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前言

多功能烤箱、數字時鐘、烤面包機和GPS導航設備有什么共同之處？這很簡單：它們都依賴于從硅片制成的微芯片。在今天的消費市場中，想要找到一個不用微芯片的產品幾乎是不可能的。應用的巨大帶寬給半導體元器件開發(fā)人員提出了一項重大挑戰(zhàn)。他們持續(xù)面臨的壓力是，如何將越來越多的功能集成到尺寸不斷縮小的芯片上，與此同時還要降低生產成本。比如，你手腕上的智能手表比你在十年前使用的辦公室電腦都要便宜但性能更強大。

半導體材料薄片，被稱為晶圓，包含超過1000個芯片，內含數十億個晶體管及其它組件，一般直徑達300毫米。這種復雜性使得新設計和生產方法的開發(fā)與驗證變成一種非常重要的工藝。盡管如此，分配給開發(fā)的時間仍然在迅速減少。

晶圓生產是一個復雜的工藝過程。在晶圓測試中，必須使用探針與晶粒上僅幾微米的接點相接觸。對該過程的控制必須滿足嚴格的電磁兼容性和可靠性要求。

徹底測試確保質量

為了驗證新開發(fā)組件的功能，確保一旦達到批量生產后產品質量穩(wěn)定，晶圓被生產出來之后就需要在探針臺上接受廣泛測試。每個晶片被送入測量室，通過卡盤進行微米級精度的定位，并加熱至特定溫度。然后使用探針與芯片上指定的接點相接觸。外部測量和測試儀器根據測試程序控制位置，然后開始測量。測試是在溫度范圍從-55°C至300°C內進行的。根據不同的應用，測得的電流范圍可以從幾個毫微微安培（小數點后15位的數字或每秒通過6250個電子）到400安培。測量頻率達GHz范圍。例如用于車載雷達系統(tǒng)的芯片或測量充電/放電電容值低至幾個毫微微法拉的情況也并不少見。因此，需求規(guī)范的一個突出特點是能夠排除各種電磁干擾源。

裝有晶圓的卡盤

高科技測量室預防測試干擾

Cascade Microtech GmbH是總部設在俄勒岡州比弗頓的Cascade Microtech公司的子公司，他們對這些需求非常熟悉。作為一家全球領先的晶圓探測解決方案提供商，該公司在1992年首次推出擁有專利技術的探針臺，從那時到現在不斷進行改進。公司擁有超過50年的精密定位技術開發(fā)經驗，掌握所涉及的所有工藝是公司日常運營的組成部分。“在給定條件下，為了使探針與僅30微米的接點相接觸，必須考慮幾個因素，”Jorg Kiesewetter解釋道。Kiesewetter是CascadeMicrotech公司德累斯頓辦事處探測系統(tǒng)研發(fā)經理。在這里，140名員工為全球各地超過800位客戶開發(fā)并制造這些系統(tǒng)，包括半導體生產商如IBM、英特爾和英飛凌，以及眾多組織如歐洲微電子研究中心（IMEC），它是歐洲最大的納米和微電子技術研究中心。

Cascade Microtech公司CM300雙探針測試臺

精確定位

就實現必要的精度而言，Cascade Microtech公司的專家可以提供眾多機械和電氣解決方案。他們擁有多達190項專利就是明證，例如，針對定位階段、數字相機和其它輔助設備的25個軸中有幾個需要冷卻。“直接測量芯片電接觸的質量是不可能的，”Kiesewetter指出，“因此，這個工藝過程從本質而言是可靠的。”僅僅幾微米的定位誤差就可能致使整個晶圓或帶有超過10000個接點的探針卡無法使用。這將導致數十萬歐元的損失，更不用提會有損公司聲譽。然而，需求在不斷快速加強。“接點占據了寶貴的表面區(qū)域，因此，它們正在被做地越來越小，不久就將變成20微米——不足人類頭發(fā)橫截面的四分之一。”最重要的是，設備用戶提出了眾多特殊要求。為了滿足安裝要求，CascadeMicrotech公司從三年前就開始評估新的控制器設計概念。

DC測試設置為低泄漏測量

布置在狹小空間內，防止電磁輻射，帶有貝加萊組件的機器控制器

模塊化加速開發(fā)

除了產品的長期可用性、電磁兼容性以及全球銷售和支持網絡之外，控制系統(tǒng)的模塊化設計也是一項重要標準。繼續(xù)開發(fā)現有的C++程序代碼也相當有必要。貝加萊提供了最令人信服的解決方案，CascadeMicrotech已經計劃在更多設備上實施該方案。針對各種運動控制任務，設計師可以自由選擇是使用直流電機還是步進電機。在軸控制方面采用貝加萊通用運動控制軟件方案使CascadeMicrotech公司得以保持硬件和軟件獨立，并在無需修改任何代碼的情況下適應不同類型的電機。“我們所擁有的完全模塊化有助于我們顯著縮短開發(fā)時間，”Kiesewetter說道。“來自萊比錫貝加萊專業(yè)工程師的出色支持幫助我們節(jié)省了寶貴的時間。”

摘自《自動化博覽》2020年2月刊