Die zunehmende Notwendigkeit integrierte Schaltkreise bei voller Geschwindigkeit auf dem Wafer zu testen, stellt besondere Anforderungen an die Kontaktierung der Pads. Herkömm-liche Nadeltechniken stoßen an physikalische Grenzen hinsichtlich Pitch und höheren Frequenzbereichen. Die Pyramid-Probes bieten eine Lösung dieser Probleme.
Peter van Geijn, Synatron, Hallbergmoos
Der Test von Chips bei voller Geschwindigkeit auf dem Wafer ist wesentlich, um gute Schaltkreise ausliefern zu können, eine Verbesserung der Wafer-Ausbeute zu erreichen sowie Informationen über den Herstellungsprozess zu gewinnen. Der Design-To-Test-Zyklus wird in einer Entwicklungsumgebung verkürzt, und dadurch auch die Markteinführungszeit. Die zeitaufwändigen Schritte Sägen und Verpacken können für ausschließlich funktionelle Tests vermieden werden. Darüber hinaus lassen sich mehr und mehr „Dies“ in Multi-Chip-Module (MCMs) unterbringen. Wenn fehlerhafte Dies in einem solchen meistens sehr teuren Modul montiert sind, führt das in vielen Fällen zum Ausschuss des gesamten MCMs.
Herkömmliche Nadelkarten stoßen für Bausteine mit 500 oder mehr Pads an ihre Grenzen. Regelmäßiges Säubern, sorgfältige Wartung und Reparatur sind notwendig, um eine einwandfreie Kontaktierung zu gewährleisten. Elektrisch gesehen sind die Kontaktnadeln mit hoher Induktivität und induktiver Kopplung behaftet. Ein typischer Wert für eine Ground- oder Power-Nadel ist eine Induktivität von 10 bis 20 nH. Man misst dann bei relativ niedrigen Frequenzen von z.B. 2 GHz ein Übersprechen von 10 dB, ein Insertion-Loss von 3 dB und ein Return-Loss von 5 dB. Vor allem die Kommunikationsschaltkreise mit Frequenzen weit mehr als 2 GHz können mit solchen Nadelwerten nicht mehr gemessen werden. HF- und Mikrowellen-ICs mit einer Clock-Frequenz von 1 GHz brauchen beispielsweise Probes mit einer Bandbreite von 20 GHz oder 10 pS Signalanstiegszeit.
Eine andere Anwendung für die Pyramid-Probes sind ICs mit wesentlich niedrigeren Frequenzen, jedoch mit einer sehr hohen Pad-Anzahl, wie sie bei LCD-Treibern vorgefunden werden. 500 Pads und mehr mit Pitches von kleiner als 45 µm bilden auch hier eine Beschränkung für herkömmliche Nadelkarten. Die Pyramid-Probecards von Cascade Microtech bieten für beide Fälle (HF und hohe Pad-Zahl mit kleinen Pitches) dem Anwender eine geeignete Lösung (Bild 1). Die Pyramid-Probe besteht aus einer flexiblen Membran mit darauf mittels photolithographischen Prozessen angebrachter Kontaktfläche, eingespannt auf einen pyramidenförmigen Block und aufgespannt auf einen Rahmen (Bild 2). Die Kontakte (Bumps) werden kundenspezifisch für den zu testenden Baustein angebracht. Dieses Gebilde – der Core – mit speziellen Übergängen zwischen Core und Board, wird nun auf einer Probekarte mit Standardabmessungen untergebracht. Von dort gehen die Leitungen zum Tester.
Die Membranen sind aus zwei Lagen aufgebaut, wovon eine die Masse in Form eines Gitters bildet und dadurch eine Induktivität von lediglich 0,2 nH aufweist, ein Wert der vergleichbar mit der Induktivität einer Flip-Chip-Interconnection ist. Präzise Impedanz-Micro-Strip-Leitungen geben dem Anwender die Möglichkeit, bis zu 40 GHz auf dem Wafer zu messen. Die unterschiedlichen Kontaktflächen (Bumps),abhängig vom zu kontaktierenden Material Gold oder Aluminium, sind aus einer nicht oxidierenden Nickellegierung hergestellt und gewährleisten mindestens 1.000.000 Kontaktierungen auf Gold.
Zur besseren Kontaktierung auf Aluminium-Pads entwickelte Cascade Microtech das so genannte Microscrubbing (Bild 3). Diese Kontaktfläche ist so konstruiert, dass bei Kontaktierung auf das Aluminiumoxyd eine Hebelwirkung stattfindet, die Kontaktfläche durch das Aluminiumoxyd kratzt und damit ein einwandfreier Kontakt garantiert ist. Messungen bei unabhängigen Testinstituten haben bewiesen, dass sich der Kontaktwiderstand bei mehr als 400.000 Kontaktierungen nicht messbar änderte. Dies geschah, ohne dass die Kontaktfläche ein einziges Mal gereinigt wurde. Durch den photolithographischen Prozess sind Nachjustierungen wie bei Nadelkarten nicht notwendig. Fehler, die bei Nadelkarten auftreten, wie z. B. Variationen in X/Y-Richtung, und die deshalb gewartet werden müssen, kennen die Membranen nicht. Variationen in Z-Richtung (Planarität) können bei Nadelkarten zu erheblichem „Over-Travel“ führen, was die Pads beschädigt oder sogar dafür sorgen kann, dass die Nadelspitzen vom Pad abgleiten. Mit der Microscrub-Bewegung von lediglich 3 µm ist eine extrem hohe Positionierungsgenauigkeit gegeben.
Bei Höhenunterschieden zwischen den Pads sorgt eine spezielle Federkonstruktion zusammen mit einer flexiblen Lage zwischen Membran und Halterung für einen sanften Ausgleich. Eine weitere Eigenschaft der Membran-Probes ist die Platzierung von Kapazitäten direkt auf der Membrane, so dass eine ideale Entkopplung von DC-Quellen möglich ist (Bild 4). Die Pyramid- Probes bieten dem Anwender eine zuverlässige, kostengünstige und wirtschaftliche Probelösung für HF-Anwendungen. Ein europäisches Applikationsteam hilft den Anwendern sowohl bei Design- als auch bei Installationsfragen.
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