大功率晶圓測試的終極解決方案

簡介:適用于各種型號探針臺的ERS高壓大電流溫度卡盤Thermal Chuck

*圖1:公司logo

關于ERS electronic:

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,可以做到從-65°C到550°C——在一個寬泛的溫度范圍內進行分析,相關參數和制造測試。目前,由ERS研發的AC3, AirCool? PRIME和AirCool? 系列卡盤分別應用于半導體行業各種大型晶圓探針測試臺。此外,ERS還支持eWLB和其它形式的扇出型晶圓/面板級封裝(FOWLP和FOPLP),其全自動、手動熱拆鍵合機和翹曲矯正機分別適用于200mm和300mm的eWLB封裝設備。

正文:

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

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,它的優勢顯著體現在禁帶寬大、開關切換時間極短、更高的功率密度和擊穿電壓,以及更好的熱導率。如今,它被廣泛應用于電力電子領域,如手機快速充電器、軍用雷達設備、高速軌道交通和5G網絡等。

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。作為第一個成功商業化的寬禁帶半導體SiC,從2018年被應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功率半導體市場快速增長的主要動力。

隨著SiC/GaN 器件技術的成熟, 以及其成本的不斷降低,SiC/GaN 器件有望加速滲透。根據 Yole 預測,2023 年 SiC、GaN 電力電子器件的市場規模將分別增長至 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 宏基站建設和國防建設的旺盛需求下,疊加 GaN 射頻器件成本下降,需求有望快速放量,根據 Yole 數據預測,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%。

對晶圓針測業的挑戰

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

半導體測試環節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。經過檢測,探針臺將參數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,對測試環境起到決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定性等,高電壓/電流的特殊測試環境也為卡盤的設計增加了更多新的挑戰。例如,在大電流的測試環境下,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境下低漏電,以避免擊穿的發生。另外,卡盤還需靈活應對一些特殊類型的晶圓, 如薄晶圓、Taiko等。

ERS的解決方案——高壓大電流溫度卡盤

在高電壓測試和超低噪聲晶圓針測方面積累了超過15年經驗的ERS electronic,針對高電壓/電流的測試環境,設計了一款可以保證在高達10kV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(-55°C到+300°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境下的反復實驗,并綜合考量生產成本等因素,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,具體漏電測試參數如下:

*表1:ERS electronic高壓大電流溫度卡盤漏電測試參數

其中,3 kV Triaxial 和3 kV ULN(3 kV超低噪聲)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3kV電壓。對于高壓測試當中漏電流的測量,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

10kV Coaxial (兼容3 kV ULN ):當測試電壓為10kV時,選用同軸的連接方式可以阻隔高達10kV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置來起到保護作用。

最小化接觸電阻,實現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,接觸電阻指的導體間呈現的電阻,真正的接觸電阻是由集中電阻、膜層電阻以及導體電阻組成的。影響接觸電阻的因素有很多,例如接觸件的材料、接觸的表面產生并垂直于接觸表面的力、接觸件表面的狀態、以及施加的電壓/電流大小等。

綜合考慮上述影響因素,并結合多年探針臺密封集成的經驗,ERS electronic的卡盤工程師在研發高壓大電流卡盤之時嚴格把控卡盤內外部細節,從電學性能到外觀結構設計。在生產過程中,通過采用ERS electronic的先進鍍層工藝技術,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,最終實現對RDS(on)的精確測量。

先進的鍍層工藝:保證卡盤經久耐用

*圖5:ERS electronic高壓大電流溫度卡盤

憑借先進的鍍層工藝,在重復使用后,ERS electronic的高壓大電流溫度卡盤不會發生起皮、變形、氧化發黑等現象。

獨特的可更換卡盤頂盤服務:理想的薄晶圓/Taiko晶圓解決方案

*圖6:可用于Taiko的ERS卡盤

隨著芯片應用領域的不斷擴展,芯片設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,對應的測試方案也千差萬別。與客戶長期接觸的過程中,ERS electronic發現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,就可以在大幅節約成本的同時,滿足用戶的測試需要。ERS electronic提供的現場更換卡盤頂盤服務,旨在不影響企業生產效率的同時,應對當今對測試需求不斷的升級變化。該服務一經推出便受到業界的廣泛好評,它也成為了目前晶圓封測行業獨具特色的優質解決方案。

選擇ERS高壓大電流卡盤七大理由

憑借多年“以客戶為中心”的經營理念和對產品質量的嚴格控制,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300℃)的測試需求,這也成為了ERS electronic高壓大電流卡盤最大的技術亮點之一。

除此之外,ERS electronic獨特的探針臺載物臺定制化服務,讓處理薄晶圓、Taiko晶圓等特殊形態的晶圓變成可能。客戶不僅可以根據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,以應對測試需求不斷升級的半導體市場。

作為ERS大中國區技術合作的第三方——上海晶毅電子科技有限公司CEO彭先生認為, “ERS electronic推出的高壓卡盤恰好彌補了高電壓/電流晶圓測試領域的不足高溫與高壓測試兼具、一流的鍍金表面以及可更換的卡盤頂盤服務,為客戶提供更多的靈活性,同時還讓我們看到了晶圓測試行業未來技術發展的無限可能。 “

*圖7:選擇ERS 高壓大電流卡盤的七大理由

該高壓大電流卡盤屬于ERS推出的定制化卡盤服務,該系列產品里還有針對晶圓翹曲的強真空卡盤、適用于溫度濕度等傳感器的溫度高均勻性卡盤、免磁性卡盤,以及超低噪聲卡盤等。如果您想了解更多關于晶圓溫度測試的技術信息,請訪問ERS中文官方網站https://www.ers-gmbh.com/zh-hans

另外,ERS electronic還將出席于5月6日到8日在重慶國際博覽中心召開的全球半導體產業博覽會。此次展覽將攜手深圳森美協爾科技SEMISHARE,全方位展示晶圓測試設備,一同為先進探針臺賦能,推動半導體產業發展。歡迎您前來展臺N8-T18,與ERS的工作人員交流、洽談。