晶圓測試設(shè)備的“指尖”——探針卡

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的制造流程上，主要可分成IC設(shè)計(jì)、晶圓制程、晶圓測試及晶圓封裝四大步驟。其中所謂的晶圓測試，就是對(duì)晶圓上的每顆晶粒進(jìn)行電性特性檢測，以檢測和淘汰晶圓上的不合格晶粒。下面我們一起來了解一下半導(dǎo)體晶圓測試的探針卡，以及探針卡與LTCC/HTCC技術(shù)有著怎樣的聯(lián)系。

一、晶圓測試設(shè)備的“指尖”——探針卡

晶圓測試的方式主要是通過測試機(jī)和探針臺(tái)的聯(lián)動(dòng)，在測試過程中，測試機(jī)臺(tái)并不能直接對(duì)待測晶圓進(jìn)行量測，而是透過探針卡（Probe Card）中的探針（Probe）與晶圓上的焊墊（Pad）或凸塊（Bump）接觸而構(gòu)成電性接觸，再將經(jīng)由探針?biāo)鶞y得的測試信號(hào)送往自動(dòng)測試設(shè)備（ATE）做分析與判斷，因此可取得晶圓上的每顆晶粒的電性特性測試結(jié)果。

圖 晶圓測試示意圖

探針卡是半導(dǎo)體晶圓測試過程中需要使用的重要零部件，被認(rèn)為是測試設(shè)備的“指尖”。由于每一種芯片的引腳排列、尺寸、間距變化、頻率變化、測試電流、測試機(jī)臺(tái)有所不同，針對(duì)不同的芯片都需要有定制化的探針卡，目前市場上并沒有哪一種類型的探針卡可以完全滿足測試需求。同時(shí)，對(duì)于一個(gè)成熟的產(chǎn)品來說，當(dāng)產(chǎn)量增長時(shí)，測試需求也會(huì)增加，而對(duì)探針卡的消耗量也將成倍增長。

圖 半導(dǎo)體晶圓測試的探針卡，來源：SEMCNS

因此，近年來在半導(dǎo)體測試市場快速發(fā)展的帶動(dòng)下，全球探針卡行業(yè)也得到了快速的發(fā)展。根據(jù)VLSI Research的數(shù)據(jù)顯示，2020年全球探針卡的銷售規(guī)模為22.06億美元，2021年全球半導(dǎo)體探針卡產(chǎn)值可達(dá)23.68億美元，到2022年全球半導(dǎo)體探針卡產(chǎn)值可達(dá)26.08億美元，增長速度較快。

二、LTCC/HTCC技術(shù)在探針卡的應(yīng)用

探針卡是晶圓和晶片測試這個(gè)環(huán)節(jié)的核心組件，其提供了晶圓/硅芯片和測試儀器之間的電學(xué)連接。在整個(gè)探針卡中，空間轉(zhuǎn)換基體（STF substrates）是其中的核心組件。空間轉(zhuǎn)換基體在整個(gè)探針卡中起到了電子連接間距轉(zhuǎn)換和電信號(hào)傳輸?shù)墓δ?，同時(shí)提供足夠的機(jī)械/力學(xué)強(qiáng)度，以支撐測試過程中施加的幾百至上千牛頓的作用力。

圖 探針卡結(jié)構(gòu)示意圖，來源：SEMCNS

探針卡（探針卡本體）受到基板材料的影響，在多溫區(qū)（-55℃～150℃）的環(huán)境中，特別在高、低溫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生形變。而探針是直接裝配在探針卡上的，探針卡的形變會(huì)導(dǎo)致探針針跡（晶圓測試時(shí)，探針與晶圓的接觸點(diǎn)接觸時(shí)留下的痕跡）的偏移。針跡的偏移通常會(huì)使探針卡上的探針與晶圓的PAD（焊盤）接觸不良，導(dǎo)致測試的不穩(wěn)定，影響測試時(shí)間和品質(zhì)。針跡偏移過大，會(huì)使探針與晶圓PAD的接觸時(shí)破壞晶圓內(nèi)部電路，導(dǎo)致報(bào)廢并帶來經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)探針卡也會(huì)因?yàn)椴荒苓M(jìn)行晶圓測試而報(bào)廢。

圖 基于LTCC的MEMS探針卡的制作過程※

圖 通過Au/Sn共晶鍵合轉(zhuǎn)移到LTCC基板上的探針結(jié)構(gòu)※

精密陶瓷基板具有優(yōu)良的電絕緣性、高導(dǎo)熱性、高附著強(qiáng)度和大的載流能力。使用溫度范圍寬，可以達(dá)到-55℃～850℃，熱膨脹系數(shù)接近于硅芯片。在多溫區(qū)測試環(huán)境下，是解決形變的有效方案之一。

此外，隨著科技技術(shù)的成熟與提升，芯片功能逐漸增加，設(shè)計(jì)逐漸復(fù)雜，芯片輸入/輸出針腳數(shù)也持續(xù)增加。為了降低生產(chǎn)成本，晶圓尺寸也不斷提升（如12時(shí)晶圓），因此大面積偵測用的探針卡需求逐漸增多。此類大面積的探針卡，由于探針接觸點(diǎn)的間距小，結(jié)構(gòu)中通常會(huì)利用具有線路的多層基板（如多層陶瓷基板）設(shè)置于多個(gè)探針與電路板間，作為線路的空間轉(zhuǎn)換裝置。

圖 探針卡陶瓷基板結(jié)構(gòu)示意圖，來源：SEMCNS

空間轉(zhuǎn)換基體的一種形式由堆疊的陶瓷層組成，該陶瓷層具有穿過層和層間金屬化的軌跡或線路延伸的金屬化通孔（導(dǎo)電過孔（via，導(dǎo)通孔））。過孔和軌跡或線路提供從探針焊盤到各個(gè)PCB焊盤的導(dǎo)電路徑。沿著穿過且在層間的路徑，導(dǎo)電路徑可以從探針焊盤間隔延展到PCB焊盤間隔。

圖 探針用陶瓷基板，來源：京瓷

探針卡用陶瓷基板一般為帶金屬化的單層薄膜或多層薄膜的陶瓷多層基板，多層陶瓷基板是由高溫或者低溫共燒陶瓷經(jīng)過多層層壓，經(jīng)過共燒制作的，通常稱為多層陶瓷空間轉(zhuǎn)換基體（multi-layer ceramic，MLC）。目前供應(yīng)商主要為日韓企業(yè)如京瓷、NTK、SEMCNS、LTCC Materials 等。

審核編輯 ：李倩