CN115308457B - 用于高低温测试的探针卡制作方法及探针卡 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种用于高低温测试的探针卡制作方法及探针卡，应用于半导体测试技术领域，包括：步骤1：根据晶圆的热膨胀系数，确定晶圆在高温、常温和低温下的尺寸变化数据；步骤2：根据晶圆的测试温度，确定晶圆处于测试温度时，探针卡的测试零部件的工作温度；步骤3：根据工作温度，以及尺寸变化数据，确定测试零部件的材料，得到用于高低温测试的探针卡。与现有技术相比，本申请根据晶圆的热膨胀系数和测试温度，改善探针卡的高低温特性，使得探针卡可以应用在高低温状态下的晶圆检测，具有通用性。
Description
技术领域
本申请涉及半导体测试技术领域，具体涉及一种用于高低温测试的探针卡制作方法及探针卡。
背景技术
在半导体晶圆测试阶段，需要对晶圆上的未封装芯片进行测试，测试过程中会用到探针卡，探针卡完成晶圆焊盘或凸点到测试机的电气连接，然后通过测试机完成晶圆芯片的性能量测，并完成对晶圆的筛选分类，剔除不符合设计要求的芯片。探针卡所用的探针尺寸，即横截面，通常只有几十微米(μm)，例如当前最小有效直径在30μm，晶圆上的焊盘或凸点尺寸也在几十微米至几百微米不等，目前最小等效尺寸基本在45μm，这么小尺寸的探针要完成晶圆和测试的电气连接，就要求测试系统具有很高的稳定性和很高的对位精度。
但是，晶圆测试中在高低温状态下，探针卡会发生热胀冷缩，由于探针卡和晶圆的热膨胀系数及温度不一致，使得探针卡的晶圆发生热胀冷缩的程度不一样，最终使得探针和晶圆凸点或焊盘无法精准对位。
并且，热胀冷缩的影响与探针卡的测试区域尺寸是正相关的，热胀冷缩其实是一种累计效应，尺寸越大，累计形变量也越大。如果一张探针卡无法支撑高温、低温和常温的三温测试，就必须定制分别针对这三温的探针卡，导致研发成本显著上升。一般情况下常温为25度，高温为125度，低温为-40度，高温最高可到155度，低温最低可到-55度。
因此，需要一种新的探针卡的制作方法，可以补偿、减缓和抵消高低温对材料热胀冷缩的影响的技术方案。
发明内容
有鉴于此，本说明书实施例提供一种用于高低温测试的探针卡制作方法及探针卡，根据晶圆的热膨胀系数和测试温度，改善探针卡的高低温特性，使得探针卡可以应用在高低温状态下的晶圆测试，具有通用性。
本说明书实施例提供以下技术方案：
本说明书实施例提供一种用于高低温测试的探针卡制作方法，包括：
步骤1：根据晶圆的热膨胀系数，确定晶圆在高温、常温和低温下的尺寸变化数据；
步骤2：根据晶圆的测试温度，确定晶圆处于测试温度时，探针卡的测试零部件的工作温度；
步骤3：根据工作温度，以及尺寸变化数据，确定测试零部件的材料，得到用于高低温测试的探针卡。
在一种可选的实施方式中，还包括：
步骤4：对由测试零部件组成的探针卡进行结构优化，得到用于高低温测试的探针卡。
在一种可选的实施方式中，测试零部件，包括以下至少一种：探针导板、正面支撑件及连接柱、有机基板和背部支撑件。
在一种可选的实施方式中，在步骤2之前，还包括：
步骤201：根据晶圆的热膨胀系数，确定探针卡的测试零部件的热膨胀系数。
在一种可选的实施方式中，步骤4，包括：
步骤401：对测试零部件进行优化；
步骤402：对有机基板的材料和pin map的尺寸进行调整；
步骤403：对探针卡的探针的针尖进行优化。
在一种可选的实施方式中，步骤401，包括：
步骤4011：根据晶圆测试时探针卡的各个测试零部件之间的温度梯度，增加背部支撑件的厚度；
步骤4012：根据正面支撑件在温度升高和温度降低对连接柱施加的压力，增加对连接柱的粗度；
步骤4013：根据探针卡的温度梯度，增大正面支撑件中间区域的尺寸。
在一种可选的实施方式中，步骤402，包括：
步骤4021：根据晶圆的热膨胀系数，调整有机基板的材料；
步骤4022：根据高温和低温下pin map的位置坐标，对pinmap的尺寸进行调整。
在一种可选的实施方式中，步骤4022，包括：根据pin map在高温下的第一位置坐标和pin map在低温下的第二位置坐标，确定pin map的设计位置坐标。
在一种可选的实施方式中，步骤403，包括：根据晶圆凸点的尺寸，对针尖的尺寸进行缩小处理。
本说明书实施例还提供一种探针卡，使用上述的用于高低温测试的探针卡制作方法制作。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：根据晶圆的热膨胀系数和测试温度，改善探针卡的高低温特性，使得探针卡可以应用在高低温状态下的晶圆检测，具有通用性；满足高温、常温和低温三种温度的测试要求的晶圆测试；探针卡可以支持更大的温度范围进行晶圆测试；降低晶圆测试成本，一张探针卡可以支持高温、常温和低温三种温度的晶圆测试。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本申请中的一种晶圆测试系统的结构示意图；
图2是本申请中的一种探针与晶圆对位的示意图；
图3是本申请中的另一种探针与晶圆对位的示意图；
图4是本申请中的一种探针卡的示意图；
图5是本申请中的一种探针卡优化的示意图；
图6是本申请中的一种pin map的示意图；
图7是本申请中的一种pin map的局部放大示意图；
图8是本申请中的一种针尖优化的示意图；
图9是本申请中的一种探针导板的示意图；
图10是本申请中的一种探针导板的示意图；
图11是本申请中的另一种探针导板的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践。
如图1所示，晶圆测试系统包括：测试机、探针卡、探针台晶圆承载台和晶圆，其中，探针卡由印刷电路板、有机基板和探针组成。在进行晶圆测试时，晶圆处于高温或者低温状态时，探针卡会发生热胀冷缩，由于探针卡和晶圆的热膨胀系数(Coefficient of ThermalExpansion，CTE)及温度不一致，导致探针卡与晶圆发生热胀冷缩的程度不同，最终使得探针和晶圆凸点或者焊盘无法进行精准对位。并且热胀冷缩的影响与探针卡的测试区域尺寸是正相关的，热胀冷缩其实是一种累计效应，尺寸越大，累计形变量也越大。
如图2所示，在常温状态下进行晶圆测试时，探针头上的探针可以与晶圆凸点进行正常对位，不会出现对位不准或者滑落的状态，但是，如图3所示，在高温或者低温的状态下进行晶圆测试时，由于晶圆和探针卡都会发生热胀冷缩，但是探针卡与晶圆的热胀冷缩的程度不同，因此会出现探针与晶圆凸点对位异常的情况。
因此，若是一张探针卡无法支撑在高温、低温和常温三种情况下的晶圆测试，就需要针对高温、低温和常温分别制作对应的探针卡，导致研发成本上升。
有鉴于此，发明人通过对各类网站、网页结构及其页面信息，以及对各种提取方案进行深入研究及改进探索，发现可以通过优化探针卡的制作方法，以实现补偿、减缓和抵消高温和低温对材料热胀冷缩的影响，实现探针卡高温、低温和常温的三温测试。
基于此，本说明书实施例提出了一种处理方案：根据晶圆的CTE和测试温度，对探针卡的制作进行优化，是探针卡与晶圆的尺寸变化相适应。
以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。
本说明书实施例提供一种用于高低温测试的探针卡制作方法，包括：
步骤1：根据晶圆的热膨胀系数，确定晶圆在高温、常温和低温下的尺寸变化数据。
具体地，首先对晶圆的热膨胀系数(CTE)进行评估，以对探针卡的优化提供优化依据。根据晶圆的CTE以及晶圆在高温、常温和低温下的尺寸变化数据，调整探针卡的制作。
可知的是，晶圆的CTE受到晶圆的制造工艺和材料的影响，晶圆的半导体材料已经经过三代的变化，具体的，第一代半导体是20世纪50年代以来使用的硅(Si)和锗(Ge)，晶圆的晶片尺寸大，线条宽度窄，适用于大规模集成电路；第二代半导体是20世纪90年代以来使用的磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs)，晶圆的电子迁移率高、禁带宽度较大，适用于高频及无线通信领域；近年来出现的第三代半导体，使用碳化硅(SiC)、氮镓(GaN)、氧化锌(ZnO)和氮化铝(AIN)，晶圆的禁带宽度更宽，适用于抗辐射、高频和大功率电子器件，经过三代变化，晶圆的半导体材料由Si和Ge，发展到SiC和GaN等，由于不同的生产工艺采用不同的生产技术，不同的生产材料对应不同的CTE，因此，探针卡的设计需要根据晶圆进行响应调整。
示例性的，单晶硅的热膨胀系数为2.5×10-6/℃，而碳化硅的热膨胀系数为4.5×10-6/℃，如果100mm的材料温度从25℃升至125℃，则单晶硅尺寸增加25μm，而碳化硅尺寸增加45μm。这种差异对于晶圆级测试是不被允许的。因此，需要根据晶圆对探针卡进行调整。
步骤2：根据晶圆的测试温度，确定晶圆处于测试温度时，探针卡的测试零部件的工作温度。
具体地，根据晶圆的测试温度，评估探针卡的测试零部件在晶圆处于测试温度时的工作温度。评估探针卡的测试零部件的CTE及这些测试零部件所处的温度，需要选取最接近晶圆CTE的材料。
优选地，测试零部件，包括以下至少一种：探针导板、正面支撑件及连接柱、有机基板和背部支撑件。
如图4所示，标识出了探针卡上具有较大影响的测试零部件，主要包括探针导板、正面支撑件及连接柱、有机基板和背部支撑件，还有印刷电路板。这些测试零部件的CTE如果差异较大，也很难匹配晶圆测试，无法支持晶圆测试。例如，铁件的CTE为12.2×10-6/℃，而铝件的CTE为23.2×10-6/℃，如果100mm的材料温度从25升至75度，则铁件尺寸增加61um，而铝件尺寸增加116um。这种差异对于晶圆级测试是不被允许的。
优选地，在步骤2之前，还包括：步骤201：根据晶圆的热膨胀系数，确定探针卡的测试零部件的热膨胀系数。以保证探针卡的测试零部件的CTE与晶圆的CTE相适配，避免发生探针卡与晶圆对位不准的情况发生。
步骤3：根据工作温度，以及尺寸变化数据，确定测试零部件的材料，得到用于高低温测试的探针卡。
具体地，根据上述得到的晶圆的测试温度，将探针卡放置于处于测试温度的探针台晶圆承载台上，确定探针卡的各个测试零部件的工作温度，得到探针卡的温度梯度，然后根据工作温度和温度梯度，确定各个测试零部件的在高温、常温和低温状态下的尺寸变化，以用来确定各个测试零部件的材料，以使在高温、常温和低温状态下进行晶圆测试时，探针卡与晶圆的尺寸变化相适配，避免发生对位不准的情况。
进一步地，本说明书实施例提供一种用于高低温测试的探针卡制作方法，还包括：步骤4：对由测试零部件组成的探针卡进行结构优化，得到用于高低温测试的探针卡。
可知的是，为了使探针卡的调整更加有效，还需要对由测试零部件组成的探针卡进行结构优化，得到用于高低温测试的探针卡。
具体地，步骤4，包括：步骤401：对测试零部件进行优化；步骤402：对有机基板的材料和pin map(引脚分布图)的尺寸进行调整；步骤403：对探针卡的探针的针尖进行优化。
其中，步骤401，包括：步骤4011：根据晶圆测试时探针卡的各个测试零部件之间的温度梯度，增加背部支撑件的厚度；步骤4012：根据正面支撑件在温度升高和温度降低对连接柱施加的压力，增加对连接柱的粗度；步骤4013：根据探针卡的温度梯度，增大正面支撑件中间区域的尺寸。
如图5所示，步骤401主要有三个措施：加厚背部支撑件，由于晶圆测试时存在温度梯度，背部支撑件的温度(T1)最低，示例性的，T1＝55摄氏度，正面支撑件及连接柱处的温度(T2)高于背部支撑件的温度，示例性的，T2＝75摄氏度，加厚该部分可以增加稳定性；加粗正面连接柱，增加连接柱的稳定性，温度升高或温度降低之后，正面支撑件对连接柱有施加压力，示例性的为支撑力，或向中间拉伸，或向四周挤压，增加该部分稳定性可以对探针区域起到约束作用，减缓形变量；增大正面支撑件中间区域的尺寸，该措施目的是改善探针卡的温度梯度，使温度传递不以直接接触而是尽量以热对流方式进行，使得温度降低的更快，从而使有机基板和正面支撑件的温度更低，从而使得热胀冷缩影响降低。
其中，步骤402，包括：步骤4021：根据晶圆的热膨胀系数，调整有机基板的材料；步骤4022：根据高温和低温下pin map的位置坐标，对pin map的尺寸进行调整。
进一步地，步骤4022，包括：根据pin map在高温下的第一位置坐标和pin map在低温下的第二位置坐标，确定pin map的设计位置坐标。
具体地，首先需要确定合适的CTE，一般选取CTE最接近晶圆的材料，有机基板一般很难满足，使用改善材料制造的陶瓷基板是可以满足要求的；其次，对pin位置尺寸进行温度补偿，该补偿过程需要兼顾高温(T3)和低温(T4)，实际设计的pin位置坐标应该转换为(T3+T4)/2温度下的坐标，但如果不同温度下的CTE不一样，则还需换算，此处为方便描述，假定CTE为常量，这样可以使设计的尺寸坐标在经过高温和低温时的形变量一致，这样最大程度同时保证高温和低温两种情况。
如图6和图7所示，设计时参照坐标为中心点，其中图7为图6的左上角截图，包括：设计位置、高温(T3)时的第一位置和低温(T4)时的第二位置，其中，设计位置表示温度为((T3+T4)/2)时的位置，使探针可以兼顾高温、常温和低温情况下的晶圆测试。
更进一步地，步骤403，包括：根据晶圆凸点的尺寸，对针尖的尺寸进行缩小处理。
如图8所示，当探针卡中的探针处于上下尺寸相同的情况时，当处于常温时，探针与晶圆凸点的对位正常，但是由于温度变化，探针依然可能出现侧滑的情况，因此，为了避免探针侧滑，可以根据晶圆凸点的尺寸，对针尖的尺寸进行缩小处理。
具体地，热胀冷缩效应会使探针和晶圆对位更加困难，探针更加容易滑落。为了使探针在扎晶圆焊盘或凸起时不容易发生滑动，对针尖进行微调，缩小针尖尺寸有助于减少针尖的滑落。
再进一步地，本说明书实施例中还对探针导板进行优化，如图9所示，包括：印刷电路板、有机基板、探针导板和晶圆，其中，探针导板包括探针上导板和探针下导板，考虑到有机基板和晶圆的CTE差异较大情况时，万一找不到匹配CTE的有机基板材料，则会存在严重问题，因此可以对探针导板的CTE进行调整。
如图10所示，根据步骤402中对于有机基板pin map的调整，可以对CTE进行补偿，本申请中对于探针导板采取类似的处理，探针导板上为了将探针装入，一般会在上导板和下导板上打孔，该孔可以为圆形孔或方形孔。在一般的设计中探针上导板和下导板的打孔坐标和尺寸是完全一样的，但是在本申请中为了能够让探针完成晶圆和有机基板之间的有效接触，这里考虑到晶圆和有机基板的CTE差异问题，对探针下导板进行调整。
如图11所示，对探针下导板进行的调整包括：选取的探针上导板的CTE更接近晶圆的CTE；选取的探针下导板的CTE更接近有机基板的CTE；对探针下导板进行尺寸放大。将探针上导板和探针下导板进行组装得到调整后的探针导板。
本说明书实施例还提供一种探针卡，使用上述的用于高低温测试的探针卡制作方法制作。
本说明书实施例提供的用于高低温测试的探针卡制作方法和探针卡，满足具有三温测试要求的晶圆测试；探针卡可以支持更大的温度范围，例如从-40至125度，使探针卡具备三温通用性；降低晶圆测试成本，一张针卡可以支持高低温的测试。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的产品实施例而言，由于其与方法是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于高低温测试的探针卡制作方法，其特征在于，包括：
步骤1：根据晶圆的热膨胀系数，确定所述晶圆在高温、常温和低温下的尺寸变化数据；
步骤2：根据所述晶圆的测试温度，确定所述晶圆处于所述测试温度时，所述探针卡的测试零部件的工作温度和温度梯度；
步骤3：根据所述工作温度和温度梯度，以及所述尺寸变化数据，确定各个测试零部件在高温、常温和低温状态下的尺寸变化以确定所述测试零部件的材料，得到所述用于高低温测试的探针卡。
2.根据权利要求1所述的用于高低温测试的探针卡制作方法，其特征在于，所述测试零部件，包括以下至少一种：探针导板、正面支撑件及连接柱、有机基板和背部支撑件。
3.根据权利要求2所述的用于高低温测试的探针卡制作方法，其特征在于，还包括：
步骤4：对由所述测试零部件组成的探针卡进行结构优化，得到用于高低温测试的所述探针卡。
4.根据权利要求1所述的用于高低温测试的探针卡制作方法，其特征在于，在所述步骤2之前，还包括：
步骤201：根据所述晶圆的所述热膨胀系数，确定所述探针卡的所述测试零部件的热膨胀系数。
5.根据权利要求3所述的用于高低温测试的探针卡制作方法，其特征在于，所述步骤4，包括：
步骤401：对所述测试零部件进行优化；
步骤402：对所述有机基板的材料和pin map的尺寸进行调整；
步骤403：对所述探针卡的探针的针尖进行优化。
6.根据权利要求5所述的用于高低温测试的探针卡制作方法，其特征在于，所述步骤401，包括：
步骤4011：根据晶圆测试时所述探针卡的各个测试零部件之间的温度梯度，增加所述背部支撑件的厚度；
步骤4012：根据所述正面支撑件在温度升高和温度降低对所述连接柱施加的压力，增加对所述连接柱的粗度；
步骤4013：根据所述探针卡的温度梯度，增大所述正面支撑件中间区域的尺寸。
7.根据权利要求5所述的用于高低温测试的探针卡制作方法，其特征在于，所述步骤402，包括：
步骤4021：根据所述晶圆的热膨胀系数，调整所述有机基板的材料；
步骤4022：根据高温和低温下所述pin map的位置坐标，对所述pin map的尺寸进行调整。
8.根据权利要求7所述的用于高低温测试的探针卡制作方法，其特征在于，所述步骤4022，包括：根据所述pin map在高温下的第一位置坐标和所述pin map在低温下的第二位置坐标，确定所述pin map的设计位置坐标。
9.根据权利要求5所述的用于高低温测试的探针卡制作方法，其特征在于，所述步骤403，包括：根据晶圆凸点的尺寸，对所述针尖的尺寸进行缩小处理。
10.一种探针卡，其特征在于，使用权利要求1-9中任意一项所述的用于高低温测试的探针卡制作方法制作。
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