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O papel significativo da placa de sonda PCB nos ensaios de semicondutores

Quais são as funções dos cartões de sonda？

As placas de sonda são interfaces electromecânicas que permitem testar o funcionamento de um chip enquanto este ainda se encontra na bolacha ou antes de ser embalado individualmente. Ao ligar o sistema de teste à bolacha, as placas de sonda permitem a deteção precoce e a eliminação de pastilhas defeituosas no processo de fabrico de semicondutores, melhorando assim a eficiência da produção e a qualidade do produto.

 A interface que permite esta avaliação exaustiva é o cartão de sonda, um montagem complexa que entra em contacto com pequenas placas de matriz microscópicas para transmitir sinais de teste. No centro de cada PCB de placa de sonda avançada está uma placa de circuito impresso (PCB) especializada, fabricada para satisfazer exigências extremas. As placas de circuito impresso para sondas desempenham um papel crucial e exigente na produção de semicondutores.

placa de sonda PCB

Componentes de um cartão de sonda

  1. Sondas:

    • Agulhas ou Cantilevers: As sondas são agulhas finas ou cantilevers que entram em contacto com as almofadas de ligação da bolacha. Transmitem sinais eléctricos entre o sistema de teste e a bolacha.
    • Material: Normalmente fabricados com materiais como tungsténio, berílio-cobre ou ligas de paládio para maior durabilidade e condutividade.

  2. PCB (Placa de circuito impresso):

    • Encaminhamento de sinais: A placa de circuito impresso encaminha os sinais das sondas para o sistema de teste. Contém vários traços condutores, almofadas e conectores para facilitar este processo.
    • Personalização: As placas de circuito impresso em cartões de sonda são frequentemente personalizadas para corresponder aos requisitos de teste específicos de diferentes dispositivos semicondutores.

  3. Estrutura de apoio:

    • Estrutura de montagem: Fornece suporte mecânico e estabilidade às sondas e ao PCB.
    • Mecanismo de alinhamento: Assegura um alinhamento preciso entre as sondas e as almofadas de ligação da bolacha para um teste exato.

Processo passo-a-passo de teste de bolacha

estação de sonda tesla300
estação de sonda tesla300

O teste de bolachas, também conhecido como sondagem de bolachas, é um passo crítico no fabrico de semicondutores, em que a funcionalidade eléctrica de matrizes individuais (chips) numa bolacha é verificada antes de serem cortadas em cubos e embaladas. O processo envolve a utilização de estações de sondagem e cartões de sondagem para garantir que apenas as matrizes funcionais passam para as fases seguintes da produção. Segue-se uma descrição pormenorizada do processo de teste de bolachas:

1. Preparação da placa de sonda e da estação de sonda

  • Instalação da placa de sonda: A placa de sonda está instalada de forma segura na estação de sonda. A placa de sonda contém um conjunto de sondas finas (agulhas ou cantilevers) que correspondem à disposição das almofadas de ligação nas matrizes da bolacha.

  • Calibração do sistema: A estação de sonda e o sistema de teste são calibrados para garantir a precisão e a fiabilidade do processo de teste. Isto envolve a definição dos parâmetros corretos e o alinhamento do equipamento.

2. Carregamento da pastilha

  • Colocação de bolachas: A bolacha é cuidadosamente colocada no mandril de bolacha da estação de sonda. O mandril de bolacha mantém a bolacha no lugar e pode movê-la com precisão durante o processo de teste.

  • Alinhamento da pastilha: A bolacha é alinhada de modo a que as matrizes fiquem corretamente posicionadas sob a placa da sonda. Este alinhamento é crucial para garantir que as sondas fazem o contacto correto com as almofadas de ligação.

3. Alinhamento das sondas e das almofadas de ligação

  • Alinhamento microscópico: Utilizando o microscópio da estação de sondas ou o sistema de alinhamento automático, as sondas no cartão de sondas são alinhadas com as almofadas de ligação na bolacha. Este passo assegura que cada sonda entrará em contacto com a almofada correta em cada matriz.

  • Ajuste fino: São efectuados ajustes finos na placa da sonda e no mandril da bolacha para obter um alinhamento preciso. Isto pode implicar o ajuste do ângulo e da posição das sondas.

4. Sondagem e contacto

  • Contacto da sonda: A estação de sonda baixa a placa de sonda até que as sondas entrem em contacto com as placas de ligação na bolacha. O contacto deve ser suficientemente suave para evitar danificar as placas de ligação, mas suficientemente firme para garantir uma ligação eléctrica fiável.

  • Verificação dos contactos: O contacto é verificado utilizando o sistema de teste, assegurando que as sondas estão corretamente posicionadas e que fazem um contacto elétrico adequado.

5. Ensaios eléctricos

  • Execução do teste: O sistema de teste envia sinais eléctricos através das sondas para as matrizes na bolacha. Efectua vários testes, tais como verificações de funcionalidade, medições de parâmetros e testes de esforço.

  • Recolha de dados: O sistema de teste recolhe dados de cada matriz, incluindo informações sobre tensão, corrente, resistência e outras caraterísticas eléctricas.

  • Identificação do defeito: O sistema analisa os dados recolhidos para identificar as matrizes defeituosas. As matrizes que não cumprem as especificações exigidas são marcadas como defeituosas.

6. Análise de dados e relatórios

  • Análise de rendimento: Os dados recolhidos durante o teste são analisados para determinar o rendimento das matrizes funcionais na bolacha. Esta informação é fundamental para a otimização do processo e o controlo de qualidade.

  • Relatórios de ensaio: São gerados relatórios de teste pormenorizados, que documentam o desempenho de cada matriz e identificam quaisquer padrões de defeitos. Esta informação é utilizada para melhorar os processos de fabrico e a conceção dos produtos.

7. Deslocação da pastilha

  • Passo e repetição: Depois de testar um conjunto de matrizes, a estação de sonda move a bolacha para que o conjunto seguinte de matrizes possa ser testado. Este processo de passo e repetição continua até que toda a pastilha tenha sido testada.

  • Testes automatizados: Em muitas estações de sondas modernas, este processo é automatizado para melhorar a eficiência e a precisão. Os sistemas automatizados podem mover rapidamente a bolacha, alinhar as sondas e efetuar os testes.

8. Procedimentos pós-teste

  • Descarga de bolachas: Quando o teste estiver concluído, a pastilha é cuidadosamente removida do suporte de pastilhas.

  • Armazenamento de dados: Os dados de teste são armazenados e guardados em cópias de segurança para referência e análise futuras.

  • Preparação para a fase seguinte: A bolacha, agora com as matrizes defeituosas marcadas, é enviada para a fase seguinte do processo de fabrico de semicondutores, normalmente o corte em cubos e a embalagem.

O que torna os cartões de sonda essenciais?

Os fabricantes de semicondutores necessitam de capacidades de teste que só as placas de sonda podem fornecer. Eis as principais razões pelas quais as placas de sonda são indispensáveis:

1. Ligação aos pratos de matriz

  • Contacto de precisão: Os circuitos integrados (ICs) contêm centenas de milhares de almofadas de teste espaçadas apenas por mícrones. As placas de sonda com pontas de sonda de pequena dimensão são capazes de estabelecer um contacto preciso com estas interfaces frequentemente frágeis, assegurando testes precisos sem danificar as almofadas.

2. Fornecimento de sinais de alta frequência

  • Integridade do sinal: A validação eléctrica de dispositivos semicondutores envolve a aplicação de padrões de teste multi-GHz aos chips. As placas de sonda são concebidas para manter a constância do sinal, o que é vital para medições exactas. Asseguram que os sinais de alta frequência são emitidos sem degradação, permitindo um teste fiável do desempenho do chip.

3. Interface personalizada

  • Design à medida: Cada cartão de sonda é personalizado para corresponder ao layout exato da matriz de um design de chip específico. Esta personalização optimiza as ligações entre as pontas de prova e as almofadas de teste, reduzindo o risco de danos e assegurando testes eficientes e precisos.

4. Durabilidade sob pressão

  • Longevidade: As pontas de prova têm de suportar milhões de ciclos de aterragem nas placas de teste. Os cartões de sonda são concebidos para suportar estes ciclos mecânica e eletricamente exigentes, mantendo o seu desempenho durante longos períodos e assegurando resultados de teste consistentes.

5. Intensidade do sinal

  • Materiais avançados: A utilização de materiais e técnicas de construção avançados nas placas de sonda elimina a distorção do sinal. Esta capacidade é crucial para verificar o desempenho dos chips em condições reais, fornecendo aos fabricantes dados fiáveis sobre a funcionalidade e a fiabilidade dos seus dispositivos.
placa de sonda pcb

Desafios e tecnologias na placa de sonda PCB

Desafios

  1. Miniaturização e precisão:

    • Desafio: As almofadas de teste cada vez mais pequenas e o espaçamento mais apertado exigem pontas de sonda extremamente precisas.
    • Solução: A micro-usinagem e a fotolitografia avançadas criam pontas de sonda finas e alinhadas com precisão.

  2. Ensaios de alta frequência:

    • Desafio: Manutenção da integridade do sinal em frequências multi-GHz.
    • Solução: Utilização de dieléctricos de baixa perda, metais de alta condutividade e conceção optimizada para um desempenho de alta frequência.

  3. Durabilidade e fiabilidade:

    • Desafio: Resistente a milhões de ciclos de contacto sem desgaste significativo.
    • Solução: Materiais duráveis, como ligas de tungsténio e paládio, e testes rigorosos de utilização a longo prazo.

  4. Personalização para designs diversos:

    • Desafio: Os layouts de matriz exclusivos exigem designs de cartão de sonda personalizados.
    • Solução: Ferramentas CAD avançadas e processos de fabrico flexíveis permitem uma rápida personalização.

  5. Manter a força de contacto:

    • Desafio: Uma força de contacto consistente é fundamental para medições precisas.
    • Solução: Alinhamento de precisão, mecanismos de controlo de forças e processos de calibração.

Tecnologias avançadas

  1. Tecnologia MEMS:

    • Cria pontas de sonda altamente precisas e de pequena escala para dispositivos avançados.

  2. Micro-usinagem a laser:

    • Permite o fabrico de pontas de sonda extremamente finas e precisas.

  3. Fotolitografia:

    • Padroniza pontas de sonda e interligações com elevada precisão.

  4. Materiais avançados:

    • Utiliza materiais duradouros como revestimentos de carbono tipo diamante e ligas de baixa resistência para melhorar o desempenho.

  5. Análise de elementos finitos (FEA):

    • Simula e optimiza o desempenho mecânico e elétrico.

  6. Testes e calibração automatizados:

    • Assegura que os cartões de sonda cumprem as especificações de exatidão e durabilidade antes do envio.
PCB
Placa de Circuito Impresso

Tipos de cartões de sonda

1. Cartões de sondas de tipo agulha

  • Os cartões de sonda do tipo agulha são constituídos por numerosas agulhas finas dispostas de modo a entrarem em contacto com as almofadas de ligação na bolacha.

  • Aplicações: Estas placas de sonda são adequadas para dispositivos de contagem de pinos baixa a média e para testes de utilização geral.

  • Vantagens:

    • Relação custo-eficácia
    • Design simples
    • Fácil de manter

  • Desvantagens:

    • Precisão limitada para aplicações de alta densidade e alta frequência
Cartões de sonda tipo agulha
Cartões de sonda tipo agulha

2. Cartões de sonda vertical

  •  Os cartões de sondas verticais têm sondas dispostas verticalmente, proporcionando uma abordagem de contacto direto com a bolacha.

  • Aplicações: Estes são utilizados para testes de alta contagem de pinos e de alta frequência, tornando-os adequados para CIs.

  • Vantagens:

    • Elevada precisão de contacto
    • Melhor integridade do sinal
    • Adequado para disposições de almofadas densas

  • Desvantagens:

    • Mais caro
    • Complexidade de fabrico e manutenção
Cartões de sonda vertical
Cartões de sonda vertical

3. Cartões de sonda MEMS 

  • As placas de sonda MEMS (Micro-Electromechanical Systems) utilizam tecnologia MEMS avançada para o fabrico de sondas.

  • Aplicações: Ideal para dispositivos semicondutores avançados, de contagem de pinos muito elevada e de passo fino.

  • Vantagens:

    • Alta precisão
    • Excelente desempenho mecânico e elétrico
    • Duradouro

  • Desvantagens:

    • Custo mais elevado
    • Processo de fabrico complexo

Conclusão:

As PCB de placas de sonda são vitais nos testes de semicondutores, garantindo a precisão e a fiabilidade dos dispositivos. Proporcionam um contacto elétrico crítico entre os testadores e os dispositivos semicondutores, suportando aplicações avançadas em tecnologia de alta frequência e MEMS. À medida que a indústria avança, as placas de circuito impresso para sondas continuarão a evoluir, satisfazendo as crescentes exigências com maiores capacidades e eficiências.

 

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