晶圆探针卡,又称探针卡(probe card ),广泛应用于内存、逻辑、消费、驱动、通信IC等科技产品的晶圆测试。当IC设计完成后,晶圆厂代工制造完成尚未切割封装之际,为确保晶圆良率及避免封装的浪费,进行晶圆电性参数测试和分析制程。
探针卡与测试机构成测试回路,ATE设备在IC封装前,以探针侦测晶粒,筛选电性功能不足的芯片,避免不良品造成后段制作的成本浪费。下图为用于晶圆级半导体集成电路测试的自动测试机台及其部件。晶圆级半导体集成电路测试也称为中测(wafer sort)、针测(wafer probing)、CP(circuit probing)等,整个测试设备包括测试机(IC tester)、探针台(Prober)、探针台上的母板(Prober Interface Board)、弹簧针装配板(Spring Contacor Assembly)和探卡(Probe Card),其中限制测试系统性能的关键元件之一就是连接待测。晶圆与测试机台之间的电接触界面-探针卡。
探针卡,作为一种测试接口,通过连接测试机和芯片传输信号,对芯片参数进行测试。探针卡将探针与芯片上的焊垫直接接触,引出芯片讯号,配合测试仪与软件控制达到自动化量测的目的。随着晶圆技术的不断提升,针卡种类不断提高。最早的针卡发展于1969年,我们目前可以提供epoxy ring 悬臂环氧树脂探传统针卡。
传统型探卡是指那些采用手工方法制备和装配的探卡,按照探针形状可分为悬臂梁型、刀形和垂直针型。
第一代探卡-环氧树脂环/悬臂梁针型探卡(Epoxy Ring/Cantilever Needle Probe Card)产生于1969 年,由 IBM 公司研发并运用于半导体晶圆测试中,目前仍然是使用最广的探卡,也是无锡君睿科技有限公司主推的针卡。环氧树脂环/悬臂梁针型探卡的结构示意图如下图所示:
它是手工把几十到上百个微悬臂梁形探针通过环氧树脂环固定在 PCB 板上,并根据所要测试芯片上引脚的位置进行布局。这种探卡两个探针的间距限制在大约 125 μm,引脚的数量不能超过 500 个。并且由于接触中间部分的探针较长、接触角落的探针较短,使得接触应力不一致,一般平面度大于±18 μm。测试过程中,通过对晶圆施加向上的压力,使金属探针与晶圆接触,并进而刺穿其表面的氧化层与测试引脚形成完整的电子通路,通过外加电压和电流的变化,对芯片内部参数及功能进行分析和验证,其结构及制作工艺决定了生产传统的探针卡必须使用大量的人工来完成诸如配针、配线、调整等工序。
当探针密度较低、针数要求不多(小于 80 针)时,可以采用刀形探卡(Blade Probe Card),照片如图所示。刀形探卡的探针为刀片状,这种刀片状能够承受更大的压力,刀形探针的支撑部分通常选用机械性能好的陶瓷材料。与环氧树脂环/针形探卡不同,刀形探针上方不通过环氧树脂环,而是直接焊接到 PCB 板上,因此减少了工艺步骤,进一步降低了成本。
当测试高密度、数量多、阵列排布的引脚时,以上两种形式的探卡制备困难,IBM 公司开发了竖直针型(Vertical Probe Card)探卡,如下图所示。
竖直针型探卡采用了在竖直方向上可以弯曲的探针来代替悬臂梁和刀片状结构,这样可以节省空间,提高探针的密度和数量。测试中,当探针受到压力超过临界载荷时,产生挫曲(Buckling),探针末端通过弹簧针(Pogo Pin)与 PCB 板上对应的触点接触,连通从测试机台到芯片引脚的电子线路。
由于大量的人工被运用到传统探针卡制作过程中,它们的优点是针数不多时制作成本低。
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