高电压/大功率晶圆测试就这么搞定了！
最新更新时间：2021-03-16
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ERS electronic公司简介
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, 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。
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——高电压/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一万伏的高压下超低漏电、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高电压/电流卡盘漏电测试参数
其中，3 kV Triaxial 和3 kV ULN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3千伏电压。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10千伏时，选用同轴的连接方式可以阻隔高达10千伏的电压。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)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电压/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的高电压/电流卡盘
凭借先进的镀层工艺，在重复使用后，ERS electronic的高电压/电流卡盘盘面不会发生起皮、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：Taiko晶圆
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，就可以在大幅降低成本的同时，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解决方案。
选择ERS高电压/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/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，其公司首席执行官彭先生认为， “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 高电压/电流卡盘的七大理由
该高电压/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ERS卡盘的技术信息，您可以点击文末“阅读原文”前往我们的ERS中文官方网站：www.ers-gmbh.com。
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ERS位于SEMICON China 2021的展台
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