探針卡nA級漏電故障判斷與分析

顧 吉，陳海波

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

探針卡nA級漏電故障判斷與分析

顧 吉，陳海波

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

針對器件測試過程中發(fā)現(xiàn)的nA級漏電現(xiàn)象進(jìn)行判斷和分析，并提出解決方案。介紹了探針卡nA級漏電故障判斷與分析的方法，通過判斷分析把故障原因鎖定在PCB板上，然后對PCB板進(jìn)行分析測試，分別從PCB吸潮情況、板材絕緣性能、孔列區(qū)域排布等方面進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，PCB板制作時(shí)受到阻焊橋工藝能力的限制，孔環(huán)間阻焊橋脫落，孔環(huán)間基材裸露，最終導(dǎo)致該板絕緣性能較差，漏電超標(biāo)?？梢酝ㄟ^放大孔環(huán)間距或提高阻焊工藝能力的方法來保證阻焊橋的制作，同時(shí)使用具有較高電阻率的材料，提高PCB板的絕緣性能。

探針卡；漏電；PCB板

1 引言

為了測試晶圓上的芯片，就必須給晶圓上的芯片提供測試矢量和測試電流、電壓，同時(shí)還需要從被測芯片上采集輸出信號，這就意味著必須與芯片上的焊盤相接觸。在常規(guī)制造工藝中，焊盤的面積比較小，為了將焊盤上的引腳引出來，就必須用到探針。通常的探針都是以陣列或成組的形式固定在專用的PCB板上組成探針卡，探針卡的性能指標(biāo)直接影響到晶圓測試的數(shù)值。

探針卡（probe card）是指晶圓測試（wafer test）中被測芯片（chip）和測試機(jī)之間的接觸部件，主要應(yīng)用于芯片封裝前對芯片電學(xué)性能進(jìn)行初步測量，并篩選出不良芯片后，再進(jìn)行之后的封裝工程。其原理是將探針卡上的探針與芯片上的焊墊（pad）或凸點(diǎn)（bump）直接接觸，導(dǎo)出芯片訊號，再配合周邊測試儀器與軟件控制達(dá)到自動(dòng)化量測晶圓的目的。它對前期測試的開發(fā)及后期量產(chǎn)測試的良率保證都非常重要，是晶圓制造過程中對制造成本影響相當(dāng)大的重要制程。本文針對測試過程中發(fā)現(xiàn)的nA級漏電現(xiàn)象進(jìn)行判斷和分析，找到漏電原因，并提出解決方案。

2 提出問題

2.1 器件測試

晶圓級（未封裝的裸芯片）IC器件參數(shù)測試，首先在顯微鏡下識別不同的測試結(jié)構(gòu)，如圖1。在測試圖形中選定某寬長比的NMOSFET（或PMOSFET），確定其漏D、柵G、源S、襯B各電極DUT PAD，通過探針測試卡上的探針陣列，連接到半導(dǎo)體參數(shù)測試儀上進(jìn)行測試。其原理框圖如圖2所示。

圖1 器件測試圖形

圖2 測試原理圖

2.2 漏電現(xiàn)象

在測試NMOSFET的ID-VD曲線時(shí)，在電壓為0時(shí)器件漏電較大，測試數(shù)據(jù)異常。圖3是用探針臺測試的結(jié)果，圖5是用探卡測試的結(jié)果，分別對這兩張圖的亞閾值區(qū)域進(jìn)行放大，得到圖4和圖6。從圖中可以看到，在探針臺上測試的電流值在1×10-12A以下，而用探卡測試的電流值已經(jīng)接近1×10-9A，說明探卡測試存在嚴(yán)重的漏電問題，漏電量級在1 nA左右。

圖3 探針臺測試

圖4 圖3中亞閾值區(qū)域局部放大

圖5 探卡測試

圖6 圖5中亞閾值區(qū)域局部放大

2.3 問題描述

首先對探卡結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探卡由PCB板、Ring、探針和樹脂（一種環(huán)氧樹脂膠）構(gòu)成，如圖7所示。其中Ring對探針起到定位作用，它們通過樹脂固定在PCB板上，其中Ring和樹脂都是絕緣體，可以判斷PCB板實(shí)測值并不滿足漏電流應(yīng)小于 1 pA的要求，接下來分析造成漏電流超標(biāo)的原因。PCB板外觀如圖8。

圖7 探針卡的結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 樣品外觀

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 初步分析

對于PCB的漏電流超標(biāo)問題，也就是 PCB 絕緣性能偏低的問題一般從以下兩方面考慮：（1）內(nèi)層絕緣電阻，影響該電阻的因素有板材的體電阻率及內(nèi)層導(dǎo)體間距、PCB吸潮；（2）外層絕緣電阻，影響該電阻的因素有板材的表電阻率及外層導(dǎo)體間距、阻焊介電能力。

3.2 絕緣電阻測試方法

圖9 測試點(diǎn)示意圖

經(jīng)觀察，該板各點(diǎn)所在網(wǎng)絡(luò)均通過字符標(biāo)示，所以實(shí)驗(yàn)采用在相鄰兩網(wǎng)絡(luò)間加電的方式測試絕緣電阻。如在圖9左側(cè)所示的“01”大金面相連孔環(huán)以及右側(cè)所示的“02”孔環(huán)兩端加電，以此測試“01”網(wǎng)絡(luò)與“02”網(wǎng)絡(luò)間的絕緣電阻。測試均采用100 V電壓，充電時(shí)間 300 s。

3.3 干燥前后絕緣電阻測試

對PCB進(jìn)行了 150 ℃、2 h 烘烤，除去水分后進(jìn)行了“11”-“20”網(wǎng)絡(luò)的絕緣電阻測試，測試所得數(shù)據(jù)如表 1 所示，在除去水分后測試各點(diǎn)漏電流均超標(biāo)，因而排除 PCB 吸潮導(dǎo)致絕緣電阻下降的可能性。

表 1 干燥后測試結(jié)果

3.4 絕緣性較差位置定位分析

從外觀上分析，如圖10 所示，該板有兩個(gè)位置存在絕緣性較差的風(fēng)險(xiǎn)，一個(gè)是左側(cè)的各個(gè)大焊盤區(qū)域，另一個(gè)是右側(cè)的孔列區(qū)域。針對這兩個(gè)位置分析，將左側(cè)大焊盤以及與其相連孔環(huán)間的導(dǎo)線割斷（萬用表確認(rèn)完全斷開），然后進(jìn)行絕緣電阻測試，由于大焊盤與其相連孔環(huán)的斷開，此時(shí)測試結(jié)果即為右側(cè)的密集孔列區(qū)域的絕緣電阻，測試結(jié)果見表2（考慮到絕緣電阻測試結(jié)果的波動(dòng)性，19-20位置引線并未處理，測試結(jié)果作為參照）。

圖10 分析點(diǎn)示意圖

表 2 割斷引線后絕緣電阻測試結(jié)果

如表2所示，將測試網(wǎng)絡(luò)與大焊盤間引線割斷后，絕緣電阻測試結(jié)果均沒有出現(xiàn)較大變化，各點(diǎn)漏電流均超標(biāo)。由此可確定，絕緣性能較差部位為圖10所示的孔列區(qū)域。

3.5 孔間絕緣電阻影響因素分析

一般情況下，孔間絕緣電阻組成如圖11所示，由此孔間的絕緣電阻可視為阻焊面電阻、阻焊體電阻以及板材體電阻三者的并聯(lián)電阻（此時(shí)由于阻焊保護(hù)，板材面電阻未得到體現(xiàn)）。以上電阻值均由材料本身電阻率以及此時(shí)的導(dǎo)體間距決定。

3.6 孔列區(qū)域分析

對孔列區(qū)域進(jìn)行取樣并制作縱向切片，見圖12。

圖12 切片分析

如圖12所示，孔列區(qū)域孔的孔壁質(zhì)量較好，明場下未能觀察到明顯的燈芯現(xiàn)象（孔壁上沿玻纖方向滲入銅的長度，這個(gè)長度越小越好）。另外，測得孔壁間距約 780 μm，而表層孔環(huán)間距約 236 μm。

3.7 孔壁間距影響分析

采用如圖13所示的串聯(lián)孔鏈結(jié)構(gòu)試板（為區(qū)分上面所提的PCB板，在這里稱為試板）進(jìn)行不同孔壁間距孔陣列的絕緣電阻測試，絕緣電阻測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同孔壁間距絕緣電阻測試數(shù)據(jù)

如表3所示，孔鏈的絕緣電阻隨著孔壁間距的減小而減小，在試板選用板材條件下，當(dāng)間距達(dá)到0.4 mm以上時(shí)其漏電流值即可滿足要求。而原PCB板孔壁間距為0.78 mm，因而判斷該板的絕緣性能差不是由于內(nèi)層導(dǎo)體間距（即孔壁間距）過小所致。

圖13 試板外觀

3.8 試板與PCB板比較

試板相關(guān)特征信息與PCB提供板比較見表4。

表4 試板相關(guān)特征信息與PCB提供板比較

如表4所示，對比試驗(yàn)試板與原PCB板，可發(fā)現(xiàn)主要的不同點(diǎn)在于阻焊開窗工藝以及板材的差異。在板材方面，可以選用電阻率比較高的材料，表5中列出了一些絕緣材料的電阻率，其板材以有機(jī)玻璃居多，有機(jī)玻璃價(jià)格便宜，同時(shí)有機(jī)玻璃相對較軟，鉆孔時(shí)有脹縮，探針套管與孔的結(jié)合緊密，由于有機(jī)玻璃是透明的置具，十分容易查找問題。

由于孔環(huán)間距（236 μm）受該板制作時(shí)的阻焊橋工藝能力的限制較小，在開窗后出現(xiàn)掉橋的情況。

表5 某些絕緣材料的體積電阻率ρv（20，空氣中）

3.9 無阻焊情況絕緣電阻組成分析

圖14 無阻焊情況孔間絕緣電阻的組成

在無阻焊情況下，孔間絕緣電阻組成如圖14所示，由此孔間的絕緣電阻可視為板材面電阻以及板材體電阻的并聯(lián)電阻（此時(shí)由于沒有阻焊保護(hù)，板材面電阻得到體現(xiàn)）。而一般情況下，板材的面電阻率小于阻焊的體電阻率以及面電阻率。由并聯(lián)電阻的一般規(guī)律可知，并聯(lián)電阻阻值更接近于各并聯(lián)電阻中阻值最小者。因而，在失去阻焊保護(hù)的情況下，板材面電阻參與并聯(lián)，孔間絕緣電阻下降。

4 綜合分析

PCB板經(jīng)150 ℃烘烤2 h干燥后測試絕緣電阻，測試結(jié)果顯示均不滿足漏電要求，因而排除板吸潮導(dǎo)致絕緣性能下降的可能。對比大焊盤與孔列間引線切斷前后絕緣電阻的測量值，處理前后變化不大，因而判斷絕緣性能較差位置出現(xiàn)在孔列位置。針對孔列位置進(jìn)行以下排查：

（1）內(nèi)層導(dǎo)體間距：經(jīng)切片分析發(fā)現(xiàn)孔列位置孔壁質(zhì)量較好，間距約0.78 mm，未觀察到明顯燈芯現(xiàn)象。通過相關(guān)等效實(shí)驗(yàn)確認(rèn)該間距下絕緣性能良好，因而排除內(nèi)層導(dǎo)體間距過小導(dǎo)致絕緣性能下降的可能；

（2）外層導(dǎo)體間距：切片分析發(fā)現(xiàn)外層孔環(huán)間距約0.25 mm，該間距下阻焊橋多數(shù)已脫落，由于失去阻焊保護(hù)，阻值較低的板材面電阻與絕緣電阻并聯(lián)而使得孔間的絕緣電阻下降，最終導(dǎo)致了漏電超標(biāo)的情況。

5 檢測結(jié)論P(yáng)CB板制作時(shí)受到阻焊橋工藝能力的限制，孔環(huán)間阻焊橋脫落，孔環(huán)間基材裸露，最終導(dǎo)致該板絕緣性能較差，漏電超標(biāo)。

可通過放大孔環(huán)間距或者提高阻焊工藝能力的方法來保證阻焊橋的制作，同時(shí)使用具有較高電阻率的材料，從而提高PCB板的絕緣性能。

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To Judge and Analyze nA Level Electric Leakage of Probe Cards

GU Ji, CHEN Haibo
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China）

To judge and analyze nA level electric leakage found during device test, and to put forward solutions. The article introduces the method of judging and analyzing the nA level electric leakage of probe cards. First, the author confirms that the fault falls on PCB by judging and analyzing. Then he tests the PCB by its degree of moisture, insulating property, regional arrangement of columns of holes and so on. The result shows that when PCB production is limited by resistance welding bridge technology, the resistance welding bridges among annular rings will fall off and excessive leakage. To ensure the successful production of resistance welding bridge technology, the resistance welding bridges among annular rings will fall of and the base material will be exposed in the open air, which eventually leads to poor insulating property and excessive leakage. To ensure the successful production of resistance welding bridges, they can enlarge the visionary space or improve the resistance welding technology. Also they can material of higher electrical resistivity in order to improve the insulating properly of PCB.

probe cards; electric leakage; PCB

TN307

A

1681-1070（2015）08-0013-04

2015-5-10