随着功率半导体器件朝着更高电压以及碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等更宽禁带材料方向发展，晶圆级表征正变得越来越具有挑战性。工程师需要施加越来越高的电压，同时仍要精确测量漏电流、击穿电压和其他关键器件参数。

高压探针是该测量环境的重要组成部分。仅根据额定电压来选择探针，可能会引发从过大漏电和测量不稳定到打火和器件过早失效等一系列问题。

对于晶圆测试而言，处理所需电压只是工作的一部分。漏电、探针几何形状、保护屏蔽、接触质量以及测试环境都会影响测量，它们需要协同配合。

以下是选择用于晶圆级测试的高压探针时需要考虑的八个重要因素。

什么是用于晶圆测试的高压探针？

高压探针在测试仪器与被测器件（DUT）之间提供电气连接，同时能够承受超出传统晶圆探针通常所能处理的电压。

在功率半导体表征中，高压探针可用于器件击穿、漏电流以及其他直流电气特性等测量。由于这些测量可能同时涉及高电场和极小的电流，探针必须提供可靠的电气接触，而不能给测量引入不必要的漏电或不稳定。

这使得高压晶圆探测与简单地将高压测试引线连接到封装器件有着本质区别。在晶圆级，探针针尖、焊盘、邻近结构、卡盘表面、电缆、连接器，甚至环境条件都可能影响测量。

因此，将高压测试视为一个完整的测量系统，而不是只关注探针本身，是很有道理的。

1）从所需电压范围开始

大多数工程师首先关注的规格是最大电压，这是有充分理由的。高压测试探针必须经过设计，能够安全承受器件和测试流程所需的电压。

但选择额定电压仅覆盖DUT标称工作电压的探针可能还不够。表征通常需要在超出正常工作条件的情况下进行测试，以了解击穿行为或确立器件裕量。工程师应考虑整个测试序列中可能施加的最大电压，而不仅仅是预期的工作电压。

对于需要测量到千伏范围的器件，这可能意味着要选择专为数千伏设计的探针，而不是将传统直流探针加以改造使用。

FormFactor的高压探针专为高压晶圆探测应用而设计，为电压能力、低漏电和受控探测条件至关重要的测量提供了解决方案。额定电压是一个很好的起点，但它不应成为决定性因素。

2）密切关注漏电流

高压晶圆测试中最大的挑战之一，是区分流过DUT的电流与通过测量系统其他路径流动的电流。

在测量预期漏电极低的器件时，这一点尤为重要。漏电可能通过多条路径发生，包括探针本身、电缆和连接器、探针台、受污染的表面的或周围环境。在足够高的电压下，即使在正常条件下看似微不足道的漏电路径，也可能影响测量结果。

其结果可能是误导性的数据。器件可能看起来比实际具有更高的漏电，或者测量可能变得不稳定且难以复现。

在比较高压探针时，应关注真实测试条件下的漏电性能，而不仅仅是数据手册上的最大电压。

3）将保护屏蔽视为测量策略的一部分

在高压下测量小电流时，保护屏蔽是另一个重要考虑因素。经过恰当设计的保护屏蔽通过使周围导电表面保持在适当的电位，帮助控制不必要的漏电路径。保护屏蔽不是让杂散电流流入测量节点，而是可以将该电流从敏感的测量路径上引开。

当被测电流相对于所施加电压非常小时，这一点尤其有价值。

但保护屏蔽不应被视为仅仅是探针的功能。有效的保护屏蔽取决于完整的测量链，包括探针、电缆、仪器、卡盘、探针台以及DUT配置。

因此，不要只问探针是否支持保护屏蔽，而应考虑它如何融入整个测量装置的保护屏蔽策略。

4）评估探针针尖与接触几何形状

在选择高压探针时，机械接触很容易被忽视，但它可能直接影响测量质量。

探针几何形状需要与器件的焊盘尺寸、布局、材料以及预期探测条件相匹配。探针需要建立一致的电气接触，同时不造成不必要的焊盘损伤或产生机械不稳定。

高压应用带来了另一个考虑因素：电场集中。尖锐的导电特征和间距很近的结构可能形成电场集中区域。在更高电压下，这些电场可能增加放电或打火的可能性。

因此，探针设计和放置成为电气测试策略的一部分。工程师需要考虑探针针尖几何形状、探针之间的间距、与邻近结构的靠近程度，以及与其他导电表面的间隙。

5）考虑打火与电气间隙

随着测试电压升高，电气间隙变得越来越重要。当两个导电点之间的电场强到足以使周围介质发生电气击穿时，就可能发生打火。在晶圆探测环境中，潜在路径可能存在于探针之间、探针与卡盘之间，或测试装置中其他导电结构之间。

这使得DUT周围的物理设置与探针数据手册上的额定电压同样重要。

探针间距、卡盘配置、屏蔽、环境条件以及附近的导电组件都可能影响高压性能。

随着器件结构变小、接触点彼此靠近，这一挑战也在加剧。半导体缩放可能使接触点更加靠近，与此同时功率器件又要求越来越严苛的电压条件。

6）不要忽视测试环境

环境条件可能对高压测量产生显著影响。湿度、表面污染、颗粒物和残留物可能形成额外的漏电路径。在较低电压下，它们的影响可能小到可以忽略。然而，在敏感的高压测量过程中，它们可能成为测量误差的重要来源。

温度又增加了另一个变量。功率半导体器件通常需要在不同温度下进行表征，以了解其电气行为在不同工作条件下如何变化。这意味着探针及周围测量系统可能需要在温度变化时保持稳定性能。

对于温度相关测量，探针和探针台需要一并考虑。两者都必须在预期的测试条件下保持稳定。

7）考虑可重复性，而不仅仅是一次成功的测量

获得一次良好的测量结果，并不等同于拥有可靠的测试流程。器件表征和晶圆级测试通常需要在多个器件、晶圆、温度和工作条件下进行成百上千次测量。探针接触、定位、漏电或环境条件的微小变化，很快就会变得显著。

这使得可重复性成为选择探针时的重要考量。工程师应考虑探针能否在反复落针过程中保持一致的电气和机械性能，以及其设计是否支持整体测试方法所要求的稳定性。

当从工程表征转向自动化或更高产量的晶圆测试时，这一点更为重要。

8）将探针与完整的功率测试需求相匹配

高电压只是功率半导体测试的一个维度。根据应用不同，工程师可能还需要进行大电流测量，或在电压、电流和温度的组合条件下对器件进行表征。

正是在这里，区分高压探针与更广泛的高功率探测解决方案变得十分重要。

器件可能需要在关断状态下进行高压测试，并在导通状态下进行大电流表征。一种探针配置可能并不是每一种测量的最佳答案。

在选择探针之前，请先定义完整的测试范围：

• 最大电压

• 最大电流

• 预期漏电流范围

• DUT焊盘尺寸和几何形状

• 所需探针间距和电气间隙

• 温度范围

• 保护屏蔽要求

• 测量仪器

• 手动探测与自动化探测要求

一旦这些要求明确，确定合适的探针架构就会容易得多。

对于需要更严苛电压和电流组合的应用，FormFactor还提供专为功率半导体表征设计的超高功率探测解决方案。

高压探针的选择是一项系统级决策

没有任何单一规格能够告诉你某款高压探针是否适合你的应用。

例如，10 kV的额定值能告诉你关于探针能力的一些重要信息，但它并不能告诉你该探针是否能提供你特定DUT所需的测量性能。

探针必须作为更大系统的一部分来工作，该系统包括DUT、探针台、仪器、电缆、卡盘、热环境以及测试方法。

随着SiC、GaN和其他功率半导体技术将晶圆级测试推向更高电压和更严苛的测量要求，这种系统级视角变得更加重要。

选择合适的高压探针

在选择高压探针时，应从电气要求入手，但要超越额定电压来看问题。漏电、保护屏蔽、接触几何形状、电气间隙、温度和可重复性都会影响测量质量。

同样重要的是，要考虑探针将如何与测试装置的其他部分协同工作。探针台、仪器、电缆、卡盘、DUT布局以及测试环境都可能影响高压测量。审视整个系统有助于工程师构建出能够产生准确、可重复数据的测试装置，尤其是在功率半导体器件不断向更高电压和更严苛工作条件推进的背景下。

常见问题解答——用于晶圆测试的高压探针

什么是用于晶圆测试的高压探针？

高压探针在测试仪器与晶圆上的半导体器件之间建立电气连接，同时能够承受超出传统直流探针通常所能处理的电压。这类探针常用于功率半导体表征，包括击穿电压和漏电流测量。

如何选择合适的高压探针？

从DUT所需的最大电压和电流入手，但不要仅凭额定电压做决定。漏电性能、保护屏蔽、探针针尖几何形状、电气间隙、温度范围、焊盘尺寸、仪器以及测量可重复性都应纳入考虑。

为什么低漏电对高压探针很重要？

在测量极小的器件电流时，通过探针或测试装置其他部分产生的不必要漏电可能混入测量结果。这可能使DUT看起来比实际具有更高的漏电。经过设计以最大限度减少漏电的探针和测量系统可以提高测量精度和可重复性。

什么是高压晶圆测试中的保护屏蔽？

保护屏蔽是一种用于控制敏感测量节点周围不必要漏电路径的技术。经过恰当设计的保护屏蔽可以将杂散电流从测量路径上引开。有效的保护屏蔽通常不仅仅涉及探针本身，应在探针、电缆、仪器、卡盘和探针台等各个环节加以考虑。

高压晶圆探测中打火是由什么引起的？

当导电点之间的电场强到足以使周围介质发生电气击穿时，就可能发生打火。探针间距、针尖几何形状、附近导电表面、卡盘配置、污染以及环境条件都可能影响打火风险。

同一根探针能否同时用于高压和大电流晶圆测试？

不一定。器件可能需要在关断状态下进行高压测量，并在导通状态下进行大电流测量，而一种测量理想的探针配置可能并不是另一种测量的最佳选择。在选择探针架构之前，应明确完整的电压、电流、热和测量要求。

为什么在选择高压探针时探针台也很重要？

探针并非孤立工作。卡盘设计、探针放置、电缆、屏蔽、保护屏蔽、温度、环境条件以及探针台的其他要素都可能影响漏电、打火和测量可重复性。对于严苛的高压测量，探针和探针台应作为同一测量系统的组成部分来评估。

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