CN113640557B - 一种扎针高度自调整系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扎针高度自调整系统及方法，获取探针尖与芯片的相对位置；当所述探针尖与芯片之间的距离小于预接触距离后，控制承片台相对于所述探针卡逐级运动，每次运动后进行芯片测试，获取测试数据；当测试数据有效时，确定承片台或芯片此时的位置为第一接触位，精细控制所述承片台再升高预定高度，使其达到第二接触位。本发明能够减少芯片测试过程中的人为干预，避免调节探针扎针高度过程中操作员操作不当对芯片测试产生的影响。

Description

一种扎针高度自调整系统及方法

技术领域

本发明属于功率器件封装测试技术领域，具体涉及一种扎针高度自调整系统及方法，尤其涉及一种适用于半导体器件晶圆动态参数测试分选系统的扎针高度自调整系统及方法。

背景技术

半导体器件在进行封装之前都要利用探针台和测试机进行芯片测试和分选，使用传统的半导体功率测试仪和探针台组合进行晶圆测试时，操作员需要手动调节扎针高度，调节扎针高度的手段则是操作员肉眼观察和试测。该过程很大程度上依赖于操作员的操作经验，若扎针过深易导致芯片或者探针损坏，若扎针过浅接触不足则会产生较大的寄生参数从而造成测试误差，而且这种寄生参数造成的误差，对动态参数测试分选系统的影响将更为显著。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种扎针高度自调整系统及方法，本发明能够减少芯片测试过程中的人为干预，避免调节探针扎针高度过程中操作员操作不当对芯片测试产生的影响。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种扎针高度自调整系统，包括控制单元、定位扎针单元和数据处理单元，其中：

所述定位扎针单元，包括探针卡、承片台和距离采集模块，所述探针卡设置于用于放置待测芯片的承片台上方，所述承片台在控制单元的作用下，能够相对于所述探针卡三维平动或绕中心轴旋转运动，距离采集模块用于检测和确定探针尖与芯片的相对位置；

所述数据处理单元，与芯片测试系统连接，获取芯片测试数据；

所述控制单元，与所述距离采集模块和所述数据处理单元连接，被配置为根据探针尖与芯片的相对位置，控制承片台相对于所述探针尖逐级运动，获取数据处理单元反馈的测试数据，根据测试数据的有效性，精细控制探针尖和承片台的相对距离。

作为可选择的实施方式，所述探针卡固定设置。

作为可选择的实施方式，所述探针卡与探针之间可拆卸连接。

作为可选择的实施方式，所述承片台顶部设置有若干真空吸孔。

作为可选择的实施方式，所述探针卡和承片台顶部均为导电材料，分别作为测试母排和与芯片漏极直接连接。

作为可选择的实施方式，所述距离采集模块包括第一采集模块和第二采集模块，所述第一采集模块设置于探针的上方，所述第二采集模块设置于所述承片台的侧面。

作为可选择的实施方式，所述第一采集模块、第二采集模块均为图像采集模块。

一种扎针高度自调整方法，包括以下步骤：

获取探针尖与芯片的相对位置；

当所述探针尖与芯片之间的距离小于预接触距离后，控制承片台相对于所述探针卡逐级运动，每次运动后进行芯片测试，获取测试数据；

当测试数据有效时，确定承片台或芯片此时的位置为第一接触位，精细控制所述承片台再升高预定高度，使其达到第二接触位。

作为可选择的实施方式，所述预接触距离的设置范围为50-100μm。

作为可选择的实施方式，所述第二接触位与第一接触位之间的距离为30-50um。

作为可选择的实施方式，控制承片台相对于所述探针卡逐级运动的具体过程包括：当芯片/承片台达到预接触位后，按设定梯度自动抬高芯片/承片台，使芯片向探针针尖逐次逼近，并在每一个梯度位置进行参数测试，若测试结果连续有效，则此位置为第一接触位，否则控制承片台再向上抬高一个梯度。

半导体器件晶圆动态参数测试分选系统，包括上述扎针高度自调整系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明能够避免调节探针扎针高度过程中操作员操作不当或判断失误对芯片测试产生的影响，其一，避免了因为探针扎针过深对芯片或者探针造成损坏，其二，避免了因为探针与芯片接触不足导致测试误差。

本发明减少了芯片测试过程中的人为干预，避免了因为操作员的经验不足而导致的反复扎针，提高了测试效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本实施例的定位扎针单元的结构示意图；

图2是本实施例的扎针高度自调整过程重要位置示意图；

图3是本实施例的测试扎针高度自调整流程图。

其中：1、探针卡(固定式)，2、第一图像采集模块，3、探针组，4、真空吸孔，5、第二图像采集模块，6、测试组件，7、承片台。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例一：

一种扎针高度自调整系统，包括控制单元、定位扎针单元和数据处理单元，其中：

所述定位扎针单元，包括探针卡1、承片台和距离采集模块，所述探针卡设置于用于放置待测芯片的承片台上方，所述承片台在控制单元的作用下，能够相对于所述探针卡1三维平动或绕中心轴旋转运动，距离采集模块用于检测和确定探针尖与芯片的相对位置；

所述数据处理单元，与芯片测试系统连接，获取芯片测试数据；

所述控制单元，与所述距离采集模块和所述数据处理单元连接，被配置为根据探针尖与芯片的相对位置，控制承片台相对于所述探针尖逐级运动，获取数据处理单元反馈的测试数据，根据测试数据的有效性，精细控制探针尖和承片台的相对距离。

当然，在本实施例中，承片台的运动机构可以单独设计，也可以选用现有运动装置，并不属于本发明改进点，在此并不进行过多介绍。

同样的，芯片测试系统可以单独设计，也可以选用现有的半导体器件参数测试组件6即可，并不属于本发明改进点，在此并不进行过多介绍。本实施例中，芯片测试系统为动态参数测试单元包含双脉冲测试和栅电荷测试两组测试平台，拥有测试所需的设备及部件，可分为功率端、控制端和采集端。扎针高度自调整过程中，仅进行小电压小电流情况下的降额条件双脉冲测试。

在其他实施例中，可以更换为其他芯片测试装置或系统。

如图1所示，定位扎针单元可大致分为三部分。其一，是带有测试母排的探针卡1，针卡本身是固定部件，但可以根据芯片尺寸和焊垫排布更换探针组3，用于安装探针和充当测试母排；其二，是顶部带有真空吸孔4的六英寸水平承片台7，它可在控制单元的控制下相对探针卡1三维平动或绕中心轴旋转，用于承载晶圆和进行探针的相对定位，同时承片台7顶部为高电导率材料，与芯片漏极直接接触，测试线将之直接连接到针卡；其三，是定位识别装置，主要部件是安装在探针正上方的第一图像采集模块2和承片台7侧面的第二图像采集模块5，用于检测和确定探针尖与芯片的相对位置。

在本实施例中，第一图像采集模块2和第二图像采集模块5均选用CCD相机。需要注意的是，尽管实际上只有承片台7能自由移动和旋转，但是CCD相机所观察到的只是探针在晶圆上的移动，为符合人们常规的语言习惯，后文所描述的探针移动、定位、扎针等动作，均为相对移动，而实际都是承片台7的绝对运动。

控制单元，是扎针自调整系统的控制中心。控制单元具有探针高度自调整模式，控制定位扎针单元的扎针高度调整运动，以及参数测试单元的试测。控制单元带有用户界面，能够发出开始自调整扎针高度的指令并设置相关自调整参数。

控制单元可以协调与整个晶圆测试系统的控制部分其他各个单元，通过串口通讯，向每一个单元发送指令和接受反馈，从而实现扎针高度的自动调整。

数据处理单元，是扎针自调整系统的试测数据处理单元。对试测数据的判断和提取，然后将试测结果反馈至控制单元。在扎针高度自调整模式下，可以接受和处理测试单元采集端输出的原始试测数据，判断在此扎针高度下测试信号是否完整；从原始试测数据中按照预设的行业标准提取当前在测芯片的动态参数；第三，将试测结果反馈至控制单元。

如图2所示，扎针高度自调整系统的控制思路是：

先通过两个图像采集模块将芯片定位到离探针很近的距离(预接触距离)，然后以设定梯度(在本实施例为10μm，其他实施例中可以根据具体情况进行调整)逐次抬升承片台7高度，每抬升设定梯度后就进行一次小电压和小电流下的动态参数的测试(试测)。

若试测信号完整且能从测试数据中正常提取出动态参数，则认为芯片与探针已经接触上，在此芯片/承片台7的高度(即第一接触位)的基础上为保证探针和芯片有效接触，再将承片台7升高很小一段距离，此时芯片/承片台7的高度(即第二接触位)将被定为测试的扎针高度。

如图3所示，具体实现过程包括：

步骤1：在控制单元中设定扎针高度自调整模式，设定自调整高度参数值，推荐设置的参数为：

预接触距离δ1，即处于预接触位时，探针针尖与芯片上表面的距离，此距离设置越大，扎针高度自调整过程耗时越长，考虑到图像采集装置的定位识别精度，此参数设置过小会增大探针与芯片相撞的危险，推荐设置为50～100μm。

过余扎针高度δ2，为保证探针和芯片充分接触，减小动态参数测试时的寄生参数影响，从第一接触位到第二接触位承片台7需要额外抬升的高度，参考实际探针台的工业使用，可再次抬升30μm，用户在基础上可以参考被测芯片厚度公差额外增加10～20μm，所以此参数推荐设置为40～50μm；

步骤2：预接触位定位。定位扎针单元通过两套图像采集装置实时检测出探针尖离芯片表面的距离，将芯片上表面高度定位到预接触位。预接触位定义为探针和芯片仍有某确定较短距离的芯片位置。具体步骤如下：

(2-1)上片。将晶圆片置于芯片承片台7，承片台7移至测试区域，使探针正对在晶圆测试第一颗芯片的正上方，控制单元控制1号图像采集模块监测该芯片，作为扎针高度自调整过程中的待测芯片，自调整过程中系统将保证各组探针时刻处于该芯片相应焊垫(pad)的正上方；

(2-2)开始扎针自调整程序；

(2-3)固定在探针上方的1号图像采集模块通过视觉定位得出与芯片上表面的相对高度β1并反馈至控制单元，后者结合承片台7实时位置信息，获得芯片上表面的实时高度坐标Z1；

(2-4)安装在承片台7一侧的2号图像采集模块通过视觉定位得出与探针针尖的相对高度β2并反馈至控制单元，后者结合承片台7的实时位置信息，获得探针针尖的实时高度坐标Z2；

(2-5)控制单元通过控制承片台7平动和转动保证各组探针时刻处于芯片相应焊垫的正上方，同时通过控制承片台7上移，直至Z2-Z1＝δ1，此时承片台7处于预接触位，探针针尖和芯片上表面之间距离为预接触距离δ1；

步骤3：第一接触位定位。芯片达到预接触位后，系统将按一定梯度自动抬高芯片向探针针尖逐次逼近，并在每一个梯度位置进行动态参数的测试(试测)，从而找出芯片与探针接触的位置。最终将芯片定位到第一接触位。第一接触位定义为使芯片刚好与探针接触上的高度。

(3-1)控制单元向动态参数测试单元发出试测指令，测试单元则按照试测指令调整测试条件，执行一次小电压小电流下的双脉冲测试。测试单元的采集端使用同轴分流器采集芯片漏极电流，通过高压差分探头采集漏源两端电压，通过低压差分探头测量栅源两端的电压，示波器汇集信号并通过串口程序将开关波形数据传输至数据处理单元；

(3-2)数据处理单元接受测试单元的测试数据，然后对测试波形进行分析，判断在此扎针高度下测试信号是否完整，若检测出为空测，则向控制中心返回空测信号；若检测出完整波形，则从测试数据中按照预设的行业标准提取当前在测芯片的动态参数，将试测结果反馈至控制单元；

(3-3)若控制单元接收到空测信号，则向定位扎针单元发出指令，控制承片台7上升10μm，此时跳回至步骤(3-1)；若控制单元接收到测试完成信号和测试结果，则认为此时承片台7已达到第一接触高度，步骤3结束，跳至步骤4；

步骤4：第二接触位定位。为使探针和芯片能充分接触，当控制单元接受到测试完成信号和测试结果后，将向扎针测试单元发送指令，使承片台7再抬升一端距离，这段距离等于过余扎针高度δ2，从而将承片台7高度定位到第二接触位。

至此，完成芯片测试的扎针高度自调整，将第二接触位的芯片高度定为最终的扎针高度，同一批次测试的晶圆均在此扎扎针高度下进行测试，而承片台7在运动跳转时也必须低于此高度。

实施例二：

半导体器件晶圆动态参数测试分选系统，包括实施例一所提供的扎针高度自调整系统。

当然，本实施例中半导体器件晶圆动态参数测试分选系统还包括其他部件，如运动控制机构、测试系统等，但正如前面所提到的，本发明的改进点并不在此，且这些部件可以选用现有技术方案，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种扎针高度自调整系统，其特征是：包括控制单元、定位扎针单元和数据处理单元，其中：

所述定位扎针单元，包括探针卡、承片台和距离采集模块，所述探针卡设置于用于放置待测芯片的承片台上方，所述承片台在控制单元的作用下，能够相对于所述探针卡三维平动或绕中心轴旋转运动，距离采集模块用于检测和确定探针尖与芯片的相对位置；

所述数据处理单元，与芯片测试系统连接，获取芯片测试数据；

所述控制单元，与所述距离采集模块和所述数据处理单元连接，被配置为根据探针尖与芯片的相对位置，控制承片台相对于所述探针尖逐级运动，获取数据处理单元反馈的测试数据，根据测试数据的有效性，精细控制探针尖和承片台的相对距离；

所述控制单元，被配置为：通过两个图像采集模块将芯片定位到离探针的距离为预接触距离，所述预接触距离的设置范围为50-100μm，然后以设定梯度逐次抬升承片台高度，每抬升设定梯度后进行一次小电压和小电流下的动态参数的测试；若试测信号完整且能从测试数据中正常提取出动态参数，则认为芯片与探针已经接触上，在此承片台的高度的基础上再将承片台升高预设距离，此时承片台的高度作为测试的扎针高度。

2.如权利要求1所述的一种扎针高度自调整系统，其特征是：所述探针卡固定设置；

或，所述探针卡与探针之间可拆卸连接。

3.如权利要求1所述的一种扎针高度自调整系统，其特征是：所述承片台顶部设置有若干真空吸孔。

4.如权利要求1所述的一种扎针高度自调整系统，其特征是：所述探针卡和承片台顶部均为导电材料，分别作为测试母排和与芯片漏极直接连接。

5.如权利要求1所述的一种扎针高度自调整系统，其特征是：所述距离采集模块包括第一采集模块和第二采集模块，所述第一采集模块设置于探针的上方，所述第二采集模块设置于所述承片台的侧面。

6.一种扎针高度自调整方法，其基于如权利要求1-5任一项所述的一种扎针高度自调整系统，其特征是：包括以下步骤：

获取探针尖与芯片的相对位置；

当所述探针尖与芯片之间的距离小于预接触距离后，控制承片台相对于所述探针卡逐级运动，每次运动后进行芯片测试，获取测试数据；

当测试数据有效时，确定承片台或芯片此时的位置为第一接触位，精细控制所述承片台再升高预定高度，使其达到第二接触位。

7.如权利要求6所述的一种扎针高度自调整方法，其特征是：所述第二接触位与第一接触位之间的距离为30-50um。

8.如权利要求6所述的一种扎针高度自调整方法，其特征是：控制承片台相对于所述探针卡逐级运动的具体过程包括：当芯片/承片台达到预接触位后，按设定梯度自动抬高芯片/承片台，使芯片向探针针尖逐次逼近，并在每一个梯度位置进行参数测试，若测试结果连续有效，则此位置为第一接触位，否则控制承片台再向上抬高一个梯度。

9.半导体器件晶圆动态参数测试分选系统，其特征是：包括权利要求1-5中任一项所述的扎针高度自调整系统。

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