CN103412164A - 基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡和制备方法，包括：在基片上打基片通孔；在基片通孔中电铸基片金属结构，在基片背面溅射第一金属种子层；在基片正面涂覆弹性聚合物层，在弹性聚合物层上制备弹性聚合物通孔结构；在弹性聚合物通孔结构中电铸弹性聚合物金属结构；在弹性聚合物层上溅射第二金属种子层，在第二金属种子层上制备金属电路层；在金属电路层上制备金属探针结构；去除第一和第二金属种子层，与印刷电路板进行贴装，得到基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡。本发明采用背面引线的方法，制备的探针卡直接与测试机台转接卡连接，省去点焊步骤，简化了工艺，提高成品率。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路测试技术领域，具体是一种基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡和制备方法，利用该方法制备得到的探针卡用于集成电路芯片测试。
背景技术
探针卡是集成电路芯片封装测试环节中的关键部件，用于集成电路产品封装前的测试。随着半导体制造技术的发展，集成电路芯片复杂程度不断提高，从而使得芯片管脚数目增多、管脚间距不断减小。与此同时，射频电路工作频率的提高使传统环氧树脂或垂直针式探针卡对芯片进行测试时，探针平行排布产生的寄生电容、电感将严重影响测试结果的准确性，使得难以对芯片功能作出正确的判断。MEMS技术的引入和发展使得这一问题得以解决。
目前，已报道了多种采用不同方法实现的MEMS探针卡。如Faith Ichi shita等人在“Array Probe Card”(Proceedings.1992IEEE Multi-Chip ModuleConference，Santa Cruz，CA，1992：28-31.)文章中提到采用聚酰亚胺制作薄膜阵列式探针卡，它将探针和电路引线集成到聚酰亚胺薄膜当中。这种探针卡能够灵活地改变针尖的分布以适应不同芯片的管脚分布，同时可以缩短信号通路长度，降低传输信号受到的干扰。然而，由于薄膜在不同压力下的挠度不一致，薄膜式探针卡难以保证所有针尖刺破管脚的自然氧化层，此外，这样的探针卡需要外部提供压力装置。
陈迪等人在“基于弹性基底的微电子机械系统探卡制备方法”(专利号：ZL200710042311.4，申请日：2007年6月21日，授权日：2009年5月13日)专利中将聚合物材料聚二甲基硅氧烷引入探针卡的制作，设计了弹性基底MEMS探针卡结构。具有制备工艺简单、成本低、探针密度高的优点。但其与外部印刷电路板的连接线太长，并且需要进行点焊连接，成品率低。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡和制备方法，该方法具有工艺简单，制备得到的探针卡探针排布密度高，引线短，电阻小，成品率高，使用寿命长等优点。
为实现这一目的，本发明利用光刻、电铸工艺形成探针卡基片所需的微细通孔，采用背面引线的方法。利用本发明提供的方法制备得到的探针卡可直接与测试机台转接卡相连接，省去点焊步骤，简化了工艺，提高成品率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡的制备方法，采用背面引线的方法，包括以下步骤：
第一步，在基片上打基片通孔；
第二步，在第一步中得到的基片通孔中电铸基片金属结构，并在基片背面溅射第一金属种子层；
第三步，在基片正面涂覆弹性基底材料形成弹性聚合物层，并在弹性聚合物层上制备弹性聚合物通孔结构；
第四步，在第三步得到的弹性聚合物通孔结构中以电铸工艺制得弹性聚合物金属结构；
第五步，在弹性聚合物层上溅射第二金属种子层，然后在第二金属种子层上涂覆光刻胶，通过光刻和电铸工艺制备金属电路层；
第六步，在金属电路层和第二金属种子层上涂覆光刻胶，通过光刻和电铸工艺制备金属探针结构；
第七步，去除裸露的第一金属种子层和第二金属种子层，最后与印刷电路板进行贴装，得到基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡。
优选地，所述基片材料为陶瓷片、PCB片或硅片；
所述基片通孔通过激光打孔、深反应离子刻蚀或机械钻孔的方式制备；
所述基片通孔的孔径为30-200μm；
所述基片金属结构为金属铜或镍。
优选地，所述弹性聚合物通孔结构通过激光打孔、深反应离子刻蚀通孔或光刻胶牺牲层图形化的方式制备；
所述弹性聚合物通孔结构的孔径为30-200μm；
所述弹性聚合物金属结构材料为金属铜或镍。
优选地，所述第一金属种子层厚度为50-200nm。
优选地，所述第二金属种子层材料为金属铜或铬；第二金属种子层厚度为20-200nm。
优选地，所述弹性聚合物层材料为聚二甲基硅氧烷；弹性聚合物层厚度为40-250μm。
优选地，所述金属电路层材料为金属铜或镍，金属电路层的厚度为2-10μm，线宽为5-100μm。
优选地，构成所述金属探针结构的金属探针材料为金属铜或镍；金属探针结构高度为30-100μm。
根据本发明的另一个方面，利用上述基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡的制备方法得到的基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡，包括基片、设置于基片上的基片通孔、设置于基片通孔内的基片金属结构、设置于基片背面的第一金属种子层、设置于基片正面的弹性聚合物层、设置于弹性聚合物层上的弹性聚合物通孔结构、设置于弹性聚合物通孔结构内的弹性聚合物金属结构、设置于弹性聚合物层裸露面上的第二金属种子层、设置于第二金属种子层裸露面上的金属电路层以及设置于金属电路层上的金属探针结构。
优选地，所述基片通孔和弹性聚合物通孔结构的位置相对应。
本发明与现有技术相比，具有以下技术特点：
(1)探针通过基片的导电通孔与印刷电路板相连，其引线电路长度较短，成品率高；
(2)可通过弹性聚合物层实现多层布线，增加探针密度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明工艺流程图；
图中：1为基片，2为基片通孔，3为基片金属结构，4为第一金属种子层，5为弹性聚合物层，6为弹性聚合物通孔结构，7为弹性聚合物金属结构，8为第二金属种子层，9为金属电路层，10为金属探针结构。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡和制备方法，采用背面引线的方法，制备得到的探针卡结构参数为：陶瓷基片，基片厚度1mm，基片通孔直径200μm，第一金属种子层厚度200nm，聚二甲基硅氧烷弹性聚合物层厚度150μm，弹性聚合物通孔结构直径200μm，第二金属种子层厚度100nm，铜金属电路层厚度5μm，线宽100μm，金属探针结构高度75μm。
如图1所示，本实施中的制备方法包括以下步骤：
第一步，在基片上打基片通孔；
采用厚度为lmm的陶瓷片为基片，采用机械钻孔方式制备直径200μm基片通孔；用去离子水超声清洗干净，在180℃烘箱中烘3小时。
第二步，在第一步中得到的基片通孔中电铸基片金属结构，并在基片背面溅射第一金属种子层；
在陶瓷基片的基片通孔中电铸基片金属结构铜，在基片背面溅射厚度为200nm的第一金属种子层。
第三步，在基片正面涂覆弹性基底材料形成弹性聚合物层，并在弹性聚合物层上制备弹性聚合物通孔结构；
在基片正面旋涂厚度为150μm的聚二甲基硅氧烷，80℃下2小时进行固化，形成弹性聚合物层；在弹性聚合物层上旋涂30μm厚的正胶，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光、后烘、随炉冷、显影；然后利用反应离子刻蚀的方法在弹性聚合物通孔结构上制备弹性聚合物通孔结构。
第四步，在第三步得到的弹性聚合物通孔结构中以电铸工艺制得弹性聚合物金属结构；
弹性聚合物金属结构材质为铜，高度为150μm。
第五步，在弹性聚合物层上溅射第二金属种子层，然后在第二金属种子层上涂覆光刻胶，通过光刻和电铸工艺制备金属电路层；
在弹性聚合物层上溅射100nm的Cr/Cu种子层，旋涂5μm厚的正胶AZ4620，采用德国Kar1Suss公司MA6光刻机曝光90秒，显影150秒，然后电铸厚度5μm、宽度100μm的金属铜电路引线，电铸时间30分钟，形成金属电路层。
第六步，在金属电路层和第二金属种子层上涂覆光刻胶，通过光刻和电铸工艺制备金属探针结构；
旋涂75μm厚的正胶AZ50XL，曝光550秒，显影950秒，然后电铸75μm高的金属镍探针，丙酮去除光刻胶。
第七步，去除裸露的第一金属种子层和第二金属种子层，最后与印刷电路板进行贴装，得到基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡；
采用氩等离子体刻蚀的方法去除第一金属种子层、第二金属种子层，制得基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡。
实施例2
本实施例提供了一种基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡和制备方法，采用背面引线的方法，制备得到的探针卡结构参数为：PCB基片，基片厚度2mm，基片通孔直径100μm，第一金属种子层厚度100nm，聚二甲基硅氧烷弹性聚合物层厚度250μm，弹性聚合物通孔结构直径150μm，第二金属种子层厚度200nm，铜金属电路层厚度10μm，线宽50μm，金属探针结构高度100μm。
如图1所示，本实施中的制备方法包括以下步骤：
第一步，在基片上打基片通孔；
采用厚度为2mm的PCB片为基片，采用激光孔方式制备直径100μm基片通孔；用去离子水超声清洗干净，在100℃烘箱中烘3小时。
第二步，在第一步中得到的基片通孔中电铸基片金属结构，并在基片背面溅射第一金属种子层；
在基片通孔中电铸基片金属结构铜，在基片背面溅射100nm的第一金属种子层。
第三步，在基片正面涂覆弹性基底材料形成弹性聚合物层，并在弹性聚合物层上制备弹性聚合物通孔结构；
在基片正面旋涂厚度为250μm的聚二甲基硅氧烷，80℃下2小时进行固化，形成弹性聚合物层；在弹性聚合物层上采用激光孔方式制备直径150μm弹性聚合物通孔结构。
第四步，在第三步得到的弹性聚合物通孔结构中以电铸工艺制得弹性聚合物金属结构；
电铸弹性聚合物金属结构铜，高度250μm。
第五步，在弹性聚合物层上溅射第二金属种子层，然后在第二金属种子层上涂覆光刻胶，通过光刻和电铸工艺制备金属电路层；
在弹性聚合物层上溅射200nm的Cr/Cu种子层，旋涂10μm厚的正胶AZ4620，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，显影；然后电铸厚度10μm、宽度50μm的金属铜电路引线，电铸时间50分钟，形成金属电路层。
第六步，在金属电路层和第二金属种子层上涂覆光刻胶，通过光刻和电铸工艺制备金属探针结构；
旋涂50μm厚的正胶AZ50XL，曝光500秒，显影800秒，然后电铸50μm高的金属镍探针；继续旋涂50μm厚的正胶AZ50XL，曝光500秒，显影800秒，电铸50μm高的金属镍探针，丙酮去除正胶AZ50XL，形成金属探针结构。
第七步，去除裸露的第一金属种子层和第二金属种子层，最后与印刷电路板进行贴装，得到基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡；
采用氩等离子体刻蚀的方法去除第一金属种子层、第二金属种子层，制得基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡。
实施例3
本实施例提供了一种基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡和制备方法，采用背面引线的方法，制备得到的探针卡结构参数：硅基片，基片厚度500μm，基片通孔直径30μm，第一金属种子层厚度50nm，聚二甲基硅氧烷弹性聚合物层厚度40μm，弹性聚合物通孔结构直径30μm，第二金属种子层厚度20nm，铜金属电路层厚度2μm，线宽5μm，金属探针结构高度30μm。
如图1所示，本实施中的制备方法包括以下步骤：
第一步，在基片上打基片通孔；
采用厚度为500μm的硅片为基片，采用深反应离子刻蚀方式制备直径30μm基片通孔，用去离子水超声清洗干净，置于氧化炉中热氧化6小时。
第二步，在第一步中得到的基片通孔中电铸基片金属结构，并在基片背面溅射第一金属种子层；
在基片通孔中电铸金属铜形成基片金属结构，在基片背面溅射50nm的第一金属种子层。
第三步，在基片正面涂覆弹性基底材料形成弹性聚合物层，并在弹性聚合物层上制备弹性聚合物通孔结构；
在基片正面光刻厚度为40μm的正性光刻胶，在基片正面旋涂厚度为40μm的聚二甲基硅氧烷，用刀片刮平聚二甲基硅氧烷表面，80℃下2小时进行固化，形成弹性聚合物层，丙酮去除光刻胶后，在弹性聚合物层上得到直径为30μm的弹性聚合物通孔结构。
第四步，在第三步得到的弹性聚合物通孔结构中以电铸工艺制得弹性聚合物金属结构；
电铸金属铜形成弹性聚合物金属结构，高度40μm。
第五步，在弹性聚合物层上溅射第二金属种子层，然后在第二金属种子层上涂覆光刻胶，通过光刻和电铸工艺制备金属电路层；
在弹性聚合物层上溅射20nm的第二金属种子层，旋涂2μm厚的正胶AZ4620，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光50秒，显影60秒，然后电铸厚度2μm、宽度5μm的金属铜电路引线，电铸时间10分钟，形成金属电路层。
第六步，在金属电路层和第二金属种子层上涂覆光刻胶，通过光刻和电铸工艺制备金属探针结构；
旋涂30μm厚的正性光刻胶，然后电铸30μm高的金属镍探针，形成属探针结构。
第七步，去除裸露的第一金属种子层和第二金属种子层，最后与印刷电路板进行贴装，得到基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡；
采用氩等离子体刻蚀的方法去除第一金属种子层、第二金属种子层，制得基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡。
上述三个实施例具体为：
基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡的制备方法，采用背面引线的方法，包括以下步骤：
第一步，在基片上打基片通孔；
第二步，在第一步中得到的基片通孔中电铸基片金属结构，并在基片背面溅射第一金属种子层；
第三步，在基片正面涂覆弹性基底材料形成弹性聚合物层，并在弹性聚合物层上制备弹性聚合物通孔结构；
第四步，在第三步得到的弹性聚合物通孔结构中以电铸工艺制得弹性聚合物金属结构；
第五步，在弹性聚合物层上溅射第二金属种子层，然后在第二金属种子层上涂覆光刻胶，通过光刻和电铸工艺制备金属电路层；
第六步，在金属电路层和第二金属种子层上涂覆光刻胶，通过光刻和电铸工艺制备金属探针结构；
第七步，去除裸露的第一金属种子层和第二金属种子层，最后与印刷电路板进行贴装，得到基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡。
进一步地，所述的基片是指：陶瓷片、PCB片或者硅片。
进一步地，所述的打孔方式是指：激光打孔、深反应离子刻蚀通孔或者机械钻孔。
进一步地，所述的基片通孔和弹性聚合物通孔结构是指直径为30-200μm的通孔。
进一步地，所述的电铸基片金属结构和弹性聚合物金属结构材料是指金属铜或者镍。
进一步地，所述的第一金属种子层是指厚度为50-200nm的金属。
进一步地，所述的弹性聚合物层材料是指聚二甲基硅氧烷。
进一步地，所述的弹性聚合物层的厚度为40-250μm。
进一步地，所述的第二金属种子层是指厚度为20-200nm的铬/铜金属。
进一步地，所述的金属电路层的厚度为2-10μm，线宽为5-100μm。
进一步地，所述的金属电路层材料为金属铜或镍。
进一步地，所述的金属探针结构高度为30-100μm。
进一步地，所述的第一层金属探针材料为金属铜或镍。
根据本实施例的另一个方面，利用上述方法制备得到的基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡，包括基片、设置于基片上的基片通孔、设置于基片通孔内的基片金属结构、设置于基片背面的第一金属种子层、设置于基片正面的弹性聚合物层、设置于弹性聚合物层上的弹性聚合物通孔结构、设置于弹性聚合物通孔结构内的弹性聚合物金属结构、设置于弹性聚合物层裸露面上的第二金属种子层、设置于第二金属种子层裸露面上的金属电路层以及设置于金属电路层上的金属探针结构。
进一步地，所述的基片通孔和弹性聚合物通孔结构的位置相对应。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡的制备方法，其特征在于，采用背面引线的方法，包括以下步骤：
第一步，在基片上打基片通孔；
第二步，在第一步中得到的基片通孔中电铸基片金属结构，并在基片背面溅射第一金属种子层；
第三步，在基片正面涂覆弹性基底材料形成弹性聚合物层，并在弹性聚合物层上制备弹性聚合物通孔结构；
第四步，在第三步得到的弹性聚合物通孔结构中以电铸工艺制得弹性聚合物金属结构；
第五步，在弹性聚合物层上溅射第二金属种子层，然后在第二金属种子层上涂覆光刻胶，通过光刻和电铸工艺制备金属电路层；
第六步，在金属电路层和第二金属种子层上涂覆光刻胶，通过光刻和电铸工艺制备金属探针结构；
第七步，去除裸露的第一金属种子层和第二金属种子层，最后与印刷电路板进行贴装，得到基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡。
2.根据权利要求1所述的基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡的制备方法，其特征在于，所述基片材料为陶瓷片、PCB片或硅片；所述基片通孔通过激光打孔、深反应离子刻蚀通孔或机械钻孔的方式制备；所述基片通孔的孔径为30-200μm；所述基片金属结构为金属铜或镍。
3.根据权利要求1所述的基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡的制备方法，其特征在于，所述弹性聚合物通孔结构通过激光打孔、深反应离子刻蚀或光刻胶牺牲层图形化的方式制备；所述弹性聚合物通孔结构的孔径为30-200μm；所述弹性聚合物金属结构材料为金属铜或镍。
4.根据权利要求1所述的基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡的制备方法，其特征在于，所述第一金属种子层厚度为50-200nm。
5.根据权利要求1所述的基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡的制备方法，其特征在于，所述第二金属种子层材料为金属铜或铬；第二金属种子层厚度为20-200nm。
6.根据权利要求1所述的基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡的制备方法，其特征在于，所述弹性聚合物层材料为聚二甲基硅氧烷；弹性聚合物层厚度为40-250μm。
7.根据权利要求1所述的基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡的制备方法，其特征在于，所述金属电路层材料为金属铜或镍，金属电路层的厚度为2-10μm，线宽为5-100μm。
8.根据权利要求1所述的基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡的制备方法，其特征在于，构成所述金属探针结构的金属探针材料为金属铜或镍；金属探针结构高度为30-100μm。
9.利用权利要求1至8中任一项所述的基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡的制备方法得到的基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡，其特征在于，包括基片、设置于基片上的基片通孔、设置于基片通孔内的基片金属结构、设置于基片背面的第一金属种子层、设置于基片正面的弹性聚合物层、设置于弹性聚合物层上的弹性聚合物通孔结构、设置于弹性聚合物通孔结构内的弹性聚合物金属结构、设置于弹性聚合物层裸露面上的第二金属种子层、设置于第二金属种子层裸露面上的金属电路层以及设置于金属电路层上的金属探针结构。
10.根据权利要求9所述的基于弹性基底和背面引线的微机电系统探针卡，其特征在于，所述基片通孔和弹性聚合物通孔结构的位置相对应。
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