大功率晶圆测试的终极解决方案

大功率晶圆测试的终极解决方案

简介:适用于各种型号探针台的ERS高压大电流温度卡盘Thermal Chuck

*图1:公司logo

关于ERS electronic:

总部位于德国慕尼黑的ERS electronic公司专注于提供温度测试解决方案50余年,公司在业界赢得了良好的声誉,特别是使用空气作为冷却剂且温度变化既迅速又精确的卡盘系统,可以做到从-65°C到550°C——在一个宽泛的温度范围内进行分析,相关参数和制造测试。目前,由ERS研发的AC3, AirCool® PRIME和AirCool® 系列卡盘分别应用于半导体行业各种大型晶圆探针测试台。此外,ERS还支持eWLB和其它形式的扇出型晶圆/面板级封装(FOWLP和FOPLP),其全自动、手动热拆键合机和翘曲矫正机分别适用于200mm和300mm的eWLB封装设备。

正文:

高电压/电流市场是目前半导体应用中增长最快的领域之一。在电动化和可再生能源发展的推动下,新一代电力电子器件也同时在推动MOSFET和IGBT的发展,这也带动了碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等其它新基质的日益普及。

作为高电子迁移率晶体管(HEMT)之一的氮化镓GaN。与其它基于硅的MOSFET器件相比,它的优势显著体现在禁带宽大、开关切换时间极短、更高的功率密度和击穿电压,以及更好的热导率。如今,它被广泛应用于电力电子领域,如手机快速充电器、军用雷达设备、高速轨道交通和5G网络等。

与GaN一样,SiC也具备高电压和高温的特点,但由于其压敏电阻特点,在600V或更高电压上,与GaN相比则有更好的表现。作为第一个成功商业化的宽禁带半导体SiC,从2018年被应用到特斯拉汽车上以来,混合动力汽车和电动汽车以及充电站便成为了SiC功率半导体市场快速增长的主要动力。

随着SiC/GaN 器件技术的成熟, 以及其成本的不断降低,SiC/GaN 器件有望加速渗透。根据 Yole 预测,2023 年 SiC、GaN 电力电子器件的市场规模将分别增长至 14 亿和 3.7 亿美元,市场渗透率分别达到 3.75%和1%。GaN 射频器件在 5G 宏基站建设和国防建设的旺盛需求下,叠加 GaN 射频器件成本下降,需求有望快速放量,根据 Yole 数据预测,2023 年 GaN 射频器件需求量将达到 194.3 百万个,19- 23 年 CAGR 达到 85.8%。

对晶圆针测业的挑战

在科技迅猛发展的大背景下,电力电子世界一直被视为一个较为保守的领域,SiC和GaN的出现,不仅开启了电力市场的新篇章,也为晶圆测试行业带来了新的考验。如何在满足大功率测试需求的同时,保持温度的稳定和准确性,以确保良率,是每个设计工程师都需要考虑的问题。

半导体测试环节最重要的装备之一就是探针台,在测试过程中,晶圆被输送到温度卡盘上,使晶圆上的晶粒依次与探针接触并逐个测试。经过检测,探针台将参数不符合要求的芯片记录下来,在进入后序的工艺流程之前予以剔除。在这个过程中,对测试环境起到决定性作用的便是和晶圆亲密接触的温度卡盘。

与普通的测试环境相比,除了需要保证宽泛的测试温度范围、卡盘温度的均匀性和稳定性等,高电压/电流的特殊测试环境也为卡盘的设计增加了更多新的挑战。例如,在大电流的测试环境下,较大的接触电阻会加速晶圆温度升高,如果热量不能得到及时分散,晶圆就有被损坏的危险,那么在设计温度卡盘的时候就必须首先要考虑如何最小化接触电阻,保证RDS(on)的精准测量。其次还需要确保在高压环境下低漏电,以避免击穿的发生。另外,卡盘还需灵活应对一些特殊类型的晶圆, 如薄晶圆、Taiko等。

ERS的解决方案——高压大电流温度卡盘

在高电压测试和超低噪声晶圆针测方面积累了超过15年经验的ERS electronic,针对高电压/电流的测试环境,设计了一款可以保证在高达10kV的高压下超低漏电、避免击穿,并同时兼具宽泛的温度测试范围(-55°C到+300°C)的卡盘。它的问世,很好的解决了高电压/电流的背景下,晶圆测试领域所面临的诸多难题。

在高电压的情况下保证超低漏电

通过对上百种绝缘材料在不同的温度环境下的反复实验,并综合考量生产成本等因素,ERS electronic 的工程师们选择出了最适合的绝缘材料,来将接触电阻(Rc)减小到最小,以保证在高压环境下超低漏电流。目前,该卡盘支持最大电流600安培,电压从1.5千伏到10千伏不等,具体漏电测试参数如下:

*表1:ERS electronic高压大电流温度卡盘漏电测试参数

其中,3 kV Triaxial 和3 kV ULN(3 kV超低噪声)可以在最高300摄氏度的测试温度下,通过三轴的连接方式,达到3kV电压。对于高压测试当中漏电流的测量,目前常用的测试工具有Keysight以及Keithley公司的系列漏电流检测仪器等。

*图2-4:Keysight,Keithley公司的系列漏电流检测仪器

10kV Coaxial (兼容3 kV ULN ):当测试电压为10kV时,选用同轴的连接方式可以阻隔高达10kV的电压。另外,卡盘顶部另配有直接连接电缆,以支持晶圆测试高电压/电流偏置,其余部分则通过接地的设置来起到保护作用。

最小化接触电阻,实现RDS(on)的精准测量

最小化接触电阻,即将晶圆与卡盘之间的接触电阻最小化。广义上说,接触电阻指的导体间呈现的电阻,真正的接触电阻是由集中电阻、膜层电阻以及导体电阻组成的。影响接触电阻的因素有很多,例如接触件的材料、接触的表面产生并垂直于接触表面的力、接触件表面的状态、以及施加的电压/电流大小等。

综合考虑上述影响因素,并结合多年探针台密封集成的经验,ERS electronic的卡盘工程师在研发高压大电流卡盘之时严格把控卡盘内外部细节,从电学性能到外观结构设计。在生产过程中,通过采用ERS electronic的先进镀层工艺技术,保证卡盘盘面绝佳的硬度、粗糙度和平整度,在降低接触电阻的同时,确保了整个盘面接触电阻的一致性,最终实现对RDS(on)的精确测量。

先进的镀层工艺:保证卡盘经久耐用

*图5:ERS electronic高压大电流温度卡盘

凭借先进的镀层工艺,在重复使用后,ERS electronic的高压大电流温度卡盘不会发生起皮、变形、氧化发黑等现象。

独特的可更换卡盘顶盘服务:理想的薄晶圆/Taiko晶圆解决方案

*图6:可用于Taiko的ERS卡盘

随着芯片应用领域的不断扩展,芯片设计也趋于多样化和定制化,基于不同的测试类型和晶圆种类,对应的测试方案也千差万别。与客户长期接触的过程中,ERS electronic发现通过仅更换卡盘顶盘的方法就可以满足一些测试需求,例如,如果需要对Taiko晶圆进行测试,不必重新购买卡盘,仅更换适合Taiko晶圆测试的卡盘顶盘,就可以在大幅节约成本的同时,满足用户的测试需要。ERS electronic提供的现场更换卡盘顶盘服务,旨在不影响企业生产效率的同时,应对当今对测试需求不断的升级变化。该服务一经推出便受到业界的广泛好评,它也成为了目前晶圆封测行业独具特色的优质解决方案。

选择ERS高压大电流卡盘七大理由

凭借多年“以客户为中心”的经营理念和对产品质量的严格控制,除了多种可供选择的测试电压/电流和三轴/同轴的连接方式以外,能够让ERS electronic的高电压/电流卡盘在众多竞争对手里脱颖而出的是高压兼具高温的性能,旨在确保高电压,超低漏电,防击穿的同时,仍能满足客户对高温(高达300℃)的测试需求,这也成为了ERS electronic高压大电流卡盘最大的技术亮点之一。

除此之外,ERS electronic独特的探针台载物台定制化服务,让处理薄晶圆、Taiko晶圆等特殊形态的晶圆变成可能。客户不仅可以根据自己的需要选择卡盘的类型,还可以选择“仅更换卡盘顶盘”的服务,以应对测试需求不断升级的半导体市场。

作为ERS大中国区技术合作的第三方——上海晶毅电子科技有限公司CEO彭先生认为, “ERS electronic推出的高压卡盘恰好弥补了高电压/电流晶圆测试领域的不足高温与高压测试兼具、一流的镀金表面以及可更换的卡盘顶盘服务,为客户提供更多的灵活性,同时还让我们看到了晶圆测试行业未来技术发展的无限可能。 “

*图7:选择ERS 高压大电流卡盘的七大理由

该高压大电流卡盘属于ERS推出的定制化卡盘服务,该系列产品里还有针对晶圆翘曲的强真空卡盘、适用于温度湿度等传感器的温度高均匀性卡盘、免磁性卡盘,以及超低噪声卡盘等。如果您想了解更多关于晶圆温度测试的技术信息,请访问ERS中文官方网站https://www.ers-gmbh.com/zh-hans

另外,ERS electronic还将出席于5月6日到8日在重庆国际博览中心召开的全球半导体产业博览会。此次展览将携手深圳森美协尔科技SEMISHARE,全方位展示晶圆测试设备,一同为先进探针台赋能,推动半导体产业发展。欢迎您前来展台N8-T18,与ERS的工作人员交流、洽谈。