1. Einleitung und Stand der Technik1. Introduction and state of the art
Die Messung der Kenndaten (Durchbruchspannung, Leckstrom) von
Hochvolt-Leistungshalbleiter-Bauelementen (IGBT und Diode)
wird heute während der laufenden Produktion auf Waferebene
mit Hilfe sogenannter Wafer-Prober und zugeordneter Tester
weitgehend vollautomatisch durchgeführt. Erfolgt die Messung
an Luft, kommt es regelmäßig zu elektrischen Überschlägen
zwischen dem auf einem hohen Potential von bis zu 3500 Volt
liegenden Säge- oder Ritzrahmen und den auf Masse gehaltenen
Emitter- bzw. Gate-Pads. Um die zur Beschädigung oder Zerstö
rung des Bauelements führenden Überschläge zu vermeiden, pas
siviert man den Sägerahmen durch Spülung mit einem schweren
inerten Gas. In der Fertigung kommt üblicherweise SF₆ als
Schutzgas zum Einsatz. Es ist vergleichsweise teuer in der
Anschaffung und erfordert einen geschlossenen Kreislauf, da
im Falle von Überschlägen toxische Komponenten entstehen.The measurement of the characteristic data (breakdown voltage, leakage current) of
High-voltage power semiconductor components (IGBT and diode)
is used today during production at the wafer level
with the help of so-called wafer probers and assigned testers
largely carried out fully automatically. The measurement takes place
in air, electrical flashovers occur regularly
between that at a high potential of up to 3500 volts
lying saw or scoring frame and the held to mass
Emitter or gate pads. To avoid damage or destruction
tion of the component to avoid arcing, pas
the saw frame is rinsed by rinsing with a heavy one
inert gas. SF₆ is usually used in production as
Shielding gas for use. It is comparatively expensive in the
Acquisition and requires a closed cycle because
in the event of rollovers, toxic components arise.
Das im Labor praktizierte Eintauchen des Wafers in eine pas
sivierende Flüssigkeit (beispielsweise Flurinert FC 43) bzw.
das Überziehen der Waferoberfläche mit einer solchen Flüssig
keit eignet sich wegen des den Durchsatz an Wafern begrenzen
den Aufwandes nicht für das fertigungsnahe Hochspannungste
sten von Leistungshalbleiter-Bauelementen. Darüber hinaus
würde der Einsatz dieser Passivierungstechnik durch den Ver
brauch des gesundheitsschädlichen Flurinert relativ hohe Ko
sten verursachen (Preis ca. 300,- DM/Liter, Bedarf ≈ 2 Liter
pro 50 Wafer).The practice of immersing the wafer in a pas
sivifying liquid (e.g. Flurinert FC 43) or
coating the wafer surface with such a liquid
speed is suitable because of the throughput of wafers
the effort not for the production-related high voltage
Most of power semiconductor components. Furthermore
would the use of this passivation technology by the Ver
need of the harmful Flurinert relatively high Ko
cause (price approx. 300, - DM / liter, need ≈ 2 liters
per 50 wafers).
2. Gegenstand, Ziele und Vorteile der Erfindung2. Object, aims and advantages of the invention
Die Erfindung hat eine Vorrichtung zur elektrischen Kontak
tierung eines Bauelements zum Gegenstand. Die Vorrichtung
soll elektrische Überschläge beim Testen von Hochvolt-Lei
stungshalbleiter-Bauelementen auch ohne Verwendung von
Schutzgasen und Passivierungsflüssigkeiten sicher verhindern.
Angestrebt wird ein einfacher Aufbau, der es ermöglicht, be
stehende Prüfanlagen kostengünstig nachzurüsten. Eine Vor
richtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen
besitzt diese Eigenschaften. Die abhängigen Ansprüche betref
fen Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Vor
richtung.The invention has a device for electrical contact
tion of a component to the object. The device
is intended to use electrical flashovers when testing high-voltage Lei
device semiconductor components even without using
Prevent protective gases and passivation liquids safely.
The aim is a simple structure that allows be
Retrofitting standing test systems at low cost. A before
direction with the features specified in claim 1
has these properties. The dependent claims concern
fen refinements and advantageous developments of the pre
direction.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ersetzt die in konventionel
len Prüfanlagen verwendeten Nadeladapter, so daß man auf den
Einsatz des teuren und gesundheitsschädlichen Schutzgases SF₆
verzichten kann. Die Kosten für den Betrieb der Anlagen sin
ken dadurch erheblich. Je nach Anzahl der in der Produktion
vorhandenen Prüfanlagen liegt das Einsparvolumen bei bis zu
mehreren 100.000 DM pro Jahr. Dem stehen Zusatzkosten für die
Umrüstung einer Prüfanlage von etwa DM 80,- gegenüber. In
neuen Prüfanlagen können die den Schutzgasbetrieb betreffen
den Komponenten und Einrichtungen entfallen, was sich günstig
auf den Anschaffungspreis auswirkt.The device according to the invention replaces that in conventional
len test equipment used needle adapter, so that you can on the
Use of the expensive and harmful shielding gas SF₆
can do without. The costs of operating the systems are
thereby considerably. Depending on the number of in production
Existing test systems save up to
several hundred thousand marks a year. There are additional costs for
Retrofitting a test facility of around DM 80.00. In
new test systems can affect the shielding gas operation
the components and facilities are eliminated, which is cheap
affects the purchase price.
3. Zeichnungen3. Drawings
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 erläutert.
Dargestellt ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Kontaktierungsvorrichtung im Querschnitt.The invention is explained below with reference to FIG. 1. An embodiment of the contacting device according to the invention is shown in cross section.
4. Beschreibung eines Ausführungsbeispiels4. Description of an embodiment
Die in der Figur im Querschnitt dargestellte und gemäß der
Erfindung modifizierte Nadelkarte 1 wird als mechanische Kon
taktiereinheit in den sog. Wafer-Prober (Modell 2001 CK der
Fa. Elektroglas, Santa Clara, CA/USA) eingebaut. Der Prober
hat die Aufgabe, den zu überprüfenden Wafer 2 aus einem Vor
ratsbehälter zu entnehmen, ihn anhand optischer Marken bezüg
lich der Nadelkarte 1 auszurichten, die elektrischen An
schlüsse 2 (Pads) der auf dem Wafer 1 vorhandenen Bauelemente
4/4′/4′′ nacheinander mit den Nadeln 5 in Kontakt zu bringen,
fehlerhafte Bauelemente 4/4′/4′′ zu markieren und den Wafer 2
schließlich wieder im Vorratsbehälter abzulegen. Eine als
DUT-Board bezeichnete Einheit speist die erforderlichen Be
triebs- und Testspannungen in das jeweils kontaktierte Bau
element 4 ein. Die Auswertung der gemessenen Bauelementpara
meter erfolgt in einem Rechner, der auch das DUT-Board an
steuert. Entsprechende Tester liefert die Fa. Hewlett Pack
ard, Santa Clara, USA. Mit Hilfe der aus der Nadelkarte 1,
dem Waferprober und dem Tester bestehenden Anlage läßt sich
beispielsweise innerhalb von nur etwa 1-1½ Minuten über
prüfen, ob die auf einem 5-Zoll-Wafer 2 derzeit vorhandenen
40-50 IGBT-Bauelemente 4/4′/4′′ (3500 Volt, 50 A) den ge
stellten Anforderungen hinsichtlich Sperrspannung, Sätti
gungsspannung, Leckstrom, Qualität des Gateoxids usw. genü
gen.The needle card 1 shown in cross section in the figure and modified according to the invention is installed as a mechanical contacting unit in the so-called wafer prober (model 2001 CK from Elektroglas, Santa Clara, CA / USA). The Prober has the task of removing the wafer 2 to be checked from a storage container, aligning it based on optical marks with reference to the needle card 1 , the electrical connections 2 (pads) of the components 4/4 '/ 4 present on the wafer 1 '' To bring the needles 5 into contact one after the other, to mark faulty components 4/4 '/ 4 ''and finally to put the wafer 2 back in the storage container. A unit referred to as a DUT board feeds the required operating and test voltages into the component 4 contacted in each case. The measured component parameters are evaluated in a computer that also controls the DUT board. Corresponding testers are supplied by Hewlett Pack ard, Santa Clara, USA. With the aid of the system consisting of the needle card 1 , the wafer tester and the tester, it can be checked, for example, within only about 1-1½ minutes whether the 40-50 IGBT components 4/4 currently present on a 5-inch wafer 2 can be checked '/ 4 ''(3500 volts, 50 A) meet the requirements with regard to reverse voltage, saturation voltage, leakage current, quality of the gate oxide etc.
Die Fig. 1 zeigt die auf dem Wafer 2 aufsitzende Nadelkarte
1. Der Kontakt zwischen den Nadeln 5 der Karte 1 und den An
schlüssen 3 des jeweiligen Bauelements 4 wird dadurch herbei
geführt, daß der auf einem Positioniertisch angeordnete Wafer
2 von unten an die Nadelkarte 1 heranfährt. Da insbesondere
Hochvolt-IGBTs neben dem Gate-Anschluß häufig mehrere Emit
terpads besitzen, muß die Karte 1 über eine entsprechende An
zahl von Nadeln 5 verfügen. Um den in einer Nadel 5 fließen
den Strom auf maximal etwa 2 A zu begrenzen, ist es häufig
notwendig, die einzelnen Pads 3/3′ jeweils mit mehreren Na
deln 5 zu kontaktieren. Fig. 1 shows the seated on the wafer 2, the probe card 1. The contact between the needles 5 of the card 1 and the connections 3 to the respective component 4 is brought about in that the wafer 2 arranged on a positioning table approaches the needle card 1 from below. Since especially high-voltage IGBTs often have several emit terpads in addition to the gate connection, the card 1 must have a corresponding number of needles 5 . In order to limit the current flowing in a needle 5 to a maximum of about 2 A, it is often necessary to contact the individual pads 3/3 'with several needles 5 each.
Die Nadeln 5 sind an einer Leiterplatte 6 befestigt und je
weils über einen Metallring 7/7′ mit einer als Leiterbahn
ausgebildeten Metallisierung 8/8′ verbunden. Eine einen Ab
standshalter 9/10 und einen federbelasteten Hohlkörper 11
aufweisende elektrische Abschirmung umschließt die Kontaktna
deln 5 ring- oder rahmenförmig, wobei der in einer wafersei
tigen Öffnung des Abstandhalters 9/10 axial verschiebbar ge
lagerte und mit einer Auskragung 12 versehene Hohlkörper 11
vorzugsweise aus Teflon besteht. Da der insbesondere zylin
der- oder ringförmige Hohlkörper 11 (Höhe: h = 10 mm, Innen
radius: ri = 5 mm, Außenradius: ra = 7 mm ) innerhalb des dem
jeweiligen Bauelement 4 zugeordneten Ritz- oder Sägerahmens
13 aufliegt, kann das im Bereich des Rahmens 13 austretende
elektrische Streufeld keinen Überschlag zwischen dem Rahmen
13 und den Nadeln 5, bzw. zwischen benachbarten Bauelementen
4/4′ auslösen. Eine abschirmende Wirkung entfaltet auch der
wie die Leiterplatte 6 aus einem Epoxidharz gefertigte ring
förmige Teil 9 des Abstandshalters, den kreisförmig angeord
nete Metallstege 10 mechanisch starr mit der Leiterplatte 6
verbinden. Die am ringförmigen Teil 9 befestigten Federele
mente 14/14′ erzeugen den den Hohlkörper 11 auf der Wafer
oberfläche fixierenden Anpreßdruck, wobei der in einer wa
ferseitigen Nut angeordnete O-Ring 15 eine ganzflächige Auf
lage des Hohlkörpers 11 gewährleistet. Als Federelemente
14/14′ finden im einfachsten Fall bis zu vier axialsymme
trisch angeordnete, die Auskragung 12 belastende Stahlfedern
Verwendung. Sie verschieben den Hohlkörper 11 nach dem Lösen
des Kontaktes so weit nach unten, bis die Auskragung 12 auf
dem ringförmigen Teil 9 aufliegt. Da die waferseitige Beran
dung des Hohlkörpers 11 in dieser Stellung unterhalb der
durch die Nadelspitzen definierten Ebene liegt, setzt er
stets vor den Kontaktnadeln 5 auf.The needles 5 are attached to a circuit board 6 and each connected via a metal ring 7/7 'with a metallization 8/8 ' formed as a conductor track. From a spacer 9/10 and a spring-loaded hollow body 11 having electrical shield encloses the contact pins 5 in a ring or frame shape, the axially displaceable in a wafersei term opening of the spacer 9/10 and preferably provided with a projection 12 hollow body 11 is made of Teflon. Since the particularly cylindrical or annular hollow body 11 (height: h = 10 mm, inner radius: r i = 5 mm, outer radius: r a = 7 mm) rests within the scoring or saw frame 13 assigned to the respective component 4 , can the stray electrical field emerging in the area of 13 does not trigger a rollover between the frame 13 and the needles 5 , or between adjacent components 4/4 '. A shielding effect also unfolds like the circuit board 6 made of an epoxy resin ring-shaped part 9 of the spacer, the circularly arranged metal webs 10 mechanically rigidly connect to the circuit board 6 . The attached to the annular part 9 Federele elements 14/14 'generate the hollow body 11 on the wafer surface fixing contact pressure, the arranged in a wa-sided groove O-ring 15 ensures a full-surface position on the hollow body 11 . As spring elements 14/14 'find in the simplest case up to four axially symmetrically arranged, the projection 12 loading steel springs use. After releasing the contact, you move the hollow body 11 down until the projection 12 rests on the annular part 9 . Since the wafer-side extension of the hollow body 11 in this position lies below the plane defined by the needle tips, it is always in front of the contact needles 5 .
5. Ausgestaltungen und Weiterbildungen5. Refinements and training
Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf
das oben beschriebene Ausführungsbeispiel. So ist es ohne
weiteres möglich,The invention is of course not limited to
the embodiment described above. So it is without
further possible
-
- den Hohlkörper 11 nicht aus Teflon, sondern aus Gummi, ei
nem Elastomer oder einem anderen, dielektrisch isolieren
den, mechanisch stabilen Material zu fertigen,to manufacture the hollow body 11 not from Teflon, but from rubber, an elastomer or another, dielectric isolating, the mechanically stable material,
-
- den Querschnitt des Hohlkörpers 11 quadratisch oder recht
eckförmig auszubilden,to form the cross section of the hollow body 11 square or quite angular,
-
- die Metallstege 10 durch einen mit dem ringförmigen Teil 9
und der Leiterplatte 6 verklebten/verschweißten und aus ei
nem elektrisch nichtleitenden Material bestehenden Ring zu
ersetzen,to replace the metal webs 10 by a ring which is glued / welded to the annular part 9 and the printed circuit board 6 and is made of an electrically non-conductive material,
-
- den ringförmigen Teil 9 und die Auskragung 12 des Hohlkör
pers 11 durch ein Federelement zu verbinden, wobei das ge
dehnte Federelement eine in Richtung des Wafers 1 wirkende
Rückstellkraft erzeugt und- To connect the annular part 9 and the projection 12 of the Hohlkör pers 11 by a spring element, wherein the ge stretched spring element generates a restoring force acting in the direction of the wafer 1 and
-
- das jeweilige Bauelement 4 durch Absenken der Nadelkarte 1
auf den Wafer 2 zu kontaktieren, wobei der Hohlkörper 11
immer zwischen den Emitter-/Gate-Pads 3 und dem jeweiligen
Sägerahmen 13 aufsetzen muß.- To contact the respective component 4 by lowering the needle card 1 onto the wafer 2 , the hollow body 11 always having to be placed between the emitter / gate pads 3 and the respective saw frame 13 .