晶圓測試探針卡設計與製造

前言
IC產品的發展關係著我們日常生活中的通訊、資訊或消費性等產品之品質與性能至鉅，而新興IC產品之開發與成長對於半導體製造與封測產業之發展極其重要。新興IC產品要能順利量產上市，必須在IC設計階段，就配合其新功能、新規格，同步開發量產測試所需的探針卡及測試設備。而且後續還要隨著新興IC產品的規格提昇與需求量增加，不斷提昇探針卡及測試設備的針測能力(數量與速度)。因此超前佈署新興高階產品之測試相關探針卡與設備技術是維持台灣半導體測試產業競爭力之當務之急。
在半導體製程中，晶圓在前端製程完成但尚未進行後段切割封裝之前，必須先以探針卡對晶圓階段的IC進行電氣特性測試，除了可以將結果回饋給前段製程，進行微調，以確保晶圓的良率；同時，也可以先將不良品淘汰，避免後段封裝製程的浪費，達到降低成本與增加產能的目的。測試時，則是測試機通過探針卡上的探針與IC晶片上的銲墊（Pad）或凸塊（Bump）接觸，構成測試迴路。測試機發出的訊號藉由探針的傳遞，送入晶片，再將晶片回饋資料傳送回測試機進行分析與判斷，據以檢測晶圓上每一顆晶粒的功能是否正常。
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 Electromechancal 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，其最小週距(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)又名為Cobra 探針卡，其主要由三個部分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也愈來愈小，人工裝針益發困難，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一四角錐形平台上，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。