发明名垂直式弹性探针及附压力感测器之晶圆级垂直式针.ppt

機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室發明名稱:垂直式彈性探針及附壓力感測器之晶圓級垂直式針測卡(專利發明第 I 231371號) 中華大學 機械系 林君明 教授1機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 大綱n(1)簡介n(2)技術回顧n(3)本發明之結構n(4)本發明之特點n(5)模擬分析n(6)結論n(7)權利金預估2機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 1. 簡介n IC 晶圓在製造完成後，無論是邏輯IC 或記憶體IC 的 DRAM / SRAM / FLASH 等， 都會立即進行裸晶測試或預燒(Burn-in)的製程 n將不良品 (Bad die)在封裝前即予以剔除，避免不良品進入封裝， 造成不必要的成本增加。

因此裸晶測試，在半導體產業扮演著重要角色3機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 2.技術回顧 (1)nEpoxy ring 水平式針測卡n探針金屬常採用具高韌性之鈹銅合金， 探針被Epoxy 支撐著， 探針間最小距離可達125um， 多為邊緣式排列而不易做成矩陣排列 4機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 2.技術回顧 (2)雙壓電加熱驅動陣列式微懸臂探針n微懸臂以矽基材為座，，由金屬層、、SiO2 及加熱層組成，加熱時因金屬層熱膨脹係數大於SiO2，使得微懸臂向SiO2 層彎曲 5機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 傳統針測卡實際操作時有幾個缺點: (1) 針尖隨懸臂彎曲產生縱向變形外，， 也會發生橫向位移 而造成接觸不穩定。

(2) 有橫向位移，，無法測試小尺寸鋁墊或金/錫凸塊3) 針尖容易黏附雜物，， 不易清潔，，容易造成功能喪失4) 測試過的鋁墊，， 有刮痕後續打線或長凸塊會有問題 (5) 懸臂長度達400~600um，，佔據空間大，，無法測試高密度 鋁墊，， 也不適於2 排或3 排鋁墊之晶片 6機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構 (1)：側視圖7機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構 (2)：立體圖n 8機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構 (3)：分解圖9機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構 (4)：：探針與壓力感測器整合圖10機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構 (5):壓力感測器示意圖11機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構 (6):探針分布在晶粒外圍12機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構 (7):探針為陣列式13機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構 (8):探針為直線式分佈14機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 3.本發明之結構 (9):針測卡探針及壓力感測器分佈圖15機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 4.本發明之特點n(1)垂直式探針空間較小,晶圓級一次測完n(2)每根探針都有隔離地線設計,串音交連信號小n(3)有壓力感測器,可測探針接觸晶片之壓力n(5)垂直式探針接線短,寄生電感小,適用於高頻n(6)微機電製程容易製作,品質易控制n(7)基板膨脹係數與晶片相同可用於燒入測試n(8)針頭有錐狀設計,可測試焊墊及凸塊n(9)探針只接觸焊墊周圍,不會影響後續打線製程16機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(1):探針的變形量與應力n運用模擬軟體ANSYS 分析， 當探針承受外加負荷時， 計算探針內產生的應力與彈性層變形量。

n不同的探針結構， 承受不同負荷， 作用在不同厚度之彈性緩衝層(聚亞醯氨，， Polyimide)，有不同的應力與變形量n測試溫度對探針結構應力之熱耦合效應，也納入分析研究17機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(2):探針結構n簡化成四個部分:n1. 探針突出尖端， 由鎢、、鎳及鋁材組成n2. 探針彈性層， 由聚亞醯氨(Polyimide)組成n3. 矽基材導通層， 由鋁、、鎳及金披覆， 再用錫 鉛合金以表面接著技術接合組成n4. 印刷電路板層， 由銅、、鎳、、金及FR-4 組成 18機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(3):探針各部材料之物性表3-1 材料特性19機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(4):模擬條件(1)作用力:4~10(g)(2)上層彈性層厚:8~28(um)(3)下層彈性層厚:8,16,24(um)(4)探針截面:20(um) x 20(um)(5)以ANSYS 模擬變形與主應力之情況(6)探針為左右對稱， 故模型只取半邊。

20機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(5):針軸方向變形量與應力曲線 21機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(6):不同負載作用於不同彈性層厚度之結果22機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(7):鎳鎢針截面積尺寸改變分析結果n探針之針尖尺寸變化， 由10(um)增加到30(um) ，作用力為10(g) n 而上層彈性層厚度與下層彈性層厚度維持為28(um)及16(um) 。

n 針尖底部鋁層厚度為1(um) n 則模擬變形量與主應力的變化， 最大針軸變形量可達5.58(um) 23機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(8):鎳鎢針截面積尺寸改變變形量與主應力的變化分析結果24機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(9)：彈性層材料性質改變對變形量與主應力的影響n設計時是以聚亞醯氨(Polyimide)當作彈性層之材料n現將楊氏係數列為最主要因素， 比較變形量與主應力的表現n探針的變形量可達7.02(um)，主壓縮應力也不高25機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(10)：彈性層材料性質改變對變形量與主應力的影響26機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(11)：探針之熱耦合應力溫度梯度分佈n晶圓及針尖溫度為150℃℃，散熱面為矽基材背面與錫鉛共晶球n採自然對流散熱(對流係數為20W/m2K)，外界溫度設定為80℃℃ 27機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(12)：穩態時矽基材溫度（（124.4℃℃ ~124.9℃℃）） 28機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 5.模擬分析(１3)：150 ℃℃ 時與矽基材接合的鋁金屬層 主壓縮應力為0.74(GPa)而主伸張應力為0.51(GPa) 29機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 6.結論 n本發明之探針克服懸臂式探針多項缺點，優點有:(1)測試時探針無側向位移，接觸穩定適合傳統焊墊 及凸塊的測試。

2)探針尺寸小，可為全區域矩陣排列，適合高密度 及細小間距接腳之晶片測試3)探針底部之矽基材挖導通孔，測試訊號可直接傳 至針測介面模組及測試機，傳遞路徑縮短，適合 高頻測試4)針尖接觸傳統焊墊及凸塊無刮痕，排除微小雜物 的黏附干擾， 不必擔心無法清針的問題30機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 台積電明年將推出MEMS平台 n上網時間：：2005年09月23日(電子工程專輯網站資訊速遞)(1)經過三年的研發，，晶圓代工廠商台積電(TSMC) 表示，，把IC製程技術與微電機系統相結合，， 將可在2006年開始有所成效2)受到德州儀器(TI)數位光處理(DLP)技術成功之鼓舞，，因此許多人對該領域非常感興趣台積電認為MEMS領域的機會增加了 (3)據市調公司In-Stat的資料，，2009年MEMS市場將從今年的 80億美元左右成長到140億美元4)台積電的主流技術行銷經理Claire Chen表示:「「一旦IC代工廠商進入這個領域，，將使MEMS設計廠商更有利可圖，，並能提供更有吸引力的產品功能。

」」 31機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 7. 權利金預估n傳統針測卡:50萬/組(32顆裸晶,DRAM 100 MHz)n本項專利:晶圓級 (1) DDR 或 DDR II 533 或 667 (2) SRAM (3) RF IC(少腳數,高頻) (4) LCD DRIVER (高腳數,細間距) n本項專利效益: (1) 測試速度至少快10倍~20倍, (2) 工作頻率可至6 GHz, (3) 各測試接腳都有隔離接地設計,互相干擾雜訊小.n運用本項專利針測卡售價: 500萬/組n權利金: 5 % /組 (25萬/組)32機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory 誌謝n希望將來能進ㄧ步合作。

33機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (1)34機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (2)35機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (3)36機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (4)37機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (5)38機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (6)39機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (7)40機械與航太工程研究所精密構裝與量测實驗室 Chung Hua Graduate School of Mechanical and Aerospace EngineeringKaiyi Chuang Micro System Laboratory Probe FB manufacturing process (8)41。