CN115113011B - 一种探针卡行程补偿系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种探针卡行程补偿系统，可应用于晶圆测试系统，且所述晶圆测试系统中的探针卡包括探针头，包括：测量单元，用于测试单根探针的行程和所有探针的平整度；并根据所述行程和平整度的数值，计算所述探针卡的总弹力；压力传感器单元，所述压力传感器与所述探针头可互相替换，根据所述压力传感器测得压力与行程关系而得到所述探针卡的行程补偿值。本发明还提供相应的探针卡行程补偿方法。本发明可补偿晶圆测试中探针卡探针的行程，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

一种探针卡行程补偿系统和方法

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补偿系统和方法。

背景技术

在半导体晶圆测试阶段，需要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，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。现有技术中的晶圆测试中探针卡探针的行程无法保证探针与晶圆的有效接触，而探针与晶圆的有效接触是保证晶圆测试良率及可靠性的前提。现有技术亟需对探针测试系统的精度和误差来源进行分析和改进。

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提供一种探针卡行程补偿系统，可以保证晶圆测试良率及可靠性。

本发明的第二目的是获得提供一种探针卡行程补偿方法，可以保证晶圆测试良率及可靠性。

本发明的第三目的是获得提供一种晶圆测试系统，可以保证晶圆测试良率及可靠性。

本发明的第一方面是提供一种探针卡行程补偿系统，可应用于晶圆测试系统，且所述晶圆测试系统中的探针卡包括探针头，包括：

测量单元，用于测试单根探针的行程和所有探针的平整度；并根据所述行程和平整度的数值，计算所述探针卡的总弹力；

压力传感器单元，所述压力传感器与所述探针头可互相替换，根据所述压力传感器测得压力与行程关系而得到所述探针卡的行程补偿值。

在本发明的一个优选实施方式中，所述晶圆测试系统中，所述探针头包括多根探针。

所述多根探针电连接载板PCB，所述载板PCB对所述探针进行控制。

所述多根探针还连接结构件，所述结构件上设置所述探针头、所述测量单元和所述压力传感器单元。

在本发明的一个优选实施方式中，所述压力传感器单元的结构尺寸与所述探针头一致。

本发明第二方面提供一种探针卡行程补偿方法：

测试单根探针的行程和所有探针的平整度；并根据所述行程和平整度的数值，计算所述探针卡的总弹力；

将尺寸一致的压力传感器与所述探针头互相替换，根据所述压力传感器测得压力与行程关系而得到所述探针卡的行程补偿值。

在本发明的一个优选实施方式中，测试单根探针的行程时，所述行程定义为晶圆的焊盘接触所述探针的行程。

测试所有探针的平整度时，所述所有探针按长度编号为1，2，3…X，且最短的探针标号为第X号探针。

所述所有探针的平整度测定值为a1,a2…ax。

计算所述探针卡的总弹力时，F总＝f(OD)+f(OD-a2)+f(OD-a3)+…+ f(OD-ax)。

所述F总为总弹力。

所述f(OD)为第一根探针的弹力。

所述f(OD-a2)为第二根探针的弹力，且所述第二根探针的弹力是OD与所述第二根探针的平整度的因变量。

所述f(OD-a3)为第三根探针的弹力，且所述第三根探针的弹力是OD与所述第三根探针的平整度的因变量。

所述f(OD-ax)为第X根探针的弹力，且所述第X根探针的弹力是OD与所述第X根探针的平整度的因变量。

在本发明的一个优选实施方式中，根据所述压力传感器测得压力与行程关系时，定义探针台的行程为POD。

定义探针卡的实际行程为AOD。

定义结构总应变为DEF，则POD＝AOD+DEF。

在本发明的一个优选实施方式中，为了获得所需的AOD，对POD或DEF 进行相应调整。

本发明的第三方面还提供一种晶圆测试系统，含有如本发明所述的探针卡行程补偿系统。

本发明能够带来以下至少一种有益效果：

可以利用该方案补偿晶圆测试中探针卡探针的行程，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示出了现有的探针，其具备一定的形状恢复能力；

图2示出了现有技术的探针的行程与探针弹力的曲线；

图3示出了现有技术的晶圆测试系统；

图4示例性地示出了本发明的晶圆测试过程中的探针行程OD；

图5示出了图4的晶圆测试中单根探针的行程和探针曲线；

图6示出了图4的晶圆测试中5根探针的总弹力曲线；

图7示出了图4的晶圆测试中压力传感器模组压力与应变的曲线；

图8示出了图4的晶圆测试过程采用的晶圆测试系统，其中压力传感器与探针头可以互相替换；

图9示出了图8的晶圆测试系统压力与POD的曲线。

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

目前的探针测试中，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：为了测定OD，需要控制探针和探针之间横向的相互接触

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技术路线从“控制接触”到“计算有效接触”

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。

现有技术中的晶圆测试中探针卡探针的行程无法保证探针与晶圆的有效接触，而探针与晶圆的有效接触是保证晶圆测试良率及可靠性的前提。现有技术亟需对探针测试系统的精度和误差来源进行分析和改进。

本发明中，发明人经过了广泛和深入的试验，保证探针与晶圆的有效接触，而探针与晶圆的有效接触是保证晶圆测试良率及可靠性的前提。

以下结合附图示例性说明本发明的具体实施方式。

为了可以实现晶圆测试系统的有效行程评估和补偿，本发明提出一种新的评估补偿系统方法，可以最大程度保证行程的有效性和精确度。

参见图1，现有技术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，类似弹簧的复原。

参见图2，示出了现有技术的探针的行程与探针弹力的曲线，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。

参见图3，示出了现有技术的晶圆测试系统。

所述晶圆测试系统中的主要用具如下，

1.测试机

2.探针卡

3.探针台

4.晶圆

晶圆测试时，下图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。

晶圆测试系统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，则测试程序设置测试行程(POD)为100um时，AOD只有90um。

为此，本发明的第一方面提供一种探针卡行程补偿系统，可应用于晶圆测试系统，且所述晶圆测试系统中的探针卡包括探针头，包括：

测量单元，用于测试单根探针的行程和所有探针的平整度；并根据所述行程和平整度的数值，计算所述探针卡的总弹力；

压力传感器单元，所述压力传感器与所述探针头可互相替换，根据所述压力传感器测得压力与行程关系而得到所述探针卡的行程补偿值。

在本发明的一个优选实施方式中，所述晶圆测试系统中，所述探针头包括多根探针。

所述多根探针电连接载板PCB，所述载板PCB对所述探针进行控制。

所述多根探针还连接结构件，所述结构件上设置所述探针头、所述测量单元和所述压力传感器单元。

在本发明的一个优选实施方式中，所述压力传感器单元的结构尺寸与所述探针头一致。

所述探针卡行程补偿系统的操作原理参见下文详述。

本发明第二方面提供一种探针卡行程补偿方法：

测试单根探针的行程和所有探针的平整度；并根据所述行程和平整度的数值，计算所述探针卡的总弹力；

将尺寸一致的压力传感器与所述探针头互相替换，根据所述压力传感器测得压力与行程关系而得到所述探针卡的行程补偿值。

在本发明的一个优选实施方式中，测试单根探针的行程时，所述行程定义为晶圆的焊盘接触所述探针的行程。

测试所有探针的平整度时，所述所有探针按长度编号为1，2，3…X，且最短的探针标号为第X号探针。

所述所有探针的平整度测定值为a1,a2…ax。

计算所述探针卡的总弹力时，F总＝f(OD)+f(OD-a2)+f(OD-a3)+…+ f(OD-ax)。

所述F总为总弹力。

所述f(OD)为第一根探针的弹力。

所述f(OD-a2)为第二根探针的弹力，且所述第二根探针的弹力是OD与所述第二根探针的平整度的因变量。

所述f(OD-a3)为第三根探针的弹力，且所述第三根探针的弹力是OD与所述第三根探针的平整度的因变量。

所述f(OD-ax)为第X根探针的弹力，且所述第X根探针的弹力是OD与所述第X根探针的平整度的因变量。

在本发明的一个优选实施方式中，根据所述压力传感器测得压力与行程关系时，定义探针台的行程为POD。

定义探针卡的实际行程为AOD。

定义结构总应变为DEF，则POD＝AOD+DEF。

具体参见图4－图9，下面以一个案例说明该方法的具体执行步骤，为方便说明探针卡的相关尺寸关系，这里用字符表示。

具体参见图4，示出了探针卡探针头部分，探针卡探针数量为X,对每一根探针进行编号，探针编号为1，2，3…X。其中，对探针按照长度进行编号，将最长的一根探针编号为第1号探针，将最短的探针编号为第X号探针，其他依长度类推。晶圆测试过程中，探针行程用OD表示，也即为晶圆上升的距离 (一般以晶圆刚接触探针的位置为0点)，这只定义两个行程，OD1为晶圆焊盘接触第1号探针的行程，为方便计算这里可以定义OD1＝0，OD2为晶圆焊盘接触第X号探针的行程。同时，定义2号探针与1号探针的高度差为a2,第i 号探针与1号探针的高度差为ai。据上可以得出OD2＝OD1+ax。另外，定义探针台的晶圆承载台程序设定的行程为POD，这里规定POD以OD1为零点；探针卡的实际行程为AOD，AOD受结构稳定性等因素影响，因为所有的结构件受力后都会发生形变，如果结构总应变为DEF，则POD＝AOD+DEF。

参见图5，第一步，测试单根探针的行程和探针曲线。

第二步，测量探针卡所有探针的平整度，即探针高度差，得出a1,a2…ax。

第三步，计算探针卡AOD从10um至100um的总弹力曲线，AOD间隔可为2um，AOD为100um时，探针总弹力最大，记为Fmax。此处需结合平整度计算，不同探针的OD会有不同，例如当1号探针的OD为50um，2号探针的OD即为(50-a2)um，依次类推，X号探针的OD为(50-ax)um；当1号探针的 OD为100um，2号探针的OD即为(100-a2)um，依次类推，X号探针的OD为(100-ax)um。

如果单根探针弹力F＝f(OD)，则F总＝f(OD)+f(OD-a2)+f(OD-a3)+…+ f(OD-ax),依据此公式绘制总弹力曲线。

以5根探针举例，如果a2＝10um，a3＝20um，a4＝30um，a5＝40um，则计算可得如下表1。

表1：5根探针的弹力计算

参见图6，示出了5根探针的总弹力曲线。

第四步，制作与探针头结构尺寸一致的压力传感器模组，可以检测压力。并测试出压力传感器模组压力与应变的曲线(参见图7)。从曲线上读取Fmax 对应的应变DEF1,该曲线如下图(为配合上面5根针的场景，此压力偏小，此处只为说明原理)，考虑上面5根针总探针Fmax接近25g，而从下图可知，该模组应变5um时压力为25g。

第五步，将压力传感器模组组装在晶圆测试系统(参见图8)上，除将探针头更换为压力传感器模组以外，其他部分保持一致(晶圆替换为钢化玻璃)，尤其是影响比较大的测试机和针卡的结构部分。

第六步,使用第五步的组装之后的系统，逐步增加POD，增加幅度需要尽可能小，以1um为宜。增加POD的过程中，压力传感器读数会逐步增加，记录压力与POD的曲线(参见图9)，当压力接近或等于Fmax时停止，取Fmax 时的应变DEF2,则DEF＝DEF2-DEF1。结合上面5根针的场景，举例如下，POD 为10um时，压力为25g。由此可知，DEF＝10um-5um＝5um。

第七步，根据以上的分析DEF＝5um，如果想要保证AOD＝100um，则POD 必须设置为105um。实际上，由于项目探针数量非常多，计算远比该简例复杂，但计算方式并没有区别。

图8示出了图4的晶圆测试过程采用的晶圆测试系统，其中压力传感器与探针头可以互相替换；

图9示出了图8的晶圆测试系统压力与POD的曲线。

综上所述，本发明的具体实施方式证明可获得如下效果：

该方式可以精确对探针卡行程进行有效补偿，消除系统结构产生的应变，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，提供作业效率，保证测试良率。

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系统及其各个装置、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系统及其各个装置、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，本发明提供的系统及其各项装置、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 (7)

1.一种探针卡行程补偿系统，可应用于晶圆测试系统，且所述晶圆测试系统中的探针卡包括探针头，其特征在于，包括：

测量单元，用于测试单根探针的行程和所有探针的平整度；并根据所述行程和平整度的数值，计算探针头的总弹力；

压力传感器单元，压力传感器与所述探针头可互相替换，根据替换前后所述压力传感器测得压力与行程关系而得到探针卡的行程补偿值；

其中，测试单根探针的行程OD时，行程定义为晶圆的焊盘接触所述探针的行程；

测试所有探针的平整度时，所有探针按长度编号为1，2，3…X，且最短的探针标号为第X号探针；所有探针的平整度测定值为a1,a2…ax；

计算所述探针头的总弹力时，F_总＝f(OD)+f(OD-a2)+f(OD-a3)+…+f(OD-ax)；

所述F_总为总弹力，

所述f(OD)为第一根探针的弹力，

所述f(OD-a2)为第二根探针的弹力，且所述第二根探针的弹力是OD与第二根探针的平整度的因变量；

所述f(OD-a3)为第三根探针的弹力，且所述第三根探针的弹力是OD与第三根探针的平整度的因变量；

所述f(OD-ax)为第X根探针的弹力，且所述第X根探针的弹力是OD与第X根探针的平整度的因变量。

2.如权利要求1所述的探针卡行程补偿系统，其特征在于，所述晶圆测试系统中，所述探针头包括多根探针；

所述多根探针电连接载板PCB，所述载板PCB对所述探针进行控制；

所述多根探针还连接结构件，所述结构件上设置所述探针头、所述测量单元和所述压力传感器单元。

3.如权利要求1所述的探针卡行程补偿系统，其特征在于，所述压力传感器单元的结构尺寸与所述探针头一致。

4.一种探针卡行程补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

测试单根探针的行程和所有探针的平整度；并根据所述行程和平整度的数值，计算探针头的总弹力；

将尺寸一致的压力传感器与所述探针头互相替换，根据替换前后所述压力传感器测得压力与行程关系而得到探针卡的行程补偿值；

其中，测试单根探针的行程OD时，行程定义为晶圆的焊盘接触所述探针的行程；

测试所有探针的平整度时，所有探针按长度编号为1，2，3…X，且最短的探针标号为第X号探针；所有探针的平整度测定值为a1,a2…ax；

计算所述探针头的总弹力时，F_总＝f(OD)+f(OD-a2)+f(OD-a3)+…+f(OD-ax)；

所述F_总为总弹力，

所述f(OD)为第一根探针的弹力，

所述f(OD-a2)为第二根探针的弹力，且所述第二根探针的弹力是OD与第二根探针的平整度的因变量；

所述f(OD-a3)为第三根探针的弹力，且所述第三根探针的弹力是OD与第三根探针的平整度的因变量；

所述f(OD-ax)为第X根探针的弹力，且所述第X根探针的弹力是OD与第X根探针的平整度的因变量。

5.如权利要求4所述的探针卡行程补偿方法，其特征在于，

根据所述压力传感器测得压力与行程关系时，

定义探针台的行程为POD；

定义探针卡的实际行程为AOD；

定义结构总应变为DEF，则POD＝AOD+DEF。

6.如权利要求5所述的探针卡行程补偿方法，其特征在于，

为了获得所需的AOD，对所述POD进行相应调整。

7.一种晶圆测试系统，其特征在于，含有如权利要求1-3任意一项所述的探针卡行程补偿系统。

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