プローブカード

プローブカード（一般にDUTボードと呼ばれる）^{[a]は、自動化された}集積回路テストで使用されます。これは、電子テストシステムと半導体 ウェハー間のインターフェースです。

プローブカードまたはDUTボードはプリント基板（PCB）であり、集積回路とテストヘッドとの間のインターフェースであり、テストヘッドは自動テスト装置（ATE）（または「テスター」）に接続されます。^[2]通常、プローブカードはウェハテストプローバーに機械的にドッキングされ、ATEに電気的に接続されます。その目的は、テストシステムとウェハ上の回路との間に電気経路を提供することであり、これにより、通常はダイシングおよびパッケージ化される前に、ウェハレベルで回路のテストと検証が可能になります。通常、PCBと、通常は金属製の何らかの接触要素で構成されます。^{[b] [3]}

半導体メーカーは、通常、新しいデバイス ウェーハごとに、またデバイス シュリンク (メーカーが機能を維持しながらデバイスのサイズを縮小する場合) ごとに新しいプローブ カードを必要とします。これは、プローブ カードが実質的に、特定のテスターのユニバーサル パターンを取得し、信号を変換してウェーハ上の電気パッドに接続するカスタム コネクタであるためです。ダイナミック ランダム アクセス メモリ (DRAM)およびフラッシュ メモリ (FLASH)デバイスのテストの場合、これらのパッドは通常アルミニウムで作られ、片側 40～90  µmです。その他のデバイスには、銅、銅合金、または鉛錫、錫銀などの多くの種類のはんだで作られた平らなパッド、または隆起したバンプやピラーがある場合があります。

デバイスのテスト中、プローブ カードはこれらのパッドまたはバンプと良好な電気的接触を確立する必要があります。デバイスのテストが完了すると、プローバーはウェハーを次のテスト対象デバイスにインデックスします。

通常、プローブ カードはウェーハ プロ​​ーバに挿入され、その中でテスト対象のウェーハの位置が調整され、プローブ カードとウェーハの正確な接触が確保されます。プローブ カードとウェーハがロードされると、プローバ内のカメラがプローブ カード上の複数のチップとウェーハ上の複数のマークまたはパッドを光学的に検出し、この情報を使用してテスト対象デバイス (DUT) 上のパッドをプローブ カードの接点に位置合わせします。

プローブカードは、接触要素の形状と形態によって、ニードル型、垂直型、MEMS（Micro Electro-Mechanical System）^[4]型に大別されます。MEMS型は現在利用可能な最も先進的な技術です。現在最も先進的なタイプのプローブカードは、1回のタッチダウンで12インチウェーハ全体をテストできます。

プローブ カードまたは DUT ボードは、特定のチップと、使用する特定のテスト機器の機械的および電気的要件の両方を満たすように設計されています。 DUT ボードの 1 つのタイプは、シリコンウェーハの個々のダイを、切り離してパッケージ化する前のテストに使用され、もう 1 つのタイプは、パッケージ化された IC のテストに使用されます。

プローブ カードの効率は、多くの要因によって左右されます。おそらく、プローブ カードの効率に影響を及ぼす最も重要な要因は、並行してテストできる DUT の数です。今日でも、多くのウェーハは一度に 1 つのデバイスをテストしています。1 つのウェーハにこれらのデバイスが 1,000 個あり、1 つのデバイスをテストするのに必要な時間が 10 秒で、プローバが 1 つのデバイスから別のデバイスに移動する時間が 1 秒だとすると、ウェーハ全体をテストするには 1,000 x 11 秒 = 11,000 秒、つまり約 3 時間かかります。ただし、プローブ カードとテスターが 16 個のデバイスを並行してテストできる場合 (電気接続が 16 倍)、テスト時間はほぼ 16 分の 1 (約 11 分) に短縮されます。^[c]

ATRE (Advanced Tester Resource Enhancement) ^[5]は、プローブ カードで並行して (またはプローブ カードの針がウェーハ DUT に接触している 1 回のタッチダウンで) テストできる DUT の数を増やすための強力な手段です。ATRE では、DUT をテスター リソースに接続したり切断したりする機能を持つアクティブ コンポーネントを使用して、DUT 間でテスター リソースを共有できます。ATRE がない場合、1 つのテスター リソース (電源、DC または AC 信号) は通常、1 つの DUT にのみ直接供給されます。ただし、ATRE 構成のリレー (スイッチ) をプローブ カード PCB にインストールすると、テスター リソースを複数の DUT に分割または分岐できます。たとえば、x4 共有構成では、1 つの電源信号が 4 つのリレーに供給され、その出力はそれぞれ 4 つの DUT に送られます。次に、各リレーを順番にオン/オフにすることで (DUT 電流測定テストの場合)、テスターは同じタッチダウン中に 4 つの DUT を順番にテストできます (プローバーをデバイス間で移動する必要はありません)。したがって、256 個の電源信号しかないテスターでも、プローブ カードに実装された x4 共有方式の 1024 個のオンボード リレーのおかげで、リソースが拡張または強化され、1 回のタッチダウンで 1024 個の DUT をテストできるようになります。ATRE により、チップ メーカーやテスト ハウスは、より多くのリソースを備えたより高度なテスターを購入することなく、1 回のタッチダウンでより多くの DUT を検証できるため、テスト時間とコストを大幅に節約できます。

もう一つの大きな要因は、プローブ針の先端に蓄積するゴミです。通常、これらはタングステン、タングステン/レニウム合金、またはPdCuAgのような高度なパラジウムベースの合金で作られています。^[6]最新のプローブカードの中には、MEMS技術で製造された接触チップを備えているものもあります。^[7]

プローブ チップの材質に関係なく、タッチダウン イベント (プローブ チップがダイのボンド パッドと物理的に接触する) が続くと、チップに汚れが蓄積します。破片が蓄積すると、接触抵抗の重要な測定に悪影響を及ぼします。使用済みのプローブ カードを許容可能な接触抵抗に戻すには、プローブ チップをきれいにする必要があります。クリーニングは、NWR スタイルのレーザーを使用してオフラインで実行し、汚染物質を選択的に除去してチップを再生することができます。オンライン クリーニングは、テスト中に使用して、ウェーハ内またはウェーハ ロット内のテスト結果を最適化できます。

• 講義 16 の追加スライド:「テスト、テスト容易性の設計」、EE271
• システムインパッケージ (SiP) テスト、Jin-Fu Li、国立中央大学、台湾
• プローブ カード チュートリアル、Keithley Instruments