TWI392874B - 探針及使用其之探針卡 - Google Patents

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Description

探針及使用其之探針卡
本發明係關於一種用於探針(probe pin)及探針卡(Probe Card)，特別係關於一種具有奈米鍍膜之探針及探針卡。
習知的探針之基本結構，主要包含探針頭、套管、彈簧，例如稱為POGOTM PIN之探針，其應用極為廣泛，例如：印刷電路板(空板與實板)測試用針、半導體測試用針或顯示器測試用針，及通訊產品之元件測試用針，例如：手機天線、電池、揚聲器、振動器、LCD...等之連結器，且可擴及到PDA、數位相機、GPS、NB...等產品上。
探針卡(Probe Card)係由多層印刷電路板(PCB)所構成，利用許多探針(Probe pins)分別接觸(探觸)晶圓上一連串之電子接點(焊墊；Pad)進行測試。
探針兩端係分別電性連接待測晶粒與多層印刷電路板，而由於測試時瞬間導通於探針頂端與各焊墊間之電流相當高，經常因為探針頂端溫度過高、或甚至產生火花，而導致探針頂端因產生氧化層或是發生碳化現象，而使得探針導電性與電阻值升高，對於測試可靠度及探針卡使用壽命皆有不良的影響。
由於探針針尖接觸待測晶粒之焊墊時，會刮起待測晶粒表面之物質，而當封測次數累積後，探針會因反覆多次刮起待測晶粒表面之物質，針尖變得容易沾黏，測試品質變差或是誤測，導致測試良率急速下滑。一般為解決此一問題，多半採用加大接觸力(Overdrive)使探針針尖更確實接觸待測晶粒之表面，以達到較佳之接觸性及良好之測試品質，但是增加接觸力時，雖然對測試良率稍有改善，但易破壞待測晶粒之下一層結構，特別是目前晶圓製程中(0.13um、90nm、65nm...等等)具有導入易碎之低介電(low-k dielectrics)材料時，增加接觸力更易導致待測晶粒之結構產生變形或破壞。另一方面，若藉由清潔探針來達到較佳之接觸性及良好之測試品質，由於探針數目多或探針間距小、分布密集等因素，清潔探針之頻率將會增加，可能導致測試機台稼動率降低及探針壽命縮短。
近來雖有業界研發金屬鍍膜應用於探針表面，但大多僅能解決使用壽命短的問題，仍無法解決探針沾黏晶粒表面材料之問題。因此，亟需一壽命長且抗沾黏及可進一步提升測試良率與測試穩定度之探針及探針卡。
本發明之目的在於提供一種探針及探針卡，藉由特殊的奈米有機鍍膜，使探針具有不沾黏之效果，使用其之探針卡可使晶圓測試品質穩定，可降低清洗探針的頻率，因而提高測試機台稼動率並提升測試良率，降低整體測試成本。
為達上述目的，本發明係提供一種探針，其包含：一探針本體，為一具導電性之金屬探針，其一端與該基板間具有電性之連接，另一端用以與一待測元件之接腳接觸，進行功能測試；以及一奈米鍍膜，形成於該探針本體的表面，其中奈米鍍膜的厚度為奈米級，該奈米鍍膜係由一有機材料所構成，該有機材料包含至少一第一基團(first moiety)及至少一第二基團(second moiety)，該第一基團化學鍵結於該探針本體的表面且該第二基團遠離該金屬探針的表面，該奈米鍍膜具有不沾黏性質，以及表面具有該奈米鍍膜之該探針本體的阻抗之增加量相對表面無奈米鍍膜之該探針本體的阻抗之比值為10%以下。
根據本發明另一實施例提供一種探針卡，其包含：一基板，提供該探針卡與外部之電性連結；複數個金屬探針，設置於該基板之下方，與該基板間具有電性之連接，用以與一晶圓之表面接觸，進行功能測試；以及一奈米鍍膜，形成於該金屬探針的表面，其中奈米鍍膜的厚度為奈米級，該奈米鍍膜係由一有機材料所構成，該有機材料包含至少一第一基團(first moiety)及至少一第二基團(second moiety)，該第一基團化學鍵結於該金屬探針的表面且該第二基團遠離該金屬探針的表面，該奈米鍍膜具有不沾黏性質，以及表面具有該奈米鍍膜之該金屬探針的阻抗之增加量相對表面無奈米鍍膜之該金屬探針的阻抗之比值為10%以下。
本發明之奈米鍍膜之厚度可為1~40奈米，較理想為1~20奈米，較佳為1~5奈米(nm)。金屬探針之材質則可為鎳、金、銅、鎢、錸、鋯、鈷、鈀、鉑、鈦、鈹等等具導電性之金屬材料或其合金。探針之結構例如為金屬微彈簧或金屬線針。本發明中之奈米鍍膜能以化學鍍膜製程之方式鍍於該些金屬探針之表面。並且依據本發明，奈米鍍膜僅需鍍於自該些金屬探針之針尖處起延伸5~15密爾(mil)範圍之表面即可。
為達上述目的，本發明之奈米鍍膜可例如由包含甲苯、乙醇、丙酮以及矽烷類衍生物；或是包含甲苯、乙酸乙醇以及矽烷類衍生物；或是包含甲苯、乙醇以及磷酸類衍生物等各種組成物，透過自組裝(self assembly)處理而形成。
根據本發明之探針及探針卡，藉由利用奈米材料鍍膜於金屬探針表面，使得本發明之金屬探針具備不沾黏(Non-stick)、高導電性、低接觸力(Low Contact force)、使用壽命長之優良特性。
本發明所提供的探針卡之探針，能使測試品質穩定，利用探針與待測晶粒間幾乎不產生吸引力的原理，使得探針具有不沾黏特性，而使本發明具有降低清針頻率，提高測試機台稼動率，提升測試良率，以及降低整體測試成本的優點。
以下舉出具體實施例以詳細說明本發明之內容，並以圖示作為輔助說明。說明中提及之符號係參照圖式符號。
根據本發明一實施例，揭露一種探針卡，其包含：一基板；複數個金屬探針；以及一奈米鍍膜。
第1圖為本發明之探針卡實施例之結構示意圖，由於探針卡主要係透過環氧樹脂環之黏結，將數十根、甚至數百根之探針設置於基板10，此種探針卡又可稱為環氧樹脂環探針卡(Epoxy probe card)。如第1圖所示，本實施例之探針卡整體之結構主要包括探針11、基板10、陶瓷環13以及強化體15，於第2圖中本實施例所揭示之探針11為懸臂式探針(水平式探針)，而基板10係提供探針卡與外部之電性連結且為中空，以於陶瓷環13置放前述數十根、甚至數百根探針11。該些探針與該基板間具有電性之連接。並且，前述之元件係經過設計後，後續以組裝、黏著、膠合、架線以及最後各階級探針位置之細部調整等階段，而完成一探針卡結構。第2圖為第1圖中探針針尖奈米鍍膜之放大示意圖。
第3圖為本發明之垂直式探針卡實施例之結構示意圖，如第3圖所示，本實施例之垂直式探針卡包括一基板10、一引導機構12以及多數個探針14，其中基板10底面具有多數個呈現凸起狀之焊墊(未繪示於本圖中)，導引機構12則是設置在相對應於基板10底面之位置。與前一實施例不同的是，前述探針14之探針針尖形狀係如圖所示為長圓柱狀者，並且所有探針14係以可移動之方式設置於引導機構12內，各探針14之頂端係對應於基板10之各焊墊之位置下方，底端則朝向導引機構12之外側延伸，因此當探針卡應用於測試一晶粒時，各探針14之底端係壓抵於待測晶片之接點(焊墊)，同時藉由各探針14之彈性使探針頂端壓抵於各焊墊，以使待測晶片與探針卡可相互電性連接。
第4圖為第3圖中探針針尖奈米鍍膜之放大示意圖，本發明此實施例中之探針仍與原探針卡維持共平面。
根據本發明另一實施例，揭露一種探針，其包含：一探針本體，為一具導電性之金屬探針，其一端與該基板間具有電性之連接，另一端用以與一待測元件之接腳接觸，進行功能測試；以及一奈米鍍膜，形成於該探針本體的表面。
於上述第1及3圖及上述探針中，奈米鍍膜的厚度係僅介於1~40nm之間，相對於以探針卡進行對晶圓封測試所需之精度而言，奈米鍍膜110之厚度不會造成探針相對晶圓尺寸上的改變，同時奈米鍍膜110之厚度除稍微增加阻抗值外，不會對高頻電子訊號之量測產生影響，可藉由奈米鍍膜的形成條件而調整。奈米鍍膜厚度較理想為1～5 nm，例如可為單層分子膜(Langmuir-Blodgett film)，第5圖表示本發明一實施例之錸鎢合金的基板上鍍有奈米鍍膜之穿透式電子顯微鏡的相片，其中箭頭表示的層(相片中白色部分)為本發明的奈米鍍膜，圖面的最上層為鍍金層，位於奈米鍍膜的下方的層為錸鎢合金層。
於上述第1圖及第3圖中，基板10可為印刷電路板或是矽基板，探針11及14之材料可為導電性材料，例如金屬材料或合金，例如鎳、金、銅、鎢、錸、鋯、鈷、鈀、鉑、鈦、鈹、鈹銅合金、錸鎢合金或上述金屬之合金，常見者例如為錸鎢、鈹銅合金。
根據本發明之探針及探針卡之探針，於探針表面上，具有一奈米鍍膜，該奈米鍍膜的厚度為奈米級，該奈米鍍膜係由一有機材料所構成，該有機材料包含至少一第一基團(first moiety)及至少一第二基團(second moiety)，該第一基團化學鍵結於該金屬探針的表面且該第二基團遠離該金屬探針的表面，該奈米鍍膜具有不沾黏性質，以及表面具有該奈米鍍膜之該金屬探針的阻抗之增加量相對表面無奈米鍍膜之該金屬探針的阻抗之比值為10%以下。該第一基團係選自下列群組之一基團：硫醇基(-SH)、烷硫基(-S-R，其中R表示烷基)、烷二硫基(-S-S-R，其中R表示烷基)、硫乙醇酸基(-SCH2 COOH)、胺基(-NH2 )、-SiX3 (其中X=Cl,F,OCH2 CH3 or OH)、磷酸基(-PO4 2- )、亞磷酸基(-PO3 2- )、烷膦基(-PR2 ，其中R表示烷基)及羧基(-COO- /-COOH)；該第二基團為一疏水性基團。上述疏水性基團可例如為直鏈狀或支鏈狀之烷基、具有取代基之直鏈狀或支鏈狀之烷基、直鏈狀或支鏈狀之烯基、具有取代基之直鏈狀或支鏈狀之烯基、芳香烷基。
具體地，上述有機材料可包含選自下列群組之一化合物或其組合：硫醇衍生物、矽烷衍生物、磷酸衍生物及胺衍生物。上述有機材料例如為CH3 (CH2 )n SH(n=1~24)、CH3 (CH2 )n C6 H4 -C6 H4 -SH(n=0~12)、或CF3 (CF2 )n SH(n=1~24)、CF3 (CF2 )n C6 H4 -C6 H4 -SH(n=0~12)之硫醇衍生物等，又例如具有長鏈(碳數1～24)脂肪族烴或具有部分氟化或全氟化長鏈(碳數1～24)脂肪族烴之矽烷衍生物、磷酸衍生物及胺衍生物(例如octadecylamine)等，上述僅為例示的化合物，實際使用時需要依據金屬探針的表面狀況而調整或選擇適當的化合物，並不限於上述的例示化合物。
本發明係利用例如：化學鍍膜之製程，將前述之奈米鍍膜鍍於該些探針之表面。並且僅需將奈米鍍膜例如鍍於該些探針之針尖處5~15密爾(mil)之表面上即可。前述之奈米鍍膜例如為具有不沾黏性質之有機奈米材料。
又為利用形成分子自組單層膜之原理，亦即使薄膜分子與探針表面作用力較強而不易脫落，且運用多種不同類型之官能基，使表面性質得以控制之特性。故，該奈米材料係包含有可分子自組成膜之官能基衍生物。所謂分子自組單層膜係利用分子自發性的吸附於表面，形成一層具秩序性的單層分子膜。因此該官能基便會自發性的吸附於基材表面進行化學反應。同時所形成之分子自組單層膜與外界接觸部分為末端基團，該部分決定了該分子自組單層膜之特性。例如疏水性(或親水性)或表面具電子轉移之功能者。利用該些特性運用於探針操作，獲得較佳量測效果。
上述奈米鍍膜，可將奈米鍍膜之製程液，藉由浸漬法、蒸發法等各種習知的方法，塗敷(apply)於探針的表面。上述奈米鍍膜之製程液可包含水、非極性有機溶劑、甲醇、乙醇、丙醇硫醇衍生物、醚類衍生物以及磷酸類衍生物等各類型官能基衍生物為較佳實施例。
以下範例(example)，雖以探針尖端材質為銅鍍金或錸鎢合金，奈米鍍膜之製程液主要包含水、甲醇等為例說明，但本發明不限此。測試探針之壽命之判斷，係根據探針經歷一預設之測試次數(例如3萬次)後的阻抗變化而決定。以下係針對各種可分子自組成膜製程液之組成及比例而以化學鍵結方式附著成膜於探針本體上之實驗數據。例如：硫醇衍生物、磷酸類衍生物、矽烷類衍生物或是胺類衍生物其中之一。可使用非極性有機溶劑，例如己烷、甲苯或二甲苯等。可使用醇類作為溶劑，例如可使用甲醇、乙醇、丁醇、乙二醇、二乙二醇或異丙基乙二醇等。上述溶劑的添加量會隨製程的方式、環境、基板的種類及鍵結於基板的有機材料之種類的不同而調整及改變，因此以下範例中的溶劑成分的添加比例沒有特別述明。通常鍵結於基板的有機材料之添加量為10wt%以下。
範例一：
測試探針尖端材質為錸鎢合金，奈米鍍膜之製程液包含甲醇、乙醇、丙酮及硫醇衍生物(10wt%)，發現阻抗增加約10%，探針壽命增加。
範例二：
探針尖端材質為合金，奈米鍍膜之製程液包含甲苯、乙醇及磷酸衍生物(10wt%)，發現阻抗沒有明顯增加，探針壽命增加。
範例三：
探針尖端材質為合金，奈米鍍膜之製程液包含甲苯、乙醇及矽烷衍生物(10wt%)，發現阻抗增加約10%，探針壽命增加。
範例四：
探針尖端材質為合金，奈米鍍膜之製程液包含甲苯、乙醇及胺衍生物(10wt%)，發現阻抗沒有明顯增加，探針壽命增加。
前述奈米鍍膜之厚度例如為1~40奈米，較理想為1~20奈米，更較佳為1~5奈米。
前述探針之材質為金屬材料，例如：鎳、金、銅、鎢、錸、鋯、鈷、鈀、鉑、鈦、鈹等，具導電性之金屬材料或其合金，例如：錸鎢或鈹銅合金。其中，探針之結構例如為金屬微彈簧或金屬線針。
另外，在訊號傳輸的過程中，當探針在進行訊號傳輸時，因為奈米鍍膜使探針具有不沾黏特性，也因此探針更易於準確地接觸待測晶粒的正確測試位置，而使得探針於進行訊號傳遞時可避免雜訊而達到更準確之訊號傳遞，同時亦提高測試之穩定性。
此外，本發明所揭示探針卡之奈米鍍膜係可藉由例如：化學鍍膜製程方法，於探針表面上直接形成探針奈米鍍膜，因此僅需藉由精密鍍膜治具控制探針之鍍膜厚度，而由於僅需藉由印刷電路板或是矽基板之尺寸及探針相對距離，做為精密鍍膜治具之設計參數，因此本發明能在不變動原探針卡結構之前提下，完成探針卡奈米鍍膜之前置作業，因此相對地亦使得本發明所揭示探針卡之探針針尖之共平面度不致因於探針針尖增加奈米鍍膜的厚度而改變。
綜上所述，本發明所提供之探針及探針卡，由於其所具有之奈米鍍膜能使探針具有不沾黏之特性，而能應用於具有高積集度，高腳數，密間距之晶圓先進製程技術。而應用於半導體產業晶圓先進製程中之晶圓測試，可解決習知技術的沾黏晶粒的問題，由於本發明探針卡之探針於探針表面鍍上奈米鍍膜，能使探針與待測晶粒間幾乎不產生任何吸引力，使得探針具有不沾黏之特性，因此除能降低探針清潔頻率，提升測試良率外，更具備提高測試機台稼動率及降低晶圓測試整體成本之優點。
雖然本發明已就較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之變更和潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．基板
11．．．探針
12．．．引導機構
13．．．陶瓷環
14．．．探針
15．．．強化體
110．．．奈米鍍膜
140．．．奈米鍍膜
第1圖為本發明之水平式探針卡實施例之結構示意圖。
第2圖為第1圖中探針針尖奈米鍍膜之放大示意圖。
第3圖為本發明之垂直式探針卡實施例之結構示意圖。
第4圖為第3圖中探針針尖奈米鍍膜之放大示意圖。
第5圖表示本發明一實施例之錸鎢合金的基板上鍍有奈米鍍膜之穿透式電子顯微鏡的相片。
10．．．基板
11．．．探針
13．．．陶瓷環
14．．．探針
15．．．強化體

Claims (12)

  1. 一種探針卡，包含：一基板，提供該探針卡與外部之電性連結；複數個金屬探針，設置於該基板之下方，與該基板間具有電性之連接，用以與一晶圓之表面接觸，進行功能測試；以及一奈米鍍膜，形成於該金屬探針的表面，其中奈米鍍膜的厚度為奈米級，該奈米鍍膜係由一有機材料所構成，該有機材料包含至少一第一基團(first moiety)及至少一第二基團(second moiety)，該第一基團化學鍵結於該金屬探針的表面且該第二基團遠離該金屬探針的表面，該奈米鍍膜具有不沾黏性質，以及表面具有該奈米鍍膜之該金屬探針的阻抗之增加量相對表面無奈米鍍膜之該金屬探針的阻抗之比值為10%以下；其中該第一基團係選自下列群組之一基團：硫醇基(-SH)、烷硫基(alkylsulfide group)(-S-R，其中R表示烷基)、烷二硫基(alkyldisulfide group)(-S-S-R，其中R表示烷基)、硫乙醇酸基(thioglycolic acid group)(-SCH2 COOH)、胺基(-NH2 )、-SiX3 (其中X=Cl,F,OCH2 CH3 or OH)、磷酸基(-PO4 2- )、亞磷酸基(-PO3 2- )、烷膦基(alkylphosphine group)(-PR2 ，其中R表示烷基)及羧基(-COO- /-COOH)；該第二基團為一疏水性基團。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之探針卡，其中該疏水性基團係選自下列群組之一基團：直鏈狀或支鏈狀之烷基、具有取代基之直鏈狀或支鏈狀之烷基、直鏈狀或 支鏈狀之烯基、具有取代基之直鏈狀或支鏈狀之烯基、芳香烷基。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之探針卡，其中該有機材料包含選自下列群組之一化合物或其組合：硫醇衍生物、矽烷衍生物、磷酸衍生物及胺衍生物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之探針卡，其中該奈米鍍膜形成於該金屬探針的表面之方法，係為一分子自組裝(self assembly)成膜法，藉由該有機材料及至少一有機溶劑鍍於該金屬探針的表面所形成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之探針卡，其中該奈米鍍膜之厚度為1~40奈米(nm)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之探針卡，其中該些金屬探針之材質選自下列群組之一者或其組合：鎳、金、銅、鎢、錸、鋯、鈷、鈀、鉑、鈦、鈹、鈹銅合金、錸鎢合金及上述金屬之合金。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之探針卡，更包含：一陶瓷環或一導引機構，用以設置該些金屬探針。
  8. 一種探針，包含：一探針本體，為一具導電性之金屬探針，其一端與基板間具有電性之連接，另一端用以與一待測元件之接腳接觸，進行功能測試；以及一奈米鍍膜，形成於該探針本體的表面，其中奈米鍍膜的厚度為奈米級，該奈米鍍膜係由一有機材料所構成，該有機材料包含至少一第一基團(first moiety)及至少一第二基團(second moiety)，該第一基團化學鍵結於該探針本體的表面且該第二基團遠離該金屬探針 的表面，該奈米鍍膜具有不沾黏性質，以及表面具有該奈米鍍膜之該探針本體的阻抗之增加量相對表面無奈米鍍膜之該探針本體的阻抗之比值為10%以下；其中該第一基團係選自下列群組之一基團：硫醇基(-SH)、烷硫基(alkylsulfide group)(-S-R，其中R表示烷基)、烷二硫基(alkyldisulfide group)(-S-S-R，其中R表示烷基)、硫乙醇酸基(thioglycolic acid group)(-SCH2 COOH)、胺基(-NH2 )、-SiX3 (其中X=Cl,F,OCH2 CH3 or OH)、磷酸基(-PO4 2- )、亞磷酸基(-PO3 2- )、烷膦基(alkylphosphine group)(-PR2 ，其中R表示烷基)及羧基(-COO- /-COOH)；該第二基團為一疏水性基團。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之探針，其中該疏水性基團係選自下列群組之一基團：直鏈狀或支鏈狀之烷基、具有取代基之直鏈狀或支鏈狀之烷基、直鏈狀或支鏈狀之烯基、具有取代基之直鏈狀或支鏈狀之烯基、芳香烷基。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之探針，其中該有機材料包含選自下列群組之一化合物或其組合：硫醇衍生物、矽烷衍生物、磷酸衍生物及胺衍生物。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之探針，其中該奈米鍍膜之厚度為1~40奈米(nm)。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之探針，其中該些金屬探針之材質選自下列群組之一者或其組合：鎳、金、銅、鎢、錸、鋯、鈷、鈀、鉑、鈦、鈹、鈹銅合金、錸鎢合金及上述金屬之合金。
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