晶圆测试设备的指尖—探针卡

半导体工艺与设备 2023-05-15 11:43

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在半导体产业的制造流程上，主要可分成IC设计、晶圆制程、晶圆测试及晶圆封装四大步骤。其中所谓的晶圆测试，就是对晶圆上的每颗晶粒进行电性特性检测，以检测和淘汰晶圆上的不合格晶粒。下面我们一起来了解一下半导体晶圆测试的探针卡，以及探针卡与LTCC/HTCC技术有着怎样的联系。

一、晶圆测试设备的“指尖”——探针卡

晶圆测试的方式主要是通过测试机和探针台的联动，在测试过程中，测试机台并不能直接对待测晶圆进行量测，而是透过探针卡（Probe Card）中的探针（Probe）与晶圆上的焊垫（Pad）或凸块（Bump）接触而构成电性接触，再将经由探针所测得的测试信号送往自动测试设备(ATE)做分析与判断，因此可取得晶圆上的每颗晶粒的电性特性测试结果。

图晶圆测试示意图

探针卡是半导体晶圆测试过程中需要使用的重要零部件，被认为是测试设备的“指尖”。由于每一种芯片的引脚排列、尺寸、间距变化、频率变化、测试电流、测试机台有所不同，针对不同的芯片都需要有定制化的探针卡，目前市场上并没有哪一种类型的探针卡可以完全满足测试需求。同时，对于一个成熟的产品来说，当产量增长时，测试需求也会增加，而对探针卡的消耗量也将成倍增长。

图半导体晶圆测试的探针卡，来源：SEMCNS

因此，近年来在半导体测试市场快速发展的带动下，全球探针卡行业也得到了快速的发展。根据VLSI Research的数据显示，2020年全球探针卡的销售规模为22.06亿美元，2021年全球半导体探针卡产值可达23.68亿美元，到2022年全球半导体探针卡产值可达26.08亿美元，增长速度较快。

二、LTCC/HTCC技术在探针卡的应用

探针卡是晶圆和晶片测试这个环节的核心组件，其提供了晶圆/硅芯片和测试仪器之间的电学连接。在整个探针卡中，空间转换基体（STF substrates）是其中的核心组件。空间转换基体在整个探针卡中起到了电子连接间距转换和电信号传输的功能，同时提供足够的机械/力学强度，以支撑测试过程中施加的几百至上千牛顿的作用力。

图探针卡结构示意图，来源：SEMCNS

探针卡（探针卡本体）受到基板材料的影响，在多温区(-55℃～150℃)的环境中，特别在高、低温时，会产生形变。而探针是直接装配在探针卡上的，探针卡的形变会导致探针针迹(晶圆测试时，探针与晶圆的接触点接触时留下的痕迹)的偏移。针迹的偏移通常会使探针卡上的探针与晶圆的PAD(焊盘)接触不良，导致测试的不稳定，影响测试时间和品质。针迹偏移过大，会使探针与晶圆PAD的接触时破坏晶圆内部电路，导致报废并带来经济损失。同时探针卡也会因为不能进行晶圆测试而报废。

图基于LTCC的MEMS探针卡的制作过程※

图通过Au/Sn共晶键合转移到LTCC基板上的探针结构※

精密陶瓷基板具有优良的电绝缘性、高导热性、高附着强度和大的载流能力。使用温度范围宽，可以达到-55℃～850℃，热膨胀系数接近于硅芯片。在多温区测试环境下，是解决形变的有效方案之一。

图晶圆测试用的探针卡转接板，来源：NTK

此外，随着科技技术的成熟与提升，芯片功能逐渐增加，设计逐渐复杂，芯片输入/输出针脚数也持续增加。为了降低生产成本，晶圆尺寸也不断提升(如12时晶圆)，因此大面积侦测用的探针卡需求逐渐增多。此类大面积的探针卡，由于探针接触点的间距小，结构中通常会利用具有线路的多层基板（如多层陶瓷基板）设置于多个探针与电路板间，作为线路的空间转换装置。

图探针卡陶瓷基板结构示意图，来源：SEMCNS

空间转换基体的一种形式由堆叠的陶瓷层组成，该陶瓷层具有穿过层和层间金属化的轨迹或线路延伸的金属化通孔(导电过孔(via，导通孔))。过孔和轨迹或线路提供从探针焊盘到各个PCB焊盘的导电路径。沿着穿过且在层间的路径，导电路径可以从探针焊盘间隔延展到PCB焊盘间隔。

图探针用陶瓷基板，来源：京瓷

探针卡用陶瓷基板一般为带金属化的单层薄膜或多层薄膜的陶瓷多层基板，多层陶瓷基板是由高温或者低温共烧陶瓷经过多层层压，经过共烧制作的，通常称为多层陶瓷空间转换基体(multi-layer ceramic，MLC)。目前供应商主要为日韩企业如京瓷、NTK、SEMCNS、LTCC Materials 等。

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