半导体参数测试的关键问题之一——探针的接触电阻

关键字：半导体参数 接触电阻

通常，参数测试系统将电流或电压输入被测器件（DUT），然后测量该器件对于此输入信号的响应。这些信号的路径为：从测试仪通过电缆束至测试头，再通过测试头至探针卡，然后通过探针至芯片上的焊点，到达被测器件，并最后沿原路径返回测试仪器。

如果获得的结果不尽如人意，问题可能是由测量仪器或软件所致，也可能是其它原因造成。通常情况下，测量仪器引进一些噪声或测量误差。而更可能导致误差的原因是系统的其它部件，其中之一可能是接触电阻，它会受探针参数的影响，如探针的材料、针尖的直径与形状、焊接的材质、触点压力、以及探针台的平整度。此外，探针尖磨损和污染也会对测试结果造成极大的负面影响。

测试信号的完整性需要高质量的探针接触，这与接触电阻（CRes）直接相关。接触电阻是随着信号电压的减小、接触压力的降低、以及新材料器件如砷化镓汲取了更多的电流，而对测量的影响越来越重要。

接触电阻即探针尖与焊点之间接触时的层间电阻。通常不能给出具体的指标，因为实际的接触电阻很难测量。一般，信号路径电阻被用来替代接触电阻，而且它在众多情况下更加相关。在检测虚焊和断路的时候，探针卡用户经常需要为路径电阻指定一个标称值。信号路径电阻是从焊点到测试仪的总电阻，即接触电阻、探针电阻、焊接电阻、trace电阻、以及弹簧针互连电阻的总和。但是，接触电阻是信号路径电阻的重要组成部分。

在实际使用中，探针的接触电阻在很大程度上取决于焊点的材料、清洗的次数、以及探针的状况，而且它同标称值相差较多。其中钨铼合金（97%-3%）的接触电阻比钨稍高，抗疲劳性相似。但是，由于钨铼合金的晶格结构比钨更加紧密，其探针顶端的平面更加光滑。因此，这些探针顶端被污染的可能性更小，更容易清洁，其接触电阻也比钨更加稳定。所以钨铼合金是一种更佳的选择。

触点压力的定义为探针顶端（测量单位为密耳或微米）施加到接触区域的压力（测量单位为克）。触点压力过高会损伤焊点。触点压力过低可能无法通过氧化层，因此产生不可靠的测试结果。

顶端压力主要由探针台的驱动器件控制，额外的Z运动（垂直行程）会令其直线上升。此外，探针材质、探针直径、光束长度、和尖锥长度都在决定顶端压力时起重要的作用。图1解释了触点压力和接触电阻的关系。从本质上来说，随着探针开始接触并逐渐深入焊点氧化物和污染物的表层，接触电阻减小而电流流动迅速开始。随着探针接触到焊点金属的亚表层，这些效应将增加。尽管随着探针压力的增强，接触电阻逐渐降低，最终它会达到两金属的标称接触电阻值。

涉及到探针的接触电阻的问题时，我们还需要考虑平衡触点压力（BCF），超量驱动，探针到探针的平整度，探针污染与清理等问题。