CN113640556B - 一种探针台针卡 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种探针台针卡，包括：接口模块，用于外接测试附件；控制模块，用于根据接收的测试指令通过控制测试附件中继电器的开闭，以切换测试模式；栅极驱动模块，用于根据测试模式输出栅极测试信号，并通过测试附件将栅极测试信号传输至被测器件；探针组模块，用于连接被测器件的栅极和源极；采样端口模块，用于通过探针组模块与被测器件的连接，采集被测器件的栅极电压、漏源极电压和漏极电流，并通过与外部显示模块的连接传输至外部。在传统的探针卡上增加测试附件插槽，且将探针组设为可更换形式，实现对功率芯片动态性能的测试。

Description

一种探针台针卡

技术领域

本发明涉及功率器件封装测试技术领域，具体涉及一种探针台针卡，尤其涉及一种适用于半导体器件晶圆动态参数测试分选系统的探针台针卡。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

传统功率芯片测试分选通常采用静态测试机与探针台的组合，两个仪器相对独立，通过相应的测试线和治具相互连接和通信，主要对功率芯片的静态参数进行测试。

对于更高频率下工作的功率芯片，其动态参数测试具有很大的参考价值。但是功率半导体的动态测试具有特定的测试方法和连线方式，与静态测试并不兼容，相应的需要大功率电容、需要配备专门的信号驱动、高带宽的信号采集系统等，系统体积较大且成本昂贵。开发设计功率芯片的动态测试系统，需要探针台厂商熟悉相应的测试原理并对探针台及其探针卡进行特殊设计。此外，为减少动态测试的寄生参数，不可避免地需要将大量测试附件布置在探针台针卡上，更大程度上增加了设计难度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种探针台针卡，特别是适用于半导体器件晶圆动态参数测试分选系统的探针台针卡，在传统的探针卡上增加测试附件插槽，且将探针组设为可更换形式，实现对功率芯片动态性能的测试。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种探针台针卡，包括：

接口模块，用于外接测试附件；

控制模块，用于根据接收的测试指令通过控制测试附件中继电器的开闭，以切换测试模式；

栅极驱动模块，用于根据测试模式输出栅极测试信号，并通过测试附件将栅极测试信号传输至被测器件；

探针组模块，用于连接被测器件的栅极和源极；

采样端口模块，用于通过探针组模块与被测器件的连接，采集被测器件的栅极电压、漏源极电压和漏极电流，并通过与外部显示模块的连接传输至外部。

作为可选择的实施方式，所述测试模式包括双脉冲测试和栅电荷测试。

作为可选择的实施方式，所述探针组模块可拆卸连接，与探针台针卡连接的接口不变。

作为可选择的实施方式，在测试模式下，栅极驱动模块控制栅极开启，输出的栅极测试信号通过接口模块传输至测试附件，由测试附件传输到被测器件的漏极，由被测器件的漏极到达源极后经过探针组模块输出，继而由采样端口模块采集动态参数。

第二方面，本发明提供一种半导体器件晶圆动态参数测试分选系统，包括：第一方面所述的探针台针卡、测试附件和外部显示模块；所述探针台针卡通过接口模块外接测试附件，通过采样端口模块外接外部显示模块，所述探针台针卡根据接收的测试指令控制测试附件中继电器的开闭以选择测试模式，同时获取测试模式下被测器件的动态参数，并传输至外部显示模块进行显示。

作为可选择的实施方式，所述测试附件包括：第一继电器、高压直流电源、母排电容；第一继电器与高压直流电源的正极连接，母排电容的两端连接高压直流电源的正负极，通过第一继电器的闭合和断开控制高压直流电源给母排电容开始充电或结束充电。

作为可选择的实施方式，所述接口模块中通过第一预留插孔和第二预留插孔分别连接高压直流电源的正极和负极。

作为可选择的实施方式，所述测试附件还包括：第二继电器、第三继电器以及与第二继电器和第三继电器连接的负载；探针台针卡根据接收的测试指令控制测试附件中第二继电器和第三继电器的开闭以选择双脉冲测试或栅电荷测试。

作为可选择的实施方式，所述接口模块中第三预留插孔在内部通过铺铜方式与第一预留插孔相连，在外部与第二继电器和第三继电器相应负载的输入端相连。

作为可选择的实施方式，负载的输出端连接承片台，承片台置有被测器件，栅极测试信号由负载输出端传输至被测器件的漏极。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出适用于半导体器件晶圆动态参数测试分选的探针台针卡，在传统的探针卡上增加测试电路和测试附件插槽，可适用于如SiC MOSFET、IGBT等半导体器件的动态测试。

本发明提出适用于半导体器件晶圆动态参数测试分选的探针台针卡，由于考虑到探针卡上增加了很多测试附件，所以将探针组设计为可更换形式，降低探针卡的成本。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的探针台针卡三维示意图；

图2为本发明实施例1提供的探针台针卡PCB设计图；

图3为本发明实施例1提供的测试原理图；

图4为本发明实施例1提供的双脉冲测试模式下的栅极电压信号；

图5为本发明实施例1提供的栅电荷测试模式下的栅极电流信号；

其中，1、针卡，2、通孔，3、第一预留插孔，4、第二预留插孔，5、第三预留插孔，6、探针组模块，7、第四预留插孔，8、第五预留插孔，9、控制模块，10、栅极驱动模块，11、IO接口，12、同轴分流器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1-2所示，本实施提供一种探针台针卡，包括：

接口模块，用于外接测试附件；

控制模块，用于根据接收的测试指令通过控制测试附件中继电器的开闭，以切换测试模式；

栅极驱动模块，用于根据测试模式输出栅极测试信号，并通过测试附件将栅极测试信号传输至被测器件；

探针组模块，用于连接被测器件的栅极和源极；

采样端口模块，用于通过探针组模块与被测器件的连接，采集被测器件的栅极电压、漏源极电压和漏极电流，并通过与外部显示模块的连接传输至外部。

具体地，

探针台针卡可以分为功率端、采样端和控制端三部分；具体如下述：

(1)功率端：包括接口模块和探针组模块，接口模块包括若干预留插孔，通过预留插孔连接测试附件；

所述测试附件包括：母排电容、高压直流电源、第一继电器、第二继电器、第三继电器，以及与各个继电器连接的负载电阻，负载电感和与负载电感反并联的二极管等；如图3所示；

第一继电器与高压直流电源的正极连接，母排电容的两端连接高压直流电源的正极、负极，通过第一继电器的闭合和断开控制高压直流电源给电容开始充电或结束充电。

由于高压直流电源、负载电感和负载电阻体积太大，所以将其安装在针卡外部的探针台机架上，同时为了走线方便，将与负载电阻相应的继电器以及与负载电感反并联的二极管同样设置在针卡外部的探针台机架上，测试附件通过测试线连接到针卡上。

所述接口模块中，通过第一预留插孔3和第二预留插孔4分别连接高压直流电源的正极、负极；

第三预留插孔5在针卡内部通过铺铜方式与第一预留插孔3相连，在针卡外部与第二继电器和第三继电器相应的负载的输入端相连；

在本实施例中，接收到测试指令后，通过第二继电器和第三继电器的开断控制切换测试模式。

在本实施例中，负载的输出端连接承片台，承片台放置有被测芯片，测试信号流向与承片台直接接触的被测芯片D极。

所述探针组模块6用于连接被测器件的栅极和源极，引出SF、SS、G、GL四个信号，其中，SF代表S极电流端口，在探针组内部通过大量并联探针连接S极；SS对应S极电压采样端口，在探针组内部通过1～2根采样探针连接S极；G和GL对应栅极驱动电压，在探针组内部分别通过1～2根探针连接G极和S极。

优选地，探针组模块6与探针台针卡可拆卸连接，根据芯片尺寸和芯片pad布局不同而更换，但与探针台针卡连接的接口不变。

在测试中，根据测试模式控制栅极开启后，测试信号从第一预留插孔3通过第三预留插孔5传输负载输入端，经过负载传输到承片台，即到达芯片D极，然后穿过芯片到达芯片S极，经过探针组，从SF端口输出。

(2)采样端：由于示波器等外部显示模块尺寸较大，故将其安装在外部。采样端口也包括若干预留插孔，从承片台引出电压采样信号线连接至第四预留插孔7，第五预留插孔8通过针卡内部走线单独与芯片S极相连，将第四预留插孔7和第五预留插孔8间的漏源极电压传输至示波器中。

在本实施例中，母排电容的电压通过在针卡内部走线，将母排电压检测信号线连接到控制模块9，利用A/D采样实现母排电压实时低精度的采样监测。

在本实施例中，被测芯片的栅极信号通过针卡内部走线，将栅极驱动信号线连接到栅极驱动模块10，由栅极驱动模块根据测试模式输出栅极测试信号；

在本实施例中，针卡还设有IO接口11，通过IO接口11输出栅极电压信号到示波器中。

在本实施例中，针卡还设有同轴分流器12，同轴分流器12通过在针卡内部铺铜，连接在第二预留插孔DC-和芯片源极SF之间，将采集的漏极电流转换为电压信号，并传输到示波器中。

(3)控制端：针卡中设置的控制模块9和栅极驱动模块10功能相对独立，本发明的改进点并不在此，且这些部件可以选用现有技术方案，如控制模块中包括预警、AD采样、通讯、供电等功能，在此不再赘述。

在本实施例中，针卡1的本体在四角上设有通孔2，通过通孔2采用螺栓将针卡固定在探针台机架上；针卡表面设有测试附件的过孔、焊盘等，内部按照如图3所述的原理图进行走线或者铺铜。

在本实施例中，采用上述的探针台针卡实现的对半导体器件晶圆动态参数测试分选系统，包括：探针台针卡、测试附件和外部显示模块；所述探针台针卡通过接口模块外接测试附件，通过采样端口模块外接外部显示模块，所述探针台针卡根据接收的测试指令控制测试附件中继电器的开闭以选择测试模式，同时获取测试模式下被测器件的动态参数，并传输至外部显示模块进行显示。

该测试过程具体包含双脉冲测试和栅电荷测试两种测试模式，如图3所示的测试原理为：由于测试时间的瞬时功率很大，所以本实施例采用母排电容替代直流电源，母排电容被充满电后，为测试过程提供母排电压；

控制模块控制第一继电器Relay1的闭合和断开，以此来控制高压直流电源DC_POWER向母排电容C1开始充电或结束充电，并通过母排电容C1两端的电压采样点Voltage_Sampling监控母排电压。

控制模块根据测试指令控制与负载串联的继电器实现测试模式的切换；当第二继电器Relay 2断开，且第三继电器Relay 3闭合时，针卡进行感性的双脉冲测试，负载电感的感值可调，与一个快恢复二极管或者SiC肖特基二极管D1反并联后再与被测器件串联，栅极驱动Gate_Driver给被测器件DUT提供双脉冲栅极电压信号；

当第二继电器Relay 2闭合，且第三继电器Relay 3闭合时，针卡进行阻性的栅电荷测试，负载电阻的阻值可调，并与被测器件DUT串联，栅极驱动Gate_Driver给被测器件DUT提供恒栅极电流信号，并实时采集栅极电流的电流值。

在上述两种测试模式下的测试过程中，均通过电压探头Voltage_Probe 1采集被测器件DUT的栅极电压，通过电压探头Voltage_Probe 2采集被测器件DUT的漏源极电压，通过共源极同轴分流器接口BNC采集漏极电流。

当然，双脉冲测试和栅电荷测试两组测试可以使用其他结构的平台，在此不再赘述。

在本实施例中，从承片台位置引出电压采样信号线连接至针卡的第四预留插孔7，作为电压探头Voltage_probe 2的正极节点，第五预留插孔8通过针卡内部走线单独与芯片S极相连，作为电压探头Voltage_probe 2的负极节点，被测器件DUT的漏源电压由示波器通过第四预留插孔7和第五预留插孔8采集。

在本实施例中，双脉冲测试时，测试以电感为负载，负载反并联续流二极管，以模拟芯片实际运行工况，流程步骤如下：

①接收上位机发送的测试指令，控制第二继电器Relay 2断开，且第三继电器Relay 3闭合，根据测试条件调节可调电感的阻值，动态测试模式切换至双脉冲测试；

②设置大功率电源的输出电压，控制第一继电器Relay 1闭合，高压直流电源给母排电容充电，实时采集母排电容两端的电压，当检测到电压达到设定值，控制第一继电器Relay 1断开；

③控制栅极驱动模块向栅极发出双脉冲电压信号，如图4所示，脉冲电压值为所设定的测试栅极电压，脉冲时间T1由所设定的测试电流确定，T2设定为T1的十分之一，公式如下：

漏极电流增长过程中，被测器件随之开启和关断两次，取第一次关断和第二次开启过程中采集的栅极电压VGS、漏源极电流ID以及漏源极电压VDS为测试数据，从中提取开启和关断过程相关的动态参数。

在本实施例中，栅电荷测试时，测试以电阻为负载，流程步骤如下：

①接收上位机发送的测试指令，控制第二继电器Relay 2闭合，且第三继电器Relay 3断开，根据测试条件调节可调电感的阻值，动态测试模式切换至栅电荷测试；

②设置大功率电源的输出电压，控制第一继电器Relay 1闭合，高压直流电源给母排电容充电，实时采集母排电容两端的电压，当检测到电压达到设定值，即控制第一继电器Relay 1断开；

③如图5所示，控制栅极驱动模块向被测器件的栅极提供恒定的小电流脉冲，当检测到栅极电压达到设定的工作电压Vgs(on)时，维持被测器件DUT开启一段很短时间，提供一个大小一致的负栅极电流，直至其完全关断，图5虚线展示了理想测试过程中栅极电压Vgs的变化；

该测试过程中，被测器件随之开启和关断一次，取开启过程中的栅极电压VGS、栅极电流IG、漏源极电流ID以及漏源极电压VDS作为测试数据，从中提取出不同栅极电压下的栅极充电电荷量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种探针台针卡，其特征在于，包括：

接口模块，用于外接测试附件；

控制模块，用于根据接收的测试指令通过控制测试附件中继电器的开闭，以切换测试模式；

栅极驱动模块，用于根据测试模式输出栅极测试信号，并通过测试附件将栅极测试信号传输至被测器件；

探针组模块，用于连接被测器件的栅极和源极；

采样端口模块，用于通过探针组模块与被测器件的连接，采集被测器件的栅极电压、漏源极电压和漏极电流，并通过与外部显示模块的连接传输至外部；

所述测试模式包括双脉冲测试和栅电荷测试；

所述双脉冲测试，测试以电感为负载，负载反并联续流二极管，以模拟芯片实际运行工况；

所述栅电荷测试，测试以电阻为负载；

在测试模式下，栅极驱动模块控制栅极开启，输出的栅极测试信号通过接口模块传输至测试附件，由测试附件传输到被测器件的漏极，由被测器件的漏极到达源极后经过探针组模块输出，继而由采样端口模块采集动态参数。

2.如权利要求1所述的一种探针台针卡，其特征在于，所述探针组模块可拆卸连接，与探针台针卡连接的接口不变。

3.一种半导体器件晶圆动态参数测试分选系统，其特征在于，包括：权利要求1-2任一项所述的探针台针卡、测试附件和外部显示模块；所述探针台针卡通过接口模块外接测试附件，通过采样端口模块外接外部显示模块，所述探针台针卡根据接收的测试指令控制测试附件中继电器的开闭以选择测试模式，同时获取测试模式下被测器件的动态参数，并传输至外部显示模块进行显示。

4.如权利要求3所述的一种半导体器件晶圆动态参数测试分选系统，其特征在于，所述测试附件包括：第一继电器、高压直流电源、母排电容；第一继电器与高压直流电源的正极连接，母排电容的两端连接高压直流电源的正负极，通过第一继电器的闭合和断开控制高压直流电源给母排电容开始充电或结束充电。

5.如权利要求4所述的一种半导体器件晶圆动态参数测试分选系统，其特征在于，所述接口模块中通过第一预留插孔和第二预留插孔分别连接高压直流电源的正极和负极。

6.如权利要求3所述的一种半导体器件晶圆动态参数测试分选系统，其特征在于，所述测试附件还包括：第二继电器、第三继电器以及与第二继电器和第三继电器连接的负载；探针台针卡根据接收的测试指令控制测试附件中第二继电器和第三继电器的开闭以选择双脉冲测试或栅电荷测试。

7.如权利要求6所述的一种半导体器件晶圆动态参数测试分选系统，其特征在于，所述接口模块中第三预留插孔在内部通过铺铜方式与第一预留插孔相连，在外部与第二继电器和第三继电器相应负载的输入端相连。

8.如权利要求7所述的一种半导体器件晶圆动态参数测试分选系统，其特征在于，负载的输出端连接承片台，承片台置有被测器件，栅极测试信号由负载输出端传输至被测器件的漏极。

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