基于分区独立温度控制的探针台卡盘温度均匀性研究

刘洪 苏中 刘宁

摘 要： 在半导体测试的高低温测试中需要有效地保证探针台卡盘表面温度的均匀性。利用基于有限元方法的仿真软件ANSYS Workbench对探针台卡盘冷却层进行建模，研究表面温度场分布情况。同时，对探针台卡盘表面各区域进行温度测试获取探针台卡盘温度分布。仿真结果和实验结果一致，表明探针台卡盘表面中心位置温度最高，距离卡盘中心位置距离越远，温度越低。基于现有探针台卡盘均匀加热下表面温度分布的状况，提出加热板实施分区独立温度控制，从而改善探针台卡盘表面温度的均匀性，提高探针台高低温测试的精确性。

关键词： 探针台； 有限元方法； 均匀性； 分区控制； 半导体； 温度测试

中图分类号： TN876?34； TP23 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）16?0013?04

Abstract： During the high?low temperature test of the semiconductor， the temperature uniformity for the chuck surface of the probe station must be guaranteed. The finite element method based simulation software ANSYS Workbench is used to build the model for the chuck cooling layer of the probe station， so as to conduct research on distribution of surface temperature fields. Temperature test is performed for each area of the chuck surface of the probe station， so as to obtain the temperature distribution for the chuck of the probe station. The simulation result， in consistency with the experimental result， shows that the temperature at the central position of the chuck surface of the probe station is the highest， and the further the position from the central point of the chuck is， the lower the temperature becomes. On the basis of the surface temperature distribution after uniform heating of the current chuck of the probe station， the partition independent temperature control of the heating panel is proposed， so as to improve the temperature uniformity of the chuck surface of the probe station and accuracy of the high?low temperature test of the probe station.

Keywords： probe station； finite element method； uniformity； partition control； semiconductor； temperature test

0 引 言

探针台测试台作为接触式测试探针台，依靠探针触点与芯片电极之间的机械接触实现测试器件与被测器件之间的机?电连接，从而完成对器件的电参数和逻辑功能测试[1]。在半导体和敏感元件的功能参数和工艺测试、失效分析及可靠性试验中，对器件进行高、低温测试已是必不可少的检测条件[2]。如果探针台卡盘在进行高低温测试时温度分布不均匀，则会造成探针台测试结果的误判和漏判。姚杰等对IMD膜片加热均匀性进行了研究[3]，提出对加热板实施分区独立温度控制，从而改善膜片加热温度的均匀性。杨宁等通过对ALD反应腔采取分区加热的方法[4]，使用具有抗积分饱和功能的PID控制器，加上前馈补偿PID控制算法，很好地解决了反应腔内温度均匀性问题。目前均未对探针台卡盘的温度场分布及均匀性进行分析，而器件在进行高低温测试时，探针台卡盘温度的分布均匀性对测试结果有决定性的作用。为此，本文在探针台卡盘热平衡理论的基础上，基于有限元方法，在ANSYS Workbench中对探针台卡盘冷却层进行建模，研究探针台卡盘表面的温度分布，同时，对探针台卡盘表面各区域进行温度测试获取探针台卡盘表面温度分布情况。基于探针台卡盘表面温度分布情况，提出对探针台卡盘进行分区温度独立控制来改善卡盘温度分布的均匀性。

1 探针台卡盘热平衡模型

目前市场上探针台卡盘温度通过温度控制器进行控制，其中，通常使用由温度控制器控制的液氮制冷系统进行降温。探针台卡盘分为冷却层和加热层，其示意图见图1。当探针台卡盘温度低于预设测试温度时，温度控制器控制加热层中半导体热电偶电路加热工作，对卡盘进行加热；当探针台卡盘高于预设测试温度时，温度控制器控制冷却层中冷却液（液氮）流量，液氮流动过程中，吸取周围热量，达到使卡盘降温的目的。其中，液氮的沸点是-196 ℃，比空气和氧的沸点低，是透明且易于流动的液体，它既不爆炸也无毒性，是低温技术中最常用的安全冷却剂或预冷剂[5]，已经越来越多地应用在医疗、食品、航空和冶金等领域[6?8]。

根据能量守恒定律，对探针台卡盘表面建立热平衡方程：

[Q=Q1+Q2+Q3] （1）

式中：[Q]为探针台卡盘接收到的传导热量；[Q1]为探针台卡盘升温所吸收的热量；[Q2]为探针台卡盘对流所损耗的热量；[Q3]为探针台卡盘辐射所损耗的热量。根据热力学公式[9]，可将式（1）改写为：

[hdA1ΔT1=cm（T-T0）+[（hc+hr）A2ΔT2]Δt] （2）

式中：[hd]为传导换热系数；[A1]为探针台卡盘中与加热板的接触面积；[ΔT1]为探针台卡盘实际升温温度；[c]为探针台卡盘的比热容；[m]为探针台卡盘的质量；[T]为探针台卡盘所到的温度；[T0]为探针台卡盘的初始温度；[hc]为表面对流传热系数；[hr]为表面辐射传热系数；[A2]为探针台卡盘表面积；[ΔT2]为探针台卡盘与周围环境温度差；[Δt]为热传导的时间。

2 ANSYS Workbench中热力学仿真

2.1 建立仿真模型

ANSYS软件是集结构、流体、电场、磁场、声场、温度场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发[10]。ANSYS将流体产品完全整合进Workbench环境中，在该环境中进行仿真流程管理，如用户可以先采用ANSYS CFX或ANSYS FLUENT软件创建、连接及重复使用等来完成自动化的仿真参数分析，然后再进行多物理场无缝对接仿真[11]。本文在ANSYS Workbench中对探针台卡盘冷却层进行热力学仿真。图2a）为ANSYS Workbench中建立的探针台卡盘冷却层仿真模型，图2b）为ANSYS Workbench中建立的探针台卡盘冷却层中冷却液（液氮）管道仿真模型，其中卡盘尺寸为6"，材质为不锈钢。设置液氮进口流量为0.06 kg/s，温度为-196 ℃，出口设置为标准大气压。

2.2 仿真结果分析

图3为上述仿真条件下ANSYS Workbench中卡盘表面温度场的分布结果。图4为穿过卡盘中心位置沿卡盘窄边方向的温度值曲线。由图3和图4可以看出，卡盘表面中心点温度最高，距离卡盘中心距离越远，温度越低。

3 探针台卡盘表面温度实测实验

使用标准温度计，设置探针台温度分别为-50 ℃，50 ℃和150 ℃，在各温度点稳定后，距离探针台卡盘表面距离中心距离为0.15 m，0.11 m，0.07 m，0.03 m和0 m位置分别均匀取32个点、24个点、16个点、8个点和1个点的温度分布如图5所示。由图5的探针台卡盘表面温度分布可知，探针台卡盘表面温度分布不均匀，其中卡盘中心位置温度最高，距离中心位置越远，温度越低，卡盘中心处比距离卡盘中心最远处温度约高2 ℃。经分析，这是由于探针台卡盘冷却层输入液氮进行降温时，随着液氮的流动方向，液氮吸收周围热量，液氮较入口处的温度越来越高。因此，距离液氮入口处距离越远，则探针台卡盘表面温度越高。

4 加热层分区独立温度控制对探针台卡盘温度均匀性的影响

通过对探针台卡盘冷却层仿真实验和卡盘表面温度实测实验，发现卡盘中心区域的温度要高于周围的温度，卡盘表面距离卡盘中心距离越远，温度越低。因此为了保证探针台卡盘表面温度场的均匀性，对探针台卡盘的加热板进行分区独立温度控制，其区域划分如图6所示，对1，2，3，4一共4个区域实行独立温度控制。

图7a）、图7b）和图7c）为对探针台卡盘加热板进行分区独立温度控制，设置探针台温度分别为-50 ℃，50 ℃和150 ℃，在各温度点稳定后，在探针台卡盘表面距离中心距离为0.15 m，0.11 m，0.07 m，0.03 m和0 m位置分别均匀取32个点、24个点、16个点、8个点和1个点的温度分布。

由图7可以直观地看出，卡盘表面各区域的温度分布得到明显的改善，其各取点位置温度分布均匀。将4个标准温度计分别放置在探针台卡盘表面与加热板分区对应的区域中，设置探针台工作温度分别为-50 ℃，-40 ℃，60 ℃和150 ℃，在每个设置的工作点工作2 h，取4个标准温度计读值的平均值，得到的探针台卡盘高低温工作曲线如图8所示。在各标准温度计温度值均保持稳定后，每隔20 min記录各标准温度计的平均值T测i（i=1，2，…，6），数据如表1所示，由表1可看出探针台卡盘在上述温度工作范围内，温度控制精度达到±0.2 ℃。

5 结 论

1） 通过对探针台卡盘冷却层进行仿真实验和探针台卡盘表面温度实测实验。将两者进行对比，发现仿真和实验结果一致，表明探针台卡盘温度分布的不均匀性，其中卡盘中心温度最高，距离卡盘中心距离越远，温度越低。

2） 通过基于分区独立温度控制的探针台卡盘加热研究表明，采用分区独立温度控制可明显改善卡盘表面温度的均匀性，减少探针台卡盘表面各处温度的差值，提高探针台高低温测试的精度。

参考文献

[1] 朱倩颖.手动式探针仪的自动化改造[D].天津：天津大学，2011.

ZHU Qianying. Research on automation of manual probe instrument [D]. Tianjin： Tianjin University， 2011.

[2] 唐德兴.自动探针台的现状及发展[J].电子工业专用设备，1992（3）：13?16.

TANG Dexing. Automatic prober′s status and development [J]. Equipment for electronic products manufacturing， 1992（3）： 13?16.

[3] 姚杰，欧长劲，董兴涛，等.基于分区独立温度控制的IMD膜片加热均匀性研究[J].塑料工业，2015，43（1）：48?52.

YAO Jie， OU Changjin， DONG xingtao， et al. Study on uniformity of IMD film heating by partition independent temperature control [J]. China plastics industry， 2015， 43（1）： 48?52.

[4] 杨宁，余平，狄芬芬.ALD反应腔分区加热控制[J].自动化与仪器仪表，2015（6）：38?39.

YANG Ning， YU Ping， DI Fenfen. Two district heating control on ALD reaction chamber [J]. Automation & instrumentation， 2015（6）： 38?39.

[5] 陈光明，陈国邦.制冷与低温原理[M].北京：机械工业出版社，2000：2?7.

CHEN Guangming， CHEN Guobang. Principle of refrigeration and cryogenics [M]. Beijing： China Machine Press， 2000： 2?7.

[6] 陈国邦.最新低温制冷技术[M].2版.北京：机械工业出版社，2003：37?39.

CHEN Guobang. Latest cryogenics & refrigeration technologies [M]. 2nd ed. Beijing： China Machine Press， 2003： 37?39.

[7] 赵保生.液氮在生物领域的应用[J].畜牧兽医杂志，2007，26（5）：32?33.

ZHAO Baosheng. Liquid nitrogen′s application in biological field [J]. Journal of animal science and veterinary medicine， 2007， 26（5）： 32?33.

[8] 徐烈.我国低温绝热与贮运技术的发展与应用[J].低温工程，2001（2）：1?8.

XU Lie. The advance and application of cryoinsulation and cryostorage?transportation technology in our country [J]. Cryogenics， 2001（2）： 1?8.

[9] 赵镇南.传热学[M].北京：高等教育出版社，2000.

ZHAO Zhennan. Heat transfer [M]. Beijing： Higher Education Press， 2000.

[10] 黄志新，刘成柱.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2013.

HUANG Zhixin， LIU Chengzhu. Super learning handbook of ANSYS Workbench 14.0 [M]. Beijing： Posts & Telecom Press， 2013.

[11] 浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

PU Guangyi. Basic tutorials and detailed examples of ANSYS Workbench 12 [M]. Beijing： China Water & Power Press， 2010.