CN115469203A - 一种探针卡行程测量***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种探针卡行程测量***，可应用于晶圆测试***，其所述探针卡包括：多根探针构成的探针头；可安装于所述探针卡的测量探针，所述测量探针设置为不可回弹的可伸缩机构，使得所述测量探针与所述待测量探针的高度差构成有效行程值。本发明还提供一种探针卡行程测量***以及晶圆测试***。本发明用于分析误差来源和控制误差，从而保证探针与晶圆的有效接触，从而保证晶圆测试良率及可靠性。

Description

一种探针卡行程测量***和方法

技术领域

本发明属于半导体测试技术领域，尤其涉及一种探针卡行程测量***和方法。

背景技术

检查晶圆厂的制造缺陷和良品率的重要性是毋庸置疑的，探针卡是晶圆上被测芯片之间进行通信的重要功能部件。利用探针测试台与探针测试卡来测试晶圆上每一个晶粒，以确保晶粒的电气特性与性能是依照设计规格制造出来的。因此本领域要求晶圆芯片的测试具有很高的准确度和精度，并时刻需要分析影响探针测试***的精度和重复性误差来源。主要涉及三种误差：***误差、随机误差和漂移误差。

目前的常见使用场景是，在半导体晶圆测试阶段对晶圆上的未封装芯片进行测试，测试过程中会用到探针卡，探针卡完成晶圆焊盘或凸点到测试机的电气连接，然后通过测试机完成晶圆芯片的性能量测，并完成对晶圆的筛选分类，剔除不符合设计要求的芯片。探针卡所用的探针尺寸通常只有几十微米，长度也只有4-7毫米，探针的弹力基本在5g左右（不同应用探针的弹力会有差异）。随着晶圆制程能力提升及高密度的市场需求，有些应用的探针卡探针数量已经突破20000pin,这样芯片测试中的探针台晶圆承载台的推力要求需要达到100kg。

显然，上述场景对探针卡和探针的结构强度及精密度要求就提高到了一个新的层次。探针扎在晶圆焊盘上以后，还需要继续施加压力，使得探针形变产生更大的弹力，从而保证探针和焊盘的电性接触，保证电信号可以正常在测试机和晶圆之间传输。这产生了新的误差，需进一步分析误差来源和控制误差到所需的精度范围内。

基于以上，本申请提供了解决以上技术问题的技术方案。

发明内容

本发明的第一目的是获得一种探针卡行程测量***，用于分析误差来源和控制误差，从而保证探针与晶圆的有效接触，从而保证晶圆测试良率及可靠性。

本发明的第二目的是获得一种探针卡行程测量方法，用于分析误差来源和控制误差从而保证探针与晶圆的有效接触，从而保证晶圆测试良率及可靠性。

本发明的第三目的是获得一种晶圆测试***，可分析误差来源和控制误差从而保证探针与晶圆的有效接触，从而保证晶圆测试良率及可靠性。

本发明的第一方面提供一种探针卡行程测量***，可应用于晶圆测试***，所述探针卡包括：

多根探针构成的探针头；

可安装于所述探针卡的测量探针，所述测量探针设置为不可回弹的可伸缩机构，使得所述测量探针与所述待测量探针的高度差构成有效行程值。

在本发明的一个优选实施方式中，所述晶圆测试***还包括与所述探针卡电连接的载板PCB、所述探针卡和所述载板PCB通过结构件连接。

在本发明的一个优选实施方式中，所述不可回弹的可伸缩机构包括探针壳体和探针内芯，所述探针壳体和探针内芯为紧密接触配合结构。

在本发明的一个优选实施方式中，所述探针壳体为圆柱空心体。

在本发明的一个优选实施方式中，所述探针壳体的外径在0.1-2mm范围内。优选的，厚度不低于0.1mm。优选的，长度为1-10mm。

在本发明的一个优选实施方式中，所述探针壳体的内芯为圆柱体或空心，所述内芯的外径与所述探针壳体为紧密接触配合结构。优选的，长度为1-10mm。

在本发明的一个优选实施方式中，所述测量探针安装于所述探针卡的探针区域。

在本发明的一个优选实施方式中，所述测量探针安装于所述探针卡的探针区域以外。

本发明的第二方面提供一种探针卡行程测量方法，可应用于所述的探针卡行程测量***，其包括如下步骤：

将测量探针与所述探针卡替换，所述探针卡是多根探针构成的探针头；

所述测量探针设置为不可回弹的可伸缩机构，测定所述测量探针与所述待测量探针的高度差，得到有效行程值。

本发明的第三方面提供一种晶圆测试***，其包括如本发明所述的探针卡行程测量***。

本发明能够带来以下至少一种有益效果：

1、提出一种探针卡行程测量的方法，通过测量针卡有效行程，保证针卡的测试状态及性能，避免针卡的不正确使用造成探针卡或晶圆的损坏。

2、分析误差来源和控制误差，从而保证探针与晶圆的有效接触，从而保证晶圆测试良率及可靠性。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为现有的探针，其具备一定的形状恢复能力。

图2为探针的行程与探针弹力的曲线。

图3为现有技术的晶圆测试***。

图4为本发明的探针卡探针和行程测量探针的示意图。

图5为本发明的探针卡探针头的侧边示意图。

图6为测量探针的一种实施方式的排布图示意图。

图7为测量探针的另一种实施方式的排布图示意图。

图8为普通探针和本发明的测量探针的一个具体实施方式。

图9为本发明的一个实施方式中，施加行程前后的测量探针和普通探针对比图。

具体实施方式

以下对本发明的各个方面进行进一步详述。

除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。

以下对术语进行说明。

在本领域中，OD也即“探针行程”是指，将探针刚接触晶圆焊盘的位置记为零点，继续施加压力，探针会发生形变从而产生更大的弹力，此处施加更大压力过程中，探针的法向形变量即为行程。行程英文简写为OD（Over Drive或Over travel）。

除非另有明确的规定和限定，本发明中所述的“或”，包含了“和”的关系。所述“和”相当于布尔逻辑运算符“AND”，所述“或”相当于布尔逻辑运算符“OR”，而“AND”是“OR”的子集。

可以理解到，尽管术语“第一”、“第二”等等可以在此用来说明不同的元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅仅用来将一个元件与另一个元件区分开。因此，第一元件可以被称为第二元件，而不背离本发明构思的教导。

本发明中，术语“含有”、“包含”或“包括”表示各种成分可一起应用于本发明的混合物或组合物中。因此，术语“主要由 ...组成”和“由 ...组成”包含在术语“含有”、“包含”或“包括”中。

除非另有明确的规定和限定，本发明的术语“相连”、“连通”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中介媒介间相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

例如，如果一个元件（或部件）被称为在另一个元件上、与另一个元件耦合或者与另一个元件连接，那么所述一个元件可以直接地在所述另一个元件上形成、与之耦合或者与之连接，或者在它们之间可以有一个或多个介于中间的元件。相反，如果在此使用表述“直接在......上”、“直接与......耦合”和“直接与......连接”，那么表示没有介于中间的元件。用来说明元件之间的关系的其他词语应该被类似地解释，例如“在......之间”和“直接在......之间”、“附着”和“直接附着”、“相邻”和“直接相邻”等等。

另外需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。可以理解到，在此，这些术语用来描述如在附图中所示的一个元件、层或区域相对于另一个元件、层或区域的关系。除了在附图中描述的取向之外，这些术语应该也包含装置的其他取向。

本发明的其它方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。例如，在附图中的元件的厚度可以为了清楚性起见而被夸张。

实施例

目前的晶圆测试中，以下是常见的导致新问题的场景，以及为解决新问题而采用的对应解决措施的处理方案：

场景一：为了控制误差来源，需要控制探针和探针之间横向的相互接触

目前的常见使用场景是，在半导体晶圆测试阶段对晶圆上的未封装芯片进行测试，测试过程中会用到探针卡，探针卡完成晶圆焊盘或凸点到测试机的电气连接，然后通过测试机完成晶圆芯片的性能量测，并完成对晶圆的筛选分类，剔除不符合设计要求的芯片。探针卡所用的探针尺寸通常只有几十微米，长度也只有4-7毫米，探针的弹力基本在5g左右（不同应用探针的弹力会有差异）。

通常情况下在测试过程中不是一个探针而是一组探针在同时工作，通常一组探针可能有上千个。芯片pad的间距一般在100um以下，这就意味着上千的探针需要安装在很小的区域内，他们之间的间距也非常的小。

在探针和晶圆接触后，在针的垂直方向上施加一定的力，同时会产生垂直方向的位移称为针测行程(overdrive)，一般在25-120um之间。合适的OD可以产生适当的针测压力，探针一端可以刺破芯片pad的氧化层达到电接触的目的。

探针在垂直方向产生位移的同时也会在横向产生一定的弯曲，如果不通过一些手段控制探针横向变形的方向或者探针形状、尺寸设计不合理那么探针产生的横向位移会使得探针和探针之间相互接触形成通路。

场景二：探针数量的增加使得对误差来源和控制提出新要求

随着晶圆制程能力提升及高密度的市场需求，有些应用的探针卡探针数量已经突破20000pin,这样芯片测试中的探针台晶圆承载台的推力要求需要达到100kg，这对探针卡和探针的结构强度及精密度要求就提高到了一个新的层次。探针扎在晶圆焊盘上以后，还需要继续施加压力，使得探针形变产生更大的弹力，从而保证探针和焊盘的电性接触，保证电信号可以正常在测试机和晶圆之间传输。

探针扎在晶圆焊盘上以后，还需要继续施加压力，使得探针形变产生更大的弹力，从而保证探针和焊盘的电性接触，保证电信号可以正常在测试机和晶圆之间传输。这产生了新的误差，需进一步分析误差来源和控制误差到所需的精度范围内。

本发明中，发明人经过了广泛和深入的试验，分析误差来源和控制误差，从而保证探针与晶圆的有效接触，从而保证晶圆测试良率及可靠性。

现有技术参见图1-图3。

将探针刚接触晶圆焊盘的位置记为零点，继续施加压力，探针会发生形变从而产生更大的弹力，此处施加更大压力过程中，探针的法向形变量即为行程。行程英文简写为OD（Over Drive或Over travel）。

另外，探针具备一定的形状恢复能力，只要不超出探针的最大行程，探针可以恢复至初始高度，类似与弹簧的复原，如图1所示。

探针的行程与探针弹力的曲线举例如下，由图2可知，探针的弹力与行程非常相关，如果无法精确控制行程，则无法保证探针和晶圆的电接触。

晶圆测试***中的主要用具如下，

1.测试机

2.探针卡

3.探针台

4.晶圆

晶圆测试时，如图3中晶圆吸附在探针台晶圆承载台上，承载台沿着Z轴向上移动，完成晶圆与探针卡探针的接触；同时完成一次测试以后，承载台会XY方向移动，将下一次需要测试的芯片移动至探针卡下方。测试过程中，探针卡及以上部分不移动，但会由于受力而发生形变。

晶圆测试***的结构强度及精密度会严重影响探针卡的测试有效行程，如果评估探针卡的有效行程，是一个比较复杂的问题。例如，测试时探针卡的理论行程（AOD）需要设计值为100um，如果受探针弹力导致的机械形变为10um(DEF=10um)，则测试程序设置测试行程(POD)为100um时，AOD只有90um,即AOD=POD-DEF.

为了可以实现晶圆测试***的有效行程评估，本发明提出一种新的评估方法，可以最大程度保证行程的有效性和精确度。

本发明的第一方面提供一种探针卡行程测量***，可应用于晶圆测试***，所述探针卡包括：

多根探针构成的探针头；

可安装于所述探针卡的测量探针，所述测量探针设置为不可回弹的可伸缩机构，使得所述测量探针与所述待测量探针的高度差构成有效行程值。

在本发明的一个优选实施方式中，所述晶圆测试***还包括与所述探针卡电连接的载板PCB、所述探针卡和所述载板PCB通过结构件连接。

在本发明的一个优选实施方式中，所述不可回弹的可伸缩机构包括探针壳体和探针内芯，所述探针壳体和探针内芯为紧密接触配合结构。

在本发明的一个优选实施方式中，所述探针壳体为圆柱空心体。

在本发明的一个优选实施方式中，所述探针壳体的外径在0.1-2mm范围内。优选的，厚度不低于0.1mm。优选的，长度为1-10mm。

在本发明的一个优选实施方式中，所述探针壳体的内芯为圆柱体或空心，所述内芯的外径与所述探针壳体为紧密接触配合结构。优选的，长度为1-10mm。

在本发明的一个优选实施方式中，所述测量探针的安装于所述探针卡的探针区域。

在本发明的一个优选实施方式中，所述测量探针的安装于所述探针卡的探针区域以外。

具体参见图4-图9，将对照附图示例性地说明本发明的具体实施方式。

首先，需设计一款可伸缩的探针，图4为探针卡探针和行程测量探针的示意图，行程测量探针主要分为探针壳体和探针内芯两部分，探针壳体一般为圆柱空心体，圆柱外径一般在0.1-2mm范围内，厚度一般为0.1mm以上，长度为1-10mm不等；探针内芯为圆柱体，也可以为空心，外径与壳体接触紧密，长度为1-10mm。该探针壳体和内芯中并无弹簧，探针内芯可压入壳体内，但不会掉出，可以实时记录最高压入距离。

图5为探针卡探针头的侧边示意图，探针安装在探针头上。

图6-7为探针排布图的示意图，可以将测量探针放在探针区域也可置于其他方便位置。

图8放置了一根普通探针和测量探针，作为示意说明。将安装了测量探针的探针卡置于晶圆测试***上，晶圆承载台上放置类晶圆玻璃，然后操作探针台使晶圆承载台上升，对探针卡施加行程（OD）。

图9为施加行程前后的测量探针和普通探针对比图，由于测量探针不具备回弹能力，因此当撤去行程以后，探针恢复原状，而测量探针无法恢复，则可以直接测量二者的高度差，该高度差即为有效行程（AOD）,例如测试程序施加行程（POD）为100um，探针和测量探针之间高度差为90um，则AOD为90um，DEF为10um,所以，如果要求AOD为100um，则POD需设置为110um。对于多探针的情况，可以采用平均值进行评估，从而可以确定等效AOD。

综上所述，本发明的具体实施方式获得了如下效果：

该方式可以精确对探针卡行程进行有效补偿，消除***结构产生的应变，从而保证探针卡的探针在测试过程中保持非常好的状态，减少测试对探针卡的损坏，节约成本，提高作业效率。

基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的***及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种探针卡行程测量***，可应用于晶圆测试***，其特征在于，所述探针卡包括：

多根探针构成的探针头；

可安装于所述探针卡的测量探针，所述测量探针设置为不可回弹的可伸缩机构，使得所述测量探针与待测量探针的高度差构成有效行程值。

2.如权利要求1所述的探针卡行程测量***，其特征在于，所述晶圆测试***还包括与所述探针卡电连接的载板PCB、所述探针卡和所述载板PCB通过结构件连接。

3.如权利要求1所述的探针卡行程测量***，其特征在于，所述不可回弹的可伸缩机构包括探针壳体和探针内芯，所述探针壳体和探针内芯为紧密接触配合结构。

4.如权利要求3所述的探针卡行程测量***，其特征在于，所述探针壳体为圆柱空心体。

5.如权利要求4所述的探针卡行程测量***，其特征在于，所述探针壳体的外径在0.1-2mm范围内，厚度不低于0.1mm，长度为1-10mm。

6.如权利要求4所述的探针卡行程测量***，其特征在于，所述探针壳体的内芯为圆柱体或空心，所述内芯的外径与所述探针壳体为紧密接触配合结构，且长度为1-10mm。

7.如权利要求1所述的探针卡行程测量***，其特征在于，所述测量探针安装于所述探针卡的探针区域。

8.如权利要求1所述的探针卡行程测量***，其特征在于，所述测量探针安装于所述探针卡的探针区域以外。

9.一种探针卡行程测量方法，可应用于如权利要求1-8任意一项所述的探针卡行程测量***，其特征在于，包括如下步骤：

将测量探针与所述探针卡替换，所述探针卡是多根探针构成的探针头；

所述测量探针设置为不可回弹的可伸缩机构，测定所述测量探针与所述待测量探针的高度差，得到有效行程值。

10.一种晶圆测试***，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的探针卡行程测量***。

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