高密度探針卡設計與製造

摘要：儘管COVID-19疫情對各產業都造成影響，2020及2021年全球探針卡(probe card)市場仍穩健成長，產值超過20億美元。現有之探針卡皆使用金屬材料做為探針主體，要將探針之直線間距(in-line pitch)有效縮小至40 μm以下，有其實質的困難。此外，即將進入量產的μ-LED亦急需要開發高密度pitch 15 μm以下之探針卡以利量產測試。本文提出一種以超薄無機材料製作微懸臂樑無機材複合探針的構想，並嘗試以雷射誘發深蝕刻及黃光微影電鍍技術，製作出懸臂寬度10~20 μm、間距(pitch) 20~40 μm之指狀無機材料探針結構，並通過100萬次反覆彎曲試驗，未來若開發成功將可應用於μ-LED量產測試。
Abstract：Despite the impacts of the COVID-19 pandemic, the global probe card market has grown steadily to over $2 billion in 2020 and 2021. Currently, the probes that being used in the probe card are all made of metal materials, and caused a bottleneck to reduce the in-line pitch of the probes effectively to less than 40 μm. In addition, the testing for mass production of μ-LED also urgently requires the development of probe cards with pitches below 15 μm. In this article a concept of a micro-cantilever inorganic composite probe made of ultra-thin inorganic material is proposed. This article also tried to use laser-induced deep etching, lithography and plating technology to fabricate a finger-shaped inorganic material probe structure with a cantilever width of 10-20 μm and a pitch of 20-40 μm, which has passed 1 million repeated bending tests. If being developed successfully in the future, it can be used for the μ-LED mass production testing.

關鍵詞：探針卡、無機材料探針、細間距
Keywords：Probe card, Inorganic material probe, Fine pitch

前言
探針卡是應用在積體電路（IC）尚未封裝前，對裸晶以探針（probe）對IC的電氣性能進行測試。不合格的晶片會被標上記號，接著，當晶圓被切割成獨立的晶片之後，標有記號的不合格晶片會被淘汰，不再進行後續切割封裝製程，以節省生產成本。
隨著半導體產業之發展，IC線寬已縮小至5奈米等級，IC晶片內的電晶體數量迅速增加，造成晶片與外界聯繫用的電極數持續增加，電極中心間距(pad pitch)也勢必趨於微小，但根據國際半導體技術里程圖(ITRS)顯示，2014年裸晶的電極其直線中心距離(in-line pitch)縮小為40 μm後，即遭遇嚴重瓶頸，無法進一步縮小探針pitch，雖然目前國際大廠紛紛導入微機電技術，期能突破此一瓶頸，但是尚未獲得有效解決方案，這將會大大限制IC晶片的設計空間，對半導體產品及產業的競爭力影響甚鉅。
此外，mini-LED已經開始量產，μ-LED也預計將於後年逐漸量產，但目前遭遇檢測之重大問題，μ-LED之尺寸將由100 μm降低至50 μm甚至30 μm以下，故電極距離也將從50 μm降低至20 μm甚至15 μm以下，目前無任何探針卡能支援μ-LED進行電性量測，急需要開發高密度pitch 15 μm以下之探針卡。
探針卡技術發展
探針卡依發展順序可分為環氧樹酯環(Epoxy Ring)、垂直式、薄膜式、與微機電式（Micro Electromechanical System, MEMS）等不同模式之探針卡[1]，如圖1所示。環氧樹酯環探針卡屬於懸臂樑式探針卡(Cantilever Probe Card)，其主要結構為印刷電路板(PCB)、探針（Needle）、環氧樹酯（Epoxy）和環型基座（Ring）等四部分所構成。組裝時，依測試晶片上的電極位置，以人工逐一將數十根至上千根懸臂樑探針，經由環氧樹酯黏合在測試卡環型基座上，其最小間距(pitch)可達40 μm。由於環氧樹酯環探針卡是由人工組裝，且受限於金屬強度，使探針pitch無法進一步縮短，使其很難應用於3,000支腳以上的高腳數晶片。但環氧樹酯環探針卡具有製造時間短與價格便宜等優勢，至今仍然是最被廣泛使用的探針卡。

圖1 不同探針卡架構與發展歷程

垂直式探針卡(Vertical probe card)又名Cobra 探針卡，主要由三個部分Probe Card PCB、多層電路擴距板(電路轉接板)和測試頭（含探針）所組成。目前垂直式探針卡多用於電極呈陣列方式排列之覆晶封裝(Flip Chip package) IC之晶圓級測試，最小探針pitch約為80 μm，目前仍必須採用人工裝針，導致高腳數、小間距的探針卡價格較昂貴。
薄膜式探針卡(Membrane probe card)之發展，是由於前述epoxy ring探針卡及垂直探針卡製造時，探針必須依賴人工在顯微鏡下逐根組裝；然而隨著晶片設計越來越小，探針pitch也越來越小，人工裝針更加困難，針尖共面度與位置精度不易達到規格要求。故HP公司導入黃光微影技術發展出薄膜式探針卡，配合測試晶片電極的位置，將相對應的凸塊(Contact bump)與傳輸線路用微影技術製作於撓性絕緣薄膜PI基板上，之後探針薄膜張貼於四角錐形平台上，藉由傳輸線路連接至PCB板上，此探針卡之缺點為無法提供獨立彈性變形之探針，目前只能應用於高平整度LCD面板檢測，無法應用於IC檢測。