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4-2016

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Qualitätssicherung/Messtechnik Bild 3: Beispiel eines Prüfkopfs mit einer Anordnung von Prüfnadeln und eines Wafers mit Löt-Bumps stände auf dem Weg vom Wafer zum ATE-Testgerät, der sogenannte Signalpfad-Widerstand. Dieser Stabilität und Konstanz dieses Widerstands während des Tests bestimmen die Integrität der Signale und die funktionalen Testergebnisse. Deshalb muss dieser Widerstand sehr gut kontrolliert und so niedrig wie möglich gehalten werden. Ein dominierender Faktor im Signalpfad-Widerstand ist der Widerstand zwischen der Nadelspitze und der Kontaktfläche auf dem Wafer. Dieser ist der am meisten untersuchte und beschriebene Parameter. Der Kontaktwiderstand ist dabei auch die instabilste, nicht reproduzierbare und damit interessanteste Größe. Der Southwest Test Workshop in San Diego, Kalifornien, die größte IEEE-Konferenz zum Thema Wafer- Prüfkarten, behandelt in unzähligen Vorträgen und Diskussionen das Thema Kontaktwiderstand von Prüfkarten und trägt somit zum besseren Verständnis dieser Problematik bei. Klassische Kontakttheorie in Kürze Der schwedische Wissenschaftler R. Holm (1879 - 1970) hat in seinem Buch “Electrical Contacts – Theory and Application” den elektrischen Kontakt beschrieben als trennbare Verbindung zwischen zwei elektrischen Leitern, der geeignet ist, elektrischen Strom zu leiten. Störungen im Stromfluss führen zu einer Erhöhung des Engewiderstandes. Das Ergebnis von Holms Untersuchungen und Tests resultiert in einer einfachen Gleichung für den Engewiderstand beim Kontakt von zwei metallischen Kontakten unterschiedlicher Elemente und Oberflächenwiderstände: R c = R1 + R2 + R f Dabei sind R1 und R2 die Engewiderstände der zwei Komponenten, und R f ist der Oberflächenwiderstand. Jeder dieser Beiträge in der Gleichung ist definiert durch die Materialeigenschaften, wie beispielsweise Volumenwiderstand und Härte, sowie die Kontaktkraft bei nominalem Over-Drive. Die Kurve in Bild 1 zeigt die grafische Darstellung der Gleichung von Holm. Der Kontaktwiderstand ist eine Funktion der Kontaktkraft bei konstanten Materialeigenschaften. In dem gezeigten Beispiel handelt es sich um eine Wolframnadel und ein Aluminium-Pad. Aus der Kurve kann man ablesen, dass man eine Kontaktkraft von wenigstens 2 gf (cN) benötigt, um den geforderten Kontaktwiderstand von unter 2 Ohm zu erreichen. Einflussgrößen auf den Kontaktwiderstand Die Gleichung von Holm suggeriert eine einfache und unmittelbare Abhängigkeit. Beim Wafertest allerdings haben wir es mit tausenden Kontakten gleichzeitig zu tun, die alle gleichermaßen wiederholbar und konsistent im Kontaktwiderstand funktionieren müssen. Dabei spielen viele weitere Einflussgrößen und Faktoren eine Rolle. Bild 2 zeigt die Wechselwirkungen und Abhängigkeiten des Kontaktwiderstands bezüglich des Materials der Kontaktnadeln und der Kontakte einschließlich der Nadelgeometrie sowie der Testbedingungen und der Sauberkeit der Wafer und der Prüfkarten. Das abgestimmte Zusammenwirken all dieser Parameter ermöglicht es, einen optimalen Kontakt zu haben. Ein gutes Design der Prüfnadel ist wesentlich, um störende Oberflächenfilme, wie Oxide und Verunreinigungen, dauerhaft über die tausend- oder millionenfachen Tests durchstechen zu können. Am Ende dieses Artikels werden Ergebnisse gezeigt, die in der realen Testumgebung erzielt wurden. Auf mikroskopischer Skala betrachtet, sind die Kontaktflächen niemals perfekt eben und sauber. Während die Kontaktnadel die Kontakte – Pad oder Bump – berührt, entsteht ein intermetallischer Kontakt an den Oberflächen-Unebenheiten beider Oberflächen. Anfangs sind die Oberflächenverformungen elastischer Natur, bei weiterem Anstieg der Kontaktkraft verformt sich das weichere Material allerdings plastisch. Das Ausmaß der plastischen Verformung ist proportional zur Kontaktkraft und umgekehrt proportional zur Materialhärte. Um das Oberflächenoxid zu durchbrechen und einen metallischen Kontakt herzustellen, ist es erforderlich, dass die Kontaktnadel eine kleine kratzende Bewegung ausführt. Das führt dazu, dass das weichere Material an dem härten Material haften bleibt. Oftmals bilden sich bei der Reibung an Oberflächen auch nichtleitende Polymere. Durch Schmelzprozesse bleiben auch Rückstände an der Spitze der Kontaktnadel haften. Insgesamt ist die Menge des ausgetauschten Materials abhängig von metallischen Wechselwirkungen, Reibungseffekten und anderen tribologischen Eigenschaften. Somit sammeln sich bei hunderten von Messungen und damit Berührungen das Material der Chip-Kontakte und andere Verschmutzungen an der Spitze der Kontaktnadel. Diese müssen regelmäßig entfernt werden, um den Kontaktwiderstand auf niedrigem Wert zu halten. Deshalb spielt beim Wafertest auch das Reinigen der Kontaktnadeln mit einer geeigneten Reinigungsprozedur eine wesentliche Rolle. Wafertest Bei der Entwicklung von Wafer- Prüfkarten ist es wesentlich, über eine Reihe von Tests die Tauglichkeit der Prüfkarte für die speziellen Anforderungen der Anwendung zu verifizieren. Einer dieser Tests ist die Messung des Kontaktwiderstands des Signalpfads bei unterschiedlich großen Over-Drives, unterschiedlichen Temperaturen und variierenden Strömen. Aus Mangel an echten Produktions-Wafern werden unter Laborbedingungen sehr oft anstelle der Bond Pad Wafer metallisierte Wafer benutzt, für Tests auf Bumps werden Dummy Wafer mit Bumps verwendet. Um den Kontaktwiderstand des Signalpfades für Kontaktnadeln mit geringer Kontaktkraft zu verifizieren,

Qualitätssicherung/Messtechnik Bild 4: Links Kontakt zwischen einer Prüfnadel mit flacher Spitze und einem Löt-Bump, in der Mitte Abbildung der Nadelspitze mit verbrannten Anhaftungen nach dem Prüfkontakt und rechts Verformung des Löt-Bumps nach dem Prüfkontakt der Wafer hatte SAC305 Bumps als Testmaterial. Diese hatten 142 µm Druchmesser und einen Abstand von 250 µm zueinander (Pitch). Der Kontaktwiderstand C res wurde bei unterschiedlichen Over-Drives bis zu 100 µm in 25-µm-Schritten und bei unterschiedlichen Temperaturen im Bereich von -40 bis 85 °C gemessen. Es erfolgten sowohl Einzel- als auch Mehrfachkontakte, Referenz war eine Messung auf einer Goldplatte mit einem nominalen Over-Drive und bei Raumtemperatur. Die Ergebnisse der Messungen bringt Bild 5. Der Standard Kontaktwiderstand beim Wafertest ist 2 Ohm, kann allerdings in verschiedenen Anwendungen auch mal höher sein. Die Ergebnisse auf der Goldplatte zeigen einen guten und homogenen Wert unterhalb von 1 Ohm. Der Kontaktwiderstand steigt im Vergleich dazu bei den Wafertests mit steigender Temperatur, ist aber immer noch unter dem Grenzwert. Bei steigendem Over-Drive sinkt der Kontaktwiderstand geringfügig (um weniger als 0,5 Ohm). Schlussfolgerung 4/2016 Bild 5: Kontaktwiderstand des Signalpfads Mit der fortschreitenden Miniaturisierung der Pitches und der Größe der Kontakte auf den Chips gewinnt ein kleiner und stabiler Kontaktwiderstand mehr als bisher an Bedeutung für die Wafertests. Eine systematische Testmethodologie zusammen mit den sogenannten Best-Known Practices ist zwingend erforderlich, um die Charakteristik und das Verhalten des Kontaktwiderstands C res für die immer komplexeren Chips verstehen zu können. Der hier vorgestellte Ansatz ist lediglich einer von mehreren Möglichkeiten, den Kontaktwiderstand zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung bestätigen, dass auch mit kleinerer Kontaktkraft der Kontaktwiderstand des kompletten Pfads stabil auf einem niedrigen Wert unterhalb des Grenzwerts von 2 Ohm gehalten werden kann. Im nächsten Schritt soll eine Mikrokontaktlösung mit Kontaktkräften von 1 cN bei nominalem Over- Drive entwickelt werden. Literatur: [1] Holm R. “Electrical Contacts – Theory and Application”, 1967 [2] APS Technical Bulletin “Fundamentals of Contact Resistance, Contact Theory, 1999 [3] Clegg S., Dabrowiecki K. “Evaluation of Low Pressure MEMS Probes” Southwest Test Workshop, 2009 [4] Dabrowiecki K. “Contact Mechanics for the Cantilever Probe Tip”, Southwest Test Workshop, 2000 [5] Dabrowiecki K. “Advances in Conventional Cantilever Probe Card” Southwest Test Workshop, 1999 [6] Foerstel J. “Comprehensive Approach to Control Contact Resistance Instability and Improve First Pass Yield of Bumped Devices”, Southwest Test Workshop, 2005 [7] Gleason, “Contact Resistance Mechanisms”, Southwest Test Workshop, 2000 [8] Kister J. “Introduction to Physics of Contact Resistance”, Southwest Test Workshop, 1998 [9] Kister J. “Electrical Contact Resistance – The Key Parameter in Probe Card Performance”, Southwest Test Workshop, 2007 [10] Martens “Fritting - Experiences with non-ohmic contact resistance CRES while wafer test probing, Southwest Test Workshop, 2006 [11] Stalnaker “Controlling Contact Resistance with Probe Tip Shape and Cleaning Recipe optimization”, Southwest Test Workshop, 2003 [12] Link to Southwest Test Workshop Conference, www.swtest.org Feinmetall GmbH www.feinmetall.com 11

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