CN114472920B - 一种用于探针卡的探针的加工方法 - Google Patents

一种用于探针卡的探针的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于探针卡的探针的加工方法，涉及晶圆检测设备领域。其包括：(1)提供/制备合金粉末；(2)通过软件将预先设计的探针的三维图进行切片；(3)将所述合金粉末加载至3D打印机内，并采用所述合金粉末逐层打印所述切片，形成用于探针卡的探针。本发明采用3D打印成型探针，其成本低、工艺简单，可快速实现批量加工。且该加工方法可提升成品探针的尺寸精度。

Description

一种用于探针卡的探针的加工方法
技术领域
本发明涉及晶圆检测设备领域，尤其涉及一种用于探针卡的探针的加工方法。
背景技术
随着半导体微纳加工技术的进步和大尺寸晶圆的量产，一个晶圆可制作出成千上万个芯片。为了快速地筛选出不良芯片，通常采用多管芯测试并行技术进行检测，探针卡是该技术的核心部件，利用探针卡的探针与芯片上的焊垫或凸块直接接触，获得相应的芯片信息，并与配套的软件仪器控制达到全自动检测晶圆。显而易见，探针的质量严重影响着芯片检测的准确性。
传统的探针加工方法使用光刻、腐蚀、电铸、封装等工艺对探针进行加工。其中，光刻工艺中存在设备成本高、工序多等缺点；腐蚀工艺中存在各向异性差、损伤探针等缺点；电铸工艺易受阴极电流密度、添加剂含量、电铸液的成分配比和PH值等因素影响。此外，目前探针多采用镍基合金，其存在硬度低、使用寿命较短等问题；封装工艺中镍在划切时受力易变形，严重影响测试精度甚至导致探针损坏。综上所述，传统的探针加工方法存在成本高、工艺复杂、易受环境污染和特殊结构的加工难度大等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于探针卡的探针的加工方法，其工艺简单，成本低，可快速批量加工。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种用于探针卡的探针。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于探针卡的探针的加工方法，其包括：
(1)提供/制备合金粉末；
(2)通过软件将预先设计的探针的三维图进行切片；
(3)将所述合金粉末加载至3D打印机内，并采用所述合金粉末逐层打印所述切片，形成用于探针卡的探针。
需要说明的是，上述步骤(1)和步骤(2)不分先后。
具体的，本发明中的3D打印工艺为激光选取熔化工艺，但不限于此。
进一步的，还包括下述步骤：
(4)对探针进行后处理；
所述后处理包括清理余粉、热处理、表面处理。其中，表面处理为手工抛光、喷砂、数控磨削、电解抛光、激光抛光、化学抛光、磨料流加工中的一种或多种。
作为上述技术方案的改进，所述合金粉末选用钛合金粉末、镍基合金粉末、铁基合金粉末中的一种或多种。
作为上述技术方案的改进，所述合金粉末选用钛合金粉末，其以重量百分比计的化学成分为：
Fe 0.1～0.2％，C 0.05～0.15％，N 0.01～0.02％，H≤0.015％，O 0.1～0.5％，Al6～8.5％，V 4～6％，余量为Ti。
作为上述技术方案的改进，所述合金粉末选用铁基合金粉末，其以重量百分比计的化学成分为：
Cr 16～18％，Ni 10～14％，C 0.02～0.05％，Si 1～3％，Mn 0.5～1％，S≤0.03％，余量为Fe。
作为上述技术方案的改进，所述合金粉末选用镍基合金粉末，其以重量百分比计的化学成分为：
Ni 43～45％，Cr 19～22％，Mo 4～6％，Al 1.5～3％，Ti 1.5～4％，Nb 2～3％，Mn 1～3％，P≤0.05％，S≤0.01％，余量为Fe。
基于上述配比的镍基合金，提升了r”和r’相的尺寸，在维持较高弹性模量的同时提高了晶内硬度，进而提升了探针卡的使用寿命。
作为上述技术方案的改进，所述合金粉末的粒径为15～45μm。合金粉末颗粒的粒径小于15μm时，颗粒主要受范德华力影响，合金粉末很难铺满足够的填充密度，且太小的合金粉末颗粒表面的静电会使合金粉末聚集起来，影响铺粉的均匀性。当合金粉末的粒径＞45μm时，堆垛后合金粉末之间接触面积较小，合金粉末之间的热传导、热辐射也减弱，降低了导热系数，影响成品探针的性能参数。
作为上述技术方案的改进，步骤(3)中，单层打印层的厚度为10～20μm。
作为上述技术方案的改进，所述合金粉末的制备方法为：
(1)按照配比准备各种原料，并熔炼得到合金液；
(2)将所述合金液通过氩气雾化制粉，得到合金粉末。
基于上述制备方法，制备得到的合金粉末为球形。
相应的，本发明还公开了一种用于探针卡的探针，其由上述的加工方法加工而得。
作为上述技术方案的改进，其一端设有倾角，所述倾角的角度为20～70°
实施本发明，具有以下有益效果：
1，本发明的用于探针卡的探针的加工方法，采用3D打印成型探针，其成本低、工艺简单，可快速实现批量加工。且可提升探针的尺寸精度，并使得制造结构自由化。
2，本发明采用特定成分的合金粉末加工探针，所得探针硬度高，尺寸精度高，使用寿命长。
附图说明
图1是本发明各实施例中探针的结构示意图；
图2是本发明各实施例中探针尖端的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述。
需要说明的是，下述实施例中探针的结构如图1、图2所示，各实施例的不同仅在于，探针尖端倾角A的值不同。
实施例1
本实施例提供一种用于探针卡的探针的加工方法，其包括如下步骤：
步骤一：三维建模及其切片化处理
(1.1)通过建模软件(SolidWorks)对探针进行三维建模，输出为STL格式文件。探针模型高度120μm，探针尖端的倾角为45°。
(1.2)通过切片软件(Materialise Magics)对步骤(1)所得文件进行编辑，实现三维模型的二维切片，输出得到SLI二维切片数据文档；
步骤二：提供钛基合金(TC4)球形粉末，其D97＝50μm，D10＝20μm。
步骤三：激光逐层打印
(3.1)将步骤(1.2)输出的SLI二维切片数据导入激光选区熔化打印设备控制程序中，然后逐层打印，其中单层打印层厚设置为10μm，并使用步骤(1)所得高质量的球形金属粉末作为探针材质，依次进行激光预烧结，铺粉，激光烧结，铺粉，激光烧结等循环工艺，直至完成预设模型的打印方可停止；
步骤四：探针后处理
(4.1)使用气枪将步骤二成形的探针构件及成形基板上进行余粉处理，回收的金属粉末可以重复利用；
(4.2)将步骤(4.1)所得的样品放置真空热处理炉进行退火处理，退火温度为950℃，退火时间为2h；
(4.3)使用电解抛光技术对步骤(4.2)所得的样品对探针表面进行抛光处理，即所得一种用于探针卡的探针。
上述加工方法制备的探针的弹性模量为120GPa，维氏硬度约为350HV。
实施例2
本实施例提供一种用于探针卡的探针的加工方法，其包括如下步骤：
步骤一：三维建模及其切片化处理
(1.1)通过建模软件(SolidWorks)对探针进行三维建模，输出为STL格式文件。探针模型高度120μm，探针尖端的倾角为45°。
(1.2)通过切片软件(Materialise Magics)对步骤(1)所得文件进行编辑，实现三维模型的二维切片，输出得到SLI二维切片数据文档；
步骤二：合金粉末的制备
(2.1)按照合金粉末配方准备各种原料，并熔炼为合金液；
其中，合金粉末配方为：
Fe 0.12％，C 0.12％，N 0.01％，H 0.005％，O 0.2％，Al 7.7％，V 4.6％，余量为Ti。
(2.2)将合金液在氩气气氛中雾化制粉，得到合金粉末。
基于上述工艺制备得到的合金粉末的微观形貌为球形，其D99＝50μm，D10＝25μm；
步骤三：激光逐层打印
(3.1)将步骤(1.2)输出的SLI二维切片数据导入激光选区熔化打印设备控制程序中，然后逐层打印，其中单层打印层厚设置为10μm，并使用步骤(1)所得高质量的球形金属粉末作为探针材质，依次进行激光预烧结，铺粉，激光烧结，铺粉，激光烧结等循环工艺，直至完成预设模型的打印方可停止；
步骤四：探针后处理
(4.1)使用气枪将步骤二成形的探针构件及成形基板上进行余粉处理，回收的金属粉末可以重复利用；
(4.2)将步骤(4.1)所得的样品放置真空热处理炉进行退火处理，退火温度为950℃，退火时间为2h；
(4.3)使用电解抛光技术对步骤(4.2)所得的样品对探针表面进行抛光处理，即所得一种用于探针卡的探针。
上述加工方法制备的材质为TC4钛合金探针的弹性模量为142GPa，维氏硬度约为320HV。
实施例3
本实施例提供一种用于探针卡的探针的加工方法，其包括如下步骤：
步骤一：三维建模及其切片化处理
(1.1)通过建模软件(SolidWorks)对探针进行三维建模，输出为STL格式文件。探针模型高度120μm，探针尖端的倾角为45°。
(1.2)通过切片软件(Materialise Magics)对步骤(1)所得文件进行编辑，实现三维模型的二维切片，输出得到SLI二维切片数据文档；
步骤二：提供钛基合金(In625)球形粉末，其D99＝40μm，D10＝20μm。
步骤三：激光逐层打印
(3.1)将步骤(1.2)输出的SLI二维切片数据导入激光选区熔化打印设备控制程序中，然后逐层打印，其中单层打印层厚设置为10μm，并使用步骤(1)所得高质量的球形金属粉末作为探针材质，依次进行激光预烧结，铺粉，激光烧结，铺粉，激光烧结等循环工艺，直至完成预设模型的打印方可停止；
步骤四：探针后处理
(4.1)使用气枪将步骤二成形的探针构件及成形基板上进行余粉处理，回收的金属粉末可以重复利用；
(2)将步骤(4.1)所得的样品放置真空热处理炉进行退火处理，退火温度为1100℃，退火时间为2h；
(4.3)使用电解抛光技术对步骤(4.2)所得的样品对探针表面进行抛光处理，即所得一种用于探针卡的探针。
上述加工方法制备的探针的弹性模量为180GPa，维氏硬度约为300HV。
实施例4
本实施例提供一种用于探针卡的探针的加工方法，其包括如下步骤：
步骤一：三维建模及其切片化处理
(1.1)通过建模软件(SolidWorks)对探针进行三维建模，输出为STL格式文件。探针模型高度120μm，探针尖端的倾角为45°。
(1.2)通过切片软件(Materialise Magics)对步骤(1)所得文件进行编辑，实现三维模型的二维切片，输出得到SLI二维切片数据文档；
步骤二：合金粉末的制备
(2.1)按照合金粉末配方准备各种原料，并熔炼为合金液；
其中，合金粉末配方为：
Ni 38％，Cr 21.5％，Mo 4.5％，Al 1.4％，Ti 1.8％，Nb 2.5％，Mn 1.6％，P0.005％,S 0.008％，余量为Fe。
(2.2)将合金液在氩气气氛中雾化制粉，得到合金粉末。
基于上述工艺制备得到的合金粉末的微观形貌为球形，其D99＝40μm，D10＝20μm；
步骤三：激光逐层打印
(3.1)将步骤(1.2)输出的SLI二维切片数据导入激光选区熔化打印设备控制程序中，然后逐层打印，其中单层打印层厚设置为10μm，并使用步骤(1)所得高质量的球形金属粉末作为探针材质，依次进行激光预烧结，铺粉，激光烧结，铺粉，激光烧结等循环工艺，直至完成预设模型的打印方可停止；
步骤四：探针后处理
(4.1)使用气枪将步骤二成形的探针构件及成形基板上进行余粉处理，回收的金属粉末可以重复利用；
(2)将步骤(4.1)所得的样品放置真空热处理炉进行退火处理，退火温度为1000℃，退火时间为2h；
(4.3)使用电解抛光技术对步骤(4.2)所得的样品对探针表面进行抛光处理，即所得一种用于探针卡的探针。
上述加工方法制备的探针的弹性模量为175GPa，维氏硬度约为386HV。
实施例5
本实施例提供一种用于探针卡的探针的加工方法，其包括如下步骤：
步骤一：三维建模及其切片化处理
(1.1)通过建模软件(SolidWorks)对探针进行三维建模，输出为STL格式文件。探针模型高度120μm，探针尖端的倾角为45°。
(1.2)通过切片软件(Materialise Magics)对步骤(1)所得文件进行编辑，实现三维模型的二维切片，输出得到SLI二维切片数据文档；
步骤二：合金粉末的制备
(2.1)按照合金粉末配方准备各种原料，并熔炼为合金液；
其中，合金粉末配方为：
Ni 38％，Cr 21.5％，Mo 5.5％，Al 2.5％，Ti 1.8％，Nb 2.5％，Mn 1.6％，P0.005％,S 0.008％，余量为Fe。
(2.2)将合金液在氩气气氛中雾化制粉，得到合金粉末。
基于上述工艺制备得到的合金粉末的微观形貌为球形，其D99＝40μm，D10＝20μm；
步骤三：激光逐层打印
(3.1)将步骤(1.2)输出的SLI二维切片数据导入激光选区熔化打印设备控制程序中，然后逐层打印，其中单层打印层厚设置为10μm，并使用步骤(1)所得高质量的球形金属粉末作为探针材质，依次进行激光预烧结，铺粉，激光烧结，铺粉，激光烧结等循环工艺，直至完成预设模型的打印方可停止；
步骤四：探针后处理
(4.1)使用气枪将步骤二成形的探针构件及成形基板上进行余粉处理，回收的金属粉末可以重复利用；
(2)将步骤(4.1)所得的样品放置真空热处理炉进行退火处理，退火温度为1000℃，退火时间为2h；
(4.3)使用电解抛光技术对步骤(4.2)所得的样品对探针表面进行抛光处理，即所得一种用于探针卡的探针。
上述加工方法制备的探针的弹性模量为180GPa，维氏硬度约为400HV。
综上所述，本发明提供的用于探针卡的探针的加工方法，通过三维建模、模型切片处理、球形合金粉末制备、激光选区熔化成形、后处理等工艺加工出材质个性化、硬度高、尺寸精度高、能实现特殊结构、使用寿命长的探针；本发明的加工方法具备成本低、工艺简单，快速实现批量加工等优势，可根据实际测量要求对探针的材质、尺寸、结构进行良好的匹配，进而精准、高效地筛选出不良芯片，进而提高产品良率。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种用于探针卡的探针的加工方法，其特征在于，包括：
(1)提供/制备合金粉末；
(2)通过软件将预先设计的探针的三维图进行切片；
(3)将所述合金粉末加载至3D打印机内，并采用所述合金粉末逐层打印所述切片，形成用于探针卡的探针；
其中，所述合金粉末选用钛合金粉末、镍基合金粉末、铁基合金粉末中的一种或多种；
所述钛合金粉末以重量百分比计的化学成分为：
Fe 0.1～0.2％，C 0.05～0.15％，N 0.01～0.02％，H≤0.015％，O 0.1～0.5％，Al6～8.5％，V 4～6％，余量为Ti；
所述铁基合金粉末以重量百分比计的化学成分为：
Cr 16～18％，Ni 10～14％，C 0.02～0.05％，Si 1～3％，Mn 0.5～1％，S≤0.03％，余量为Fe；
所述镍基合金粉末以重量百分比计的化学成分为：
Ni 30～45％，Cr 19～22％，Mo 4～6％，Al 1.5～3％，Ti 1.5～4％，Nb 2～3％，Mn 1～3％，P≤0.05％，S≤0.01％，余量为Fe。
2.如权利要求1所述的用于探针卡的探针的加工方法，其特征在于，所述合金粉末以重量百分比计的化学成分为：
Fe 0.12％，C 0.12％，N 0.01％，H 0.005％，O 0.2％，Al 7.7％，V 4.6％，余量为Ti。
3.如权利要求1所述的用于探针卡的探针的加工方法，其特征在于，所述合金粉末以重量百分比计的化学成分为：
Ni 38％，Cr 21.5％，Mo 4.5％，Al 1.4％，Ti 1.8％，Nb 2.5％，Mn 1.6％，P 0.005％，S 0.008％，余量为Fe。
4.如权利要求1所述的用于探针卡的探针的加工方法，其特征在于，所述合金粉末以重量百分比计的化学成分为：
Ni 38％，Cr 21.5％，Mo 5.5％，Al 2.5％，Ti 1.8％，Nb 2.5％，Mn 1.6％，P 0.005％，S 0.008％，余量为Fe。
5.如权利要求1所述的用于探针卡的探针的加工方法，其特征在于，所述合金粉末的粒径为15～45μm。
6.如权利要求1所述的用于探针卡的探针的加工方法，其特征在于，步骤(3)中，单层打印层的厚度为10～20μm。
7.如权利要求1所述的用于探针卡的探针的加工方法，其特征在于，所述合金粉末的制备方法为：
(1)按照配比准备各种原料，并熔炼得到合金液；
(2)将所述合金液通过氩气雾化制粉，得到合金粉末。
8.一种用于探针卡的探针，其特征在于，其由如权利要求1～7任一项所述的加工方法加工而得。
9.如权利要求8所述的用于探针卡的探针，其特征在于，所述探针的一端设有倾角，所述倾角的角度为20°～70°。
10.如权利要求8所述的用于探针卡的探针，其特征在于，所述探针的一端设有倾角，所述倾角的角度为45°。
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