 我们要弄清楚为什么会烧针？首先我们要了解针尖的瞬时阻抗，测试过程中，测试机通过探针施加一定的电压信号到芯片上，使芯片处于工作状态，以完成一系列的电性能测试，一般芯片工作电流在微安(uA)或是毫安(mA)级别，探针可以承受这些电流[3]。但在实际的测试过程中，会存在坏的芯片，电源PAD 可能是开路或是短路，如果是开路则探针不通电，芯片无法正常工作，如果是短路则在芯片工作电压下，探针上会流过相当大的电流，有的甚至高达数百毫安(mA)。这时针尖温度会上升，针尖和pad 接触，针尖和pad 之间就有电势差，金属铝的熔点是660 ℃，当针尖温度超过660 ℃，pad 上的金属铝会融化并被吸附在针尖上，并且由于场发射效应，不会掉下来，然后这些吸附在针尖的金属铝通过高温会迅速氧化，变成氧化铝(AI2O3)，导致针尖的接触电阻变大。这时不能导电的氧化铝阻挡了针尖和pad 接触的面积，从而限制了电流的大小，当有大电流流过针尖和pad 的接触区域时，由于接触面变小，承受的电流变小，导致针尖温度继续上升，从而使更多的氧化铝吸附在针尖，使得接触面积更小，多次的循环，针尖温度不断上升，达到探针的熔点(钨的熔点3422 ℃)就会烧针。多大的电流属于大电流呢？利用已知信息和物理公式来算一下。以常见的悬臂针(cantilever needle)为例(钨含量97% 铼含量3%)，已知参数如表2 所示。  利用物理公式：W=Q=P·t (能量＝功率×时间)；Q=m·C·Δt (能量＝质量×比热容×温度变化)两者的关系，得出公式Q=I2·R·t=m·C·Δt，由公式可知，随着测试时间的上升，能量Q 会逐步上升，导致针尖温度不断上升。其中，I 代表测试电流；R 代表探针自身电阻，实测为0.465 Ω 左右；t 代表测试时间；m 代表探针质量，通过公式：质量＝密度×体积(钨的密度为19.35 g/cm3)计算得出；C 代表钨的比热容24.27 J·mol·K；Δt 代表探针的温度变化，从常温达到熔点(钨熔点3422 ℃)为3400℃左右；由如上公式得出I2t ≈1.822×10-3。从数据上看，假设测试电流是200 mA，测试时间超过45 ms，探针上的电流就超出承受范围，从而出现烧针情况。实际生产过程中，由于金属的热传导，针尖的热量会快速传到晶圆的其他区域，从而测试持续时间会大大增加，但如果清针不到位，如上文所说大量氧化铝吸附在针尖上，使得接触面积变得越来越小，针尖承受的电流会越来越小，烧针是完全有可能的，由此可见清针在晶圆测试过程中是非常的重要。 3.2 优化测试程序 检查测试程序，主要注意从两个方面进行优化，电压和电流。 电压方面的优化： (1)在程序中，测试完每一项都要有下电步骤，一个是防止器件的热切换(hot switch)，另一个是防止电流在探针上持续时间太长，积攒能量过大导致烧针； (2)测试外围一般都会有很多的继电器(relay)，避免继电器的热切换，程序中尽量采用先打继电器再上电的原则； (3)测试卡板上的测试外围如有电容的，用完后应该及时放电。 电流方面的优化： (1)烧针一般都是Power/GND pin 出问题，所以对功率大的产品，在卡板设计时可考虑做成双针，从而分散每根针上的电流； (2)测试源在切换档位(range)时，会产生瞬时的大电流，可以优化切换档位的时机、次数、和方法等。通过上述两项改善措施后，对测试的晶圆做了验证，分别在改善前和改善后对管芯进行LOOP50 次的实验，如图5 所示，改善前测试不仅把针尖烧了，同时管芯的PAD 也烧成了大面积的黑点，改善后做同样的实验，在显微镜下查看针痕正常，同时追踪了后续测试过程也未发现烧针现象的出现。  (a)改善前的验证结果  (b)改善后的验证结果 图5 验证前后对比 4 结论 我们总结了晶圆(wafer)在测试过程中，探针烧针情况的可能性，并进行了改善措施，造成烧针现象的原因及结论，如表3 所示。 表3 烧针的可能原因及结论  通过这个案例，我们总结出两点：第一，晶圆测试过程中，清针是非常有必要的，能够大大减少针尖上吸附的氧化铝，从而增加针尖所能承受的电流；第二，工程师在程序开发过程中，特别是一些大功率电路的测试，一定要充分考虑针尖电流的承受能力。 |
