一种具有防晶圆低温测试结霜功能的探针卡的制作方法

本发明涉及半导体测试，具体涉及一种具有防晶圆低温测试结霜功能的探针卡。

背景技术：

1、半导体晶圆制造完成后，需对其电气特性、时序性能等参数进行测试，以验证是否符合设计规格。随着汽车电子、航空航天等领域对芯片工作温度范围的要求不断拓宽，晶圆通常需在-50℃-+150℃甚至更宽的温度范围内进行高低温测试。典型的晶圆低温测试系统（参见图1）包括探针台（图中未绘出）及设置于其内的晶圆台100与探针卡：晶圆台内置温度调节机构，可将待测晶圆冷却至预设测试温度；探针卡作为测试机与待测晶圆之间的接口部件，包括探针头（ph）200、空间转换器（st）300及印刷电路板（pcb）400，ph安装于转换层（si）500上，si上侧与pcb连接且下侧安装ph，三者配合形成相对封闭的空间600，ph上的探针700与晶圆表面焊盘接触以传输测试信号。

2、为防止低温环境下空气中的水蒸气在晶圆表面凝结成霜，现有技术通常向探针台内持续通入干燥空气，干燥空气沿探针台侧壁从上至下流动，避免直吹探针及晶圆区域，最终包裹整个测试空间，晶圆台底部设有可自由移动的密封圈供旧空气排出。该通气方式维持探针台内部微正压，以阻挡外界潮湿空气从观察窗缝隙倒灌，从而降低探针台内的露点和湿度。

3、然而，上述方案仍难以彻底解决结霜问题。一方面，探针卡内形成的封闭空间相对隔离，探针台内通入的干燥空气难以进入该空间置换其中的全部潮湿空气，残留潮湿空气在测试过程中仍然会与晶圆接触而导致结霜。另一方面，当探针卡贴近晶圆进行测试时，探针卡底面与晶圆表面之间的间隙通常仅为数百微米，该微小空间内宏观气流几乎停滞，气体交换效率极低，通常需将探针卡在探针台内静置3小时以上才能置换大部分潮湿空气，严重影响测试效率。

4、因此，如何有效解决晶圆低温测试过程中的结霜问题并提高测试效率，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种具有防晶圆低温测试结霜功能的探针卡。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种具有防晶圆低温测试结霜功能的探针卡，包括从上至下顺序相接的补强板、第一电路板、转换层与探针头；所述转换层上开设有一竖向贯穿的第一穿孔，所述第一穿孔的壁部、所述第一电路板的下表面与所述探针头的上表面围合形成一容纳腔体，所述容纳腔体内设有空间转换器；所述探针头上开设有若干个连通于所述容纳腔体的第二穿孔，所述探针头上安装有若干个探针，所述探针的部分容纳于一所述第二穿孔，所述探针的上表面容纳于所述容纳腔体，所述探针的下表面相对于所述探针头向下凸出；

4、所述转换层的上表面上形成有连通于所述容纳腔体的第一凹部，所述第一凹部于所述转换层的一周向壁面上形成有第一开口，所述第一凹部内可拆卸设有抽气件，所述抽气件用于转移所述容纳腔体中的气体至所述转换层外；

5、所述第二穿孔形成于所述探针头上的第一区域，所述探针头上的第二区域形成有沿竖向贯穿且连通于所述容纳腔体的进气孔，所述第二区域处于所述第一区域外侧。

6、本技术以低温测试时补强板、第一电路板、转换层与探针头从上至下排布进行说明。

7、探针卡包括从上至下顺序相接的补强板、第一电路板、转换层与探针头；转换层上开设有一竖向贯穿的第一穿孔，第一穿孔的壁部、第一电路板的下表面与探针头的上表面围合形成一容纳腔体，容纳腔体内设有空间转换器，此为现有探针卡的常规构造，在此不做赘述，所涉及的结构（如第一电路板）的用途参照现有技术即可。

8、探针头上开设有若干个连通于容纳腔体的第二穿孔，探针头上安装有若干个探针，探针的部分容纳于一第二穿孔，探针的上表面容纳于容纳腔体，探针的下表面相对于探针头向下凸出，此处设置同样为现有探针卡的常规构造，在此不做赘述。一探针对应一第二穿孔。

9、转换层的上表面上形成有连通于容纳腔体的第一凹部，第一凹部于转换层的一周向壁面上形成有第一开口，第一凹部内可拆卸设有抽气件，抽气件用于转移容纳腔体中的气体至转换层外。示例性的，抽气件为现有（微型）空气泵。通过抽气件抽取容纳腔体中的潮湿空气，并将其通过第一开口排出至转换层外，实现将容纳腔体中的潮湿空气逐渐替换为干燥空气，避免产生潮湿空气在低温测试时接触晶圆而使其结霜的情况。

10、为帮助理解上述方案的效果，在此补充：

11、其一，当探针卡贴近晶圆进行测试时，探针卡底面与晶圆表面之间的间隙通常只有数百微米，在这种微小封闭空间内，宏观气流几乎停滞，加上容纳腔体本身较为封闭，气体交换效率极低，通常需要将探针卡在探针台内静置3小时以上才能将容纳腔体内的大部分潮湿空气置换（通过第二穿孔置换），严重影响测试效率，而本技术的方案可以提高潮湿空气的置换效率，大大降低对于测试效率的影响，以及本技术的方案可以提高潮湿空气的置换率，大大降低潮湿空气接触晶圆而使其结霜的风险；

12、其二，抽气件与转换层可拆卸设置，抽气件容纳于第一凹部而不干涉第一电路板与转换层的相接设置，抽气件可以通过第一开口移出于第一凹部，这些设置使得抽气件在不影响探针卡的组装的基础上能够方便拆装；

13、其三，相比较于设置第一凹部形成于转换层的下表面上，设置第一凹部形成于转换层的上表面上，更易于将潮湿空气导出，且不会干涉转换层与探针头的相接设置。需要说明的是，参见图1，转换层的下端外围形成有凸出结构，剖视图中具有台阶面，探针头安装在这个台阶面上。基于此，如果在转换层的下表面开设第一凹部，开的槽会比较深，影响外观整洁度。另外转换层的下表面与晶圆更接近，在此面上开设第一凹部，更容易导致排出的潮湿空气与晶圆接触。

14、关于晶圆结霜在此补充说明：当探针卡贴近晶圆进行测试时，探针卡底面与晶圆表面之间的间隙通常只有数百微米，在这种微小封闭空间内，空气的宏观流动被强烈抑制，潮湿空气中的水分子以扩散形式渗透到晶圆表面而凝华成霜。

15、此外，对于上述技术方案，在此继续补充：

16、第二穿孔中可供气流流通的区域极小，上述提及，当探针卡贴近晶圆进行测试时，探针卡底面与晶圆表面之间的间隙通常只有数百微米，在这种微小封闭空间内，空气的宏观流动被强烈抑制，这些因素会严重影响到采用干燥空气置换潮湿空气的效率与效果；基于此，设置进气孔，在抽气件抽取潮湿空气的过程中，干燥空气能够主要通过进气孔进入容纳腔体，以此加强气体流向容纳腔体的流量和流速，提高潮湿空气的置换效率与效果；此外，进气孔形成于探针头上的第二区域，第二区域处于第一区域外侧，不会与第二穿孔发生位置干涉。

17、进一步的技术方案，所述抽气件具有进气口（图中未示出），所述进气口的开口端面与所述容纳腔体的一侧壁齐平。

18、进气口的开口端面与容纳腔体的一侧壁处于同一平面，这使得抽气件在未占用容纳腔体的空间的同时，不需要包括抽气管，容纳腔体中的潮湿空气可以高效通过进气口而逐渐被排出至转换层外。

19、进一步的技术方案，所述转换层的下表面上形成有连通于所述第一凹部的第二凹部，所述第二凹部于所述转换层的一周向壁面上形成有第二开口；

20、所述第二凹部内滑动设有第一滑动件，所述第一滑动件能够与所述转换层分离设置；

21、所述第一滑动件与所述抽气件可拆卸连接，并能够带动所述抽气件向所述第一开口处靠拢。

22、本技术以第一开口与第二开口形成于转换层的同一周向壁面上进行说明。

23、示例性的，第一滑动件可以是一滑板，该滑板与转换层通过滑轨（或轨道凹槽）滑动配合，该滑板（可以设有沉头孔）与转换层可以进行螺纹连接，解除螺纹连接后，两者可以分离设置。第一滑动件与抽气件同样可以进行螺纹连接（也可以是粘结）。

24、抽气件可以深入第一凹部以保障快速转移出容纳腔体中的潮湿空气。通过第一滑动件的设置，抽气件不需要与转换层建立连接关系，第一滑动件可以快速带动抽气件通过第一开口进出第一凹部，进一步实现在不影响探针卡的组装的基础上能够方便拆装抽气件。

25、进一步的技术方案，（探针卡工作时）所述第一滑动件靠近所述第二开口的端面与所述转换层上的一相邻周向壁面（即形成有第二开口的壁面）相齐平，可以保障探针卡的外观的规整度，还方便移动第一滑动件。

26、需要说明的是，在水平方向上，转换层一般相对于探针头向外凸出，这使得使用者可以直接接触第一滑动件而逐渐抽出抽气件。

27、进一步的技术方案，所述第一滑动件包括相接的滑动段与安装段，所述滑动段用于与所述第二凹部滑动装配；所述安装段相对于所述滑动段向前凸出以形成凸出端，所述凸出端用于与所述抽气件安装，从而方便抽气件深入第一凹部。

28、滑动段与安装段可以一体设置，两者均可为方形体。

29、安装段可以整体处于第一凹部内。凸出端与抽气件可以通过高温胶进行安装。

30、安装段相对于滑动段向前凸出，可以理解的是，在探针卡工作时，定义抽气件处于滑动段的前方。

31、进一步的技术方案，所述转换层的周向壁面上形成有连通于所述第一凹部的第三凹部，所述第三凹部内容纳有电线（图中未绘出），所述电线连接于所述抽气件。

32、电线与空气泵的配合为常规设置，在此不做赘述。

33、转换层的周向壁面上形成有连通于第一凹部的第三凹部，第三凹部可满足电路走线需求，避免电线整体处于转换层的周向区域。

34、安装电线后，可用低温胶封堵第三凹部的开口，防止电线损伤，后续必要时可用镊子将低温胶取出。

35、需要说明的是，在探针卡的组装过程中，转换层起到关键的定位作用，其位置的准确性决定了探针头上探针的位置准确度，故首次对位完成后，无特别需求不会拆除转换层。本技术基于此采用可拆卸设计和凹槽走线的设置，保证了抽气件隐藏在转换层和第一电路板之间，能够在不移动转换层的情况下无损拆除抽气件与电线，以便维修和更换。

36、进一步的技术方案，所述转换层的上表面上形成有连通于所述第三凹部的第四凹部，所述第四凹部内可拆卸设有第二电路板，所述第二电路板与所述电线连接；

37、所述转换层的下表面上形成有连通于所述第四凹部的第五凹部，所述第五凹部内滑动设有第二滑动件，所述第二滑动件能够与所述转换层分离设置，所述第二滑动件与所述第二电路板可拆卸连接。

38、电线、空气泵与电路板（第二电路板）的配合为常规设置，在此不做赘述。

39、第四凹部可以参考对于第一凹部的说明，在此不做赘述。

40、第五凹部可以参考对于第二凹部的说明，在此不做赘述。

41、第二滑动件可以参考对于第一滑动件的说明，两者可以构造相同，在此不做赘述。

42、第二区域的内圈边缘与第一区域的外圈边缘可以间隔1-2mm。

43、进一步的技术方案，所述进气孔设置为多个，各所述进气孔呈方形阵列分布，进一步促进干燥空气流向容纳腔体，且可以避免空气集中从某一区域流入，消除流动死区，避免部分潮湿空气难以被干燥空气置换。

44、在抽气件抽取潮湿空气的过程中，因容纳腔体内的潮湿空气排出，在容纳腔体内形成负压空间，促使探针台中的干燥空气通过进气孔进入负压空间，然后再被抽气件抽出，形成有效的空气循环。此外，这个过程加快了换热效率，可以有效减小探针头上表面和晶圆之间的温度差（实验结果表明平均可减小10摄氏度），使得容纳腔体的绝对湿度降低。同时，这个过程能够有效抑制空气从容纳腔体向下方晶圆流动，进一步降低结霜风险。

45、需要说明的是，低温测试时，晶圆被冷却至-40℃乃至更低，探针卡的下表面（即下盖板层的下表面）直接面对低温晶圆，温度随之降低，而探针头的上表面（即上盖板层的上表面）位于容纳腔体内，缺乏有效的热量补充，温度下降相对滞后，这样的温差使得容纳腔体内的空气的饱和含水量更大（即绝对湿度更大），当水分子扩散到晶圆表面时，更容易结霜。而本技术通过减小探针头上表面和晶圆之间的温度差，进一步降低结霜风险。

46、示例性的，进气孔为八个并分为两组，每组包括四个进气孔，两组进气孔对称分布于第一区域的两侧。

47、进一步的技术方案，所述探针头包括从上至下顺序相接的上盖板层、间隙层与下盖板层，所述第二穿孔贯穿所述上盖板层、所述间隙层与所述下盖板层；

48、所述第一穿孔的壁部、所述第一电路板的下表面与所述上盖板层的上表面围合形成所述容纳腔体；

49、所述探针的上表面相对于所述上盖板层向上凸出，所述探针的下表面相对于所述下盖板层向下凸出。

50、间隙层可以增强探针头的整体结构强度。

51、进一步的技术方案，所述上盖板层与所述下盖板层厚度相同，所述上盖板层的厚度小于或等于所述间隙层的厚度的一半，进一步保障探针头的整体结构强度，提高使用寿命。

52、综上所述，本技术能够在探针卡内部形成负压，改变空气流向并置换潮湿空气，促使冷源热量向探针卡内部扩散，减小温差，从根本上抑制结霜现象。此外，抽气件隐藏在第一凹部内，电线隐藏在第三凹部内，使得探针卡外观整洁并且可对抽气件与电线进行快速拆卸维修，无需重装探针卡，大幅节省维护时间和成本。

53、关于本文中所使用的“第一”、“第二”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本案，其仅为了区别以相同技术用语描述的组件或操作。

54、关于本文中所使用的“连接”或“定位”，均可指二或多个组件或装置相互直接作实体接触，或是相互间接作实体接触，亦可指二或多个组件或装置相互操作或动作。

55、关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

56、关于本文中所使用的用词，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在本案内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本案的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本案描述上额外的引导。

57、关于本文中所使用的“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等，均为方向性用词，在本案中仅为说明各结构之间位置关系，并非用以限定本案保护方案及实际实施时的具体方向。

58、本发明的工作原理及优点如下：

59、本发明在转换层的上表面上形成有连通于容纳腔体的第一凹部，第一凹部于转换层的一周向壁面上形成有第一开口，第一凹部内可拆卸设有抽气件，抽气件用于转移容纳腔体中的气体至转换层外。通过抽气件抽取容纳腔体中的潮湿空气，并将其通过第一开口排出至转换层外，实现将容纳腔体中的潮湿空气逐渐替换为干燥空气，避免产生潮湿空气在低温测试时接触晶圆而使其结霜的情况。

60、为帮助理解上述方案的效果，在此补充：

61、其一，当探针卡贴近晶圆进行测试时，探针卡底面与晶圆表面之间的间隙通常只有数百微米，在这种微小封闭空间内，宏观气流几乎停滞，加上容纳腔体本身较为封闭，气体交换效率极低，通常需要将探针卡在探针台内静置3小时以上才能将容纳腔体内的大部分潮湿空气置换，严重影响测试效率，而本技术的方案可以提高潮湿空气的置换效率，大大降低对于测试效率的影响，以及本技术的方案可以提高潮湿空气的置换率，大大降低潮湿空气接触晶圆而使其结霜的风险；

62、其二，抽气件与转换层可拆卸设置，抽气件容纳于第一凹部而不干涉第一电路板与转换层的相接设置，抽气件可以通过第一开口移出于第一凹部，这些设置使得抽气件在不影响探针卡的组装的基础上能够方便拆装；

63、其三，相比较于设置第一凹部形成于转换层的下表面上，设置第一凹部形成于转换层的上表面上，更易于将潮湿空气导出，且不会干涉转换层与探针头的相接设置。需要说明的是，转换层的下端外围形成有凸出结构，剖视图中具有台阶面，探针头安装在这个台阶面上。基于此，如果在转换层的下表面开设第一凹部，开的槽会比较深，影响外观整洁度。另外转换层的下表面与晶圆更接近，在此面上开设第一凹部，更容易导致排出的潮湿空气与晶圆接触。

64、此外，对于上述技术方案，在此继续补充：

65、第二穿孔中可供气流流通的区域极小，上述提及，当探针卡贴近晶圆进行测试时，探针卡底面与晶圆表面之间的间隙通常只有数百微米，在这种微小封闭空间内，空气的宏观流动被强烈抑制，这些因素会严重影响到采用干燥空气置换潮湿空气的效率与效果；基于此，设置进气孔，在抽气件抽取潮湿空气的过程中，干燥空气能够主要通过进气孔进入容纳腔体，以此加强气体流向容纳腔体的流量和流速，提高潮湿空气的置换效率与效果；此外，进气孔形成于探针头上的第二区域，第二区域处于第一区域外侧，不会与第二穿孔发生位置干涉。