CN101078738A - 基于弹性基底的微电子机械系统探卡制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于弹性基底的微电子机械系统探卡制备方法，采用二次光刻和电铸工艺，在玻璃或硅基片表面依次涂覆聚二甲基硅氧烷和聚酰亚胺构成弹性基底，用以代替目前的悬臂梁和简支梁结构，来承受和产生更大的刺穿氧化膜应力，并通过改变弹性基底厚度来调节探针的位移量。弹性基底上布置电路引线，探针位于电路引线的顶端，并按照所要测试的芯片引脚的位置阵列排布，探针针尖与相应的芯片引脚位置一一对应。探针的底端是电铸获得的电路引线，电路引线从探针底端连接到探卡外围，外围再通过点焊连接到对应的印刷电路板上面，从而连通从探针到测试机台的信号电路。本发明制造的探卡工艺简单，成品率高，具有很高的套刻精度，能够承受更大的应力。

Description

基于弹性基底的微电子机械系统探卡制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于弹性基底的微电子机械系统探卡制备方法，制得的探卡用于集成电路芯片测试，属于集成电路测试技术领域。

背景技术

半导体晶圆测试是通过在未切割状态下对晶圆片以及晶圆片上的集成电路进行包括短路、断路等电性能测试，来检查晶圆片以及晶圆片上的集成电路理想工作状态，从而得以找出提高成品率、降低芯片制造成本以及提升芯片功能的方法。随着超大规模集成电路技术向更大集成度和更高速度发展，使得输入/输出(Input/Output)的数量急剧增加，芯片引脚的尺寸和间距相应缩小。这样不仅制造技术非常重要，产品的检测手段也变得更加关键，传统手工制作的环氧树脂针型探卡越来越难以满足使用要求。随着微电子机械系统(MEMS：Microelectro mechanical systems)技术的发展，给探卡的制备带来了新的方法，并取得了很大进展。目前报道了多种采用不同方法实现的MEMS探卡，如MasoudZargari等人在“A BiCOMS Active Substrate Probe-Card Technology for DigitalTesting”(IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol.34，No.8，August 1999)文章中报道制作的薄膜探卡，是在聚酰亚胺薄膜加工出接触凸点并用光刻的微传输线进行连接，两个探针之间距离缩小到100μm，提高了平面度，减小了对焊垫的损害，同时可以缩短信号通路长度，降低传输信号受到的干扰。但是因为薄膜探卡上的所有探针必须在一个单一应力下同时接触到芯片，所以随着芯片复杂度和接触点数量的增加而成为严重问题。Younghak Cho等人在“Si-based microprobe card with shape knife-edged tips combined metal deposition”(The 12^thinternational conference on solid sensors and microsystems，Boston，June 8-12，2003)文章中报道了通过硅微加工技术制作的悬臂梁型探针结构，但是这类MEMS探卡的主要问题是探针的尺寸继续减小时不能承受和产生破坏金属引脚表面上自然氧化层或者污染层所需要的应力。靖向萌等申请的一种简支梁型微电子机械系统探卡及其制备方法(专利申请号：200610117283.3)，采用UV-LIGA多次光刻、电铸工艺在玻璃或硅片基片上制备弹性金属探针，在结构上采用简支梁结构代替传统的悬臂梁结构，能够承受和产生更大的应力，通过电镀金属电路引线的方法将信号从探针引向外围，并通过点焊连接到PCB板上，便于探针的维修和更换，但是该技术工艺步骤较多。

利用MEMS加工工艺，制备出探针数量多、间距小、能够承受更大应力的弹性探卡，并且能够连接现有外围设备成为探卡的发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于弹性基底的微电子机械系统探卡制备方法，具有工艺简单，成品率高，探针形状尺寸可控，能够承受更大的应力等优点。

为实现这一目的，本发明采用二次光刻和电铸工艺，在玻璃或硅片基片表面依次涂覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚酰亚胺(PI)构成弹性基底，用以代替目前的悬臂梁结构和简支梁结构，来承受和产生更大的刺穿氧化膜应力，并通过改变弹性基底的厚度来调节探针的位移量。弹性基底上布置电路引线，探针位于电路引线的顶端，并按照所要测试的芯片引脚的位置阵列排布，探针针尖与相应的芯片引脚位置一一对应。探针的底端是电铸获得的电路引线，电路引线从探针底端连接到探卡外围，外围再通过点焊连接到对应的印刷电路板上面，从而连通从探针到测试机台的信号电路。

本发明的方法通过如下步骤实现：

1、采用玻璃或者硅片为基片，用去离子水清洗基片，烘干；然后在基片表面涂覆100-500μm弹性基底聚二甲基硅氧烷(PDMS：Polydimethylsiloxane)，再在PDMS上涂覆50-200μm厚的聚酰亚胺(PI：Polyimide)用于增加结合力和防止PDMS在溅射时的开裂。

2、在聚酰亚胺表面溅射50-150nm的Cr/Cu金属底膜，然后光刻、电铸铜或金，制备高度1-20μm、线宽5-100μm的电路引线。

3、在电路引线顶端，光刻、电铸金属镍，制备高度20-100μm、直径5-50μm的探针。

4、去除光刻胶，去除聚酰亚胺上的Cr/Cu金属底膜。

5、采用点焊的方法连接电路引线与印刷电路板。

利用本发明制造的基于弹性基底的MEMS探卡优点在于：(1)工艺简单，成品率高，只采用二次光刻电铸工艺，该方法可以很好的控制探针形状尺寸，具有很高的套刻精度，非常适于大规模生产；(2)相对于目前悬臂梁型MEMS探卡，本发明的探卡能够承受和产生更大的应力；(3)通过电铸金属电路引线的方法将信号从探针引向外围，并通过点焊连接到印刷电路板上，便于探针的维修和更换，相对于通孔引线方法，可以节约成本，扩大探卡制备的适应性；(4)玻璃基片及金属探针结构都耐高温，适用于芯片老化试验，(5)与简支梁型微电子机械系统探卡相比，本发明的制作工艺更简单，成本更低。

附图说明

图1为本发明提供的基于弹性基底的MEMS探卡结构示意图。

图1中，1为基片，2为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，3为聚酰亚胺(PI)，5为电路引线，7为探针。

图2为本发明的基于弹性基底的MEMS探卡的制作工艺流程。

图2中，1为基片，2为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，3为聚酰亚胺(PI)，4为金属底膜，5为电路引线，6为光刻胶，7为探针。

步骤1：涂覆PDMS和聚酰亚胺；步骤2：溅射、光刻、电铸电路引线；步骤3：光刻、电铸金属探针；步骤4：去除光刻胶和金属底膜。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例不构成对本发明的限定。

实施例1

探卡结构参数：玻璃基片，聚二甲基硅氧烷厚度100μm，聚酰亚胺厚度100μm，铜电路引线，探针直径20μm，探针高度20μm。

制备方法如图2所示：

(1)弹性基底制备

采用厚度为2mm的玻璃片为基片1，首先进行基片处理：用丙酮、酒精和去离子水超声清洗干净，在180℃真空炉中烘干3小时。然后在基片上旋涂厚度为100μm厚的聚二甲基硅氧烷2，转速为1000rpm，在80℃下2小时进行固化，然后旋涂厚度为100μm的聚酰亚胺3，转速为1000rpm，在250℃下2小时进行固化。

(2)金属电路引线制作

首先在聚酰亚胺表面溅射100nm的Cr/Cu金属底膜4，旋涂7μm厚的正胶AZ4620，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为50秒，显影时间为60秒，电铸厚度5μm、宽度20μm的金属铜电路引线5，电流强度200mA，电铸时间50分钟。

(3)金属探针制作

在金属电路引线上旋涂22μm厚的正胶AZ4903(光刻胶6)，曝光时间为220秒，显影时间为180秒，电铸20μm厚的金属镍探针7，电流强度为12mA，电铸时间为60分钟。

(4)光刻胶和金属底膜的去除

在5.5mW/cm²曝光机下曝光5分钟，然后在显影液中显影10分钟，去除光刻胶6。聚酰亚胺表面的Cr/Cu金属底膜4采用氩气等离子体刻蚀的方法去除，刻蚀功率20kW，气体流量40sccm，刻蚀时间15分钟。

(5)采用点焊的方法连接电路引线与印刷电路板，完成探卡制备。

实施例2

探卡结构参数：玻璃基片，PDMS厚度200μm，聚酰亚胺厚度50μm，铜电路引线，探针直径50μm，探针高度40μm。

(1)弹性基底制备

采用厚度为2mm的玻璃片为基片，首先进行基片处理：用丙酮、酒精和去离子水超声清洗干净，在180℃真空炉中烘干3小时。然后在基片上旋涂厚度为200μm厚的聚二甲基硅氧烷，转速为600rpm，在85℃下2小时进行固化，然后旋涂厚度为50μm的聚酰亚胺，转速为2000rpm，在250℃下2小时进行固化。

(2)金属电路引线制作

首先在聚酰亚胺表面溅射100nm的Cr/Cu金属底膜，旋涂7μm厚的正胶AZ4620，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为50秒，显影时间为60秒，电铸厚度为5μm、宽度为20μm的金属铜电路引线，电流强度200mA，电铸时间50分钟。

(3)金属探针制作

在电路引线上旋涂22μm厚的正胶AZ4903，曝光时间为220秒，显影时间为180秒，电铸20μm厚的金属镍，电流强度为12mA，电铸时间为60分钟；为增加探针高度，重复此工艺一次，在探针上方旋涂22μm厚的正胶AZ4903，曝光时间为220秒，显影时间为180秒，电铸20μm厚的金属镍探针，电流强度为12mA，电铸时间为60分钟。

(4)光刻胶和金属底膜的去除

在5.5mW/cm²曝光机下曝光5分钟，然后在显影液中显影10分钟，去除光刻胶。底端的Cr/Cu金属底膜采用氩气等离子体刻蚀的方法去除，刻蚀功率20kW，气体流量40sccm，刻蚀时间15分钟。

(5)采用点焊的方法连接电路引线与印刷电路板，完成探卡制备。

实施例3

探卡结构参数：硅基片，PDMS厚度500μm，聚酰亚胺厚度50μm，金电路引线，探针直径5μm，探针高度20μm。

(1)弹性基底制备

采用厚度为1mm的硅片为基片，首先进行基片处理：用丙酮、酒精和去离子水超声清洗干净，在180℃真空炉中烘干3小时。然后在基片上旋涂厚度为500μm厚的聚二甲基硅氧烷，转速为200rpm，在90℃下2小时进行固化，然后旋涂厚度为50μm的聚酰亚胺，转速为2000rpm，在250℃下2小时进行固化。

(2)金属电路引线制作

首先在聚酰亚胺表面溅射100nm的Cr/Cu金属底膜，旋涂7μm厚的正胶AZ4620，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为50秒，显影时间为60秒，电铸厚度5μm、宽度为20μm的金属金电路引线，电流强度为200mA，电铸时间为50分钟。

(3)金属探针制作

在电路引线上方旋涂22μm厚的正胶AZ4903，曝光时间为220秒，显影时间为180秒，电铸20μm厚的金属镍探针，电流强度为12mA，电铸时间为60分钟。

(4)光刻胶和金属底膜的去除

在5.5mW/cm²曝光机下曝光5分钟，然后在显影液中显影10分钟，去除光刻胶。底端的Cr/Cu金属底膜采用氩气等离子体刻蚀的方法去除，刻蚀功率20kW，气体流量40sccm，刻蚀时间15分钟。

(5)采用点焊的方法连接电路引线与印刷电路板，完成探卡制备。

Claims (2)

1、一种基于弹性基底的微电子机械系统探卡，包括基片(1)、探针(7)和电路引线(5)，其特征在于所述基片(1)表面依次涂覆聚二甲基硅氧烷(2)和聚酰亚胺(3)构成弹性基底，弹性基底上布置电路引线(5)，探针(7)位于电路引线(5)的顶端，并按照所要测试的芯片引脚的位置阵列排布，探针针尖与相应的芯片引脚位置一一对应，探针(7)底端的电路引线(5)连到外围通过点焊连接到印刷电路板上，再通过印刷电路板连接到测试机台。

2、如权利要求1的基于弹性基底的微电子机械系统探卡的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)采用玻璃或者硅片为基片，用去离子水清洗并烘干；然后在基片表面涂覆100-500μm聚二甲基硅氧烷，再在聚二甲基硅氧烷上涂覆50-100μm厚的聚酰亚胺；

2)在聚酰亚胺表面溅射50-150nm的Cr/Cu金属底膜，然后光刻、电铸铜或金，制备高度2-20μm、线宽5-100μm的电路引线；

3)在电路引线顶端，光刻、电铸金属镍，制作高度20-100μm、直径5-50μm的金属探针；

4)去除光刻胶，去除聚酰亚胺上的Cr/Cu金属底膜；

5)采用点焊的方法连接电路引线与印刷电路板。

Images