Наиболее раннее обнаружение дефектов в процессе производства микроэлектро-ники критически важно с точки зрения снижения себестоимости и повышения качества выпускаемой продукции. Решить задачу раннего выявления дефекта позволяет межопе-рационный контроль на производстве, в том числе с применением метода зондового контроля неразделенных кристаллов на пластине. Зондовый контроль, кроме того, играет важную роль в сокращении производственных затрат. В связи с планами по расширению выпуска микроэлектроники в России сегодня остро стоит вопрос обеспечения произ-водств соответствующей оснасткой для зондового контроля. В статье представлен обзор российских технологий и методов зондового контроля кристаллов на пластине.
Зондовая плата (probe card, или устройство контактное фиксированное – УКФ) – это высокотехнологичное устройство, используемое для электрических испытаний микросхем на полупроводниковой пластине во время процесса тестирования при их производстве. Зондовая плата применяется совместно с зондовой установкой и служит соединяющим звеном между выводами микросхемы и измерителем.
По сути, зондовая плата – это электромеханический интерфейс, который позволяет проверять функционирование чипа, когда он еще находится на пластине и до того, как его установят в корпус (рис. 1).
Рис. 1. Варианты зондовых плат
Технологии зондового контроля различаются конструктивным исполнением зон-довых карт, но в целом сводятся к следующему: зондовые щупы соприкасаются с кон-тактными площадками или выступами кристалла, а зондовая плата обеспечивает его электрическое подключение к тестовому или иному типу оборудования, который прове-ряет функциональность чипа (рис. 2). Тип проверки зависит от требований к конечному продукту и технологических возможностей предприятия.
Рис. 2. Оборудование для зондового тестирования
Каждый тип зондовой платы можно охарактеризовать набором механических и электрических параметров. Для получения надежных результатов испытаний требуется тщательное согласование этих параметров с используемым тестовым оборудованием и тестируемым устройством (устройствами).
Зондовая плата является ключевым элементом для реализации взаимосвязи между кристаллами на пластине и контрольно-измерительным оборудованием в процессе контроля параметров микроэлектронных изделий. Особенности современных систем на кристалле, такие как значительное количество выводов, малый шаг между контактными площадками, высокие рабочие частоты и точность измерений параметров, предъявляют высокие требования к контрольно-измерительному оборудованию и оснастке, в том числе к зондовой плате. Один из наиболее важных параметров, плоскостность игл зондовой группы, играет ключевую роль в обеспечении надежной взаимосвязи пластины и оборудования.
Методы зондового контроля предыдущих поколений
До недавнего времени наиболее широко распространенной технологией зондово-го контроля была блейд-технология или технология зондовых карт с ножевыми пробни-ками (blade – лезвие). Этот метод отличается относительно низкой стоимостью и пригод-ностью для проведения прецизионных измерений. Технология блейд-карт (рис. 3) была разработана для приложений с плотностью кристаллов на пластине от низкой до средней и количеством точек тестирования от малого до среднего. Технология применима для тестирования кристаллов с низкой утечкой, высокой рабочей частотой и при высоких температурах.
Рис. 3. Блейд-карта с прикрепленными лезвиями
Наиболее часто используют блейд-карты с низкими утечками. На рис. 4 показана блейд-карта, совместимая с системами параметрического тестирования Keithley серии S600.
Рис. 4. Зондовая карта с низкими утечками системы параметрического тестирования Keithley серии S600
Каждый зонд блейд-карты крепится на отдельном L-образном лезвии, как правило, изготовленном из керамики. Лезвия-щупы припаиваются к контактным площадкам на верхней части печатной платы.
В зависимости от приложения и характеристик тестового сигнала применяют три основных типа лезвий: стандартное, микрополосковое и радиальное микрополосковое (рис. 5).
Рис. 5. Типы керамических лезвий: стандартное, микростриповое, радиальное микростриповое
Стандартные зонды с керамическим лезвием используются в приложениях, не требующих тракта сигнала с контролируемым импедансом. Радиальные микрополосковые зонды предназначены для приложений, требующих среду с контролируемым импедансом, где линия передачи сигнала соединяется непосредственно с печатной платой. Микрополосковые лезвийные зонды используются для среды с контролируемым импедансом, где путь передачи сигнала соединяется непосредственно с коаксиальным кабелем или другими типами линий передачи. Микрополосковые и радиальные микрополосковые зонды с керамическими лезвиями хорошо подходят для высокоскоростных измерений. Среда с контролируемым импедансом для таких пробников поддерживает частоты выше 3 ГГц.
Для зондового контроля в приложениях с высокой плотностью кристаллов и боль-шим количеством точек тестирования применяют также технологию эпоксидных колец. В некоторых пользовательских зондовых платах с несколькими тестируемыми устройствами количество пробников может достигать 2 тыс. (рис. 6). Благодаря уменьшению стоимости карт с эпоксидными кольцами и снижению утечек этот метод зондового контроля достаточно часто встречается при параметрическом тестировании.
Рис. 6. Плата с эпоксидными кольцами для тестирования кристаллов памяти
Современные методы зондового контроля
Наиболее широко используемая технология изготовления зондовых карт сегодня – кантилеверная технология (cantilever probe card). Эта технология активно развивается в России с целью улучшения характеристик и замещения используемых импортных мате-риалов российскими аналогами. На сегодня кантилеверная технология перекрывает бо-лее 90% потребностей российских производителей микроэлектроники.
Благодаря Г-образной форме зонда кантилеверные зондовые карты (рис. 7) обеспе-чивают, при нажатии на контактную площадку кристалла, небольшой сдвиг (так называе-мый «скраб») кончика зонда по поверхности контактной площадки.
Рис. 7. Зондовые карты, изготовленные по кантилеверной технологии
Соответственно, такая технология предъявляет особые требования к геометрии и материалу зонда, а также, как указывалось выше, к плоскостности контактной группы для обеспечения допустимого и повторяющегося «задира» на контактных площадках (рис. 8). Разновысотность зондов при этом должна быть в пределах единиц микрон.
Рис. 8. Технологические параметры, контролируемые зондами
Актуальной технологией получения сверхтонких наконечников зондов из вольфра-мовой или платиноиридиевой проволоки является метод электрохимического травления вследствие его простоты и дешевизны. Этот способ позволяет получать иглы зондов с ра-диусом порядка 10Ǻ и углом при вершине конуса (рис. 9).
Рис. 9. Изображение сверхтонкой вольфрамовой иглы и вольфрамового конуса под слоем окисла
Перспективная технология на сегодняшний день – вертикальные зонды. Эта технология позволяет преодолеть ряд недостатков кантилеверных зондовых карт, а именно сложность доступа к кристаллу (например, для BGA-чипов), необходимость параллельного контроля множества кристаллов, ограничение максимальной рабочей частоты.
Вертикальные зондовые карты реализуют двумя способами: по стандартной тех-нологии с многослойным переходником и по упрощенной технологии с переходником, распаянным проводом вручную (рис. 10, 11).
Рис. 10. Зондовая плата с вертикальными зондами с многослойным переходником
Рис. 11. Зондовая плата с вертикальными зондами с переходником, распаянным проводом
При использовании специально разработанного многослойного переходника, отве-чающего требованиям высокочастотных сигналов, можно достичь максимальной рабочей частоты сигналов 500 МГц. Более экономичное решение – вместо переходника используется распайка проводом, что значительно снижает стоимость зондовой карты, при этом рабочая частота ограничена 100 МГц.
Особое внимание следует уделять применению вертикальных зондовых карт в тех-нологии перевернутого кристалла (flip-chip). Разработчики высокочастотных плат должны учитывать геометрические особенности физической компоновки кристалла. От длины травления, ширины, толщины, интервалов и размещения сквозных отверстий зависят характеристики чипа. Изменение высоты и размеров контактной площадки существенно влияют на надежность сборки по технологии flip-chip, что требует внедрения эффективных и надежных методов тестирования с помощью вертикальных зондовых карт.
Сегодня на рынке актуализировались тренды регионализации и заморозки отноше-ний с зарубежными поставщиками. Поэтому особенно актуальным становится вопрос не только импортозамещения, но и универсализации схемных, конструкторских и технологических решений, в частности, в области зондового контроля. Следует также отметить, что и в зарубежном секторе существует тенденция к переходу от фирменных решений для собственного производства к использованию решений специализированных компаний.
На базе собственного предприятия в г. Зеленоград, «Совтест АТЕ». почти на 100% локализовала технологию производства зондовых плат, включая все основные операции: разработку печатной платы, изготовление и юстировку контактного блока, сборку печат-ной платы, изготовление механических деталей, сборку и контроль параметров зондовой платы.