CN106783658A - 晶圆级红外焦平面参数测试*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶圆级红外焦平面参数测试***，主要包括：真空腔、黑体辐射源、探针卡、载片台、偏置电压模块、脉冲发生模块、信号采集和处理模块以及计算机。该***通过提供真空环境，黑体辐射激励，直流电压偏置和脉冲信号激励以及探针卡微损接触等方式，模拟红外焦平面芯片真空封装后的工作环境，对红外焦平面晶圆上芯片进行精确、高效的测试和筛选。

Description

晶圆级红外焦平面参数测试***

技术领域

本发明涉及一种晶圆级红外焦平面参数测试***，尤其是一种晶圆级红外焦平面（IRFPA）探测器特性参数测试***，可应用于红外焦平面芯片晶圆级测试和筛选，属于微机电***（MEMS）传感器测试技术领域。

背景技术

红外焦平面器件在测试过程中需要外加光、电和温度激励，并且需要在真空环境下进行。目前的测试手段是先对红外焦平面芯片进行焊接和真空封装，然后针对封装结构制作测试电路板（PCB），用于固定红外焦平面器件和施加测试所需要的偏压和时钟脉冲。此外，红外焦平面产生的响应信号也通过PCB反馈至测试机。然而，不同厂家生产的不同型号红外焦平面传感器封装结构不同，因此每测一批红外焦平面传感器产品都需要制备与之匹配的PCB板，从而导致测试过程较复杂，测试周期较长。此外，红外焦平面芯片真空封装成本非常高，封装成本约占产品价格的70%。如果能在封装之前通过模拟封装后的工作环境对红外焦平面进行晶圆级测试和筛选，从而及时发现和剔除不合格的芯片；一方面可以排除封装因素，找出芯片失效的原因并及时反馈至前道芯片制造工艺；另一方面可以节省昂贵的封装成本，从而降低产品的开发成本，缩短开发周期。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种晶圆级红外焦平面参数测试***，能够模拟IRFPA芯片在真空封装后的实际工作环境，在晶圆上对芯片进行信号激励和响应测试，从而较早判定芯片是否合格，解决器件级IRFPA测试过程复杂、效率低和成本高的缺点。

按照本发明提供的技术方案，所述晶圆级红外焦平面参数测试***，其特征是：包括控制柜和真空腔，控制柜内设置偏置电压产生装置、脉冲信号产生装置、移位控制模块和黑体辐射源控制装置，真空腔上连接真空腔电源插头，真空腔内从上到下依次设置黑体辐射源、探针卡、载片台和移位控制电机，黑体辐射源辐射方向垂直向下，正对载片台的中心，载片台的中心处固定被测晶圆；所述黑体辐射源固定在真空腔内的底板上，在黑体辐射源外侧设置黑体辐射源支架，黑体辐射源支架上连接可移动支撑臂，可移动支撑臂上连接探针卡，探针卡上设置探针；所述可移动支撑臂由转轴驱动实现张开和闭合以带动探针卡上下移动；所述载片台与移位控制电机的动力输出端连接实现水平方向的二维移动；

在所述真空腔的底板上设置信号读出接口、偏置电压接口模块、脉冲信号接口模块和黑体温度控制接口；所述偏置电压接口模块内设置偏置电压接口，脉冲信号接口模块内设置时钟脉冲信号接口；所述偏置电压产生装置连接偏置电压接口，偏置电压接口连接探针卡上的探针；所述脉冲信号产生装置连接时钟脉冲信号接口，时钟脉冲信号接口连接探针卡上的探针；所述黑体辐射源控制装置连接黑体温度控制接口，黑体温度控制接口连接黑体辐射源。

进一步的，在所述载片台的中心处有四个对称的夹具。

进一步的，所述黑体辐射源通过支撑臂固定在真空腔内的底板上。

进一步的，所述支撑臂设置在支撑臂底座上。

进一步的，所述移位控制电机安装在移位控制电机底座上。

进一步的，所述信号读出接口连接控制计算机。

进一步的，在所述移位控制模块上设置可移动支撑臂控制手柄和移位控制手柄。

进一步的，所述探针卡与被测晶圆平行，探针针尖垂直于被测晶圆，并与晶圆上芯片的对应电极电气接触。

进一步的，所述真空腔内的真空度由机械泵和分子泵抽取获得，并可进行真空度调节。

本发明所述晶圆级红外焦平面参数测试***可以模拟IRFPA芯片在真空封装后的实际工作环境，在晶圆上对芯片进行信号激励和响应测试，从而较早判定芯片是否合格。对不合格芯片进行形貌分析，将缺陷及时反馈到前道芯片制造过程，以便及时改进流片工艺。此外，对不合格芯片及时剔除，避免流入后道封装流程，可以大大降低昂贵的封装费用。

附图说明

图1为本发明所述晶圆级红外焦平面参数测试***的结构示意图。

图2为本发明所述晶圆级红外焦平面测试***底板的示意图。

图3为本发明所述晶圆级红外焦平面测试***移位控制模块面板的示意图。

图4为探针卡的示意图。

图5为被测红外焦平面晶圆的示意图。

附图标记说明：1-真空腔、2-黑体辐射源、3-支撑臂、4-黑体辐射源支架、5-可移动支撑臂、6-探针卡、7-探针、8-被测晶圆、9-载片台、10-移位控制电机、11-移位控制电机底座、12-支撑臂底座、13-信号读出接口、14-脉冲信号接口模块、15-偏置电压接口模块、16-真空腔电源插头、17-黑体温度控制接口、18-控制柜、19-偏置电压产生装置、20-脉冲信号产生装置、21-移位控制模块、22-黑体辐射源控制装置、23-时钟脉冲信号接口、25-偏置电压接口、27-可移动支撑臂控制手柄、28-移位控制手柄、40-控制计算机。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图5所示，为被测晶圆的示意图，图中29为探针卡焊接点、30为探针卡PCB、31为树脂、32为探针、33为卡环。

如图1所示，本发明所述晶圆级红外焦平面参数测试***包括控制计算机40、控制柜18和真空腔1，控制柜18内设置偏置电压产生装置19、脉冲信号产生装置20、移位控制模块21和黑体辐射源控制装置22，真空腔1上连接真空腔电源插头16，真空腔1内设置黑体辐射源2、探针卡6、载片台9和移位控制电机10，黑体辐射源2正对载片台9的中心，载片台9的中心处固定被测晶圆8，在载片台9的中心处有四个对称的夹具，用来固定被测晶圆8，确保黑体辐射源2可以垂直照射到被测晶圆8表面；所述黑体辐射源2通过支撑臂3固定在真空腔1内的底板上，支撑臂3设置在支撑臂底座12上，在黑体辐射源2上设置黑体辐射源支架4，黑体辐射源支架4上连接可移动支撑臂5，可移动支撑臂5上连接探针卡6，探针卡6上设置探针7；所述探针卡6上的探针7与被测晶圆8上芯片电极的相对位置主要由可移动支撑臂5、载片台9来控制，可移动支撑臂5可以上下移动，可移动支撑臂5的上下移动带动探针卡6在垂直方向移动，从而改变探针7的垂直位置；所述载片台9与移位控制电机10的动力输出端连接，由移位控制电机10控制在水平方向进行二维移动，移位控制电机10安装在移位控制电机底座11上。通过可移动支撑臂5和载片台9的协同工作，可以实现被测晶圆8与探针7相对位置的三维精确移动。在所述真空腔1的底板上设置信号读出接口13，信号读出接口13通过PCI总线连接控制计算机40。

在所述真空腔1内的底板上设置偏置电压接口模块15，如图2所示，偏置电压接口模块15内设置偏置电压接口25；所述偏置电压产生装置19通过带屏蔽的同轴电缆连接偏置电压接口25，偏置电压接口25经内部同轴电缆连接探针卡6上的探针7，将偏置电压传送到探针卡6上并加载到被测晶圆8上。

在所述真空腔1的底板上设置脉冲信号接口模块14和黑体温度控制接口17，脉冲信号接口模块14内设置时钟脉冲信号接口23；所述脉冲信号产生装置20通过同轴电缆连接时钟脉冲信号接口23，时钟脉冲信号接口23经内部电缆连接探针卡6上的探针7，将时钟脉冲信号传送到探针卡6上并加载到被测晶圆8上；所述黑体辐射源控制装置22通过RS232总线连接黑体温度控制接口17，黑体温度控制接口17经附着在底板支撑臂底座12和支撑臂3上的电缆连接黑体辐射源2，以此改变黑体辐射源2的温度。

如图3所示，在所述移位控制模块21上设置可移动支撑臂控制手柄27和移位控制手柄28，可移动支撑臂控制手柄27用于控制可移动支撑臂5的转轴张开和闭合动作，以实现探针卡6的升降动作，移位控制手柄28用于控制载片台9的水平移动；所述移位控制模块21的控制输出信号连接可移动支撑臂5的转轴和移位控制电机10。

本发明的工作原理：控制计算机40向控制柜18内的控制模块发送指令，控制模块通过控制总线发送命令到真空腔1中各相应单元，黑体辐射源支架4和探针卡6中间的可移动支撑臂5能根据探针卡6与被测晶圆8的相对位置自动或手动移动，以确保探针卡6上的探针7能够和被测晶圆8上相应的电极电气连接；被测晶圆8产生的响应信号通过探针卡6上的探针7发送出来，通过底板上的信号读出接口13从真空腔1内读出并通过PCI总线传到控制计算机40；控制计算机40根据预设的算法对接收到的数据进行处理并显示。具体实施步骤如下：

（1）控制计算机40对偏置电压进行设置，设置好的数据传给控制柜18内偏置电压模块19，偏置电压模块19将接收到的指令解析并产生需要的电压，电压通过带屏蔽的同轴电缆传到位于底板上的偏置电压接口模块15里面的偏置电压接口25，偏置电压经内部同轴电缆传送到探针卡6上并由探针卡6上的探针7加载到被测晶圆8上面；

（2）时钟脉冲和黑体温度的设定由控制计算机40进行设置，设置好的数据分别传给控制柜18里面的脉冲信号产生装置20和黑体辐射源控制装置22，脉冲信号产生装置20和黑体辐射源控制装置22把接收到的指令进行解析并产生需要的时钟脉冲信号和黑体辐射源温度控制信号，这两种信号分别通过同轴电缆和RS232总线传送到真空腔底座上的脉冲信号接口模块14上的时钟脉冲信号接口23和黑体温度控制接口17，时钟脉冲信号通过内部电缆传送到探针卡6并由探针卡6上的探针7加载到被测晶圆8；黑体辐射源控制信号经过附着在底板、支撑臂底座12、支撑臂3上的电缆传给黑体辐射源2，以此改变黑体辐射源2的温度；

（3）可移动支撑臂5、载片台9的移动均由移位控制模块21控制；移位控制模块21能根据被测晶圆8与探针7之间的距离手动或自动调节可移动支撑臂5。调节阶段开始时，探针7在被测晶圆8的上方，此时可以调节移位控制模块21上的可移动支撑臂控制手柄27，移位控制模块21向可移动支撑臂转轴发送向下移动探针卡的命令。转轴接收到控制命令后会张大两臂之间的夹角，使得两臂之间的距离增大，带动探针卡6往下移动。当探针7接触到被测晶圆8之后，安装在探针上的微型压力传感器会及时给移位控制模块21反馈信号，移位控制模块21接收到信号之后给可移动支撑臂5发送停止张大两臂之间夹角的命令，自此，探针卡6的垂直移动完成。

（4）被测晶圆8需要尽量水平放置在载片台9的中心处，以减小晶圆对位时载片台9旋转的角度。为了防止被测晶圆8偏离探针卡6中心，载片台9采用可以水平移动的控制台。载片台9由放置在其下方的移位控制电机10驱动，而移位控制电机10受控于移位控制模块21。当被测晶圆8的中心位于探针卡6中心的左侧时，可以通过控制移位控制模块21上的移位控制手柄28给移位控制电机10发送向右移动载片台9的命令。载片台9接收到命令后给控制左右方向的步进电机发送信号，步进电机接收到信号以后带动载片台9向右移动，从而使得被测晶圆8向右移动，直到被测晶圆8回到探针卡6中心处。类似的，当被测晶圆8的中心位于探针卡6中心的右面、前面、后面时，与被测晶圆8位于探针卡6中心左面的移动机理相同，只是移动方向不同。

以上步骤实现了给被测晶圆施加偏置电压、时钟脉冲、红外辐射，以及调节被测晶圆8与探针7的位置。在完成晶圆定位，电学和红外激励施加后，IRFPA晶圆级测试过程如下：

（1）打开偏置电压产生装置19、脉冲信号发生装置20、移位控制模块21、黑体辐射源控制装置22的电源开关，然后打开控制计算机40和上位机软件。将被测晶圆8放入到真空腔1内的载片台9上面，并用载片台9上面的夹具固定。通过控制移位控制模块21面板上的可移动支撑臂控制手柄27和载片台控制手柄28分别调节探针卡6的高度和被测晶圆的位置，使探针7与被测晶圆8的电极电气接触。启动机械泵和分子泵，对真空腔进行抽真空，以达到预设真空度要求。

（2）通过上位机软件，分别设置需要的偏置电压路数以及每路偏置电压大小；设置时钟脉冲的路数以及每路时钟脉冲的频率、占空比、高低电平的大小；设置黑体辐射源的温度。操作方法为：在上位机软件上打开偏置电压设置选项，通过键盘分别输入需要的偏置电压路数以及每路偏置电压的大小，设置好的电压信号发送至偏置电压产生装置19上，偏置电压产生装置19将收到的信号解析，产生需要的偏置电压并通过探针7加载到被测晶圆8不同的电极上。类似的，时钟脉冲和黑体辐射源温度的操作与偏置电压操作基本一致。在上位机软件中打开时钟脉冲设置选项，选择需要的时钟脉冲路数以及每路时钟脉冲的频率、占空比、高低电平大小，设置好的时钟脉冲信号就可以传送到脉冲信号产生装置20上，脉冲信号产生装置20根据收到的信号产生需要的时钟脉冲，并经过探针7加载到被测晶圆8对应的电极上。在上位机软件上打开黑体辐射温度设置选项，设定黑体辐射源温度，设置好的黑体辐射源温度信号发送到黑体辐射源控制装置22，黑体辐射源控制装置22根据接受到的信号对黑体辐射源2的温度进行设定。偏置电压、时钟脉冲、黑体辐射源温度的设定没有先后顺序，可以根据实际情况变换。

（3）完成对被测晶圆8加载激励之后，通过PCI总线读出被测晶圆8的输出响应信号，并对响应信号进行处理。具体流程为：被测晶圆8的响应信号通过探针和电缆传到真空腔1底面的读出信号接口13上，读出信号接口13与控制计算机的PCI接口相连，响应信号通过PCI总线传到控制计算机的PCI端口，控制计算机对被测IRFPA芯片在该条件下的响应信号进行处理、存储和显示。

（4）通过上位机软件改变黑体辐射源2的温度，其他条件不变，再次通过PCI总线接收并存储响应信号。控制计算机通过计算这两种不同温度黑体辐射下响应信号可以得到晶圆级IRFPA芯片的各项特性参数。在上位机软件中预设Pass/Fail阈值，根据测试结果对所测IRFPA芯片进行判定，并生成全晶圆图片（Wafer Map）对不合格芯片进行位置标识。

（5）晶圆测试完成后，首先关闭偏置电压产生装置19、脉冲信号产生装置20和黑体辐射源控制装置22，打开真空腔进气阀，当腔体内压强接近大气压时开启进片窗口。取出被测晶圆前，手动操控可移动支撑臂控制手柄27，使可移动支撑臂5的末端向上移动，带动探针卡6向上移动，从而使得探针7与被测晶圆8分离。然后打开载片台9底座上的夹具，取出被测晶圆8，关闭移位控制模块21，最后关闭控制计算机。

至此，晶圆级红外焦平面的测试全部完成，相关的测试数据存储在控制计算机相应的文件夹内。

本发明的述晶圆级红外焦平面参数测试***具有以下特征：

第一，测试***包括真空腔、黑体辐射源、探针卡、载片台、控制模块、偏置电压模块、脉冲发生模块、信号采集处理模块以及计算机。其特征在于黑体辐射源、探针卡、载片台和被测晶圆均置于真空腔体内，这一设计不仅为IRFPA芯片工作提供必要的真空环境，还减少了黑体辐射源外置所引起的红外信号透射窗口引起的衰减。

第二，测试***采用探针卡的形式对IRFPA芯片施加激励和读取响应。偏置电压模块产生的电压和脉冲发生模块产生的脉冲信号通过载有探针的PCB探针卡加载到IRFPA芯片上。探针与IRFPA芯片的凸块（电极）直接接触，其中偏置电压通过直流探针加载到IRFPA电压电极两端，时钟脉冲通过高频探针加载到IRFPA芯片的时钟电极两端，IRFPA输出的响应信号通过探针读出并传送到控制主机。

第三，黑体辐射源由支撑臂固定在载片台的正上方，探针卡由可移动支撑臂固定在黑体辐射源支架上，探针卡的位置可以由移位控制器在竖直方向调节，被测晶圆固定在载片台上面，载片台可以通过移位控制电机在水平方向精确移动。

Claims (9)

1.一种晶圆级红外焦平面参数测试***，其特征是：包括控制柜（18）和真空腔（1），控制柜（18）内设置偏置电压产生装置（19）、脉冲信号产生装置（20）、移位控制模块（21）和黑体辐射源控制装置（22），真空腔（1）内从上到下依次设置黑体辐射源（2）、探针卡（6）、载片台（9）和移位控制电机（10），黑体辐射源（2）辐射方向垂直向下，正对载片台（9）的中心，载片台（9）的中心处固定被测晶圆（8）；所述黑体辐射源（2）固定在真空腔（1）内的底板上，在黑体辐射源（2）外侧设置黑体辐射源支架（4），黑体辐射源支架（4）上连接可移动支撑臂（5），可移动支撑臂（5）上连接探针卡（6），探针卡（6）上设置探针（7）；所述可移动支撑臂（5）由转轴驱动实现张开和闭合以带动探针卡（6）上下移动；所述载片台（9）与移位控制电机（10）的动力输出端连接实现水平方向的二维移动；

在所述真空腔（1）的底板上设置信号读出接口（13）、偏置电压接口模块（15）、脉冲信号接口模块（14）和黑体温度控制接口（17）；所述偏置电压接口模块（15）内设置偏置电压接口（25），脉冲信号接口模块（14）内设置时钟脉冲信号接口（23）；所述偏置电压产生装置（19）连接偏置电压接口（25），偏置电压接口（25）连接探针卡（6）上的探针（7）；所述脉冲信号产生装置（20）连接时钟脉冲信号接口（23），时钟脉冲信号接口（23）连接探针卡（6）上的探针（7）；所述黑体辐射源控制装置（22）连接黑体温度控制接口（17），黑体温度控制接口（17）连接黑体辐射源（2）。

2.如权利要求1所述的晶圆级红外焦平面参数测试***，其特征是：在所述载片台（9）的中心处有四个对称的夹具。

3.如权利要求1所述的晶圆级红外焦平面参数测试***，其特征是：所述黑体辐射源（2）通过支撑臂（3）固定在真空腔（1）内的底板上。

4.如权利要求3所述的晶圆级红外焦平面参数测试***，其特征是：所述支撑臂（3）设置在支撑臂底座（12）上。

5.如权利要求1所述的晶圆级红外焦平面参数测试***，其特征是：所述移位控制电机（10）安装在移位控制电机底座（11）上。

6.如权利要求1所述的晶圆级红外焦平面参数测试***，其特征是：所述信号读出接口（13）连接控制计算机（40）。

7.如权利要求1所述的晶圆级红外焦平面参数测试***，其特征是：在所述移位控制模块（21）上设置可移动支撑臂控制手柄（27）和移位控制手柄（28）。

8.如权利要求1所述的晶圆级红外焦平面参数测试***，其特征是：所述探针卡（6）与被测晶圆（8）平行，探针（7）针尖垂直于被测晶圆（8），并与晶圆（8）上芯片的对应电极电气接触。

9.如权利要求1所述的晶圆级红外焦平面参数测试***，其特征是：在所述真空腔（1）上连接真空腔电源插头（16）。