CN100581984C - 基于电镀工艺的微机械测试探卡及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电镀工艺的微机械测试探卡及制作方法。其特征在于在硅片上，利用电镀金属镍制作形成悬臂与探针针尖；探针针尖制作在硅片的(111)斜面上，且每个探针针尖由一个或两个探针悬臂与陶瓷基板相链接；探针悬臂与探针针尖采用等应力梁结构；倒装焊列基板上的探针在两个方向密集排布。制作特征在于首先利用(100)硅片的上表面作为电镀工作面，电镀形成低应力镍层的探针悬臂，随后利用各向异性腐蚀产生的深槽(111)斜面作为工作面，电镀形成低应力镍层的探针针尖，再采用倒装焊的工艺将探针链接到封装基板上，最后采用将硅片腐蚀去除的方法释放探针结构。

Description

基于电镀工艺的微机械测试探卡及制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于微机械方法实现的圆片级芯片测试探卡及制作方法，尤其涉及基于电镀工艺的微机械芯片测试探卡及其制作方法，属于微电子机械系统领域。

背景技术

近年来，随着微电子技术的不断进步，集成电路制造产业得到迅猛发展。集成电路芯片生产的过程中主要包括前端加工工艺与后端封装测试工艺。其中，后端封装测试工艺已经占据了整个生产过程的大部分成本。所以，在前端加工工艺与后端封装测试工艺之间加入圆片级芯片测试，已经成为降低芯片成本的一个必要手段。探卡是圆片级芯片测试的核心元件之一。然而，随着芯片复杂程度越来越高，芯片上的管脚排布越来越密集。同时，芯片工作频率不断提高，测试信号速度越来越快。传统芯片测试探卡由于自身局限，比如装配精度低、制作成本高、制作周期长等原因，渐渐难以适应这一发展趋势，并必将在不久的未来被取代。

从20世纪90年代起，国内外许多大学及研究机构积极探索，逐步寻找到利用微机械加工技术设计制造圆片级芯片测试探卡的方法。然而，大部分研究工作存在不同程度的不足。例如，Yanwei Zhang等人曾在“Thermallyactuated microprobes for a new wafer probe card”(IEEE Journal ofMicroelectromechanical System，vol.8，No.1，pp.43-49，March 1999)中提出一种利用热驱动探针制作的芯片测试探卡。但是，这种热驱动的悬臂梁探针只能提供45μN的压力，难以应用在现在广为使用的铝测试管脚。又如，B.H.Kim等人为了使探针能够提供足够大的压力，采用了硅悬臂梁的结构(B.H.Kimet.al.，“A vertical guided MEMS probe card with deeply recessed trench-typecantilever，”in Proc.IEEE MEMS’05，pp.271-274，2005)。但是，这种硅悬臂梁式的探针由于设计要求的限制，为了使针尖产生足够的位移，必需保证相当大的长度。这就限定了探针阵列只能在一个方向上密集排布，大大限制了其应用范围。

如何设计制造一种既可以使探针提供足够大的压力和针尖位移，又能够在两个方向都密集排布的探针结构，成为了探卡设计中的一大难点，也恰恰是本发明所要解决的关键技术。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于电镀工艺的微机械圆片级芯片测试探卡。如附图1所示，所述的测试探卡采用了基于电镀工艺的微机械制作方法，在辅助硅片上利用电镀金属镍制作形成悬臂梁和探针针尖，并通过封装焊球与基板形成链接，因而便于同时制作大批量探针阵列。如附图2所示，本发明提供的探卡中的探针针尖可以采用单悬臂梁或者双悬臂梁与基板形成链接，因而本发明探卡中的悬臂梁可以实现不同量程范围的弹性系数，以便应用于不同测试要求。在本发明提供的测试探卡中，所有镍悬臂梁厚度一致，但是悬臂梁的长度、宽度可以根据待测芯片管脚位置以及测试要求设定，所有镍探针针尖的厚度一致，但其形状及尺寸也可以根据不同需求来设计。本发明所提供的测试探卡的基板采用低温共烧陶瓷，如DuPont(951，943)，Ferro(A6M，A6S)，Heraeus(CT700，CT800和CT2000)等。这些低温共烧陶瓷的介电常数在3.9～8.5之间，烧结温度通常在850℃～1050℃之间，能够有效隔离相邻探针之间的信号干扰，避免产生寄生效应，因而可以应用于未来高频测试领域中。同时，如果选择与硅材料热膨胀系数相匹配的低温共烧陶瓷材料，还可以避免高温测试时的热应力问题。本发明所提供的测试探卡的封装焊球采用锡银或者铅锡制作完成，回流温度在80℃～260℃之间。

本发明所提供的测试探卡提出了一种等应力悬臂梁的结构设计方法。与传统的等截面悬臂梁相比较，可以在不增加内应力的情况下，提供更大的探针针尖位移。如图3所示，对于悬臂梁上的任一点，可以根据材料力学的知识计算出该点应力如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{6\mathrm{Pl}}{{\mathrm{bh}}^2}$

其中，σ是悬臂梁上距离探针针尖或探针1处的内应力，P是加载在探针针尖上的载荷力，b是悬臂梁上距离探针针尖或探针处的宽度，h是悬臂梁的厚度(以下公式中各符号物理意义相同)。若b₂为悬臂梁根部的宽度，b₁为悬臂梁自由端部的宽度，L为悬臂梁的总长度，则由几何关系： $b=\frac{l}{L}(b_2-b_1)+b_1,$ 可以得到，

$\mathrm{\σ}=\frac{6\mathrm{Pl}}{(\frac{l}{L}(b_2-b_1)+b_1)h^2}=\frac{6P}{(\frac{1}{L}{b}_2+\frac{L-l}{\mathrm{Ll}}{b}_1)h^2}\≤\frac{6\mathrm{PL}}{b_2{h}^2}$

上式在b₁较小时可以近似为： $\mathrm{\σ}=\frac{6\mathrm{PL}}{b_2{h}^2},$ 即梁上任意点的应力与梁根部相等。所以，采用这种等应力梁设计后，不会对梁自身的强度与可靠性产生影响。而另一方面，梁自由端部分的位移可以由下面的计算公式得出：

$\mathrm{\δ}=\∫\∫\left(\frac{M}{\mathrm{EI}}\mathrm{dx}\right)\mathrm{dx}$

其中δ是悬臂梁自由端的位移，M是悬臂梁上任意点的弯矩， $\mathrm{EI}=\frac{\mathrm{Eb}{h}^3}{12}$ 为梁的抗弯刚度，对于等截面梁是一个常量，而对于等应力梁，EI是一个逐步减小的量。因此，在同样外加载荷的情况下，等应力梁的自由端位移要比等截面梁的大。可以计算出在b₁＝0的近似情况下，所得到的等应力梁自由端位移相对于等截面梁提高了50％。

本发明的另一目的在于提供了所述微机械圆片级芯片测试探卡的制作方法，其特征在于首先利用(100)硅片的上表面作为电镀工作面，电镀形成低应力镍层的探针悬臂，随后利用各向异性腐蚀产生的深槽(111)斜面作为工作面，电镀形成低应力镍层的探针针尖，再采用倒装焊的工艺将探针链接到封装基板上，最后采用将硅片腐蚀去除的方法释放探针结构，具体制作步骤是：

具体制作步骤是：

a在(100)硅片上表面淀积或氧化0.5～2.5μm厚度的氧化层，随后淀积一层金属种子层；

b利用一层25～35μm厚光刻胶光刻形成第一次电镀掩膜；

c进行第一次电镀，制作出上层平面镍探针悬臂；随后，光刻出氧化层图形以便进行腐蚀；

c利用氧化层作为腐蚀掩膜，进行硅各向异性腐蚀；并在整个硅片上表面以及腐蚀出的深槽(111)斜面、底面上淀积一层金属种子层；

e利用喷胶工艺光刻形成5～20μm的光刻胶电镀掩膜；

f进行第二次电镀，制作出深槽斜面镍探针针尖；

g在陶瓷基板上电镀、回流出封装焊球，并光刻、腐蚀出金属布线；将完成探针制作的硅片倒装焊到陶瓷基板上，并利用TMAH(四甲基氢氧化铵)腐蚀液横向掏空的方法将硅片腐蚀掉，从而完成探针的释放。

在所述制作工艺中，采用的金属种子层为溅射或蒸发形成的0.1～0.5μm钛铜或铬铜；金属布线采用溅射形成的0.5～2μm钛铜或铬铜；探针针尖与探针悬臂采用电镀形成的10～30μm低应力镍镀层，探针悬臂的形状可以相同或不同。所有探针针尖厚度相同且在5μm-20μm之间，探针针尖的形状可以相同或不同。且针尖顶端大小相等或不等，尺寸在5～25μm之间；封装焊球为电镀、回流形成的直径50～100μm铅锡或锡银。

由此可见，本发明提供的微机械圆片级芯片测试探卡包括封装基板、封装焊球、金属布线、探针悬臂和探针针尖，其特征在于：

①利用电镀金属镍制作探针悬臂与探针针尖在一块辅助硅片上，且通过将该硅片腐蚀去除来完成结构的最终释放；

②利用辅助硅片的平面制作出探针悬臂结构，利用在辅助硅片上腐蚀出的(111)斜面制作出探针针尖结构，且每个探针针尖可以由一个或两个探针悬臂与基板相链接；

③悬臂梁的宽度从根部到自由端部逐步减少而使悬臂梁上任意点的厚度与根部的厚度相等，使得悬臂梁上任意点的应力与梁根部相等；

④通过倒装焊到基板上的探针(包括探针悬臂与探针针尖)可以在两个方向上进行密集排布。

综上所述，利用本发明的方法制作出的微机械圆片级芯片测试探卡具有以下优点：

(1)采用了探针悬臂与探针针尖相结合的结构，可以在承受一定探测压力的同时产生一定的针尖位移；

(2)探针悬臂与探针针尖采用等应力梁的结构设计，使得在同样探测压力的情况下针尖位移相对等截面梁提高了近50％；

(3)采用单悬臂与双悬臂两种结构，可以制作出多种弹性系数的探针，扩大了应用范围；

(4)有效利用了硅片腐蚀斜面作为电镀工作面，减小了探针的横向尺寸，从而可以使探针在两个方向都能密集排布；

(5)采用了倒装焊的链接方式，便于大批量低成本生产；

(6)采用低温共烧陶瓷作为基板，能够有效隔离相邻探针之间的信号干扰，避免产生寄生效应，可以应用于未来高频测试领域中。

附图说明

图1是本发明提供的微机械圆片级芯片测试探卡的三维结构示意图；

图2是两种不同结构的探针照片，其中(a)是单悬臂探针，(b)是双悬臂探针；

图3是等应力梁应力与位移计算分析示意图；

图4是实施例1的制作工艺流程：(a)硅片氧化与溅射种子层；(b)厚胶光刻；(c)第一次电镀与氧化层掩膜制作；(d)KOH腐蚀与溅射种子层；(e)喷胶厚胶光刻；(f)第二次电镀；(g)陶瓷板焊球与信号线制作；(h)倒装焊与硅片腐蚀、结构释放。

图中数字分别表示：

1-陶瓷基板；2-探针悬臂；3-探针针尖；4-封装焊球；5-金属布线。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步阐述本发明提供的微机械圆片级芯片测试探卡及其制造方法的实质性特点和显著进步。但本发明绝非仅局限于实施例。

实施例1

a在(100)硅片上表面淀积或氧化一层0.5～2.5μm的氧化层，随后，在氧化层上面溅射或蒸发一层0.1～0.5μm钛铜金属种子层(如附图4-a所示)；

b利用一层25～35μm厚光刻胶进行光刻，形成用于第一次电镀的图形掩膜(如附图4-b所示)；

c进行第一次镍电镀，制作出上层平面悬臂结构，去除光刻胶和金属种子层；随后，利用喷胶光刻出氧化层图形，以便进行后面的腐蚀(如附图4-c所示)；

d利用氧化层作为掩膜，采用50℃、40％氢氧化钾溶液(KOH)进行硅各向异性腐蚀；并在整个硅片上表面以及腐蚀出的深槽斜面、底面上第二次淀积0.1～0.5μm钛铜金属种子层(如附图4-d所示)；

e利用喷胶工艺光刻形成第二次电镀掩膜，光刻胶厚度约10～15μm(如附图4-e所示)；

f进行第二次镍电镀，在硅腐蚀斜面上电镀制作出探针针尖结构，随后去除光刻胶及金属种子层(如附图4-f所示)；

g在陶瓷基板上溅射一层0.5～2μm钛铜金属层，利用30μm厚的光刻胶图形作掩膜，电镀、回流出锡银焊球，并喷胶光刻、腐蚀出钛铜金属布线(如附图4-g所示)；

h将完成探针制作的硅片倒装焊到陶瓷基板上，并利用四甲基氢氧化铵腐蚀液(TMAH)将硅片腐蚀掉，进而完成探针的释放(如附图4-h所示)。

经过以上制作过程，便可以完成本发明提供的微机械圆片级芯片测试探卡。如附图1所示，镍金属探针及悬臂梁通过封装焊球与陶瓷基板链接，并可进一步与外部设备连接用于芯片测试。

Claims (12)

1、基于电镀工艺的微机械测试探卡，包括封装基板、封装焊球、探针悬臂和探针针尖、金属布线，其特征在于：

①在硅片上，利用电镀金属镍制作形成悬臂与探针针尖；

②探针针尖制作在硅片的(111)斜面上，且每个探针针尖由一个或两个探针悬臂与陶瓷基板相链接；

③悬臂梁的宽度从根部到自由端部逐步减少，而使悬臂梁上任意点的厚度与根部的厚度相等，使得悬臂梁上任意点的应力与梁根部相等；

④倒装焊到基板上的探针在两个方向密集排布。

2、按权利要求1所述的基于电镀工艺的微机械测试探卡，其特征在于所述的悬臂的等应力梁上任意点的应力与梁根部相等；且等应力梁的自由端位移相对于等截面梁提高50％。

3、按权利要求1所述的基于电镀工艺的微机械测试探卡，其特征在于所述的陶瓷基板为介电常数在3.9-8.5之间，且膨胀系数与硅相匹配的低温共烧陶瓷，烧结温度为850-1050℃。

4、按权利要求1所述的基于电镀工艺的微机械测试探卡，其特征在于所述的探卡中所有探针悬臂的厚度相同，厚度为10μm-30μm。

5.按权利要求1或2所述的基于电镀工艺的微机械测试探卡，其特征在于所述的探针悬臂的形状相同或不相同。

6、按权利要求1所述的基于电镀工艺的微机械测试探卡，其特征在于所述的探针针尖厚度相同，且在5μm-20μm之间。

7、按权利要求1或6所述的基于电镀工艺的微机械测试探卡，其特征在于所述的探针针尖的形状相同或不同。

8、按权利要求1或6所述的基于电镀工艺的微机械测试探卡，其特征在于所述的探针针尖顶端尺寸为5μm-25μm。

9、按权利要求1所述的基于电镀工艺的微机械测试探卡，其特征在于金属布线采用0.5μm-2μm钛铜或铬铜金属层。

10、制作如权利要求1所述的基于电镀工艺的微机械测试探卡的方法，其特征在于首先利用(100)硅片的上表面作为电镀工作面，电镀形成低应力镍层的探针悬臂，随后利用各向异性腐蚀产生的深槽(111)斜面作为工作面，电镀形成低应力镍层的探针针尖，再采用倒装焊的工艺将探针链接到封装基板上，最后采用将硅片腐蚀去除的方法释放探针结构，具体制作步骤是：

a在(100)硅片上表面淀积或氧化0.5～2.5μm厚度的氧化层，随后淀积一层金属种子层；

b利用一层25～35μm厚光刻胶光刻形成第一次电镀掩膜；

c进行第一次电镀，制作出上层平面镍探针悬臂；随后，光刻出氧化层图形以便进行腐蚀；

d利用氧化层作为腐蚀掩膜，进行硅各向异性腐蚀；并在整个硅片上表面以及腐蚀出的深槽(111)斜面、底面上淀积一层金属种子层；

e利用喷胶工艺光刻形成5～20μm的光刻胶电镀掩膜；

f进行第二次电镀，制作出深槽斜面镍探针针尖；

g在陶瓷基板上电镀、回流出封装焊球，并光刻、腐蚀出金属布线；将完成探针制作的硅片倒装焊到陶瓷基板上，并利用腐蚀液将硅片腐蚀掉，从而完成探针的释放。

11、按权利要求10所述的基于电镀工艺的微机械测试探卡的制作方法，其特征在于步骤a和d中所述的金属种子层为溅射或蒸发形成的0.1～0.5μm钛铜或铬铜；步骤g中所述的封装焊球为电镀、回流形成的直径50～100μm铅锡或锡银。

12、按权利要求10所述的电镀工艺的微机械测试探卡的制作方法，其特征在于步骤g中所述的将硅片腐蚀掉时采用了四甲基氢氧化铵腐蚀液横向掏空的方法。

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