真空探针设备工艺研究

时间：2024-09-03

吕磊

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

探针设备是半导体封装工艺线上对完整晶圆进行前道测试的设备，主要功能是避免对不合格的芯片进行封装[1]。目前，国内的探针设备多为大气环境下或者通入受控保护气体如氮气或惰性气体等环境下进行测试，不能满足真空测试的要求。真空探针技术是在常规探针设备基础上发展的，基于真空测试基本理论及工艺原理，测试对象为特殊环境（主要包括：低温环境和特种环境）测试要求的芯片[2]。

图1为研制的手动真空探针设备，与常规探针设备相比较，其结构包括真空腔体、真空系统、充气排气结构、外部操控结构等。

图1 手动真空探针设备

1 真空腔体

真空腔体是真空探针设备的关键部分，真空腔体密封性的好坏直接影响设备的使用性能。设计高可靠性的真空腔体不仅包括腔体本身零部件之间（腔体与腔体盖、腔体盖与观察窗等）的密封性，也包括真空腔体与四周管路、阀门、操作部位之间结构密封的有效性[3]。

真空腔体采用圆柱形不锈钢焊接结构，一端密封固定于工作台板上；一端采用端盖密封，端盖上安装有观察窗，端盖可手动取下，用于取放待测晶圆（芯片）。图2为真空腔体整体外观图。

图2 真空腔体整体外观图

真空腔体设计具有的特点：

（1）真空腔体安装于工作台板上，方便操作人员操控，保证足够的空间以满足试验和生产的需要。

（2）工作台安装于真空腔体内，保证真空密封性。工作台x、y向操作位置在真空腔体外部呈90°分布，方便操作人员调整工作台，使待测芯片快速进入图像采集区域。两个探针操作位置在真空腔体外部呈180°分布，方便操作人员调整探针，使探针可靠接触待测芯片上焊盘。

（3）有足够数量的观察窗和照明系统，便于对整个工艺过程的观察和控制。

（4）端盖锁紧、打开方便可靠，保证真空腔体密封性。

2 真空系统

高质量的真空系统是进行真空测试的基本保证，真空系统由抽真空泵、真空管道和真空测量等几部分组成。图3为真空系统示意图。

图3 真空系统示意图

系统选用SH-100型无油机械泵和Torbo0V81M型高真空分子泵，前者用于对真空室预抽真空，其特点是1～1.0×103Pa压力范围时抽速大。后者用于抽高真空，工作压力范围是1～1.0×10-8Pa。其结构紧凑，压缩比高，工作压力范围宽，工作平稳，噪声小。

SH-100型无油机械泵可用于抽除真空腔体中的干燥气体或含有少量可凝性蒸汽的气体。该泵为无油机械泵，不会在运行过程中产生油雾，避免对净化间和真空腔体内部产生污染。故该泵特别适用于真空探针设备中真空腔体的前级抽气装置。

高真空的抽取采用涡轮分子泵，油扩散泵价格相对便宜，但泵油会对腔体造成污染。分子泵不存在油污染问题，故使用分子泵。涡轮分子泵的转子和定子都装有多层涡轮叶片，转子与定子叶片的倾斜面方向相反，每一个转片处于两个定片之间。它工作时，转子高速旋转，迫使气体分子通过叶片从泵的上部流向出口，从而产生抽气作用。排出的气体经排气管道由前级真空泵（此系统即为机械泵）抽走。涡轮分子泵不能直接对大气排气，需要配置前级真空泵。否则，容易损坏叶片[4]。

真空腔体的压力检测采用XGS-600型真空测量系统，包括一个PVG500S型电阻硅管和一个PCG750型抗氧化型电离真空硅管，前者用于前级真空检测，后者用于真空室高真空度的检测。

3 充气排气结构

真空腔体上设置3个气体管道接口，分别为真空泵接口、气体输入接口（含特殊气体输入接口、氮气输入接口）、废气排出接口，各接口处分别设置手动真空阀。

充气排气结构的主要工艺流程为：关闭所有手动真空阀——打开真空泵，打开真空泵手动真空阀——达到真空度要求——关闭真空手动阀，关闭真空泵——打开特殊气体输入阀——达到测试气压值——关闭特殊气体输入阀——进行测试——打开氮气输入阀，打开废气排出阀——排出测试特殊气体。

由于测试环境所需特殊气体可能对人体有害，因此充入特殊气体之前，保证其他手动真空阀均为关闭状态。测试结束后，需要充入氮气以稀释并排出真空腔体内特殊气体，要保证足够长时间以排出干净。废气输出接口连接废气存储罐，以利于后期集中处理。

4 外部操控结构

该设备为手动设备，需要在真空腔体外部进行操控，需要完成的操作主要为：承片台的x、y向移动，两个探针的x、y、z向移动。图4为承片台y向与探针1操控形式。

从上图可以看出，承片台x、y向分别使用一个丝杠滑轨平台进行移动，滑台端部安装具有刻度的手动旋钮，精密调整真空腔体内承片台位置，滑台与真空腔体之间安装具有伸缩功能的波纹管，保证移动过程中的整体气密性。

两个探针分别依靠一组三维座调整探针位置，三维座与真空腔体之间安装波纹管，由于需要三维调整，波纹管不仅要求具有伸缩功能，同时要求在一端固定的情况下另一端可以沿径向方向平行摆动，在加工探针部位波纹管过程中尤其注意。

图4 承片台和探针操控形式

5 真空腔体密封方式

在真空系统中，常用的密封连接方式主要有CF、KF、ISO等，各密封方式的特点以及在手动真空探针设备选择密封的方式。

CF系列：CF主要是用在超高真空系统上的密封连接，其主要密封方式是金属密封即铜垫片密封。需要注意的是铜垫片在使用一次后密封效果会很差，如果对真空度要求较高的系统，法兰每拆卸一次，就需要更换垫片,图5为CF连接方式示意图。

图5 CF连接方式示意图

KF系列：KF是日常真空系统中比较常见的密封连接方式，主要应用在高真空系统中。规格为KF10～KF50,通常情况下KF连接的管道尺寸是相对于英寸规格来说的。即KF25对应的管道是25.4 mm×1.65 mm，依此类推 (有的要求特殊管道，法兰的焊接尺寸可以定制)。KF最大到KF50（配管是50.8 mm×1.65 mm)之后的真空连接就是ISO系列，图6为KF连接方式示意图。

图6 KF连接方式示意图

ISO系列：ISO也是用于高真空系统中的配件，最小规格是ISO63（配管是63.5 mm×1.65 mm）再往后是ISO80、ISO100、ISO160直至ISO320甚至更大规格，连接方式是双卡头连接,主要是两个ISO的法兰片，中间加密封圈，然后用4个双卡头卡住法兰片进行连接。要注意的是通常情况下ISO系列的密封圈相对于KF系列的真空密封圈除了有中心支架和氟橡胶材质的密封圈外，还多了一个铝制的弹簧外圈，其主要作用是防止密封圈滑脱。因为ISO系列的管路尺寸相对较大，密封圈套在中心支架上受到机台震动或者温度的影响，如果无固定会滑脱，影响密封，图7为ISO连接方式示意图。

图7 ISO连接方式示意图

研发的手动真空探针设备要求的真空度属于中低真空度（1×10-3Pa～1×10-4Pa）；真空腔体容积大约25 L，管道直径大约25～40 mm即可快速抽取腔体内气体，达到设备要求真空度。

综合手动真空探针设备要求，ISO系列由于规格尺寸比较大，连接方式装卸不方便，因此不适合应用于该设备；CF系列应用于高真空系统，每拆卸一次都需要更换铜垫，也不适用于研发型设备。KF系列由于其装卸方便，不需要借助其他安装工具，手动安装即可；规格尺寸也满足腔体要求，因此在手动真空探针设备中选用KF系列非常合适，图8为应用KF系列的设备管路图。

图8 应用KF系列的设备管路图