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Testzeit und -kosten reduzieren Otto P. Weeden, Keithley Instruments, Germering

Erfolgreiches Wafer-Probing bei schnellen digitalen und HF-Schaltungen
Testzeit und -kosten reduzieren Otto P. Weeden, Keithley Instruments, Germering

Ein erfolgreiches Wafer-Probing und die Erfassung parametrischer Daten von HF-Bauteilen erfordert eine Beherrschung sowohl der mechanischen, als auch der elektrischen Komponenten. Hierzu gehören die Probe Card, die Testnadeln und der Parametertester, aber auch eine Kalibrierung des vollständigen Systems.

Ein erfolgreicher Wafer-Test von hochfrequenten und schnellen digitalen Bauteilen erfordert eine sorgfältige mechanische und elektrische Entwicklung der Testnadeln und der Probe Card. Um optimale Testergebnisse zu erhalten, müssen bei der Entwicklung einer für den Einsatz bei hohen Frequenzen geeigneten Probe Card die geometrischen Strukturen des physikalischen Layouts der Bauteile berücksichtigt werden. Länge, Breite, Dicke und Abstände der Strukturen sowie die Platzierung der Vias haben einen direkten Einfluss auf die Leistung. Diese Merkmale müssen sorgfältig untersucht und beim Design der Elemente einer Probe Card, wie der Ground Plane, der Testnadeln und der Testpads, berücksichtigt werden.

Bei hohen Frequenzen ist eine Probe Card nichts anderes als eine Übertragungsleitung, somit ist es wichtig zu überlegen, wie die Signalübertragung durch Einschwingvorgänge und Reflexionen, die gegenseitige Beeinflussung von Signalen (Übersprechen) und die Wechselwirkungen mit der Umwelt (in Form von elektromagnetischer Interferenz) beeinflusst wird.
Normalerweise wird die Sprungantwort der Schaltung auf einen Impuls bei der „Knie“-Frequenz (knee frequency) des digitalen Signals untersucht, die direkt im Zusammenhang mit den Anstiegs- und Abfallzeiten der jeweiligen digitalen Flanken, nicht aber der Taktrate, steht. Diese und andere Überlegungen, wie beispielsweise Wellenphänomene, beeinflussen die charakteristische Impedanz des Signalpfades, und können eine Fehlanpassung der Signalquelle oder der Messeinrichtung verursachen.
Schaltungselemente der Probe Card
Es gibt sechs Basiskomponenten in der Elektronik, die sich in zwei Kategorien unterteilen lassen: aktive Komponenten (Quarze, Transistoren und Dioden) und passive Komponenten (Widerstände, Kondensatoren, und Induktivitäten). Übertragungsleitungen (z. B. die Probe Card) bestehen aus passiven Komponenten, weshalb bei Probes und Probe Cards die Übergangsfunktion dieser Elemente untersucht werden muss, um feststellen zu können, wie schnelle Signale und hohe Frequenzen beeinflusst werden.
  • 1. Widerstand: Ein Widerstand ist ein Bauteil, das sich dem Stromfluss in einer Schaltung entgegensetzt. Widerstände haben normalerweise zwei Anwendungsbereiche: als Strombegrenzung oder als Spannungsteiler. Rein ohmsche Bauteile zeigen einen linearen Frequenzgang (Bild 2). Zum Zeitpunkt Null steigt der Ausgang auf einen festen Wert, der dann gehalten wird.
  • 2. Kondensator: Physikalisch besteht ein Kondensator aus zwei, durch einen Isolator getrennten, leitfähige Oberflächen. Kondensatoren können elektrische Ladung ähnlich wie eine Batterie speichern, wobei der Lade- und Entladeprozess Zeit erfordert. Somit zeigen Kondensatoren eine nichtlineare, verzögerte Sprungantwort (Bild 3). Zum Zeitpunkt Null ist die Spannung über einem aufladenden Kondensator gleich Null, und steigt dann exponentiell bis auf die Klemmenspannung. Der kapazitive Blindwiderstand wirkt einer Spannungsänderung entgegen.
  • 3. Induktivität: Beim Stromfluss durch einen Leiter wird ein Magnetfeld um den Leiter erzeugt. Die anfängliche Energie des Stromflusses erzeugt dieses Feld, was Zeit kostet. Wird der Strom abgeschaltet, bricht das Feld zusammen, und induziert einen erneuten Stromfluss. Induktivitäten zeigen ein Einschwingverhalten. Zum Zeitpunkt Null steigt der Ausgang sofort auf den vollen Spannungswert, und sinkt dann später auf Null zurück. Der induktive Blindwiderstand wirkt einer Stromänderung entgegen.
Entwicklung von Probe-Card- Baugruppen
Physikalisch ist eine Probe Card eine Leiterplatte. Auf Grund ihrer Konstruktion entspricht eine Leiterplatte einer Ansammlung von Induktivitäten und Kondensatoren. Jeder Leiter (Leiterbahn, Via, Leiterflächen, etc.) weist eine geringe Induktivität auf, die einer Stromänderung entgegenwirkt. Kondensatoren sind dort zu finden, wo sich Leiter sehr nahe kommen. Dies können nebeneinander liegende Leiter oder Leiter auf den übereinander liegenden Layern der Leiterplatte sein. Je breiter eine Leiterbahn ist und je näher die Leiterbahnen zu einander liegen, desto größer ist der Kapazitätswert. Die Kondensatoren und Induktivitäten, die einen integralen Bestandteil der Kartenstruktur darstellen, können als verteilte Kapazitäts- und Induktivitätswerte der Karte betrachtet werden.
Masseflächen werden oftmals sowohl als innere Schichten, als auch auf der äußeren Oberfläche der Karte aufgebracht. Die externen Masseflächen dienen oft als EMI-Abschirmung und ermöglichen den Anschluss einer Koaxial-Abschirmung zur besseren Erdung. Die inneren Masseflächen dienen auch als gemeinsame Masse, und reduzieren die kapazitive Kopplung zwischen den Leiterbahnen auf den verschiedenen Layern der Karte. Noch wichtiger ist die innere Massefläche, um eine genauere Beherrschung des Wellenwiderstands zu ermöglichen. Der Wert des Wellenwiderstands hängt hauptsächlich von der Breite der Leiterbahnen und der Entfernung von der/den Massefläche(n) ab. Da Multilayer-Probe-Cards die Eigenschaften von HF-Übertragungsleitungen aufweisen, werden sie auch für schnelle digitale Anwendungen immer wichtiger.
Taktgeschwindigkeit ist nicht gleich Bandbreite
Ein typischer Rechteck-Taktimpuls enthält viele Oberwellen mit hoher Frequenz, die zusammen die Rechteckschwingung ergeben. Eine Rechteckschwingung kann als eine Kombination einer Serie von sinusförmigen Signalen betrachtet werden, die ungeradzahlige Oberschwingungen der Rechteckgrundfrequenz sind (Bild 5, linke Darstellung). In Bild 5, Mitte, ist ein normaler Logikimpuls mit Übergang von einem niedrigen Pegel auf einen hohen Pegel dargestellt. Die Anstiegszeit wird definiert als die Zeit für den Übergang von 10 auf 90% des Gesamtwerts. Bild 5, rechte Darstellung, zeigt, dass wenn der Logikimpuls mit einem sinusförmigen Signal überlagert wird, die Anstiegszeit fast 30% der Periodendauer des sinusförmigen Signals entspricht. Da die Frequenz gleich dem Kehrwert der Periodendauer ist, entspricht eine Anstiegszeit von 1 ns etwa einer kurzen Schwingung mit 400 MHz und gleicher Amplitude. Dieser Logikimpuls könnte eine Taktfrequenz von etwa 10 MHz aufweisen, die Bandbreite muss aber sehr viel größer als 10 MHz sein, um den Impuls ohne Verzerrungen weiterzuleiten.
In Prober-Anwendungen verursachen Frequenzen im GHz-Bereich die meisten Schwierigkeiten. Eine grobe Vorstellung der Bandbreitenanforderungen ergibt sich, wenn die Anstiegszeiten und die spektrale Energie ermittelt werden. Die „Knie“-Frequenz ist jener Punkt der spektralen Energie, wo das Spektrum viel schneller abschwächt wird, als der übliche Abfall mit 20 dB/Dekade. Die „Knie“-Frequenz eines digitalen Signals ist von der Anstiegs- und Abfallzeit der digitalen Flanken, und nicht der Taktrate, abhängig. Die Taktrate liegt im Allgemeinen noch im 3 dB-Bereich. Das Verhalten einer Schaltung an der „Knie“-Frequenz bestimmt deren Sprungantwort. Mit diesen Informationen lässt sich die digitale spektrale Energie schnell abschätzen:
Fknee ist die Frequenz unterhalb der sich die meiste Energie in digitalen Impulsen konzentriert. Tr ist die Impulsanstiegszeit. Kürzere Anstiegszeiten führen zu einer Erhöhung von Fknee. Längere Anstiegszeiten führen zu einer Absenkung von Fknee. Die wichtigsten Eigenschaften eines digitalen Signals im Zeitbereich werden hauptsächlich vom Signalspektrum unterhalb von Fknee bestimmt. Aus diesem Prinzip lassen sich zwei wichtige qualitative Eigenschaften von digitalen Schaltungen ableiten:
  • 1. Eine Schaltung, die einen linearen Frequenzgang bis einschließlich Fknee aufweist, leitet ein digitales Signal praktisch unverzerrt weiter.
  • 2. Das Verhalten einer digitalen Schaltung oberhalb von Fknee hat nur geringe Auswirkung darauf, wie digitale Signale weitergeleitet werden.
Bei der Verwendung dieser Formel sollte berücksichtigt werden, dass diese nur eine ungenaue Abschätzung des Spektrums ermöglicht. Wird Fknee als Anhaltspunkt genutzt, dann hilft dies dabei, frequenzabhängige Effekte als bedeutungslos, beunruhigend oder als problematisch einzustufen. Für die meisten Probleme im digitalen Bereich ist das genau das, was man wissen muss.
Fknee weist aber gewisse Einschränkungen auf. Es ist kein Ersatz für eine vollständige Fourier-Analyse, und erlaubt keine genaue Voraussage des Systemverhaltens. Allerdings stellt Fknee einen schnellen und praktischen Bezug zwischen Zeit und Frequenz für digitale Signale her.
Wellen-Phänomene
Normalerweise verfügen Energiewellen über bestimmte gemeinsame Merkmale:
  • Energiewellen können kontinuierlich wie Ozeanwellen oder als kurze Bursts (Impulse) auftreten.
  • Energiewellen benötigen Zeit, um sich von einem Punkt zum Nächsten weiterzubewegen.
  • Energiewellen können absorbiert oder reflektiert werden.
  • Energiewellen schwächen sich ab, wenn sie sich fortpflanzen.
  • Energiewellen können gelenkt werden, um sich entlang eines spezifischen Wegs fortzupflanzen.
  • Die Geschwindigkeit einer Energiewelle ist abhängig vom Medium, durch das sich die Energiewelle bewegt.
„Einschwingen“ ist der entsprechende Terminus, wenn eine Impedanzfehlanpassung zwischen Leitungen Reflexionen verursacht. Wenn ein Impuls das Ende einer Leitung zu einer Last, einem Steckverbinder oder einer Verzweigung erreicht, treten Reflexionen und Streuungen auf. Wenn der Impuls wieder zurück auf den Eingang trifft, erfolgt eine weitere Reflexion. Die Auswirkungen lassen sich beispielsweise mit Hilfe eines Wassertanks zeigen, in dem Wellen durch die Seitenwände vor- und zurückreflektiert werden. Die resultierenden Reflexionen sind kumulativ, so dass das reflektierte Signal die Signalintegrität mit jedem Durchlauf verschlechtert.
„Übersprechen“ kann auftreten, wenn benachbarte Signalleitungen sich gegenseitig beeinflussen. Wenn eine Spannung an einer Signalleitung anliegt, dann geht von dieser Signalleitung ein elektrisches Feld aus. Dieses Feld kann kapazitiv in benachbarte Leitungen eingekoppelt werden, wodurch unerwünschte Wechselwirkungen verursacht werden. Die Intensität des Übersprechens zwischen benachbarten Leitungen hängt von der Entfernung zwischen den Leitungen, der Länge der Parallelität und dem Energiepegel der sendenden Leitung ab.
Was ist zu tun?
Was können die Entwickler von Halbleiterbauteilen und Testingenieure tun, um das Probing und die Testbarkeit zu verbessern?
  • Auf jeder Seite des zu untersuchenden Chips sollte ein DC-Masserückführungspfad vorhanden sein, um ein Oszillieren der Spannung zu vermeiden.
  • Neben jedem HF-Signalpad sollte eine HF-Masse verfügbar sein.
  • Alle Massepunkte sollten auf dem Chip zusammengeführt werden, um die gemeinsame Leitungsinduktivität zu reduzieren. Dies verhindert eine HF-Degradation durch die Induktivität der Leitungen.
  • Die HF-Pads sollten auf dem Chipumfang gleichmäßig verteilt werden, um eine Signalisolierung und einen möglichst großen mechanischen Abstand für relativ große Testnadeln zu erhalten.
  • Es sollte eine standardmäßige Anordnung der HF-Signalpads (G-S-G oder G-S) genutzt werden, um einen Einsatz einheitlicher Probes in allen HF-Anwendungen zu erlauben.
Ein Probe Card ist nur ein Teil des Ganzen. Die Testnadeln sind ebenfalls ein wesentlicher Teil eines Waferprober-Testadapters und haben auch einen Einfluss darauf, ob ein Signal mit Verlust oder Verschlechterung übertragen wird. In der Tabelle sind einige wichtige Designmerkmale für Testnadeln aufgeführt.
Normalerweise werden für das Probing von Bauteilen mit höheren Frequenzen Nadeln mit kleinerem Durchmesser und längeren Erweiterungen eingesetzt, um die Anpresskraft der Nadelspitze zu reduzieren, und dadurch eine Beschädigung der Bauteile zu vermeiden. Allerdings führen kürzere Verbindungslängen zu niedrigeren Induktivitäts- und Kapazitätswerten. Üblicherweise ist bei der Auswahl der Nadel daher ein Kompromiss zwischen diesen gegensätzlichen Anforderungen erforderlich.
Es gibt einige Nadeltechnologien, die mehr oder weniger für den Test von Bauteilen mit hohen Frequenzen geeignet sind. Zu den entscheidenden Leistungsmerkmalen, die zu berücksichtigen sind, gehören die Planarisierungsgenauigkeit und deren Auswirkungen auf die Kontaktkraft, den Kontaktwiderstand, den Kapazitätswert zwischen den Nadeln (der zum Übersprechen beiträgt), und die Fähigkeit, die Signalintegrität von der Probe über die Bondpads zu erhalten.
Über die gängigen Lösungen hinaus
Für ein erfolgreiches Probing von Bauteilen mit hohen Frequenzen ist das Beherrschen, sowohl der mechanischen, als auch der elektrischen Eigenschaften der Probes und der Probe Card erforderlich. Es ist äußerst wichtig, dass dabei die Bauteilentwickler, die Entwickler der Probe Card, die Testingenieure und Testsystemhersteller zusammenarbeiten, um eine funktionierende Lösung für den Wafertest zu erhalten. Oftmals werden bei den Karten und Verbindungen Lösungen benötigt, die von den üblichen Standarddesigns abweichen und die damit zu anwendungsspezifischen Probe Card Designs führen.
Zudem müssen die aus den s-Parameterdaten extrahierten HF-Parameter mit einem DC-Parametertest kombiniert werden, um ein vollständiges Bild des HF-Testobjekts zu bekommen. Damit stellt sich die Frage des Testdurchsatzes. Diese Messungen können, wenn das Testsystem mehrere Probedurchgänge auf dem Wafer für die DC- und HF-Kalibrierung und Datenerfassung benötigt (normalerweise üblich bei Rack-and-Stack-Speichertestsystemen), extrem langsam erfolgen. Da eine Vielzahl von einzelnen Messungen erforderlich ist, um ein Bauteil bei DC und bei HF-Frequenzen vollständig zu charakterisieren, weisen traditionelle Systeme äußerst lange Testzeiten auf, die je nach Art der Tests von einigen Minuten bis hin zu einigen Stunden dauern.
Die Lösung liegt in der Ausführung der DC/HF-Messungen in einem Durchlauf mit einfachen Kalibrierungsverfahren. Neue, jetzt auf dem Markt verfügbare Systeme, bieten eine vollautomatische Kalibrierung in einem Durchlauf, die schnell und ohne dass das Bedienpersonal eingreifen muss, während des Tests ausgeführt wird. Das entscheidende Element dieser Kalibrierung ist schnelles, automatisches Herauslösen (de-embedding) der Impedanzen von Probepads und Verbindungen, welche die Datenintegrität beeinträchtigen. In Verbindung mit geeigneten Teststrukturen kann das Testsystem unabhängig und parallel DC- und HF-Tests mit getrennten Testsonden ausführen, wodurch sich die Testkosten und die Testzeit deutlich reduzieren lassen.
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