金属接触（metallic contact），也称作 locallized physical mechanisms；（2）薄膜电阻（film resistance），也称作non-conductive contribution。测试电流仅能从中间金属接触的部分通过。
接触电阻通常受几方面共同影响：（1）探针材料，一般来说金属探针必须采用坚硬、耐磨的低阻材料，目前以铼钨合金材料较为常见，此外还有钨合金、铍铜合金等材料。其中钨针和铍铜针优缺点明显，只能应用于部分特殊产品；（2）探针表面情况，探针尖端必须抛光、无宏观缺陷、无杂质污染；（3）圆片表面情况，必须无杂质沾污，表面平整；（4）探针触点压力，即探针顶端施加到接触区域的压力，触点压力过高会损伤被测圆片，触点压力过低可能无法穿透氧化层；（5）探针实际接触面积，也就是图1中的金属接触部分，这部分接触面积越大一般接触电阻越小，但是过大的接触面积会对封装的可靠性造成不良影响。
2.2 探针接触电阻在测试过程中的变化
在实际测试过程中，一般探针材料、圆片表面情况都已经固定，影响探针接触电阻的因素主要是探针表面情况、触点压力和实际接触面积的变化。
量产测试中，探针与圆片表面不停重复“下压接触→测试→抬升分离→移位”这一过程，而在每次下压接触的过程中，探针针尖都会刮擦被测试的DIE PAD，在摩擦力和电磁场的作用下会有一些沾污，这些沾污导致的非导电材料的沉积（例如碎片、残渣和氧化等），会造成接触电阻逐渐增大。针尖上的沾污，主要是电场在亚微米距离中产生的场发射（field emission）效应导致的。场发射是指在静电场的作用下，电子从固体或液体表面发射到真空、空气或液体中的现象。图2是高倍电子显微镜拍摄的针尖表面。
地震的模拟实验图2 针尖表面的高倍放大图
抱毯可以看到在场发射作用下针尖表面形成了一个个小坑。在针尖和PAD接触的过程中，PAD上的金属铝被粘到这些小坑里，然后在测试电流通过的时候迅速氧化为不导电的氧化铝（Al2O3），使探针接触电阻持续增大。图3是探针表面氧化铝的产生以及对探针接触电阻影响的过程示意图。
这一层氧化铝阻挡了探针和PAD间的金属接触，限制了电流的大小，增大了接触电阻。同时，当较大的电流流过这个狭小的金属接触区域时，不可避免地导致了局部的升温，从而导致针尖融化，进一步加剧了沾污和接触电阻增大的问题。
图3 针尖表面氧化铝（Al2O3）的产生和影响
2.3 探针接触电阻对测试的影响
探针接触电阻对测试的主要影响是压降和随之带来的一系列问题，接触电阻增大往往带来良率下降、测偏等严重后果。在测试机到被测器件的线路中，信号路径电阻包括导线电阻、焊点电阻、探针本身电阻以及探针接触电阻等等，通常情况下导线、焊点、探针本身和其他电阻一般是固定而且可忽略的，而探针接触电阻是不可控的并且会带来严重影响，主要体现在两个方面。
首先是对测试参数的影响，测试信号通过探针卡进入被测器件时，由于探针接触电阻的压降作用，被测器件实际接收到的电压幅度要比测试机发出的低，在高速高精度器件测试中，信号电压的偏移往往会造成良率降低。同时不可忽略的是，在被测器件的GND和测试
机的GND之间同样存在探针接触电阻，如果说某一个信号PAD上的探针接触电阻只影响一个PAD或者一个电参数的话，GND上的探针接触电阻对整个被测器件和全部电参数都会造成影响。试举一例，图4是GND上探针接触电阻对测试影响的简化仿真电路，某集成电路在进行CP测试时需要测试一个关键的参考电压，测该参数时工作电流10 mA，范围1.92～1.94 V，当GND上的探针接触电阻R gnd为1 Ω时，电流从被测芯片通过探针到测试机产生压降为10 mV。该芯片实际输出的参考电压为1.936 V时，从测试机读到的电压为1.946 V，这样就产生了误测。对很多集成电路来说10 mA的工作电流并不算很大，而1 Ω的接触电阻在实际测试生产过程中也有很大几率达到，所以对于部分高精度集成电路来说，如果用常规的探针和测试方法，GND上10 mV的压降是难以避免且完全无法接受的。
其次探针接触电阻对熔丝修调也有影响。熔丝（Fuse）就是连接在两个PAD之间用金属或者多晶硅以最小宽度短接在一起的部分，在熔丝上通过一个大的电流，就会引起熔丝材料熔断或者气化，熔丝就会变成断路。按照制造工艺熔丝一般分为金属（metal）和多晶硅（poly）两种，金属熔丝与多晶硅熔丝因材料本身的特性有较大区别，在电阻值上，一般的金属熔丝阻值接近0 Ω，而多晶硅熔丝的阻值较大，视工艺情况一般在50 Ω到200 Ω左右。对接近0 Ω的金属熔丝而言，即使是1 Ω的探针接触电阻也会带来不可忽视的巨大影响。
假设施加3.5 V电压去烧断熔丝，探针接触电阻可能带来3 V的压降，最终施加在熔丝两端的电压仅有0.5 V，这就容易造成熔丝烧不断或者烧不干净，迫使测试工程师施加更高的电压去修调。而过高的修调电压往往会对被测芯片产生不良影响，图5是修调时过高的电压和电流造成芯片损坏的图片。更糟糕的是，过高的修调电压在通过探针时，产生的大电流对针尖造成了更多的沾污、氧化甚至熔化等损耗，严重减少针卡寿命。因此在工程调试阶段要对修调熔丝的电压进行实验，确定安全可靠的修调电压，调试完成后，量产阶段一般不允许因为探针接触问题更改修调电压。
图4 GND上的探针接触电阻对测试影响的仿真电路
图5 修调时电压过高而损坏的芯片
3 减小探针接触电阻影响的方法
led灯罩3.1 从探针方面减小探针接触电阻
探针本身的材质以及针卡制作工艺和接触电阻息息相关，不同的探针材料体现出不同的特性，而针卡制作工艺决定了探针与PAD的最高接触压力和接触面积。
常见的探针材质包括铍铜合金、高纯度钨、铼钨合金，铍铜针的优点是具有自我清洁的特性，在使用过程中接触电阻较为稳定，在一些需要大电流的产品上应用较多，缺点是相对较软，顶端磨损较快，寿命短造成使用成本高。钨针的特点是抗疲劳性非常好，硬度大不易磨损，寿命长；缺点是容易沾污，测试过程中接触电阻很容易增大。铼钨针一般采用含铼3%的铼钨合金，优点是硬度和抗疲劳性好，稳定性高，接触电阻相比钨针有明显改善。从成本和性能两方面考虑，大部分情况下采用铼钨针较为合适。
针卡的制作上，常见的有悬臂式、垂直式和薄膜式等构造，根据被测芯片的PAD数目和排列方式选择相应的针卡构造。一般产品应用悬臂式构造可以简化制作难度，降低成本。而PAD较多或者采用阵列式排列的产品多选用垂直探针，高频率产品一般采用薄膜式针卡。对常见的悬臂式针卡而言，针尖的弯针角度和悬臂的长度决定了探针与PAD的接触压力，在实际生产中会出现接触压力过大导致测试过程中PAD下面的线路被损坏的情况，因此针卡制作人员为了减小风险一般都采用较小的接触压力设计，同时过大的探针接触面积也会对封装环节造成不良影响。因此需要根据被测芯片的实际情况，选择合适的探针压力和针尖面积，对于需要通过大电流又不参与封装的熔丝PAD，可以适当放大针尖面积，对于PAD下层不走线路的芯片可以适当放大接触压力。在针卡制作中还要注意探针的平整性，
尽可能使所有探针在一个平面上，避免使用时发生探针扎痕深浅不一导致的接触电阻异常。
3.2 测试过程中避免探针接触电阻增大隔离式洗衣机
如前文所述，在探针与被测芯片反复接触的过程中，针尖不可避免地发生沾污和氧化现象造成了针尖接触电阻的增大，需要从这些方面着手采取措施。
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