圓片測試中探針接觸電阻的影響與改善方法

張鵬輝，張凱虹

（中國電子科技集團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，即運用金屬探針與被測圓片表面PAD進行接觸，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。測試信號的完整性需要高質量的探針接觸，但是由于探針接觸電阻的存在和變化，往往會對測試過程造成干擾，使測試結果發生誤差。隨著半導體技術的發展，信號電壓不斷減小、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重要問題。

2 探針接觸電阻

2.1 探針接觸電阻的產生

接觸電阻即探針尖與焊點之間接觸時的層間電阻，如圖1所示。

圖1 探針接觸電阻示意圖

當探針尖與被測圓片接觸時，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缺點明顯，只能應用于部分特殊產品；（2）探針表面情況，探針尖端必須拋光、無宏觀缺陷、無雜質污染；（3）圓片表面情況，必須無雜質沾污，表面平整；（4）探針觸點壓力，即探針頂端施加到接觸區域的壓力，觸點壓力過高會損傷被測圓片，觸點壓力過低可能無法穿透氧化層；（5）探針實際接觸面積，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對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

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

量產測試中，探針與圓片表面不停重復“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，探針針尖都會刮擦被測試的DIE PAD，在摩擦力和電磁場的作用下會有一些沾污，這些沾污導致的非導電材料的沉積（例如碎片、殘渣和氧化等），會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生的場發射（field emission）效應導致的。場發射是指在靜電場的作用下，電子從固體或液體表面發射到真空、空氣或液體中的現象。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

可以看到在場發射作用下針尖表面形成了一個個小坑。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候迅速氧化為不導電的氧化鋁（Al2O3），使探針接觸電阻持續增大。圖3是探針表面氧化鋁的產生以及對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，當較大的電流流過這個狹小的金屬接觸區域時，不可避免地導致了局部的升溫，從而導致針尖融化，進一步加劇了沾污和接觸電阻增大的問題。

2.3 探針接觸電阻對測試的影響

探針接觸電阻對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、測偏等嚴重后果。在測試機到被測器件的線路中，信號路徑電阻包括導線電阻、焊點電阻、探針本身電阻以及探針接觸電阻等等，通常情況下導線、焊點、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帶來嚴重影響，主要體現在兩個方面。

首先是對測試參數的影響，測試信號通過探針卡進入被測器件時，由于探針接觸電阻的壓降作用，被測器件實際接收到的電壓幅度要比測試機發出的低，在高速高精度器件測試中，信號電壓的偏移往往會造成良率降低。同時不可忽略的是，在被測器件的GND和測試機的GND之間同樣存在探針接觸電阻，如果說某一個信號PAD上的探針接觸電阻只影響一個PAD或者一個電參數的話，GND上的探針接觸電阻對整個被測器件和全部電參數都會造成影響。試舉一例，圖4是GND上探針接觸電阻對測試影響的簡化仿真電路，某集成電路在進行CP測試時需要測試一個關鍵的參考電壓，測該參數時工作電流10 mA，范圍1.92～1.94 V，當GND上的探針接觸電阻Rgnd為1 Ω時，電流從被測芯片通過探針到測試機產生壓降為10 mV。該芯片實際輸出的參考電壓為1.936 V時，從測試機讀到的電壓為1.946 V，這樣就產生了誤測。對很多集成電路來說10 mA的工作電流并不算很大，而1 Ω的接觸電阻在實際測試生產過程中也有很大幾率達到，所以對于部分高精度集成電路來說，如果用常規的探針和測試方法，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熔絲修調也有影響。熔絲（Fuse）就是連接在兩個PAD之間用金屬或者多晶硅以最小寬度短接在一起的部分，在熔絲上通過一個大的電流，就會引起熔絲材料熔斷或者氣化，熔絲就會變成斷路。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帶來不可忽視的巨大影響。假設施加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。而過高的修調電壓往往會對被測芯片產生不良影響，圖5是修調時過高的電壓和電流造成芯片損壞的圖片。更糟糕的是，過高的修調電壓在通過探針時，產生的大電流對針尖造成了更多的沾污、氧化甚至熔化等損耗，嚴重減少針卡壽命。因此在工程調試階段要對修調熔絲的電壓進行實驗，確定安全可靠的修調電壓，調試完成后，量產階段一般不允許因為探針接觸問題更改修調電壓。

圖4 GND上的探針接觸電阻對測試影響的仿真電路

圖5 修調時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

探針本身的材質以及針卡制作工藝和接觸電阻息息相關，不同的探針材料體現出不同的特性，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。

常見的探針材質包括鈹銅合金、高純度鎢、錸鎢合金，鈹銅針的優點是具有自我清潔的特性，在使用過程中接觸電阻較為穩定，在一些需要大電流的產品上應用較多，缺點是相對較軟，頂端磨損較快，壽命短造成使用成本高。鎢針的特點是抗疲勞性非常好，硬度大不易磨損，壽命長；缺點是容易沾污，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，優點是硬度和抗疲勞性好，穩定性高，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造，根據被測芯片的PAD數目和排列方式選擇相應的針卡構造。一般產品應用懸臂式構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品多選用垂直探針，高頻率產品一般采用薄膜式針卡。對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，在實際生產中會出現接觸壓力過大導致測試過程中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險一般都采用較小的接觸壓力設計，同時過大的探針接觸面積也會對封裝環節造成不良影響。因此需要根據被測芯片的實際情況，選擇合適的探針壓力和針尖面積，對于需要通過大電流又不參與封裝的熔絲PAD，可以適當放大針尖面積，對于PAD下層不走線路的芯片可以適當放大接觸壓力。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平面上，避免使用時發生探針扎痕深淺不一導致的接觸電阻異常。

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接觸的過程中，針尖不可避免地發生沾污和氧化現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。

在測試時不斷向探針和被測芯片表面吹氮氣，可以有效減少針尖的氧化鋁沉積。在某些采用鋁熔絲的產品測試時，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，而吹氮氣有明顯的清潔作用。在筆者的實際應用中，吹氮氣對大部分產品的測試都能起到明顯的增加穩定性、改善良率的作用，堪稱簡單又實用的一個良方。

在測試時經常進行清針。早期的清針方法往往是用磨針的方式，采用細砂紙對針尖表面進行打磨。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間測試良率明顯提高。然而這種方式也會把針尖越磨越短，實際的針尖接觸面積也會越來越大，當面積大到一定范圍時會導致封裝的可靠性變差。在離線人工清針時，有時候也會用溶液加電解的方式腐蝕針尖進行拋光，這種腐蝕由人工操作，不太容易控制，經常會把針尖腐蝕得太細，導致針尖局部壓強過大，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，對測試效率影響嚴重，實測對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，在探針臺的清針臺上固定一片類似細砂紙的材料，清針時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

在具體生產實踐中，通常會根據探針卡和被測芯片的特性確定一個清針周期，每隔一定的測試管芯數就自動清針一次。這個周期不可以過短，頻繁的上下研磨清針容易導致針尖變得更尖，扎壞PAD下的線路造成質量損失。

3.3 采用雙針開爾文連接進行測試

對于某些對探針接觸電阻非常敏感的參數，有必要采取雙針開爾文方式進行測試。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，通過電壓補償，可以有效避免探針接觸電阻造成的壓降，提高測試準確性。這種方法也有一定的局限性，對部分高頻輸入、輸出信號難以補償，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PAD上，距離過近有短路風險，如果探針短路而沒有及時發現易發生測偏等質量問題，所以也要加強監控。

3.4 測試程序的優化

測試程序本身，尤其是上下電和繼電器切換部分，對探針接觸電阻也有不可忽略的影響。根據前文所述，針尖沾污的根本原因在于場發射效應和氧化鋁的產生，大的瞬間電流可以產生巨大熱量，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。

可以從這幾個方面著手優化：（1）在關斷測試機某一通道或電源時增加下電步驟，防止突然的電源關斷導致瞬間大電流；（2）盡量避免繼電器的帶電切換，帶電切換易產生較高的感應電壓和電流；（3）注意測試板上的電容充電和放電，如果不給電容放電，也容易產生大的瞬間電流通過針尖；（4）注意測試機到探針之間的連線，連線越長線路上的等效電感越大，在某些交流信號通過時容易在周圍線路上產生感應電壓，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時盡可能縮短時間。

3.5 探針接觸電阻異常時的檢驗措施

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

4 結束語

探針接觸電阻對測試的影響，是每個測試工程師都會遇到并頭疼的問題，也是對圓片測試準確性和穩定性的重大挑戰。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，在測試過程中也容易因種種原因導致異常增大，所以一定要從探針卡的制作到使用，再到測試方案設計、測試程序細節等方方面面都做好工作，才能有效改善探針接觸電阻對測試的影響。

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