TWI410636B - 探針卡 - Google Patents

Description

探針卡

本發明係有關於一種探針卡，更特定而言，是有關於一種利用晶圓級製程完成之探針卡結構，可以大幅降低探針卡的成本。

探針卡主要目的是將探針卡上的探針與晶片上的焊墊(pad)或凸點(bump)直接接觸，引出晶片訊號，再配合周邊測試儀器與軟體控制達到自動化量測的目的。換言之，探針卡係為一電子測試系統與待測半導體晶圓間之介面，以利於執行晶圓測試。其目的在於提供測試系統與待測晶圓間之電訊號路徑，以利於晶粒於切割與封裝前進行晶圓級電路之測試與驗證。一般而言，探針卡包括印刷電路板與接觸元件(探針)，用以接觸晶圓上的晶粒(電路)焊墊。傳統探針卡亦可應用於晶圓上之影像感測器測試。

於進行晶圓級測試時，為了將測試設備所輸出之測試信號傳送至半導體晶圓，而採用收納有複數個具有導電性探針之探針卡。一般於晶圓級測試中，係利用探針卡偵測半導體晶圓上的晶粒，使探針個別接觸每個晶粒之焊墊。藉由將具有導電性的探針接觸後，進而輸入測試訊號以利執行檢查，並偵測出不良品。然而由於在半導體晶圓上形成有數百個至數萬個晶粒，因此對1片半導體晶圓進行測試時，需花費極長的時間，且隨著晶粒數目的增加而導致測試成本的上升。

為了解決上述問題，業界逐漸採用一次將探針接觸於半導體晶圓上的所有晶粒或是至少一區塊晶粒之晶圓級測試方法。於此方法中，必須將探針的前端接觸於半導體晶圓之極為精細的電極墊，因此探針前端必需精準對位，以利於將探針卡與半導體晶圓上晶粒接觸。

然而，晶圓針測技術隨著半導體製程技術的演變，探針卡在裸晶切割之後未完成封裝前，可測試其品質，避免不良品封裝成本。由於，現行積體電路成長的微型化，積體電路體積越來越小、功能越來越強、腳數越來越多，且處理速度與頻率的增加等。而傳統的探針卡的測試已不敷使用，因此，探針卡也需要高密度的探針排列。

早期的探針卡為探針與環氧樹酯(needle/epoxy)的組裝方式，其把數十根到數百根探針以手工方式，並依據測試的晶片悍墊的位置，而將探針安置於探針卡上。此種方式相當費時且不方便。

因此，鑑於傳統探針卡之上述缺點，本發明提供一種優於習知的結構之探針卡以克服上述缺點。

有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種探針卡結構，其係利用晶圓級製程技術以製造探針卡，此探針卡結構之訊號傳輸路徑短、傳輸速度快。

本發明之另一目的在於提供一種探針卡結構，此探針卡結構可以定位與整合到印刷電路板上，以大幅減少傳統探針卡的成本。

本發明之再一目的在於提供一種探針卡結構，其中彈性材料可在探針卡檢測待測物的過程中，用以作為探針卡與待測物進行測試接觸時的緩衝，亦可有效地吸收與待測物之導電接點接觸時所產生的應力，降低外力直接作用於探針結構所造成的衝擊與破壞。

因此，本發明之又一目的乃在於提供一種探針卡結構，係可降低檢測時的接觸作用力對探針造成的磨損程度，有助於延長探針卡的使用壽命。

為了達成上述之目的，本發明所提供之一種探針卡結構，包括：一金屬薄膜，具有複數個第一開口；一填充材料層，形成於金屬薄膜之上，具有複數個第二開口；一第一導電層，形成於複數個第二開口之中；一第一介電層，形成於填充材料層之上，具有複數個第三開口；一第二導電層，形成於複數個第三開口之中，耦合第一導電層；一第二介電層，形成於第一導電層及金屬薄膜之下，具有複數個第四開口；一重佈層，形成於複數個第四開口之中及第二介電層之下，耦合第一導電層；一保護層，形成於重佈層之下，具有複數個第五開口；以及一金屬墊層，形成於複數個第五開口之中及保護層之下，耦合重佈層。

上述探針卡結構更包括一金屬凸塊，形成於第二金屬層之上；一增強層，形成於金屬凸塊之上；一焊接凸塊，形成於金屬墊層之下；一導線，電性連接焊接凸塊；一彈性材料，形成於保護層之下；以及一剛性基底，彈性材料形成於其上。

本發明之探針卡結構不但克服先前技術之缺點，且可有效增加探針卡之效率及可靠度與壽命，並可大幅降低成本。

本發明將配合其較佳實施例與隨附之圖示詳述於下。應可理解者為本發明中所有之較佳實施例僅為例示之用，並非用以限制。因此除文中之較佳實施例外，本發明亦可廣泛地應用在其他實施例中。且本發明並不受限於任何實施例，應以隨附之申請專利範圍及其同等領域而定。

以下，將搭配參照相應之圖式，詳細說明依照本發明之探針卡之製造流程。關於本發明新穎概念之更多觀點以及優點，將在以下的說明提出，並且使熟知或具有此領域通常知識者可瞭解其內容並且據以實施。

首先，形成一光阻圖案121於一金屬薄膜120之上，如第一圖所示。其中金屬薄膜120具有複數個開口121a形成於其上。金屬薄膜120例如為科森(Corson)銅合金(C7025,C7026)，科森銅合金的特性為一種高可靠度且高性能的銅合金，經由溫度處理時，該材料得以變的更有硬度及強度且導電率及延伸率增加。

接下來，移除部分金屬薄膜120以形成一金屬薄膜圖案122，例如透過一蝕刻製程完成，如第二圖所示。其中金屬薄膜圖案122仍具有複數個開口121a形成於其上。

然後，金屬薄膜圖案122附著於一基板123之上，如第三圖所示，基板123例如為一玻璃基板。一填充材料(filling material)層124形成於金屬薄膜圖案122之上並填入複數個開口121a之中，如第四圖所示。填充材料(filling material)層124為一介電材料，此介電材料包含但不限定於：彈性介電材料、感光材料、矽介電材料、矽氧烷聚合物(SINR)、聚亞醯胺(PI)或矽樹脂。

之後，透過一微影製程(曝光/顯影)或蝕刻製程，填充材料層124之中形成圖案化填充材料層104於金屬薄膜圖案122之上面及側壁，如第五圖所示。其中填充材料層104具有複數個開口104a形成於其中，複數個開口104a位於金屬薄膜圖案122之上。形成於金屬薄膜圖案122之側壁上的填充材料層104之側壁(side wall)可以為非垂直側壁。開口104a形成於開口121a之中，開口104a之大小略小於開口121a之大小。

接下來，於金屬薄膜圖案122之上的複數個開口104a中填入金屬材料，以形成一柱狀金屬層125，例如透過一電鍍製程以形成柱狀銅層(Cu pillar needle)，如第六圖所示。舉一實施例而言，適當的柱狀金屬層125之長度可以吸收部分的形變或應力，柱狀金屬層125之上表面與填充材料層104之上表面約略平齊(相當)。然後，形成一第一介電層圖案105於柱狀金屬層125之上，如第七圖所示。其中複數個開口105a係透過一微影製程或蝕刻製程形成於第一介電層圖案105之中，複數個開口105a位於柱狀金屬層125之上，暴露柱狀金屬層125。之後，於複數個開口105a中填入金屬材料，以形成一梢端金屬層(tip structure)125a於第一介電層圖案105之上，例如透過一電鍍製程完成梢端鎳/金合金層125a，如第八圖所示。柱狀金屬層125及梢端金屬層125a構成一導電插塞(plug)109，導電插塞109為銅/鎳/金合金結構，其上表面與第一介電層圖案105之上表面約略平齊(相當)。梢端金屬層125a之形成可以利於當進行CP(charge-pumping)量測時，得以避免柱狀金屬層125的扭轉。

接下來，移除基板123，留下基板123之上的結構，如第九圖所示。移除底部之金屬薄膜圖案122而形成一金屬薄膜108，例如透過一蝕刻製程完成，以暴露柱狀金屬層125之底部，如第十圖所示。導電插塞109之上表面及底部表面係暴露者，並且位於金屬薄膜108之開口中而貫穿填充材料層104及第一介電層圖案105。其中柱狀金屬層125形成於填充材料層104之側壁間之間隙(開口104a)中；而梢端金屬層125a形成於第一介電層圖案105之側壁間之間隙(開口105a)中。利用金屬薄膜108的金屬特性以及其四周圍的多層彈性介電層(102、103、104及105)的彈性，適當的金屬薄膜108之厚度可以自適應結構的曲伸及偏斜，並且金屬薄膜108可以透過其形變以適應均勻變化的墊(pad)。

然後，上述結構附著於一基板130之上，其中金屬薄膜結構108朝上而暴露，如第十一圖所示，基板130例如為一玻璃基板。形成第二介電層圖案103於柱狀金屬層125及填充材料層104之上，如第十二圖所示。其中複數個開口103a係透過一微影製程或蝕刻製程形成於第二介電層圖案103之中，複數個開口103a位於柱狀金屬層125之上。之後，形成一重佈層(redistribution layer，RDL)106(亦可稱為導電層106)於柱狀金屬層125及第二介電層圖案103之上、複數個開口103a之中，如第十三圖所示。

接下來，形成一保護層102於重佈層106及第二介電層圖案103之上，如第十四圖所示。保護層102係透過一微影製程或蝕刻製程以形成，保護層102為一介電材料，此介電材料包含但不限定於：彈性介電材料、感光材料、矽介電材料、矽氧烷聚合物(SINR)、聚亞醯胺(PI)或矽樹脂。複數個開口102a形成於保護層102之中，位於重佈層106之上，以暴露重佈層106。然後，於複數個開口102a區域中，形成一金屬墊層(under ball metal，UBM)107於重佈層106之上，並延伸至保護層102之側壁及上表面之上，如第十五圖所示。

之後，移除基板130，留下基板130之上的結構。在此步驟中，需避免上層保護層102之裂開或剝落問題、柱狀銅層125上之金層之剝落問題以及於金層上之任何殘膠(glue residue)。

接下來，上述結構附著於一基板140之上，其中導電插塞109(梢端金屬層125a)及第一介電層圖案105朝上而暴露，如第十六圖所示，基板140例如為一玻璃基板。然後，形成一金屬凸塊(stud bump)110於梢端金屬層125a之上，如第十七圖所示。金屬凸塊110例如為透過一電鍍製程完成之金凸塊(Au stud bump)。之後，形成一光阻圖案141於第一介電層圖案105之上，並暴露金屬凸塊110，其中複數個開口141a區域涵蓋整個金屬凸塊110，如第十八圖所示。

接下來，形成一增強層(reinforcement layer)111於金屬凸塊110及第一介電層圖案105之上，並覆蓋金屬凸塊110，如第十九圖所示。增強層111例如係透過一塗佈或電鍍製程完成之金屬層。然後，移除光阻圖案141。

上述金屬凸塊110類似於探針(needle tip)或探測端之設計，其得以確保成功地接觸焊墊而不會發生任何的錯誤量測。

最後，移除基板140，留下基板140之上的結構，如第二十圖所示，此即完成晶圓級探針卡結構。完成晶圓級探針卡製程之後，利用切割製程(sawing process)得以形成符合單一晶片尺寸之探針卡單元。在上述步驟中，需避免上層第一介電層圖案105之裂開或剝落問題、柱狀銅層125上之金層之剝落問題以及於金屬墊層(UBM)107上之任何殘膠。

如第二十一圖所示，上述晶圓級探針卡結構可以形成於一彈性材料101之上，其中保護層102形成於彈性材料101之上，以利於吸收柱狀金屬層125於形變及位移時的應力。彈性材料101例如為橡膠材料。而彈性材料101形成於一剛性基底(rigid base)100之上。此外，金屬墊層107之下可以形成一焊接凸塊112，焊接凸塊112連接一導線 113，以利於電性連接及測試一待測元件。舉一實施例而言，導線113高度不超過金屬凸塊110之高度。

傳統式探針卡存在諸多缺點，本發明之晶圓級探針卡優於傳統式探針卡，並且具有傳統式探針卡無法預期的效果。

對熟悉此領域技藝者，本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明之精神。在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改與類似的配置，均應包含在下述之申請專利範圍內，此範圍應覆蓋所有類似修改與類似結構，且應做最寬廣的詮釋。

100．．．剛性基底

101．．．彈性材料

102．．．保護層

105．．．第一介電層圖案

103．．．第二介電層圖案

106．．．重佈層

107．．．金屬墊層

108．．．金屬薄膜

109．．．導電插塞

110．．．金屬凸塊

111．．．增強層

112．．．焊接凸塊

113．．．導線

120．．．金屬薄膜

121、141．．．光阻圖案

102a、103a、104a、105a、121a、141a．．．開口

122．．．金屬薄膜圖案

123、130、140．．．基板

104、124．．．填充材料層

125．．．柱狀金屬層

125a．．．梢端金屬層

上述元件，以及本發明其他特徵與優點，藉由閱讀實施方式之內容及其圖式後，將更為明顯：

第一圖係根據本發明之形成一光阻圖案於一金屬薄膜之截面圖。

第二圖係根據本發明之形成一金屬薄膜圖案之截面圖。

第三圖係根據本發明之金屬薄膜圖案附著於一基板之上之截面圖。

第四圖係根據本發明之一填充材料層形成於金屬薄膜圖案之上之截面圖。

第五圖係根據本發明之形成第一介電層圖案於金屬薄膜圖案之上之截面圖。

第六圖係根據本發明之形成一柱狀金屬層於金屬薄膜圖案之上之截面圖。

第七圖係根據本發明之形成一第二介電層圖案於柱狀金屬層之上之截面圖。

第八圖係根據本發明之形成一梢端金屬層於第二介電層圖案之上之截面圖。

第九圖係根據本發明之移除基板之後的結構之截面圖。

第十圖係根據本發明之形成一金屬薄膜之截面圖。

第十一圖係根據本發明之附著於一基板之截面圖。

第十二圖係根據本發明之形成第三介電層圖案於柱狀金屬層之上之截面圖。

第十三圖係根據本發明之形成一重佈層於柱狀金屬層之上之截面圖。

第十四圖係根據本發明之形成一保護層於重佈層之上之截面圖。

第十五圖係根據本發明之形成一金屬墊層於重佈層之上之截面圖。

第十六圖係根據本發明之附著另一基板之截面圖。

第十七圖係根據本發明之形成一金屬凸塊於梢端金屬層之上之截面圖。

第十八圖係根據本發明之形成一光阻圖案於第二介電層圖案之上之截面圖。

第十九圖係根據本發明之形成一增強層於金屬凸塊層之上之截面圖。

第二十圖係根據本發明之探針卡結構之截面圖。

第二十一圖係根據本發明之探針卡結構之截面圖。

102．．．保護層

104．．．填充材料層

105．．．第一介電層圖案

103．．．第二介電層圖案

106．．．重佈層

107．．．金屬墊層

109．．．導電插塞

110．．．金屬凸塊

111．．．增強層

Claims (10)

1. 一種探針卡結構，包含：一金屬薄膜，具有複數個第一開口；一填充材料層，形成於該金屬薄膜之上，具有複數個第二開口；一第一導電層，形成於該複數個第二開口之中；一第一介電層，形成於該填充材料層之上，具有複數個第三開口；一第二導電層，形成於該複數個第三開口之中，耦合該第一導電層；以及一第二介電層，形成於該填充材料層、該第一導電層及該金屬薄膜之下，具有複數個第四開口。
2. 如請求項1之探針卡結構，更包含一金屬凸塊，形成於該第二金屬層之上。
3. 如請求項2之探針卡結構，更包含一增強層，形成於該金屬凸塊之上。
4. 如請求項1之探針卡結構，更包含一重佈層，形成於該複數個第四開口之中及該第二介電層之下，耦合該第一導電層；一保護層，形成於該重佈層之下，具有複數個第五開口。
5. 如請求項4之探針卡結構，更包含一金屬墊層，形成於該複數個第五開口之中及該保護層之下，耦合該重佈層。
6. 如請求項4之探針卡結構，更包含一焊接凸塊，形成於該金屬墊層之下。
7. 如請求項6之探針卡結構，更包含一導線，電性連接該焊接凸塊。
8. 如請求項4之探針卡結構，更包含一彈性材料，形成於該保護層之下。
9. 如請求項8之探針卡結構，更包含一剛性基底，該彈性材料形成於其上。
10. 如請求項1之探針卡結構，其中該第二開口形成於該第一開口之中。