■台北科技大學機電整合研究所黃榮堂賴文雄

本文介紹一種以微機電技術（MEMS）為基礎製作「可含有力回饋高精度垂直式探針卡」與「高頻 GSG 探針」的方法，應用的範圍著重於晶圓裸晶（die or chip）的測試，以減少 bad die完成封裝後所造成損失。其特徵為使用多層式厚光阻並使用電鑄方法，配合微裝配製作高密度、高精度的垂直式探針卡（Vertical Probe Card），使得高單價的精密探針卡藉由製程的改變因而降低其價格。

一、前言

　　晶圓針測技術隨著半導體製程技術一直演變，也不斷的被使用當中[1]、 [2]，使得裸晶在切割之後未完成封裝前，可測試其品質，避免不良品封裝成本。近年來半導體製程技術突飛猛進，超前摩爾定律預估法則好幾年，現階段電晶體通道(ChannelLength)已由 0.15 演進至 0.13 微米到現在最新的 90 奈米製程，IC 體積越來越小、功能越來越強、腳數越來越多，沿用傳統epoxy ring[2]探針卡組裝進行晶片測試已不敷現實所需，取而代之的高密度垂直式探針卡（High Density Vertical Probe Card）的需求量已漸漸展露。

目前產品講求輕薄短小，為了降低晶片封裝所佔的面積與改善 IC 效能，現階段 Flip Chip（覆晶）方式封裝普遍被應用於繪圖 IC、晶片組的 MCM （Multi ChipModule）封裝，或者是記憶體產品或 CPU封裝。這些高階封裝方式單價高昂，如果能在封裝前進行晶片測試，發現有 bad die（不良品）存在晶圓當中，即進行標記，直到後段封裝製程前將這些標記的不良品捨棄，可省下不必要的封裝成本。探針卡主要目的是將探針卡上的探針直接與晶片上的銲墊(pad)或凸塊 (bump)直接接觸，引出晶片訊號，再配合周邊測試儀器與軟體控制達到自動化量測的目的。依探針排列方式可區分為水平式與垂直式探針卡。水平式依探針排序又可區分為陣列式（如圖 1 所示）與邊緣式（如圖 2 所示）；至於第三種樣式的垂直式探針卡（如圖 3 所示）類似陣列式探針卡，區別在於垂直式探針卡具有更密的探針排列，容許更多的銲墊或凸塊的使用場合，垂直式排列可擁有更高的探針排列密度，同時間可以進行多組晶片測試等優點。

　　依探針製作流程不同可分成傳統機械加工與微機電製程兩部分，後者製程具有更高優勢，可以改善探針微細化、共面度、精度等問題。目前市售垂直式探針卡，均無法達到偵測每根探針力量的功能，探針垂直式排列，無法使用由上而下觀測探針接觸情形，改善的方法可藉助探針力量回饋或改良影像辨識系統，以確保所有探針的接觸狀況都是理想的。基於以上考量，目前本實驗室已經著手製作可含有力量回饋的垂直式探針卡，應用微機電製程來改良目前市售探針卡。

　　探針材料的選用，必須搭配晶片銲墊或凸塊材質來決定，一般常見的探針金屬常採用鎢(W)、鈹銅(BeCu)與鈀(Pd)合金
(Palladium alloy)等。鎢具有高強度可以輕易刺破銲墊與凸塊氧化鋁層，降低接觸阻抗，可是具有破壞性，不適用於薄膜的測試場合；鈹銅合金一般應用在鍍金的晶片銲墊或凸塊，提供比鎢更低的接觸阻抗，但是探針硬度沒有比鎢來得佳，因此磨耗比較快速；至於鈀合金性質類似於鈹銅合金，可以比鎢更低接觸阻抗，最大的優點是可以用電鍍方式來製作探針。

二、近年來探針卡相關研究
1. epoxy ring 水平式探針卡
　　最早的探針卡發展於1969 年被稱為Needles/Epoxy ring 探針卡[2] （如圖4 所示），而至今此型的探針卡仍然被使用著，此型的探針卡乃是以epoxy ring 技術，把數十根至數百根的探針以手工的方式且須依據測試的晶片銲墊的位置，將探針安置於探針卡上。兩探針間的最小距離可做到125μm，而最大的測試銲墊可高達500個。

 2. 薄膜式水平式探針卡
　　隨著晶片設計越來越小，傳統epoxyring 組裝技術必須依賴人工，並且共面度與精度無法與薄膜式探針卡比擬。最早導
入微影技術製作探針卡發展於1988 年[2]，配合測試晶片銲墊的位置，設計凸塊與傳輸線路於薄膜上，此型式仍然以陣列的方式排列，探針間的距離可以做到近100μm 左右[2]。應用微影技術代替機械加工製造的薄膜式探針卡[4]、[5] （如圖5 所示），可以使薄膜上的探針共面度一致。

　　此型式探針卡是用矩陣（Array）的方式來編排，探針直接作在薄膜（Polyimide）裡面，整個薄膜的最大厚度約3.7μm。測試晶片時，探針接觸到銲墊，但是我們無法確定所有的探針是否有接觸到，因此內部必須通入壓力氣體，間接使得探針緊密接觸表面。探針接觸電阻值高低會隨著氣體壓力而變化，當晶片更複雜並且接觸點增加及受到接觸表面為非共面的影響時，例如不均勻的凸塊，探針接觸共面度就會有很大的問題，導致晶片各點接觸力不均，甚至發生某些接觸點因落差過大無法接觸的狀況發生，而且每一個I/O 銲墊編排必須符合特定晶片的設計；此皆造成探針卡的製造成本增加。

3. 微熱制動探針卡
　　探針本體為為複合材料雙壓電結構(如圖6 所示)[6]，像是三明治一樣，是由兩種膨脹係數材料所構成，中間一層為加熱
層。此探針主要的作用是，當加熱時，透過加熱層熱傳導，材料就有熱膨脹的效應，結構就會產生上、下的作動，並且產生作用力，而壓在晶圓上晶片的銲墊上(如圖7 所示)。此型探針卡結構如圖8 所示，其結構為懸臂式的探針，懸臂長通常約為
200~500μm，寬通常約為30~60μm，中間加熱層（Heater）的寬度通常約為7~20μm 之間。

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具体下载参考：

Wafer level Vertical probe card.pdf