1313753 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關垂直式探針卡的設計與製作，特別是指探針、上 導板和下導板都使用微機電製程和電鑄技術製造，組裝方式是微 裝配技術。小轉大電路板和印刷電路板的接合方式使用覆晶(FHp Chip)方式達成。 φ 【先前技術】 隨著半導體科技的進步，積體電路高度積集化，製程朝向更 小的技術敍。如何料和觀符合IC 4的要求探針卡鮮， .需縣細分玉才能制。探針卡的製歧由機械領域與電子領域 .相互配合來完成。兩個領域間共_介面是探針，自動化測試設 備(AUtomatic Test Equipment，細)也必須被最佳化處理。測試的 環境、探針卡可靠度分析、成本躲修坡f要加財量的因素， # 應用在測試過程才有能力驗證晶月生產的品質。因此，探針卡的 叹汁必須符合K賴要求’必須具有高精度、通過高溫度與使 用哥命疲勞試驗，才能符合實際測試的環境需求。 長期以來，各種電子產品，所需要的電子電路，被大量忙化， ^隨產品功能增強與增多及體積的縮小，IC的1/0腳數因而增 多’且增密’這使得IC製程後的測試，也變得更為困難。測試IC 所需要的探針卡，隨著IC封裝的方式，如Dip、sop、观、SQFP、 覆日日(Flip Chip) ’到目前的覆晶(Flip Ch⑹時其接腳 7 1313753 已是由陣列佈置方式的銲墊(Pad)或凸塊(Bump)所構成，因此原使 用於DIP及QFP等的水平傾斜式的探針，並不紐覆晶的案 例。所以，因應發展出垂直式(vertical-type)的探針卡，如曰本Τ(χ 與美國Wentworth Lab Inc·合作的cobra探針卡，及美國的 垂直接觸式(Verticalcontact)探針卡等均屬之。無論何種形式的探 針卡，可以說絕大多數使狀玉的方紅編觀針的位置，因此 技術及經驗層讀f高，導赌針卡狗且若遇有故障 或磨耗，也多半送回原廠採用人轉修方式處理。為了改善此種 情況，美國專利刪69974及刪28226利用微機電製程技術來 克服下觸題:1.傳統探針卡上的探針共面度不㈣成。2•待測曰曰 圓上的晶轉ie)或IC本麵共硫不佳。3·傳職針使狀^ 變形及磨耗或偏差。4·晶粒㈣的測試銲蛛通常有氧化現 象’傳統探針可能得出大力刺穿氧化層，因而破壞峨鮮塾。5 薄膜(membrane)式探針卡（美國專利仍518〇977)的複雜及不便。 美國專利U_974，乃·微機魏程帽型微加工技術 _kmicromachining)為主。其主要優點是利用背後綱達成彈性 薄編咖’缺點是⑴測的探點本身較不具彈性，因為石夕 j膜-般變形量大約是R微米。而且，⑺探點的製作並不 複製。且（3)使用久了，仍有磨耗的問題。 美國專利US5828226， 達到有適當撓度。其製程， 主要的優點是探針使㈣f樑的方式 主要利用微影、糊、紐及拋光的 1313753 。（2)探針撓度較小。 方法，探針的材料為鎳。缺點是⑴製程複雜 (3)不具複製性。 ^以上現有技術的缺點，本發明開發出二項重要技術， 二植、上下導板的製程仙光阻_電鑄、微裝配技術，使探 ，、度與尺寸大小易於調整，因應未來多而細的探針需求，且 =具有鄕性’財精糾成本條。2.__小轉大電
:板之間的微陣列力量感測器，利用覆晶师ρ啊）封裝方式達 成0 【發明内容】 目的之―’乃使用微機電製程、微裝配技術製作垂 探針，使其具有較大的_度，可容㈣作餘的探針 =使和_難探針卡可能邮降低其·，減少 技術的依賴。 ~衣®己 本發_目的之二’本探針卡的探顺微_力量 合’練物峨嶋觀，可絲針情， 物塊鱗絲軸，姆阳編嫩 ^ =電路測試’可因—定的探針接觸力下，得到穩定的‘ 5式、，Ό果，避免接觸不良的干擾。 、 本發明的目的之三，佶海 試，從單-晶片，多日月=可以提供多種容量的挪 曰曰片，至晶圓級，只要有配合的測試機台， 9 1313753 即可以單-晶片為基礎拼_方式，達到容量的變化，至於佈線 的密度及複雜度，以微機電技術，皆易於完成。 本發明的目的之四，是使探針卡裝配更為簡易，小轉大電路 板與微陣列力量感測器是利用覆晶(FHP Chip)封裝方式達成，而 製作整《直式探針的方式乃是使用厚光阻職後取下，之後整 ，探針-次絲，而非傳統—支—支的人工絲，不但可提高探 針共面度，也可減少裝配成本。 本發明的目的之五，組餘針的方式乃是以一排排垂直式探 ^組的方式排入縱向上導板後，再以橫向上導板從垂直縱向上 板的方向插人，讓探針侷限於__個矩形的空間。 •本發明的目的之六，為提升元件精度，封I與定位探針組所 :的縱向上導板、橫向上導板、與下導板的製作方式是以微機電
十程的方法’材料為金屬（外層鍵上絕緣層）或以非導體的材料 來加以製作。 T 士本發_目的之七，為使探針卡修復㈣，設計上使修復探 時’ Μ將探針卡上層的小轉大電路板連同微_感測器拆 下’將壞損的探針逐—抽蚊換即可。 如圖-_二所示’為本發明之絲探針卡整舰裝的剖面 f及其局部剖面放大圖，探針卡1，其主要的組件係包蝴微 皁列力量感測器2 ; (2)擔板3 ; (3)小轉大電路板4 ; (4)縱向上 I3l3753 料5 ; (5)探針陣列6，•⑹下導板7 ;⑺導板支撐殼δ ;⑻固 定螺絲9 ;⑼橫向上導板10。 探針陣列6，湖於縱向上導板5之内，為了使探針卡方便 拆卸替換，採針頂端直接接觸微陣列力量感測器2，將探針所量 剛的訊號經由微陣列力量感測器2内的線路轉換小轉大電路板4。 探針上下變形伸縮可藉由另置的縱向上導板5、橫向上導 板10及下導板7來引導，分別置於導板支撐殼8之兩端，形成一 可容納探針陣列的空間。且縱向上導板5、橫向上導板1G及下導 板7各設有穿孔，讓探針相6之探針頂端露出導蓋，以作為引 導探針連接外部線路及上下變形的通道。 縱向上導板5和橫向上導板10彼此垂直置於導板支撐殼8上 方，讓探針舰於-個矩形的蝴。主要是讓探針能於垂直方向 變形時滑動且彼此之卩林會接觸。下導板7則是將探針的底端僞 限於一個矩形的空間，使探針之共面度佳。 如圖二與圖四所示，將微陣列力量感測器2視同覆晶(Fiip Chip)，以覆晶封裝方式和小轉大電路板4上之凸塊對位後接合， 並設計小轉大電路板4具有大接線即可直接連接到測試儀器。圖 三的小轉大電路板及其局部放大圖說明12,小轉大電路板之中間 放大圖，小轉大電路板和微陣列力量感測器之間封裝乃是透過迴 銲後之錫球14來達成，訊號線路u則是用來連接小轉大電路板 1313753 4上的覆θ日凸塊13 ’縣覆晶凸塊⑽腳測試電路板(未顯示 於圖上)連接。 ^以螺絲接合方式將微陣列力量感測器2和小轉大 電路板4固 疋在導板支推殼8的上方，微陣列力量感測器2與探針陣列6之 頂端接觸。 【實施方式】 探針卡組合湳鞀
以下以垂直式探針的製作組裴為主軸來說明整個探針 實施過程： 為抵抗重力而設計的阻擋塊設在探針上方時[圖五(m)] 流程一圖五所示步驟，使用微機電製程技術製造出多組垂直式 探針排組15。
流程二圖六、七、八所示步驟，使用微機電製程技術製作縱向上 導板5、橫向上導板10及下導板7。 流程三圖九(a)所示步驟’使用微裝配技術將多組垂直式探針排 組15依序排入縱向上導板5。 流程四圖九(b)所示步驟’以橫向上導板從垂直縱向上導板的方向 插入’讓探針侷限於一個矩形的空間，使其成為一個陣列 探針模組。 流程五圖九(c)所示步驟’將陣列探針模組放入導板支撐鼓8中 流程六圖九(d)所示步驟，將下導板7黏合導板支撐殼8的下方 12 1313753 流程七在微_力量❹m 2的職無纽小轉大電路板4的 訊號線路11上製作覆晶封裝時所需的凸塊。 流程八目九(e)所示步驟，微陣列力量感測器2和小轉大電路板4 是以覆晶封裝（Flip-Chip)的方式接合。再將固定螺絲9 鎖入裝配孔26固定。 當阻擋塊設在探針下方時[圖五(k)]，其流程與上述實施例相 似’其結果如圖九(f)與(g)所示。 上述之下導板亦可由縱向梳狀下導板與横向梳狀下導板組合 成為含陣列孔洞的下導板。 以下所示的實施例，其中所使用的電鍍金屬，以鎳為主的合 金，如鎳鈷或鎳猛，但配合電錢材質亦可為鎳、鉻、鎢合金，銅、 鋼合金等。 龜赴製作實施例 下列是本發明之製作垂直式微探針的程序，如圖五所示。 步驟一：圖五⑻所示，首先在矽晶圓(Siiicon Wafer)16上製作種子 層(Under, BUMP Layer，UBM) ’種子層由兩種不同金屬所 組成’首先鑛上一層鉻或鈦金屬(Cr or Ti)作為與基材接合 的鈍化層(Passivation Layer)17，然後再鍍上銅(cu)作為晶 種層(Seed Layer) 18。 步驟_ •圖五(b)所示，旋塗一層厚光阻(Thick Photo Resist)19。軟 烤(Soft Baking)後’放置於熱板(Hotplate)或烤箱(〇ven)當 13 1313753 中。 步驟三：圖五(C)所示，進行曝光(Exposure)步驟，根據採用光阻的 形式，使曝光的位置為留下來的區域。 步驟四.圖五(d)所示，顯影(Developement)得到光阻19凹穴外型， 並且連續使用去離子水沖洗’徹底將殘留的顯影劑洗 淨，然後使用氮氣(Nitrogen)吹乾，完成的光阻19凹穴即 φ 為探針外型。完成後進行硬烤(Hard Baking)，放置於熱板 (Hotplate)或烤箱(〇ven)當中。 步驟五.圖五(e)所示，進行電鑄(Eiectroforming)步驟，總高度必 / 須超過光阻19厚度，電鑄材料：Ni-Co合金。 -步驟六：圖五^所示，進行研磨步驟將突出光阻19的電鑄材料與 不平的表面進行研磨至設計厚度，完成探針厚度尺寸的加 工後，去除光阻得到探針外型。 •步驟七：圖爾、⑻所示’旋塗一層厚光阻I9。軟烤後，放置於 熱板或烤箱當中。顯影得到光阻封裝形狀，並且連續使用 去離子水沖洗’徹底將殘留的顯影劑洗淨，然後使用氮氣 吹乾’完成的光阻19凹穴即為探針外型。完成後進行硬 烤，放置於熱板或烤箱當中。 步驟八：紅①所示，將探針組浸泡在電鑛液當中實施反電鑛步 驟而探針接在陽極，其目的為將結合在探針底部的晶種 14 1313753 層18去除(Cu)，此時位於種子層底下的鈍化層，例如鉻 或鈦(CrorTi)17充當導電層’通電後位於純化層17上面 的種子層金屬會被解離到電鍍液當中而陰極則開始發生 沈積現象，完成種子層金屬去除的步驟。 步驟九：圖五〇)所示，原本探針透過晶種層(〇1)18與純化層(C⑽ 丁〇17與曰曰圓相結合，因為晶種層(匸—以已經透過反電鑛
方式去除，因此探針底部變成裸空，會自動脫落完成分 離步驟。 乂驟十.圖五(k)、①、⑽、⑻所示，得到垂直式探針排組b 或未封裝之單根探針。探針的形式有兩種，其分類方法 是阻擋塊在探針的上端[圖丑㈣、⑻]或下端[圖邱）、 0)]。
縱向上導板5的製作應用微機電技術，製作步驟如 圖六所示。 夕考 (方法一） 步驟—：圖六⑻所示，首先在石夕晶圓上製作種子層，種子層由 兩種不同金屬所組成，首先錢上一層喊鈦金屬似㈣） 作為與基材接合的純化層1γ，然後再鑛上銅(Cu)作為晶 種層18。 ‘曰曰 19。軟烤，放置於熱板或 步驟一 ’圖六(b)所示，旋塗一層厚光阻 15 1313753 烤箱當中。 步驟二：圖六(C)所示，進行曝光步驟’根據採用的光阻19形式’ 使曝光的位置為留下來的區域。顯影得到光阻I9凹穴外 型，完成的光阻凹穴即為上導板外型。完成後進行硬烤， 放置於熱板或烤箱當中。 v驟四圖A⑷所不’進行電鑄(Electr〇f_in幻步驟，總高度必 φ 須超過光阻19厚度，電鑄材料：Ni_c〇合金。進行研磨 步驟將突出光阻19的電鑄材料與不平的表面進行研磨至 设計厚度’完成上導板厚度尺寸的加工。 - 步驟五：圖六(e)〜(g)所示’重複步驟二至步驟四。 / 步驟六：圖六(h)所示’去除光阻19得到上導板外型。完成後在表 面披覆一層絕緣層(鐵氟龍、陶瓷材料、耐熱材料、 鑽石薄膜、類鑽碳薄膜等）。 φ V驟七.圖/、(丨)所示，將探針組浸泡在電鑛液當中實施反電錢步 驟而探針接在陽極，其目地為將結合在探針底部的晶種層 18去除，例如銅(Cu) ’此時位於晶種層18底下的鈍化層， 例如鉻或鈦(Cr or Ti)17充當導電層，通電後位於純化層 17上面的晶種層18金屬會被解離到電鍍液當中而陰極則 開始發生沈積現象，完成晶種層18金屬去除的步驟。 步驟八：圖六①所示’原本金屬絕緣導板透過種子層(Cu)18與鈍 化層(CrorTi)17與晶圓16相結合，因為晶種層(Cu)18已 16 1313753 經透過反電鍵方式去除’因此上導板底部變成裸空，會自 動脫落完成分離步驟。 (方法二） 步驟一：圖六(k)所示，先旋塗一層分離層後軟烤後再旋塗一層厚 光阻19，如SU8。軟烤後，放置於熱板或烤箱當中。
步驟二：圖六(1)、（m)所示’進行曝光步驟，根據採用的光阻D 形式，因此曝光的位置為留下來的區域。顯影得到光阻 19凹穴外型’即為探針外型。完成後進行硬烤，放置於 熱板或烤箱當中。 步驟三··圖六(η)、（〇)所示，重複步驟一、步驟二。 步驟四：圖六⑼所示’絲賊在㈣圓16是塗佈的分離層 (0——使光阻19結構和矽晶圓16分別分離，再曰將兩 部分結構對位後用膠黏合即可。 橫向導板製作實施你丨 橫向上導板10的製作應用微機電技術，製作步驟如上述縱向 導板的（方法―）步驟-纽’只需要輯—層即可，故省去步驟 五；（方法二）的步驟―、二、四，因只要使用一層厚光組即可， 如SU8，最後的橫向上導板1〇的外型，參考圖七。 板製作實施例 :導板7的製作應用微機銶術，製作步驟如以下，參考圖 17 1313753 (方法一) 製作步驟類似上述 六至八，僅有光罩圖案 步驟五； 縱向導板的（方法一）步驟一至四，與步驟 不同，另外只需要電續一層即可，故省去 (方法二） 。製作步驟類似上述縱向導板的（方法二)步驟―、二、四，因 鲁尸、要使用—層厚光組即可，如SU8。 (方法三） 夕驟―.圖八⑻所示’旋塗一層光阻19，作為實施氮化石夕Μ開 / 孔的保護罩。 /步驟二：圖八⑼所示，進行曝光步驟，根據採用的光阻19形式， 因此未曝光的位置為留下來的區域。 乂驟二.圖八⑹所示，顯影得到光阻19凹穴外型，並且使用去離 ^ 子水沖洗_留在表面_影繼底洗淨，並且吹乾與 烤乾’此步驟作為實施反雜離子_餘刻時的標梢 使用。 步驟四：圖八(d)所示，使用反應⑽子观韻刻將氮化石夕μ沒有 光阻19保護區域钮刻去除，裸露出内部矽基材％。 步驟五：圖八⑻所示’此時受到光阻19保護的氮化石夕％區域， 將作為氫氧化鉀濕式料向性蝴的硬式擋罩，飯刻深度 大約35_，主要目的降低後續離子輕合電裝砂製^ 18 I313753 的成本支出，如果使用厚度250μιη的矽基材16，則不需 要此步驟。 步驟六：圖入①所示，將晶圓16反轉再配合背對準曝光方式，作 為實施離子_合電漿ICP加工時的稽。 步驟七：圖八(g)所示，使用離子耗合賴ICP進行深孔加工直到 擊穿形成方形孔’去除光阻19完成探針下導板7的製作。 鲁 最後完成的下導板7的外型，參考圖八〇〇，板上貫穿多個方 形孔。 邀座列力量感測器製作實施例 • 本發明之製作微陣列力量感測器2，如圖十所示。 • —般壓阻式力量_計之量測，主要是·惠斯登電橋的作 動原理，紅方形薄膜四周佈置四個壓阻’其中兩個與薄膜邊緣 平行’另兩個與薄麵直。當_受壓變科，位於薄膜兩邊平 籲行之觀將受-側向拉力（等效於受一壓應力），造成整個壓阻受 昼變短；另外兩個垂直_邊緣_阻，則受—拉應力使其長度 拉長。如此連接成惠斯登電橋之四賴阻，隨力量的施予而會有 、由以上各式即可以彻電_變化來估計電_改變量，進 的力量大小。安_針陣列上的微陣列力量感測器是 =補^氧半導體(CM〇嘯製作並結合後製程。利用 觸力回饋，確實錢龜·針翻的狀況。 19 1313753 實施例是以台積電〇.35ym製程設計，如圖十(a)所示。以多 晶石夕30為壓阻材料，最後在結構的中間佈入陣列蝕刻孔犯，再使 用乾蝕刻將蝕刻孔32完成，並且將矽基材丨6蝕刻出一個凹洞34, 使其上方形成一力量感測薄膜35，以利施壓後的變形空間，而金 屬層29、接觸層3卜連結層28等以填入二氧化石夕的方式，以增 加力量感測薄膜35的強度，其結構層如圖十（b)。圖十(c)是力量 感測器以陣列佈局的示意圖，可提供5 χ 5單顆感測器33的陣列， 每顆感測器的接線包減供感測器電源與接地的接線36、橋式電 路的輸出接線37、探針與小轉大電路板之間的連線％。圖十(c) 僅為示意圖，實際上實施時則可擴充成更大的陣列，其佈局也並 非侷限於謂或實心的_ ’可以舰探針賴時賴列方式對 應設計此力量感·。另外若朗時，不需要力量感測，圖 十亦可將力i感測器與其相關線路去除，僅保留探針與小轉大電 路板之間的連線38即可。 由於微陣列力量感測器是用互補式金氧半導體(CMOS)技術製 作’因此對於感測訊號的放大電路，也可一併設計於微陣列力量 感測益之旁’以收整合之功效。#然力量❹指亦不僅限於廢阻 式的感測枝’其他如電料、場效電晶體式等，也是熟悉此技 藝者容易為之的方式。 “斤这本發明知:出創新垂直式探針卡的設計與製作，探 針導板都使用微機電製程和電鑄技術製造，微陣列力量感測器 20 1313753 使用CMOS製程來設計㈣，_方式是微組技術。小轉 大電路板和印刷電路板的接合方_覆晶(Fup chip)方式達 成。歧法提出發明專射請。而根據以上所述的内容，所作其 他相f的改變，只要不_本翻之精神，均應包含於申請發明 專利範圍之内。 籲 【圖式簡單說明】 m 一 囫不 序 程序序 的程程 I 玢的的序ft ί i ;· .¾ 探作作程序θ 整整板感板微製製的程ι+ 卡卡路量路式板板作配>^义 針針電力電直&導製裝4堪 疮探七列^*||-上上板卡式；g 直直轉陣轉作向向導針補器 4垂小微小製縱橫下探互測 之之之之到之之之之感 明明明明接明明明明明明量 4冷發發健發發發發發發力本本本木術和扣和扣本和列 一 二三四 五六七八九十 圖圖圖圖 圖圖圖圖圖圖 裝 fflw tAhip 放 c 面lip 圖剖圖(FI 面部大晶 剖导放覆 的的部用 裝裝局使 組組其器 體及測
微 作 製 術 技 S) ο Μ (C 【主要元件符號說明】 圖號 2 4 6 1 探針卡 3 擋板 縱向上導板 微陣列力量感測器 小轉大電路板 探針陣列 21 下導板 固定螺絲 8 導板支撐殼 1〇 横向上導板 12 小轉大電路板之中間放大圖 訊號線路 覆晶封裝時所用之凸塊 J、轉大電路板和微陣列力量制㈣裝迴銲後之錫球 垂直式探針排、组 矽晶圓 17 鈍化層 晶種層 19 光阻 遮罩 21 金屬 陰極 23 電鑄液 氮化矽 25 钮刻液 裝配孔 27 二氧化矽 連結層 29 金屬 多晶碎 31 接觸層 掏空部份(RLS)蝕刻孔 單顆力量感測器 34 凹洞 力量感測薄膜 感測器的電源與接地接線 橋式電路的輸出接線 探針與小轉大電路板之_連線 22