大功率晶圓測試的終極解決方案

—— 簡介：適用于主流探針臺的ERS高電壓/電流卡盤Chuck

作者：時間：2021-03-15 來源：電子產(chǎn)品世界

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本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202103/423471.htm

ERS electronic公司簡介：

總部位于德國慕尼黑的ERS electronic公司專注于提供溫度測試解決方案50余年，公司在業(yè)界贏得了良好的聲譽，特別是使用空氣作為冷卻劑且溫度變化既迅速又精確的卡盤系統(tǒng)，可以做到從-65°C到550°C——在一個寬泛的溫度范圍內(nèi)進行分析，相關(guān)參數(shù)和制造測試。目前，由ERS研發(fā)的AC3, AirCool^? PRIME, AirCool?和PowerSense?系列卡盤分別應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)各種大型晶圓探針測試臺。

*圖1：公司logo^[CH1]

正文：

高電壓/電流市場是目前半導(dǎo)體應(yīng)用中增長最快的領(lǐng)域之一。在電動化和可再生能源發(fā)展的推動下，新一代電力電子器件也同時在推動MOSFET和IGBT的發(fā)展，這也帶動了碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等其它新基質(zhì)的日益普及。

作為高電子遷移率晶體管（HEMT）之一的氮化鎵GaN。與其它基于硅的MOSFET器件相比，它的優(yōu)勢顯著體現(xiàn)在禁帶寬大、開關(guān)切換時間極短、更高的功率密度和擊穿電壓，以及更好的熱導(dǎo)率。如今，它被廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域，如手機快速充電器、軍用雷達設(shè)備、高速軌道交通和5G網(wǎng)絡(luò)等。

與GaN一樣，SiC也具備高電壓和高溫的特點，但由于其壓敏電阻特點，在600V或更高電壓上，與GaN相比則有更好的表現(xiàn)。作為第一個成功商業(yè)化的寬禁帶半導(dǎo)體SiC，從2018年被應(yīng)用到特斯拉汽車上以來，混合動力汽車和電動汽車以及充電站便成為了SiC功率半導(dǎo)體市場快速增長的主要動力。

隨著SiC/GaN 器件技術(shù)的成熟，以及其成本的不斷降低，SiC/GaN 器件有望加速滲透。根據(jù) Yole 預(yù)測，2023 年 SiC、GaN 電力電子器件的市場規(guī)模將分別增長至 14 億和 3.7 億美元，市場滲透率分別達到 3.75%和1%。GaN 射頻器件在 5G 宏基站建設(shè)和國防建設(shè)的旺盛需求下，疊加 GaN 射頻器件成本下降，需求有望快速放量，根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)預(yù)測，2023 年 GaN 射頻器件需求量將達到 194.3 百萬個，19- 23 年 CAGR 達到 85.8%。

對晶圓針測業(yè)的挑戰(zhàn)

在科技迅猛發(fā)展的大背景下，電力電子世界一直被視為一個較為保守的領(lǐng)域，SiC和GaN的出現(xiàn)，不僅開啟了電力市場的新篇章，也為晶圓測試行業(yè)帶來了新的考驗。如何在滿足大功率測試需求的同時，保持溫度的穩(wěn)定和準確性，以確保良率，是每個設(shè)計工程師都需要考慮的問題。

半導(dǎo)體測試環(huán)節(jié)最重要的裝備之一就是探針臺，在測試過程中，晶圓被輸送到溫度卡盤上，使晶圓上的晶粒依次與探針接觸并逐個測試。經(jīng)過檢測，探針臺將參數(shù)不符合要求的芯片記錄下來，在進入后序的工藝流程之前予以剔除。在這個過程中，對測試環(huán)境起到?jīng)Q定性作用的便是和晶圓親密接觸的溫度卡盤。

與普通的測試環(huán)境相比，除了需要保證寬泛的測試溫度范圍、卡盤溫度的均勻性和穩(wěn)定性等，高電壓/電流的特殊測試環(huán)境也為卡盤的設(shè)計增加了更多新的挑戰(zhàn)。例如，在大電流的測試環(huán)境下，較大的接觸電阻會加速晶圓溫度升高，如果熱量不能得到及時分散，晶圓就有被損壞的危險，那么在設(shè)計溫度卡盤的時候就必須首先要考慮如何最小化接觸電阻，保證RDS(on)的精準測量。其次還需要確保在高壓環(huán)境下低漏電，以避免擊穿的發(fā)生。另外，卡盤還需靈活應(yīng)對一些特殊類型的晶圓, 如薄晶圓、Taiko等。

ERS的解決方案——高電壓/電流溫度卡盤

在高電壓測試和超低噪聲晶圓針測方面積累了超過15年經(jīng)驗的ERS electronic，針對高電壓/電流的測試環(huán)境，設(shè)計了一款可以保證在高達一萬伏的高壓下超低漏電、避免擊穿，并同時兼具寬泛的溫度測試范圍（-65°C到+400°C）的卡盤。它的問世，很好的解決了高電壓/電流的背景下，晶圓測試領(lǐng)域所面臨的諸多難題。

● 在高電壓的情況下保證超低漏電

通過對上百種絕緣材料在不同的溫度環(huán)境下的反復(fù)實驗，并綜合考量生產(chǎn)成本等因素，ERS electronic 的工程師們選擇出了最適合的絕緣材料，來將接觸電阻（Rc）減小到最小，以保證在高壓環(huán)境下超低漏電流。目前，該卡盤支持最大電流600安培，電壓從1.5千伏到10千伏不等，具體漏電測試參數(shù)如下：

*表1：ERS electronic高電壓/電流卡盤漏電測試參數(shù)

	3kV Coax		3kV Triax		3kV ULN		10 kV Coax (兼容 3kV ULN)
	10 V	3 kV	10 V	3 kV	10 V	3 kV	10 V	3 kV	10 kV
@ -60°C	< 5 pA	< 1,5 nA	< 300 fA	< 100 pA	< 30 fA	< 10 pA	< 30 fA	< 10 pA	< 6 nA
@ 25°C	< 4 pA	< 1,2 nA	< 150 fA	< 50 pA	< 15 fA	< 5 pA	< 15 fA	< 5 pA	< 6 nA
@ 200°C	< 5 nA	< 1,5 mA	< 300 fA	< 150 pA	< 30 fA	< 10 pA	< 30 fA	< 10 pA	< 15 nA
@ 300°C	N/A				< 50 fA	< 15 pA	< 50 fA	< 15 pA	< 40 nA

其中，3 kV Triaxial 和3 kV ULN可以在最高300攝氏度的測試溫度下，通過三軸的連接方式，達到3千伏電壓。對于高壓測試當(dāng)中漏電流的測量，目前常用的測試工具有Keysight以及Keithley公司的系列漏電流檢測儀器等。

*圖2-4：Keysight，Keithley公司的系列漏電流檢測儀器^[CH2]

10kV Coaxial （兼容3 kV ULN ）：當(dāng)測試電壓為10千伏時，選用同軸的連接方式可以阻隔高達10千伏的電壓。另外，卡盤頂部另配有直接連接電纜，以支持晶圓測試高電壓/電流偏置，其余部分則通過接地的設(shè)置來起到保護作用。

● 最小化接觸電阻，實現(xiàn)RDS(on)的精準測量

最小化接觸電阻，即將晶圓與卡盤之間的接觸電阻最小化。廣義上說，接觸電阻指的導(dǎo)體間呈現(xiàn)的電阻，真正的接觸電阻是由集中電阻、膜層電阻以及導(dǎo)體電阻組成的。影響接觸電阻的因素有很多，例如接觸件的材料、接觸的表面產(chǎn)生并垂直于接觸表面的力、接觸件表面的狀態(tài)、以及施加的電壓/電流大小等。

綜合考慮上述影響因素考慮，并結(jié)合多年探針臺密封集成的經(jīng)驗，ERS electronic的卡盤工程師在研發(fā)高電壓/電流卡盤之時嚴格把控卡盤內(nèi)外部細節(jié)，從電學(xué)性能到外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計。在生產(chǎn)過程中，通過采用ERS electronic的先進鍍層工藝技術(shù)，保證卡盤盤面絕佳的硬度、粗糙度和平整度，在降低接觸電阻的同時，確保了整個盤面接觸電阻的一致性，最終實現(xiàn)對RDS(on)的精確測量。

● 先進的鍍層工藝：保證卡盤經(jīng)久耐用

*圖5：ERS electronic的高電壓/電流卡盤^[CH3]

憑借先進的鍍層工藝，在重復(fù)使用后，ERS electronic的高電壓/電流卡盤盤面不會發(fā)生起皮、變形、氧化發(fā)黑等現(xiàn)象。

● 獨特的可更換卡盤頂盤服務(wù)：理想的薄晶圓/Taiko晶圓解決方案

*圖6：Taiko晶圓^[CH4]

隨著芯片應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，芯片設(shè)計也趨于多樣化和定制化，基于不同的測試類型和晶圓種類，對應(yīng)的測試方案也千差萬別。與客戶長期接觸的過程中，ERS electronic發(fā)現(xiàn)通過僅更換卡盤頂盤的方法就可以滿足一些測試需求，例如，如果需要對Taiko晶圓進行測試，不必重新購買卡盤，僅更換適合Taiko晶圓測試的卡盤頂盤，就可以在大幅降低維修費用的同時，滿足用戶的測試需要。ERS electronic提供的現(xiàn)場更換卡盤頂盤服務(wù)，旨在不影響企業(yè)生產(chǎn)效率的同時，應(yīng)對當(dāng)今對測試需求不斷的升級變化。該服務(wù)一經(jīng)推出便受到業(yè)界的廣泛好評，它也成為了目前晶圓封測行業(yè)獨一無二的優(yōu)質(zhì)解決方案。

選擇ERS高電壓/電流卡盤六大理由

憑借多年“以客戶為中心”的經(jīng)營理念和對產(chǎn)品質(zhì)量的嚴格控制，除了多種可供選擇的測試電壓/電流和三軸/同軸的連接方式以外，能夠讓ERS electronic的高電壓/電流卡盤在眾多競爭對手里脫穎而出的是高壓兼具高溫的性能，旨在確保高電壓，超低漏電，防擊穿的同時，仍能滿足客戶對高溫（高達400℃）的測試需求，這也成為了ERS electronic高壓/電流卡盤最大的技術(shù)亮點之一。

除此之外，ERS electronic獨特的探針臺載物臺定制化服務(wù)，讓處理薄晶圓、Taiko晶圓等特殊形態(tài)的晶圓變成可能?？蛻舨粌H可以根據(jù)自己的需要選擇卡盤的類型，還可以選擇“僅更換卡盤頂盤”的服務(wù)，以應(yīng)對測試需求不斷升級的半導(dǎo)體市場。